CN109895073B - 一种片弹簧驱动的连续体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续体机器人，具体地说是一种片弹簧驱动的连续体机器人，包括初级骨架、二级骨架、片弹簧及盘体，初级骨架贯穿于二级骨架内部并通过固连销钉连接，片弹簧位移变化产生机器人的形状变化，二级骨架区分为第一弯曲段和第二弯曲段，其中，初级骨架包括四片片弹簧和两个弯曲段，每个弯曲段均具有至少三个盘体，片弹簧在两个弯曲段按照规则与盘体和二级骨架固定，从而保证驱动片弹簧位移变化产生相应的形状改变。本发明可实现S弯曲形态，末端可承受较大载荷，机器人结构和驱动相对简单。

Description

一种片弹簧驱动的连续体机器人

技术领域

本发明涉及连续体机器人，具体地说是一种片弹簧驱动的连续体机器人。

背景技术

微创手术在医疗外科领域占有越来越重要的地位，微创手术具有创伤小、恢复快、疼痛感轻和术后美观的优点。由于微创手术操作空间狭小封闭，操作过程精细复杂等特点，微创手术所使用的手术器械相对于传统外科手术有很大的不同，微创手术器械灵巧性更高，用于规避障碍物指向目标靶点；同时微创手术器械在保证灵巧性的前提下应具备一定的末端负载能力，完成拽拉剪切等手术任务。

目前的微创手术器械多展开为C形或者S形，当两支器械协同工作时，可形成一个非干涉的三角形区域从而更好地指向目标靶点及规避障碍物。但目前的微创手术器械实现S弯曲的基础上结构趋向复杂化，从而导致连续体机器人的驱动装置复杂和庞大；在完成S弯曲的基础上，连续体机器人的末端负载能力也往往不足，无法很好的满足微创手术的要求。这些技术障碍都直接对微创手术的发展和进步产生障碍，急需适用器械改善这一状况，满足手术需求。

发明内容

为了克服微创手术器械结构复杂化，驱动装置复杂和庞大，末端负载能力不足等缺点，本发明的目的在于提供一种片弹簧驱动的连续体机器人。该连续体机器人可以实现S弯曲以连续改变形状适应复杂的手术环境，灵巧地完成手术操作；同时提供较大的末端负载能力，完成手术过程的拽拉、牵引等手术操作。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括初级骨架及二级骨架，其中初级骨架贯穿于二级骨架内部，该初级骨架分为至少两个弯曲段，每个弯曲段上均设有至少三个盘体，其中一个弯曲段中的各盘体之间穿设有片弹簧A，另一个弯曲段中的各盘体之间穿设有片弹簧B，两个弯曲段中的各盘体之间分别穿设有片弹簧C及片弹簧D，所述片弹簧A与所述一个弯曲段中最后一个盘体相连，所述片弹簧B与所述另一个弯曲段中的第一个和最后一个盘体相连，所述片弹簧C与两个弯曲段中的第一个和最后一个盘体分别相连，所述片弹簧D与两个弯曲段中所有盘体中的第一个和最后一个相连；所述二级骨架对应各弯曲段的位置为多个关节，每个所述盘体均对应一个关节、且与相对应的关节相连接，每个所述关节轴向的两侧分别设有与相邻关节连接的关节连接件和关节连接槽；

其中：连接体机器人处于直线状态时，所述片弹簧A与片弹簧B共面、并与所述片弹簧C及片弹簧D相互平行，该片弹簧A与片弹簧B位于各盘体轴向截面的同一侧，所述片弹簧D位于各盘体轴向截面的另一侧，所述片弹簧C位于片弹簧D与片弹簧A和片弹簧B之间；

所述盘体的两端及中间均开有供片弹簧穿过的通孔，在各盘体两端的端面上均开设有用于与片弹簧和关节固定连接的销钉孔；所述盘体上设有提供通道的缺口；

所述关节轴向的一侧对称设有至少一组两个关节连接件，另一侧对称设有至少一组两个关节连接槽，该关节连接件与相邻关节上连接的关节连接槽的连接面均为斜面；

所述关节连接件的端面呈优弧形状，该优弧开口端的两侧与关节之间设有连接槽，所述关节连接件及连接槽的连接面均为倾斜方向相同的斜面；所述关节连接槽的形状与关节连接件的形状相对应、为优弧状的槽，该优弧状的槽开口端的两侧与关节形成关节连接块，所述关节连接槽及关节连接块的连接面均为倾斜方向相同的斜面，且与所述关节连接件及连接槽的斜面倾斜方向相同；

一组的两个对称设置的优弧形状的所述关节连接件，圆心之间的连线与所述关节的轴向中心线垂直相交；一组的两个对称设置的优弧形状的所述关节连接槽，圆心之间的连线与所述关节的轴向中心线垂直相交；

各所述弯曲段中的各个关节的轴向长度相等、数量相同；

各所述弯曲段中的各关节的轴向长度相等，其中一个弯曲段中的各关节的数量大于另一个弯曲段中的各关节的数量；

各所述弯曲段中的各关节的数量相同，每个所述弯曲段中的各关节的轴向长度相等，且其中一个弯曲段中的各关节的轴向长度大于另一个弯曲段中的各关节的轴向长度。

本发明的优点与积极效果为：

本发明克服了微创手术器械结构复杂化，驱动装置复杂和庞大，末端负载能力不足等缺点，可以实现S弯曲以连续改变形状适应复杂的手术环境，灵巧的完成手术操作，同时提供较大末端负载能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明去掉部分二级骨架后的立体结构示意图；

图3为本发明初级骨架的立体结构示意图；

图4为本发明盘体的立体结构示意图；

图5为本发明等弯曲段、等关节间距的二级骨架直线状态的立体结构示意图；

图6为本发明等弯曲段、等关节间距的二级骨架弯曲状态的立体结构示意图；

图7为本发明弯曲段非等间距的二级骨架直线状态的立体结构示意图；

图8为本发明弯曲段非等间距的二级骨架弯曲状态的立体结构示意图；

图9为本发明关节非等间距二级骨架直线状态的结构示意图；

图10为本发明本发明关节非等间距二级骨架弯曲状态的结构示意图；

图11为本发明S弯曲形态下的结构示意图；

图12为本发明初级骨架的结构主视图；

图13为本发明关节的立体结构示意图；

其中：1为初级骨架，2为二级骨架，3为片弹簧A，4为盘体，5为片弹簧B，6为片弹簧C，7为片弹簧D，8为通孔A，9为通孔B，10为通孔C，11为销钉孔，12为缺口，13为关节，14为关节连接件，15为连接槽，16为关节连接槽，17为关节连接块，A为第一弯曲段，B为第二弯曲段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～4、11～13所示，本发明包括初级骨架1及中空的二级骨架2，初级骨架1贯穿于二级骨架2内部。

初级骨架1分为至少两个弯曲段，每个弯曲段上均设有至少三个盘体4，其中一个弯曲段中的各盘体4之间穿设有片弹簧A3，另一个弯曲段中的各盘体4之间穿设有片弹簧B5，两个弯曲段中的各盘体4之间分别穿设有片弹簧C6及片弹簧D7，片弹簧A3与一个弯曲段中最后一个盘体4相连，片弹簧B5与另一个弯曲段中的第一个和最后一个盘体4相连，片弹簧C6与两个弯曲段中的第一个和最后一个盘体4分别相连，片弹簧D7与两个弯曲段中所有盘体4中的第一个和最后一个相连。连接体机器人处于直线状态时，片弹簧A3与片弹簧B5共面、并与片弹簧C6及片弹簧D7相互平行，片弹簧A3与片弹簧B5位于各盘体4轴向截面的同一侧，片弹簧D7位于各盘体4轴向截面的另一侧，片弹簧C6位于片弹簧D7与片弹簧A3和片弹簧B5之间的中间位置。本实施例的弯曲段有两个，分别为第一弯曲段A和第二弯曲段B，每个弯曲段设有六个盘体4；片弹簧A3的一端与第一弯曲段A中六个盘体中的最后一个盘体4通过销钉固连、另一端由初级骨架1伸出，片弹簧B5与第二弯曲段B中六个盘体中的第一个和最后一个盘体4通过销钉固连，片弹簧C6的一端与第一弯曲段A中六个盘体中的第一个和最后一个盘体4固连、另一端与第二弯曲段B中六个盘体中的第一个和最后一个盘体A固连，片弹簧D7与第一、二弯曲段A、B中所有盘体中的第一个和最后一个盘体A通过销钉固连。

盘体4的两端及中间等距地分别开有通孔A8、通孔B9及通孔C10，可实现片弹簧的贯穿和滑动；片弹簧A3由第一弯曲段A中六个盘体4上的通孔A8穿过，片弹簧B5由第二弯曲段B中六个盘体4上的通孔A8穿过，片弹簧C6由第一、二弯曲段A、B中所有的盘体4上的通孔B9穿过，片弹簧D7由第一、二弯曲段A、B中所有的盘体4上的通孔C10穿过。在各盘体4两端的端面上均开设有用于与片弹簧和关节13固定连接的销钉孔11。四片片弹簧在两个弯曲段分别与盘体4、二级骨架2固定，从而保证驱动片弹簧位移变化产生相应的形状改变和抗扭转特性。盘体4两侧均为波浪线状，并带有缺口12，可为器械操作、注射、吸引等提供通道，实现其他弯曲机器人或者手术器械驱动丝的通过和操作。

二级骨架2对应各弯曲段的位置为多个关节13，每个盘体4均对应一个关节13、且与相对应的关节13通过销钉固接，但关节13的数量可以等于或大于盘体4的数量。每个关节13轴向的两侧分别设有与相邻关节13连接的关节连接件14和关节连接槽16。任一关节13一侧的关节连接件14与相邻关节13上的关节连接槽16相连，任一关节13另一侧的关节连接槽16与另一个相邻关节13上的关节连接件14相连。关节连接件14的端面呈优弧形状，该优弧开口端的两侧与关节13之间设有连接槽15，关节连接件14及连接槽15的连接面均为倾斜方向相同的斜面。关节连接槽16的形状与关节连接件14的形状相对应、为优弧状的槽，该优弧状的槽开口端的两侧与关节13形成关节连接块17，关节连接槽16及关节连接块17的连接面均为倾斜方向相同的斜面，且与关节连接件14及连接槽15的斜面倾斜方向相同。相邻关节13连接时，关节连接件14插入关节连接槽16中，由于二者连接面为斜面、且倾斜方向相同，保证关节13不会径向掉落；而且，关节连接件14插入关节连接槽16时，关节连接块17插入连接槽15中，由于关节连接件14为优弧形状，故保证关节13之间轴向不会分开。一组的两个对称设置的优弧形状的关节连接件14，圆心之间的连线与关节13的轴向中心线垂直相交。一组的两个对称设置的优弧形状的关节连接槽16，圆心之间的连线与关节13的轴向中心线垂直相交。

本发明的关节13可由激光一体化切割加工从而实现一体成型，精确控制切槽余量实现预期的关节转角及关节数量，关节转角不同、产生不同的弯曲形态；关节13上的销钉孔应与盘体4上的销钉孔同心安装，实现同步的关节转角变化。

本发明的工作原理为：

拉动片弹簧A3，第一弯曲段A发生弯曲、带动片弹簧C6以及片弹簧D7弯曲，导致片弹簧D7整体长度加长，进而导致片弹簧D7在第二弯曲段B内的长度缩短，使得片弹簧D7发生S形弯曲；片弹簧D7同时带动片弹簧C6也发生联动弯曲，从而整体呈现S形状；同时二级骨架2随着初级骨架1的弯曲变形而发生顺应性的变形。

本发明通过改变盘体4间距、第一弯曲段A和第二弯曲段B长度，或者二者交叉混用等变化方式，实现不同形态的弯曲形状，调整局部曲率变化，达到更加顺应特定解剖组织，个性化的适应，具体布置可按照实际要求设计装配。例如：

如图5、图6所示，本发明设计成弯曲段等关节间距二级骨架结构，即第一、二弯曲段A、B中的各关节13的轴向长度相等、数量相同。

本发明除设计成弯曲段等关节间距二级骨架结构外，还可如图7、图8所示，设计成弯曲段非等间距二级骨架结构，即第一、二弯曲段A、B中的各关节13的轴向长度均相等，并且第一弯曲段A中的各关节13的数量(六个)大于第二弯曲段B中的各关节13的数量(四个)。

或者，还可如图9、图10所示，设计成关节非等间距二级骨架结构，即第一、二弯曲段A、B中的各关节13的数量相同，第一弯曲段A中的各关节13的轴向长度相等，第二弯曲段B中的各关节13的轴向长度相等，并且第一弯曲段A中的各关节13的轴向长度大于第二弯曲段B中的各关节13的轴向长度。

Claims (9)

1.一种片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：包括初级骨架(1)及二级骨架(2)，其中初级骨架(1)贯穿于二级骨架(2)内部，该初级骨架(1)分为至少两个弯曲段，每个弯曲段上均设有至少三个盘体(4)，其中一个弯曲段中的各盘体(4)之间穿设有片弹簧A(3)，另一个弯曲段中的各盘体(4)之间穿设有片弹簧B(5)，两个弯曲段中的各盘体(4)之间分别穿设有片弹簧C(6)及片弹簧D(7)，所述片弹簧A(3)与所述一个弯曲段中最后一个盘体(4)相连，所述片弹簧B(5)与所述另一个弯曲段中的第一个和最后一个盘体(4)相连，所述片弹簧C(6)与两个弯曲段中的第一个和最后一个盘体(4)分别相连，所述片弹簧D(7)与两个弯曲段中所有盘体(4)中的第一个和最后一个相连；所述二级骨架(2)对应各弯曲段的位置为多个关节(13)，每个所述盘体(4)均对应一个关节(13)、且与相对应的关节(13)相连接，每个所述关节(13)轴向的两侧分别设有与相邻关节(13)连接的关节连接件(14)和关节连接槽(16)；

连接体机器人处于直线状态时，所述片弹簧A(3)与片弹簧B(5)共面、并与所述片弹簧C(6)及片弹簧D(7)相互平行，该片弹簧A(3)与片弹簧B(5)位于各盘体(4)轴向截面的同一侧，所述片弹簧D(7)位于各盘体(4)轴向截面的另一侧，所述片弹簧C(6)位于片弹簧D(7)与片弹簧A(3)和片弹簧B(5)之间。

2.根据权利要求1所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：所述盘体(4)的两端及中间均开有供片弹簧穿过的通孔，在各盘体(4)两端的端面上均开设有用于与片弹簧和关节(13)固定连接的销钉孔(11)。

3.根据权利要求2所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：所述盘体(4)上设有提供通道的缺口(12)。

4.根据权利要求1所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：所述关节(13)轴向的一侧对称设有至少一组两个关节连接件(14)，另一侧对称设有至少一组两个关节连接槽(16)，该关节连接件(14)与相邻关节(13)上连接的关节连接槽(16)的连接面均为斜面。

5.根据权利要求4所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：所述关节连接件(14)的端面呈优弧形状，该优弧开口端的两侧与关节(13)之间设有连接槽(15)，所述关节连接件(14)及连接槽(15)的连接面均为倾斜方向相同的斜面；所述关节连接槽(16)的形状与关节连接件(14)的形状相对应、为优弧状的槽，该优弧状的槽开口端的两侧与关节(13)形成关节连接块(17)，所述关节连接槽(16)及关节连接块(17)的连接面均为倾斜方向相同的斜面，且与所述关节连接件(14)及连接槽(15)的斜面倾斜方向相同。

6.根据权利要求5所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：一组的两个对称设置的优弧形状的所述关节连接件(14)，圆心之间的连线与所述关节(13)的轴向中心线垂直相交；一组的两个对称设置的优弧形状的所述关节连接槽(16)，圆心之间的连线与所述关节(13)的轴向中心线垂直相交。

7.根据权利要求1所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：各所述弯曲段中的各个关节(13)的轴向长度相等、数量相同。

8.根据权利要求1所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：各所述弯曲段中的各关节(13)的轴向长度相等，其中一个弯曲段中的各关节(13)的数量大于另一个弯曲段中的各关节(13)的数量。

9.根据权利要求1所述片弹簧驱动的连续体机器人，其特征在于：各所述弯曲段中的各关节(13)的数量相同，每个所述弯曲段中的各关节(13)的轴向长度相等，且其中一个弯曲段中的各关节(13)的轴向长度大于另一个弯曲段中的各关节(13)的轴向长度。

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