CN109909992B - 用于内科手术的软体操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于内科手术的软体操作臂，所述软体操作臂包括软体机械臂及固定安装于软体机械臂末端的软体紧固装置，所述软体紧固装置包括固定安装于软体机械臂末端的连接头、安装于连接头内的浮塞、缠绕于连接头外部的缠绕纤维、及安装于连接头端部的端盖，所述连接头内部设有用于夹紧浮塞的气囊，手术器械固定安装于浮塞上，端盖上设有用于贯穿手术器械的孔隙。本发明的软体操作臂为气动驱动，安全柔软不会对身体组织造成二次伤害，同时结构精巧，具有多种自由度、以及稳定紧固和自由收缩刚性手术器材的能力，能够在狭窄的空间完成复杂的内科手术。

Description

用于内科手术的软体操作臂

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，特别是涉及一种用于内科手术的软体操作臂。

背景技术

软体机器人是当今机器人技术的新兴热点和未来发展前沿，与传统刚性机器人相比，表现出了前所未有的适应性、灵敏性和敏捷性，并不断地扩充着机器人的应用领域，是机器人未来发展的主要趋势之一。

软体手术机器人是软体机器人研究的主要方向之一，当前基于线驱和气动驱动方式，开发了多种不同类型的软体机器人。

但是目前开发的各类型软体机器人都是类似于肠镜、内窥镜等，受限于现有的操作臂，只能够完成简单的手术动作。同时由于软体材料低杨氏模量、易变形的特性，导致其负载能力较差，无法承受较大的力。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种用于内科手术的软体操作臂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于内科手术的软体操作臂，其结构精巧，具有刚性手术器械夹持紧固能力，能够在狭窄的空间完成复杂的内科手术。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种用于内科手术的软体操作臂，所述软体操作臂包括软体机械臂及固定安装于软体机械臂末端的软体紧固装置，所述软体紧固装置包括固定安装于软体机械臂末端的连接头、安装于连接头内的浮塞、缠绕于连接头外部的缠绕纤维、及安装于连接头端部的端盖，所述连接头内部设有用于夹紧浮塞的气囊，手术器械固定安装于浮塞上，端盖上设有用于用于贯穿手术器械的孔隙。

作为本发明的进一步改进，所述连接头包括固定安装于软体机械臂末端的底座、固定安装于底座上的外壳、及安装于外壳内的若干气囊，浮塞安装于气囊围设而成的收容空间内，当气囊充气膨胀时将挤压并固定浮塞。

作为本发明的进一步改进，所述缠绕纤维缠绕于外壳周围，缠绕纤维用于当气囊充气时限制气囊向外的径向膨胀。

作为本发明的进一步改进，所述外壳呈圆形，气囊为圆弧形，连接头内形成有由若干内凹的圆弧围设而成的收容空间，浮塞收容于所述收容空间内。

作为本发明的进一步改进，所述浮塞的侧面为内凹的圆弧，浮塞端部设有用于夹持手术器械的夹持孔，所述夹持孔与端盖上的孔隙位于同一轴线上。

作为本发明的进一步改进，所述连接头与浮塞底部之间形成有气室，连接头上设有与气室相连通的充气口，当气室通过充气口充气时推动浮塞向外移动，使手术器械从端盖伸出。

作为本发明的进一步改进，所述软体机械臂包括若干串联设置的弯曲模块、扭转模块及拉伸模块，所述弯曲模块用于在不同气压下发生相应的弯曲变形，所述扭转模块用于在不同气压下发生相应的扭转变形，所述拉伸模块用于在不同气压下发生相应的拉伸变形。

作为本发明的进一步改进，所述弯曲模块包括半圆柱型的第一空腔弹性体及缠绕于第一空腔弹性体上的第一纤维和第二纤维，所述第一空腔弹性体包括半圆柱面和矩形面，所述第一纤维和第二纤维在半圆柱面上垂直于第一空腔弹性体轴线且均匀平行分布，第一纤维和第二纤维在矩形面上相交。

作为本发明的进一步改进，所述扭转模块包括半圆柱型的第二空腔弹性体及缠绕于第二空腔弹性体上的第三纤维，所述第二空腔弹性体包括半圆柱面和矩形面，所述第三纤维在半圆柱面上与第一空腔弹性体轴线呈锐角，第三纤维在矩形面上垂直于第二空腔弹性体轴线且均匀平行分布。

作为本发明的进一步改进，所述拉伸模块包括半圆柱型的第三空腔弹性体及缠绕于第三空腔弹性体上的第四纤维和第五纤维，所述第三空腔弹性体包括半圆柱面和矩形面，所述第四纤维和第五纤维在半圆柱面上相交，第四纤维和第五纤维在矩形面上垂直于第三空腔弹性体轴线且均匀平行分布。

本发明的有益效果是：

本发明的软体机械臂由模块化的变形模块构成，能够根据实际需要进行软体机械臂的重新组装调试，应用范围较广；

软体机械臂由多个半圆形的变形模块串联而成，其结构紧凑精巧，具有多种自由度能够从较小的手术创口中进入人体进行复杂的手术操作；

软体机械臂由纤维增强式软体驱动器构成，充气时具有较大的刚度和负载能力，能够完成复杂的手术动作；

本发明的软体紧固装置能够通过气压驱动，实现任意结构手术器材的夹持紧固；

软体紧固装置外围缠绕有纤维，气囊充气时使得其膨胀变形集中于径向内侧，增大了浮塞的挤压力；

软体紧固装置中设置有内凹的收容空间用于安装浮塞，在气囊充气时增加了浮塞的挤压力，保证了手术器械的夹持紧固性；

软体紧固装置中设置有气室，可以通过正负压的控制，实现手术器械的自动伸缩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施例中软体操作臂的结构示意图；

图2为本发明一具体实施例中软体机械臂的结构示意图；

图3为本发明一具体实施例中第一空腔弹性体的结构示意图；

图4为本发明一具体实施例中第一纤维和第二纤维的缠绕结构示意图；

图5为本发明一具体实施例中第二空腔弹性体的结构示意图；

图6为本发明一具体实施例中第三纤维的缠绕结构示意图；

图7为本发明一具体实施例中第三空腔弹性体的结构示意图；

图8为本发明一具体实施例中第四纤维和第五纤维的缠绕结构示意图；

图9为本发明一具体实施例中软体紧固装置的结构示意图；

图10为本发明一具体实施例中端盖的结构示意图；

图11为本发明一具体实施例中浮塞的结构示意图；

图12为本发明一具体实施例中缠绕纤维的结构示意图；

图13为本发明一具体实施例中连接头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本文使用的例如“左”、“左侧”、“右”、“右侧”、“上”、“下”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“左侧”的单元将位于其他单元或特征“右侧”。因此，示例性术语“左侧”可以囊括左侧和右侧这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

在本文的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

本发明公开了一种用于内科手术的软体操作臂，包括软体机械臂及固定安装于软体机械臂末端的软体紧固装置，软体紧固装置包括固定安装于软体机械臂末端的连接头、安装于连接头内的浮塞、缠绕于连接头外部的缠绕纤维、及安装于连接头端部的端盖，连接头内部设有用于夹紧浮塞的气囊，手术器械固定安装于浮塞上，端盖上设有用于用于贯穿手术器械的孔隙。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参图1所示，本发明一具体实施例中用于内科手术的软体操作臂，包括软体机械臂100及固定安装于软体机械臂末端的软体紧固装置200。

参图2所示，本实施例中的软体机械臂包括若干串联设置的弯曲模块10、扭转模块20及拉伸模块30，弯曲模块10、扭转模块20及拉伸模块30为模块化的软体驱动器。弯曲模块10用于在不同气压下发生相应的弯曲变形，扭转模块20用于在不同气压下发生相应的扭转变形，拉伸模块30用于在不同气压下发生相应的拉伸变形。

本实施例中以一个弯曲模块、一个扭转模块及一个拉伸模块串联为例进行说明，在其他实施例中也可以包括多个弯曲模块和/或多个扭转模块和/或多个拉伸模块，可以根据实际情况进行软体机械臂的组装及调试，应用范围广阔。

参图2并结合图3、图4所示，弯曲模块10能够在不同气压下发生相应的弯曲变形，使得软体机械臂能够向一定的方向产生弯曲。

具体地，弯曲模块10包括半圆柱型的第一空腔弹性体11及缠绕于第一空腔弹性体上的第一纤维12和第二纤维13，第一空腔弹性体11的材料为硅胶。

其中，第一空腔弹性体11包括半圆柱面和矩形面，第一纤维12和第二纤维13相互对称缠绕于第一空腔弹性体11上。

具体地，第一纤维12和第二纤维13在半圆柱面上垂直于第一空腔弹性11体轴线且均匀平行分布，第一纤维12和第二纤维13在矩形面上相交。第一纤维在矩形面上与第一空腔弹性体轴线之间的夹角为第一夹角，第二纤维在矩形面上与第一空腔弹性体轴线之间的夹角为第二夹角，第一夹角和第二夹角之和为180°，且第一夹角为60°～80°，第二夹角为100°～120°。优选地，本实施例中的第一夹角为70°，第二夹角为110°。

参图2并结合图5、图6所示，扭转模块20能够在不同气压下发生相应的扭转变形，使得软体机械臂能够沿一定的方向产生扭转。

具体地，扭转模块20包括半圆柱型的第二空腔弹性体21及缠绕于第二空腔弹性体上的第三纤维22，第二空腔弹性体21的材料为硅胶。

其中，第二空腔弹性体21包括半圆柱面和矩形面，第三纤维22缠绕于第二空腔弹性体21上。

具体地，第三纤维22在半圆柱面上与第一空腔弹性体11轴线呈锐角，第三纤维22在矩形面上垂直于第二空腔弹性体21轴线且均匀平行分布。第三纤维在半圆柱面上与第一空腔弹性体轴线的夹角为50°～70°，优选地，本实施例中的夹角为60°。

参图2并结合图7、图8所示，拉伸模块30能够在不同气压下发生相应的拉伸变形，使得软体机械臂能够向下拉伸变长。

具体地，拉伸模块30包括半圆柱型的第三空腔弹性体31及缠绕于第三空腔弹性体上的第四纤维32和第五纤维33，第三空腔弹性体31的材料为硅胶。

其中，第三空腔弹性体31包括半圆柱面和矩形面，第四纤维32和第五纤维33相互对称缠绕于第三空腔弹性体31上。

具体地，第四纤维32和第五纤维33在半圆柱面上相交，第四纤维32和第五纤维33在矩形面上垂直于第三空腔弹性体轴线且均匀平行分布。第四纤维32在半圆柱面上与第三空腔弹性体31轴线之间的夹角为第三夹角，第五纤维33在半圆柱面上与第三空腔弹性体31轴线之间的夹角为第四夹角，第三夹角和第四夹角之和为180°，且第三夹角为60°～80°，第四夹角为100°～120°。优选地，本实施例中的第三夹角为70°，第四夹角为110°。

本发明中弯曲模块10、扭转模块20及拉伸模块30的气路导管(硅胶导管)全都布置在对应变形模块的气腔内部，降低了对机械臂的干扰，提高了机械臂的控制精度。且弯曲模块10、扭转模块20及拉伸模块30的气腔结构相互独立，在工作时不会发生干扰。

参图9至图13所示，本实施例中的软体紧固装置200包括固定安装于软体机械臂末端的连接头201、安装于连接头内的浮塞202、缠绕于连接头外部的缠绕纤维203、及安装于连接头端部的端盖204。软体紧固装置200可以稳定地紧固所有的手术刀、缝合针等刚性手术器械，并且不工作时可以将手术器械收缩在装置里，起到对软体组织的保护作用。

具体地，参图13所示，连接头201包括固定安装于软体机械臂末端的底座2011、固定安装于底座上的外壳2012、及安装于外壳内的若干气囊2013，浮塞202安装于气囊2013围设而成的收容空间内，当气囊2013充气膨胀时将挤压并固定浮塞。

本实施例中的底座2011呈半圆形，外壳2012呈圆形，气囊2013为圆弧形，外壳2012内设有四瓣圆弧形的气囊，连接头201内形成有由若干内凹的圆弧围设而成的收容空间2014，浮塞202收容于该收容空间2014内。

半圆形的底座2011用于连接软体机械臂，圆形的外壳2012用于封装缠绕纤维203，气囊2013用于夹紧浮塞和手术器械。

参图11所示，浮塞202的侧面为内凹的圆弧，浮塞端部设有用于夹持手术器械的夹持孔2021，夹持孔2021与端盖上的孔隙2041位于同一轴线上。浮塞202安装在连接头201内部，当连接头201中的气囊膨胀时，浮塞四周受力将被完全夹紧。夹持孔2021位于浮塞202中间且呈圆形结构，用于安装手术器械，当浮塞受到挤压时，手术器械将被紧固在浮塞中间。

参图9、图12所示，缠绕纤维203缠绕于连接头201的外壳2012周围，缠绕纤维203用于当气囊充气时限制气囊向外的径向膨胀，增加浮塞的挤压力。

进一步地，连接头201与浮塞202底部之间形成有气室，连接头上设有与气室相连通的充气口，当软体操作臂进入人体到达指定位置后，气室通过充气口充气时推动浮塞向外移动，使手术器械从端盖伸出并开始工作。

参图10所示，端盖204位于连接头201上端，用于限制浮塞202膨胀变形的极限位置，端盖204上设有用于用于贯穿手术器械的孔隙2041，孔隙的结构及大小可以根据不同的手术器械进行设计。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明的软体机械臂由模块化的变形模块构成，能够根据实际需要进行软体机械臂的重新组装调试，应用范围较广；

软体机械臂由多个半圆形的变形模块串联而成，其结构紧凑精巧，具有多种自由度能够从较小的手术创口中进入人体进行复杂的手术操作；

软体机械臂由纤维增强式软体驱动器构成，充气时具有较大的刚度和负载能力，能够完成复杂的手术动作；

本发明的软体紧固装置能够通过气压驱动，实现任意结构手术器材的夹持紧固；

软体紧固装置外围缠绕有纤维，气囊充气时使得其膨胀变形集中于径向内侧，增大了浮塞的挤压力；

软体紧固装置中设置有内凹的收容空间用于安装浮塞，在气囊充气时增加了浮塞的挤压力，保证了手术器械的夹持紧固性；

软体紧固装置中设置有气室，可以通过正负压的控制，实现手术器械的自动伸缩。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于内科手术的软体操作臂，其特征在于，所述软体操作臂包括软体机械臂及固定安装于软体机械臂末端的软体紧固装置，所述软体紧固装置包括固定安装于软体机械臂末端的连接头、安装于连接头内的浮塞、缠绕于连接头外部的缠绕纤维、及安装于连接头端部的端盖，所述连接头内部设有用于夹紧浮塞的气囊，手术器械固定安装于浮塞上，端盖上设有用于贯穿手术器械的孔隙；

所述软体机械臂包括若干串联设置的弯曲模块、扭转模块及拉伸模块，所述弯曲模块用于在不同气压下发生相应的弯曲变形，所述扭转模块用于在不同气压下发生相应的扭转变形，所述拉伸模块用于在不同气压下发生相应的拉伸变形；

所述弯曲模块包括半圆柱型的第一空腔弹性体及缠绕于第一空腔弹性体上的第一纤维和第二纤维，所述第一空腔弹性体包括半圆柱面和矩形面，所述第一纤维和第二纤维在半圆柱面上垂直于第一空腔弹性体轴线且均匀平行分布，第一纤维和第二纤维在矩形面上相交；

所述扭转模块包括半圆柱型的第二空腔弹性体及缠绕于第二空腔弹性体上的第三纤维，所述第二空腔弹性体包括半圆柱面和矩形面，所述第三纤维在半圆柱面上与第一空腔弹性体轴线呈锐角，第三纤维在矩形面上垂直于第二空腔弹性体轴线且均匀平行分布；

所述拉伸模块包括半圆柱型的第三空腔弹性体及缠绕于第三空腔弹性体上的第四纤维和第五纤维，所述第三空腔弹性体包括半圆柱面和矩形面，所述第四纤维和第五纤维在半圆柱面上相交，第四纤维和第五纤维在矩形面上垂直于第三空腔弹性体轴线且均匀平行分布。

2.根据权利要求1所述的用于内科手术的软体操作臂，其特征在于，所述连接头包括固定安装于软体机械臂末端的底座、固定安装于底座上的外壳、及安装于外壳内的若干气囊，浮塞安装于气囊围设而成的收容空间内，当气囊充气膨胀时将挤压并固定浮塞。

3.根据权利要求2所述的用于内科手术的软体操作臂，其特征在于，所述缠绕纤维缠绕于外壳周围，缠绕纤维用于当气囊充气时限制气囊向外的径向膨胀。

4.根据权利要求2所述的用于内科手术的软体操作臂，其特征在于，所述外壳呈圆形，气囊为圆弧形，连接头内形成有由若干内凹的圆弧围设而成的收容空间，浮塞收容于所述收容空间内。

5.根据权利要求4所述的用于内科手术的软体操作臂，其特征在于，所述浮塞的侧面为内凹的圆弧，浮塞端部设有用于夹持手术器械的夹持孔，所述夹持孔与端盖上的孔隙位于同一轴线上。

6.根据权利要求1所述的用于内科手术的软体操作臂，其特征在于，所述连接头与浮塞底部之间形成有气室，连接头上设有与气室相连通的充气口，当气室通过充气口充气时推动浮塞向外移动，使手术器械从端盖伸出。

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