CN110325099B - 导丝驱动式机械手 - Google Patents

Abstract

一种导丝驱动式机械手，包括多个柔性构件、配置成驱动所述多个柔性构件的驱动单元、以及包括远端构件和至少一个引导构件的至少一个可弯曲部，引导构件设置成比远端构件更靠近驱动单元。可弯曲部配置成通过驱动多个柔性构件而弯曲。所述多个柔性构件连接到远端构件。所述多个柔性构件中的至少一个柔性构件也连接到引导构件。所述多个柔性构件中的其他柔性构件配置成可相对于引导构件滑动。

Description

导丝驱动式机械手

技术领域

本公开涉及导丝驱动式机械手，可用在内窥镜可弯曲区段中。

背景技术

在内窥镜设备领域中，已知一种柔性内窥镜，其中，可以操控要插入受检者体内的远端的曲率。在NPL.1中公开了一种也适用于柔性内窥镜的连续体式机械手。NPL.1公开了连续体式机械手的结构，其包括多个柔性构件、多个间隔构件(间隔盘)、远端构件(端盘)和支撑构件(底盘)。根据NPL.1，三个柔性构件仅连接到远端构件，并相对于间隔构件和支撑构件滑动。通过推拉三个柔性构件，连续体式机械手可以弯曲。

引用列表

非专利文献

NPL 1：K.Xu，M.Fu和J.Zhao，“An Experimental Kinestatic Comparisonbetween Continuum Manipulators with Structural Variations”(连续体式机械手结构差异的实验性动静态比较)，IEEE国际机器人与自动化会议(ICRA)，中国香港，2014，第3258﹣3264页。

发明内容

技术问题

然而，柔性构件没有固定到间隔构件，并且相对于间隔构件摩擦滑动，使得间隔构件和柔性构件的相对位置发生改变。因此，驱动柔性构件会使柔性构件和间隔构件之间的相对位置发生偏移，从而损害可弯曲区段的驱动再现性。低驱动再现性导致在控制机械手姿态时出现错误。

本公开提高了可弯曲区段姿态的控制精度。

问题解决方案

根据本公开一方面的导丝驱动式机械手包括多个柔性构件、配置成驱动多个柔性构件的驱动单元、以及包括远端构件和至少一个引导构件的至少一个可弯曲部，引导构件布置成比远端构件更靠近驱动单元。可弯曲部配置成通过驱动所述多个柔性构件而弯曲。所述多个柔性构件连接到远端构件。所述多个柔性构件中的至少一个柔性构件也连接到引导构件。所述多个柔性构件中的其他柔性构件配置成可相对于引导构件滑动。

发明有益效果

本公开提供了一种导丝驱动式机械手，有利于提高可弯曲区段姿态的控制精度。

根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本公开的其他特征将变得明显。

附图说明

图1A是根据本公开第一实施例的导丝驱动式机械手的立体图，示出了导丝驱动式机械手的构造；

图1B是除驱动单元之外的导丝驱动式机械手的构造的放大图；

图2是根据第一实施例的远端构件的立体图；

图3A是根据第一实施例的引导构件的立体图；

图3B是引导构件的平面图；

图4是根据第一实施例的导丝驱动式机械手的立体图，示出了弯曲状态；

图5是根据第一实施例的导丝驱动式机械手的平面图，示出了弯曲状态；

图6是根据本公开第二实施例的导丝驱动式机械手的立体图，示出了导丝驱动式机械手的构造；

图7是根据第二实施例的远端构件的立体图；

图8是根据第二实施例的引导构件的立体图；

图9是根据本公开第三实施例的导丝驱动式机械手的立体图，示出了导丝驱动式机械手的构造；

图10是根据第三实施例的导丝驱动式机械手的剖视图，示出了导丝驱动式机械手的构造。

具体实施方式

下文将参考附图描述本公开的实施例。

【第一实施例】

首先，将描述根据本公开第一实施例的导丝驱动式机械手1。图1A是根据本实施例的导丝驱动式机械手1的立体图，示出了导丝驱动式机械手的整体构造。图1B是除了驱动单元7之外的构造的放大图。根据本实施例的导丝驱动式机械手1包括作为可弯曲部的可弯曲区段6、支撑可弯曲区段6的支撑构件5以及驱动单元7。通过沿图1A和图1B中的Z轴移动导丝驱动式机械手1，导丝驱动式机械手1可以进入到例如体腔或从体腔缩回。此移动可以由操作者手动执行，或者导丝驱动式机械手1可以放置在机械台上并且操作可以由计算机等控制。

导丝驱动式机械手1整体为管状结构，其中，工具(例如纤维镜)可以穿过管的中空部。

可弯曲区段6包括柔性构件2a、2b和2c、远端构件3和引导构件4。

柔性构件2a、2b和2c是沿图中Z轴延伸的柔性构件。柔性构件2a、2b和2c在Z轴正方向上的远端处连接到远端构件3，而在Z轴负方向上的近端处连接到驱动单元7。柔性构件2a、2b和2c可以是金属丝，例如钢琴丝、不锈钢丝或镍钛合金丝。

图2示出了远端构件3的构造。远端构件3为环形(在这种情况下为圆形)，以图2中的Z轴为中心轴线；并且，远端构件3具有固定孔11，柔性构件2a、2b和2c连接到固定孔11。柔性构件2a、2b和2c通过粘接、销接、螺接等方式连接到固定孔11。考虑到对称性，固定孔11围绕圆环中心以120°的间隔设置。即使用于控制可弯曲区段6弯曲运动的柔性构件的数量不是三个，固定孔11也可以类似地以等角度间隔设置。

图3A是每个引导构件4的立体图，图3B是引导构件4的X﹣Y平面图。引导构件4为环形，以图中的Z轴为中心轴线，正如远端构件3那样。引导构件4具有沿Z轴方向贯穿的两个引导孔8和一个固定孔11。柔性构件2a、2b和2c中的一些穿过两个引导孔8。柔性构件2a、2b和2c中不穿过引导孔8的那一个柔性构件固定到固定孔11。这里，将描述柔性构件2a固定到固定孔11并且柔性构件2b和2c穿过引导孔8的构造。每个引导孔8均具有可供柔性构件2b或2c滑动通过的开口，而穿过固定孔11的柔性构件2a固定到固定孔11，使得引导构件4随着柔性构件2a运动而移动。固定孔11的开口可以比引导孔8窄以便柔性构件2a固定到其上，或者柔性构件2a可以通过粘接、销接、螺接或其他方式固定。引导构件4可以由具有小摩擦系数的构件制成，例如树脂，这是因为引导孔8接触柔性构件2b和2c。如图3B所示，每个引导构件4的两个引导孔8和一个固定孔11设置在等边三角形的顶点处，该等边三角形内接在距引导构件4中心为半径r的圆中，并且固定孔11位于Y轴上。换句话说，三个柔性构件2a、2b和2c处于彼此等距的位置。

支撑构件5为管状，以图1A和图1B中的Z轴作为中心轴线，并且支撑构件5具有在Z轴方向上贯穿的孔，以允许柔性构件2a、2b和2c穿过，正如引导构件4那样。柔性构件2a、2b和2c可以滑动通过支撑构件5中的通孔。支撑构件5的功能是：当沿着Z轴方向驱动柔性构件2a、2b和2c时，防止穿过支撑构件5的柔性构件2a、2b和2c屈曲，以便力有效地传递到可弯曲区段6。

可弯曲区段6是在Z轴正方向上从远端构件3到支撑构件5远端的区段，并且当驱动柔性构件2a、2b和2c时弯曲。如上所述，可弯曲区段6包括设置在远端的远端构件3和设置成比远端构件3更靠近驱动单元的引导构件4。可弯曲区段6配置成通过驱动柔性构件2a、2b和2c(多个柔性构件)而弯曲。柔性构件2a至2c连接至远端构件3，其中，柔性构件2a也连接至引导构件4，并且柔性构件2b和2c可相对于引导构件4的引导孔8滑动。这种构造允许各引导构件4之间的距离在可弯曲区段6弯曲时也保持恒定，从而提供对可弯曲区段6的姿态的精确控制。

驱动单元7具有能够在图1A和图1B中的Z轴方向上分别独立地推拉各柔性构件2a、2b和2c的机构。柔性构件2a、2b和2c都是在Z轴负方向上的近端处连接到驱动单元7，以便在Z轴方向上被推拉。驱动单元7包括例如致动器，并且通过柔性构件致动器的操作向柔性构件2a、2b和2c提供驱动力。每个致动器的操作由计算机等控制。

接下来，将描述当驱动柔性构件2a、2b和2c时导丝驱动式机械手1的弯曲运动。在导丝驱动式机械手1的弯曲运动的一个示例中，图4是导丝驱动式机械手1的立体图，示出了当柔性构件2a没有位移并且柔性构件2b和2c被驱动沿z轴正方向位移d时图1A和图1B中可弯曲区段6的弯曲状态，图5是Y﹣Z平面图。

参照图5，当可弯曲区段6在保持曲率恒定的同时在Y﹣Z平面中弯曲时，获得以下关系表达式。

ra×θ＝L(式1)

rb×θ＝L+d(式2)

rc×θ＝L+d(式3)

其中，ra、rb和rc分别是柔性构件2a、2b和2c的曲率半径，θ是驱动后远端构件3的角度变化，L是驱动前可弯曲区段6的长度。

参照图3B，投影到Y﹣Z平面上的固定孔11和两引导孔8之间的距离均为3r/2，

ra＝rb﹣3r/2＝rc﹣3r/2(式4)

因此，从式1、2、3和4获得以下关系。

θ＝2d/3r(式5)

在上述示例中，通过在柔性构件2a固定的情况下朝Z轴正方向上驱动柔性构件2b和2c，可弯曲区段6在Y﹣Z平面中弯曲。类似地，在柔性构件2a固定的情况下当把柔性构件2b和2c分别朝Z轴正方向和Z轴负方向驱动位移d时，可弯曲区段6可以在X﹣Z平面中弯曲。类似于Y﹣Z平面中的变形，获得以下关系表达式。

ra×θ＝L(式6)

rb×θ＝L+d(式7)

rc×θ＝L﹣d(式8)

其中，ra、rb和rc分别是柔性构件2a、2b和2c的曲率半径，θ是驱动后远端构件3的角度变化，L是驱动前可弯曲区段6的长度。因此，从式6、7、8和9获得以下关系。

此外，可弯曲区段6可以在包含Z轴的任何平面中弯曲，这取决于柔性构件2b和2c的驱动量的组合。驱动三个柔性构件2中的仅两个就足以控制远端构件3的姿态。结果，因为一个柔性构件2不被驱动而两个柔性构件2被驱动，所以可以减小驱动单元7的尺寸。在这种构造的情况下，不被驱动的柔性构件2可以不连接到致动器，而是可以固定到固定构件。固定构件的示例包括驱动单元7的壳体或与驱动单元7分开的支撑构件。固定方法可以是任何方法，例如粘接或将柔性构件2钩在突出部(例如钩子)上。不被驱动的柔性构件2可以连接在引导构件4的引导孔8中。在预先确定了导丝驱动式机械手1要弯曲的方向的情况下，三个柔性构件2中的两个可以不被驱动，而是只有一个可被驱动。替代地，可以单独设置用于使导丝驱动式机械手1围绕Z轴旋转的机构，利用该机构，可以通过仅操作一个柔性构件2而使可弯曲区段6在任何方向上弯曲。在这种情况下，三个柔性构件2中的两个可以固定到引导构件4。例如，不被驱动单元7驱动的柔性构件2固定到引导构件4，由驱动单元7驱动的柔性构件2则因未固定到引导构件4而滑动。换句话说，多个柔性构件2的一部分连接到远端构件3和引导构件4，另一个柔性构件2连接到远端构件3并且相对于引导构件4可滑动。

引导构件4具有约束柔性构件2的功能，以在可弯曲区段6弯曲时防止柔性构件2屈曲，以便通过保持柔性构件之间的间隔来保持可弯曲区段6的曲率恒定。因此，通过增加可弯曲区段6中引导构件4的数量，易于防止屈曲。然而，当柔性构件2沿Z轴负方向被驱动时，可弯曲区段6中柔性构件2的长度减小，使得相邻引导构件4之间的间隔减小。因此，过度增加引导构件4的数量会使相邻的引导构件4彼此机械地干涉。为了防止柔性构件2屈曲、使可弯曲区段6的曲率恒定、并且防止各引导构件4之间的干涉，导丝驱动式机械手1可以配置成满足由式11表示的关系。

L﹣D<Tt+Tg×Ng(式11)

其中，L是在驱动前可弯曲区段6的长度，D是柔性构件2的最大驱动量，Tt是远端构件3在Z轴方向上的厚度，Tg是引导构件4在Z轴方向上的厚度，Ng是可弯曲区段6中引导构件4的数量。

通过将引导构件4固定到多个柔性构件2中的一个，当可弯曲区段6弯曲时，各引导构件4之间的间隔可以保持恒定，以便可以提高可弯曲区段6的驱动再现性。这允许可弯曲区段6的曲率保持恒定，从而改善了当驱动柔性构件2时对可弯曲区段6的控制性能。此外，保持相邻引导构件4之间的间隔可防止各引导构件4之间的机械干涉。

【第二实施例】

将参照图6描述根据本公开第二实施例的导丝驱动式机械手。在第一实施例中，导丝驱动式机械手1仅包括一个可弯曲区段6。在本实施例中，导丝驱动式机械手1包括多个可弯曲区段6a和6b。在本实施例中，可弯曲区段6a和6b的弯曲运动由三个柔性构件控制，如第一实施例中那样。

图6中所示的导丝驱动式机械手1包括位于可弯曲区段6a和6b各自远端处的远端构件3a和3b。三个柔性构件2连接到每个远端构件3a和3b。每个引导构件4b具有三个引导孔8，连接到远端构件3b的柔性构件2穿过引导孔8。三个柔性构件2中的一个连接到引导孔8中的一个，另外两个可在其他引导孔8中滑动。

图7是远端构件3a的立体图。远端构件3a具有三个引导孔8和三个固定孔11。用于控制可弯曲区段6b的弯曲运动的柔性构件2可滑动地穿过引导孔8，并且用于控制可弯曲区段6a的弯曲运动的柔性构件2固定到固定孔11。在本实施例中，连接到固定孔11的柔性构件2在远端处连接到固定孔11。

图8是构成可弯曲区段6a的每个引导构件4a的立体图。引导构件4a具有五个引导孔8和一个固定孔11。同样，在这种情况下，控制可弯曲区段6a的弯曲运动的三个柔性构件2中的一个固定到每个引导构件4a的固定孔11。其他柔性构件2可滑动地穿过引导孔8。

如第一实施例那样，支撑构件5具有通孔，使得所有柔性构件2都可以滑动穿过。柔性构件2在与远端构件3a和3b相反的近端处连接到驱动单元7(未示出)，并且可以被独立地驱动。驱动连接到远端构件3a和3b的三个柔性构件2中的至少两个，可允许可弯曲区段6a和6b在包含Z轴的任何平面中弯曲。另一个柔性构件2可以固定到驱动单元7的内部，以便不被驱动。

接下来，将描述包括多个可弯曲区段6a和6b的导丝驱动式机械手1的驱动。

当连接到远端构件3a的柔性构件2不被驱动而是连接到远端构件3b的柔性构件2被驱动时，由于可弯曲区段6a的形状受到连接到远端构件3a的柔性构件2的限制，远端构件3a的姿态不改变并且仅可弯曲区段6a的形状改变。远端构件3b的姿态取决于连接到远端构件3b的柔性构件2的驱动量。此时的姿态变化与第一实施例中的相似，并且将省略描述。

如果仅驱动连接到远端构件3a的柔性构件2，则连接到远端构件3b的柔性构件2在可弯曲区段6a中滑动。这不会影响远端构件3a的姿态，从而可以如第一实施例那样控制远端构件3a的姿态。远端构件3b的姿态不会改变，这是因为它受到连接到远端构件3b的柔性构件2的约束。

以上是驱动连接到远端构件3a和3b中的任一个的柔性构件2的情况的描述。当要驱动所有柔性构件2时，可以根据连接到远端构件3a和3b的柔性构件2的驱动量来独立地分别确定远端构件3a和3b的姿态。

同样，本实施例通过将引导构件4b固定到连接到远端构件3b的柔性构件2来防止引导构件4b和远端构件3a之间的机械干涉，从而减小了可弯曲区段6a和可弯曲区段6b之间的反作用力。这提高了分别独立驱动可弯曲区段6a和6b的驱动精度。

尽管这里已经描述了包括两个可弯曲区段6a和6b的构造，但是可弯曲区段的数量可以是三个以上。

【第三实施例】

将参考图9和图10描述根据本公开第三实施例的导丝驱动式机械手。如图9所示，根据本实施例的导丝驱动式机械手包括外盖9和内盖10。图10是图9所示导丝驱动式机械手的Y﹣Z剖视图。

外盖9和内盖10配置成分别覆盖柔性构件2、远端构件3、引导构件4和支撑构件5的外侧和内侧。外盖9和内盖10具有保护导丝驱动式机械手并减少其摩擦的功能。例如，当导丝驱动式机械手要侵入活体体腔时，外盖9和内盖10的存在防止了部件(例如远端构件3和引导构件4)直接接触活体。

外盖9和内盖10可以具有柔性结构，例如波纹管状树脂结构，或者可以由低弹性材料制成，例如橡胶。外盖9和内盖10均固定到远端构件3、引导构件4和支撑构件5的至少一部分。外盖9和内盖10可以与远端构件3、引导构件4和支撑构件5形成为一体，此外，外盖9和内盖10可以形成为一体。在这种情况下，一体化可以减小可弯曲区段6的厚度。也可以覆盖远端构件3的远端，使得可以保护整个可弯曲区段6免受污染。作为盖构件的外盖9和内盖10可以从导丝驱动式机械手1拆卸。

外盖9和内盖10可具有比包括柔性构件2、远端构件3和引导构件4的结构的弯曲刚度足够低的弯曲刚度，以便不妨碍可弯曲区段6的弯曲运动。

由于引导构件4固定到多个柔性构件2中的任何一个，因此可弯曲区段6的相对位置不会因来自外盖9和内盖10的外力或摩擦的影响而改变，使得可弯曲区段6的曲率可以保持恒定，并且可以提高驱动再现性。

已经使用具体示例描述了本公开的实施例，应当理解的是本公开不限于这些实施例，并且在不脱离本发明技术实质的情况下，可以对多个实施例进行各种改变和组合。

其他实施例

本发明的实施例还可以通过以下方式来实现：系统或设备的计算机，其读出并执行记录在存储介质(也可以更完整地称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如一个或多个程序)，以执行上述一个或多个实施例的功能，和/或计算机包括一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))，以执行上述一个或多个实施例的功能；以及由上述系统或设备的计算机执行的方法，例如，从存储介质读出并执行计算机可执行指令以执行一个或多个上述实施例的功能，和/或控制所述一个或多个电路以执行上述一个或多个实施例的功能。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))，并且可以包括由各个计算机或各个处理器组成的网络，以读出和执行计算机可执行指令。可以例如从网络或存储介质将计算机可执行指令提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储器、光盘(例如光碟(CD))、数字化通用光盘(DVD)或蓝光光盘(BD)^TM)、闪存设备、存储卡等中的一种或多种。

附图标记引用列表

1 导丝驱动式机械手

2 柔性构件

3 远端构件

4 引导构件

5 支撑构件

6 可弯曲区段

7 驱动单元

8 引导孔

9 外盖

10 内盖

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应赋予最广义的解释，以涵盖所有变型以及等同的结构和功能。

本申请要求2017年2月28日提交的日本专利申请No.2017﹣037715的优先权，其全部内容通过引用并入于此。

Claims (6)

1.一种导丝驱动式机械手，包括：

支撑构件；

第一可弯曲部，第一可弯曲部包括第一远端构件、至少一个第一引导构件和多个第一柔性构件，每个第一柔性构件的一端连接到第一远端构件并且另一端延伸穿过第一引导构件，第一可弯曲部配置成能够弯曲；

第二可弯曲部，第二可弯曲部包括第二远端构件、至少一个第二引导构件和多个第二柔性构件，每个第二柔性构件的一端连接到第二远端构件并且另一端延伸穿过第二引导构件，第二可弯曲部设置成与第一可弯曲部串联、设置在支撑构件和第一可弯曲部之间、并配置成能够弯曲；

驱动单元，配置成驱动第一可弯曲部的第一柔性构件和第二可弯曲部的第二柔性构件从而驱动第一可弯曲部和第二可弯曲部；

其中，第一可弯曲部的一个或一些第一柔性构件相对于第一引导构件是固定的，而其余的第一柔性构件能够相对于第一可弯曲部的第一引导构件滑动，

其中，第二可弯曲部的一个或一些第二柔性构件相对于第二引导构件是固定的，而其余的第二柔性构件能够相对于第二可弯曲部的第二引导构件滑动，

其中，第一可弯曲部的全部第一柔性构件还延伸穿过第二可弯曲部的第二远端构件和第二引导构件并且能够相对于第二可弯曲部的第二远端构件和第二引导构件滑动，并且

其中，第二可弯曲部的所述多个第二柔性构件不穿过第一可弯曲部的第一引导构件。

2.根据权利要求1所述的导丝驱动式机械手，其中，驱动单元不驱动第一可弯曲部的所述一个或一些第一柔性构件，而是驱动第一可弯曲部的其他一个或一些第一柔性构件；驱动单元不驱动第二可弯曲部的所述一个或一些第二柔性构件，而是驱动第二可弯曲部的其他一个或一些第二柔性构件。

3.根据权利要求2所述的导丝驱动式机械手，其中，第一可弯曲部的所述一个或一些第一柔性构件和第二可弯曲部的所述一个或一些第二柔性构件在它们的另一端固定到固定构件。

4.根据权利要求1或2所述的导丝驱动式机械手，其中，第一可弯曲部的所述多个第一柔性构件和第二可弯曲部的所述多个第二柔性构件都包括以等间隔设置的三个柔性构件。

5.根据权利要求1或2所述的导丝驱动式机械手，还包括覆盖第一可弯曲部和第二可弯曲部的盖构件。

6.根据权利要求5所述的导丝驱动式机械手，其中，盖构件的弯曲刚度低于第一可弯曲部和第二可弯曲部的弯曲刚度。

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