CN111000599B - 一种基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，包括弹性管，所述弹性管为镍钛合金材质，所述弹性管的内腔中设置有温控管，所述温控管的温度能够调节，所述温控管与弹性管间能够发生热交换以改变弹性管的温度，所述弹性管在不同温度下具有不同刚性；所述弹性管的一端安装有末端执行器，所述弹性管中靠近末端执行器的一侧固定设有多个卡线盘，所述卡线盘环套设置在弹性管的外表面，所述卡线盘中沿圆周方向均布设有多个通孔，所述通孔用于穿过驱动丝，每个驱动丝的一端分别与多个卡线盘中的一个固定连接，另一端与驱动装置固定连接；所述驱动装置能够带动驱动丝沿弹性管的轴线方向伸缩或放松，以带动弹性管发生形变。

Description

一种基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人

技术领域

本发明属于手术机器人技术领域，具体涉及一种基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人。

背景技术

二十世纪八十年代以来，微创外科手术的兴起带来了外科手术操作模式的革新。尤其在腹腔镜微创手术中，手术机器人的发展十分迅速；在提高手术机器人末端执行器械部分灵活性及缩减体积的研究中，许多研究人员已经提出了利用连续体蛇形手术机器人来增强手术机器人末端器械的灵活性。

发明人认为，这些蛇形手术机器人的骨架都是弹性骨架，不涉及刚度改变，无法兼顾姿态变化与执行牵拉动作时不同的刚度要求。由此，许多学者提出了“变刚度”的概念，变刚度的实现方式有许多种，其中机械结构变刚度可以采用锁合结构的方法，但这会使执行器械的体积十分庞大，不利于手术器械的轻量化；而材料变刚度方法目前多使用相变合金等来实现刚度改变，但大部分相变合金或是生物亲和性不够，或是不易消毒，并不能很好地满足要求。

同时，在现有蛇形手术机器人中，弹性骨架采用相互连接的多关节支撑，在弹性骨架连续变形的过程中，连续关节之间的接触面容易发生较大的摩擦问题，在长时间使用后，连续关节之间的接触面有可能发生磨损、变形，影响弹性骨架的运动精度。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，能够解决现有蛇形手术机器人中弹性骨架的刚度不能调节，连续关节在长时间使用后会因为摩擦导致运动精度降低的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，包括弹性管，所述弹性管为镍钛合金材质，所述弹性管的一端连接有第一套管，另一端连接有第二套管；在不受外力的情况下，第一套管、弹性管与第二套管同轴设置；

所述弹性管、第一套管和第二套管的内腔中设置有温控管，所述温控管的温度能够调节，所述温控管与弹性管间能够发生热交换以改变弹性管的温度，所述弹性管在不同温度下具有不同刚性；

所述第一套管中远离弹性管的一端安装有末端执行器，所述弹性管中靠近末端执行器的一侧固定设有多个卡线盘，所述卡线盘环套设置在弹性管的外表面，所述卡线盘中沿圆周方向均布设有多个通孔，所述通孔用于穿过驱动丝，每个驱动丝的一端分别与多个卡线盘中的一个固定连接，另一端与驱动装置固定连接；所述驱动装置能够带动驱动丝沿第二套管的的轴线方向伸缩或放松，以带动弹性管发生形变。

进一步，所述卡线盘分成数量相同的两组，靠近末端执行器的一组卡线盘形成第一卡线盘组件，远离末端执行器的一组卡线盘形成第二卡线盘组件，所述驱动丝包括用于驱动第一卡线盘组件的第一驱动丝和用于驱动第二卡线盘组件的第二驱动丝；

所述第一驱动丝与第二驱动丝的数量均为2N个，其中N为大于零的自然数，第一驱动丝依次穿过第二卡线盘组件和第一卡线盘组件中不同卡线盘的通孔后，与第一卡线盘组件中最靠近末端执行器的一个卡线盘固定连接；

所述第二驱动丝依次穿过第二卡线盘组件中不同卡线盘的通孔后，与第二卡线盘组件中最靠近末端执行器的一个卡线盘固定连接。

将卡线盘分为两段可以增加运动的自由度，增强末端的灵活性。

进一步，2N个第一驱动丝与2N个第二驱动丝交错布置，每个卡线盘中通孔的数量为N个，所述通孔在卡线盘上的位置被设置为：

在弹性管的中心轴线为直线的情况下，不同卡线盘中相应位置处的通孔的轴线重合，弹性管外周分别有4N列所述通孔。

进一步，所述温控管为双螺旋金属管，所述双螺旋金属管的入水口和出水口位于弹性管远离末端执行器的一端，所述双螺旋金属管中能够通过不同温度的流体以改变自身温度。

进一步，所述末端执行器包括能够开合的第一钳片和第二钳片，所述第一钳片与第一套管远离弹性管的一端固定连接，所述第二钳片与圆盘固定连接，所述圆盘与第一套管通过固定轴转动连接，所述第二钳片能够在自身沿固定轴转动的过程中完成末端执行器的开合；

所述第二钳片与圆盘固定连接的一端铰接有连杆，所述连杆的另一端转动连接有动轴，所述动轴设置在第一套管的滑槽中，所述动轴能够沿第一滑槽滑动以转化成圆盘的转动。

进一步，所述动轴上连接有第一拉绳的一端，所述第一拉绳的另一端通过驱动装置驱动。所述动轴上连接有第二拉绳的一端，所述第二拉绳的另一端绕过固定轴后通过驱动装置驱动。

进一步，所述第一拉绳与第二拉绳能够穿过第一套管、弹性管和第二套管的内腔。

进一步，所述驱动装置包括多个伺服电机，所述伺服电机的数量为4N+2个，所述伺服电机的输出轴与绕线轮固定连接，绕线轮与伺服电机的输出轴同轴设置，所述绕线轮上缠绕有所述第一驱动丝或第二驱动丝或第一拉绳或第二拉绳。

进一步，所述第二套管靠近驱动装置的一端伸入扣板箱的内腔中，所述扣板箱中安装有所述绕线轮，所述扣板箱的外部设有所述伺服电机，所述伺服电机的输出轴伸入扣板箱的内腔中并分别与绕线轮连接。

本发明的有益效果：

(1)采用镍钛合金材质的弹性管，弹性管与温控管配合使用，使得弹性管在不同温度下表现出不同的刚性，即弹性管在整体具有弹性以便于实现变形的同时，得到设定大小的刚性，以保证弹性管完成牵拉等手术操作时的支撑。

(2)采用在弹性管外部分离设置不同的卡线盘以完成关节的功能，不同的卡线盘之间不发生接触，即不会存在摩擦，卡线盘提供通孔以供驱动丝穿过或固定，通过驱动对卡线盘的拉动，可以使得弹性管整体发生形变以完成末端执行器的姿态变化。

(3)采用双螺旋金属管作为温控管，在双螺旋金属管中流通不同温度流体的情况下，可以改变双螺旋金属管自身的温度，进而通过热交换实现弹性管的温度改变。

(4)采用第一钳片与弹性金属管固定连接，第二钳片与弹性金属管转动连接的方式，使得控制一个钳片就可以完成整个末端执行器的开合操作，减少了控制末端执行器的部件数量。

(5)采用在第二钳片的连杆上安装动轴，并且动轴分别连接第一拉绳与第二拉绳的方式，可以分别通过拉动第一拉绳或第二拉绳完成末端执行器的开合。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例中整体结构示意图；

图2为本发明实施例中末端执行器的示意图；

图3为本发明实施例中第一套管中端部开孔的结构示意图；

图4为本发明实施例中第二钳片与第一套管连接的示意图；

图5为本发明实施例中末端执行器缠绕第一拉绳和第二拉绳的示意图；

图6为本发明实施例中弹性套管及卡线盘的主视图；

图7为本发明实施例中弹性套管的内部具体结构示意图；

图8为本发明实施例中双螺旋铜管的结构示意图；

图9为本发明实施例中卡线盘的结构示意图；

图10为图9中A-A视向的示意图；

图11为本发明实施例中驱动机构的示意图；

图12为本发明实施例中电机安装板的结构示意图；

图13为本发明实施例中电机安装板与扣板箱配合使用的示意图。

图14为本发明实施例中驱动丝的布置图。

图中：1、固定轴；2、钳片；3、连杆；4、动轴；5、第二拉绳； 6、第一拉绳；7、弹性管；8、卡线盘；9、双螺旋金属管；10、入水口；11、出水口；12、轴承；13、取卡扣；14、扣板箱；15、电机安装板；16、卡扣；17、伺服电机；18、扣板盖；19、弹簧；20、绕线轮；21、导线轮；22、支撑架；23、驱动丝；24、第二套管；25、第一套管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供优选的的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式中，如图1-14所示，包括弹性管7，所述弹性管7为镍钛合金材质，所述弹性管7的一端连接有第一套管25，另一端连接有第二套管24；在不受外力的情况下，第一套管25、弹性管7与第二套管24同轴设置；

所述弹性管7、第一套管25和第二套管24的内腔中设置有温控管，所述温控管的温度能够调节，所述温控管与弹性管7间能够发生热交换以改变弹性管7的温度，所述弹性管7在不同温度下具有不同刚性；

所述第一套管25中远离弹性管7的一端安装有末端执行器，所述弹性管7中靠近末端执行器的一侧固定设有多个卡线盘8，所述卡线盘8环套设置在弹性管7的外表面，所述卡线盘8中沿圆周方向均布设有多个通孔，所述通孔用于穿过驱动丝23，每个驱动丝23的一端分别与多个卡线盘8中的一个固定连接，另一端与驱动装置固定连接；所述驱动装置能够带动驱动丝23沿第二套管24的的轴线方向伸缩或放松，以带动弹性管7发生形变。

具体的，本方案中弹性管7为镍钛合金材质作为变刚度材料，其具有良好的生物亲和力，且其在常温下刚度低，高温下刚度高，在大部分的工作时间内都不需要温控管中通高温流体，这同时也消除了流体冲击对控制精度的影响。

本方案中采用卡线盘部件来代替传统相互连接的多关节，相邻卡线盘8之间没有接触，以下对卡线盘8结构以及卡线盘8结构与驱动丝23的连接方式进行详细描述：

所述卡线盘8分成数量相同的两组，靠近末端执行器的一组卡线盘8形成第一卡线盘组件，远离末端执行器的一组卡线盘8形成第二卡线盘组件，所述驱动丝2323包括用于驱动第一卡线盘组件的第一驱动丝和用于驱动第二卡线盘组件的第二驱动丝；

所述第一驱动丝与第二驱动丝的数量均为2N个，其中N为大于零的自然数，第一驱动丝依次穿过第二卡线盘组件和第一卡线盘组件中不同卡线盘8的通孔后，与第一卡线盘组件最靠近末端执行器的一个卡线盘8固定连接；

所述第二驱动丝依次穿过第二卡线盘组件中不同卡线盘8的通孔后，与第二卡线盘组件中最靠近末端执行器的一个卡线盘8固定连接。

2N个第一驱动丝与2N个第二驱动丝交错布置，每个卡线盘8中通孔的数量为N个，所述通孔在卡线盘8上的位置被设置为：

在弹性管7的中心轴线为直线的情况下，不同卡线盘8中相应位置处的通孔的轴线重合，弹性管7外周分别有4N列所述通孔。

本方案中采用温控管来实现弹性管7的温度调节，温控管本身的温度也应方便控制：

在一些实施方式中，所述温控管为双螺旋金属管9，所述双螺旋金属管9的入水口10和出水口11位于弹性管7远离末端执行器的一端，所述双螺旋金属管9中能够通过不同温度的流体以改变自身温度。此处的流体可以为水流，通过不同温度的水流可以实现双螺旋金属管 9的温度调节；在另外一些方式中，在保证气密性、安全性的情况下，可以采用高温或低温气体来实现双螺旋金属管9的温度调节。

在另外一些实施方式中，温控管可以采用除双螺旋金属管9外的其他结构形式，例如双层管的形式，内管用于供水、外管用于回水。其他结构形式的温控管可由本领域技术人员自行设置，此处不做更多赘述。

本方案中末端执行器的具体结构及驱动形式：所述末端执行器包括能够开合的第一钳片和第二钳片2。

需要指出的是，在一些实施方式中，第一钳片和第二钳片2相对的侧面设置切削刃，第一钳片和第二钳片2上设置切削刃可以实现末端执行器的切断功能，但是切削刃并不是完全占据第一钳片和第二钳片2相对的侧面，其相对的侧面保留一段平面，用于实现末端执行器的夹取功能。

所述第一钳片与第一套管25远离弹性管7的一端固定连接，所述第二钳片2与圆盘固定连接，所述圆盘与第一套管25通过固定轴 1转动连接，所述第二钳片2能够在自身沿固定轴1转动的过程中完成末端执行器的开合。

所述第二钳片2与圆盘固定连接的一端铰接有连杆3，所述连杆 3的另一端转动连接有动轴4，所述动轴4设置在第一套管25的滑槽中，所述动轴4能够沿第一滑槽滑动以转化成圆盘的转动。

所述动轴4上连接有第一拉绳6的一端，所述第一拉绳6的另一端通过驱动装置驱动；所述动轴4上连接有第二拉绳5的一端，所述第二拉绳5的另一端绕过固定轴1后通过驱动装置驱动。

具体的，所述第一拉绳6与第二拉绳5能够穿过第一套管25、弹性管7和第二套管24的内腔。

本方案中驱动装置的具体结构形式为：

所述驱动装置包括多个伺服电机17，所述伺服电机17的数量为 4N+2个，所述伺服电机17的输出轴与绕线轮20固定连接，绕线轮 20与伺服电机17的输出轴同轴设置，所述绕线轮20上缠绕有所述第一驱动丝或第二驱动丝或第一拉绳6或第二拉绳5。

所述第二套管24靠近驱动装置的一端伸入扣板箱14的内腔中，所述扣板箱14中安装有所述绕线轮2020，所述扣板箱14的外部设有所述伺服电机17，所述伺服电机1717的输出轴伸入扣板箱14的内腔中并分别与绕线轮20连接。

伺服电机17与电机安装板15和卡扣16固定在手术机器人大臂上。上部的扣板箱14等结构均为可快换的结构。绕线轮20通过底部卡槽与卡扣16间隙连接，而后可随电机转动实现自身的转动。导线轮21由导线轮21支架支撑安装在扣板箱14底板上，可以调整驱动丝23的方向，使输出的驱动丝23具有所需的空间排布。

具体的，所述导线轮21通过支撑架22与扣板箱14的内壁固定连接。具体的，所述绕线轮20的一端通过轴承12转动安装于扣板箱14的侧壁，另一端贯穿扣板箱14的侧壁后与伺服电机17的输出轴通过卡扣16连接。所述扣板箱14包括可拆卸的扣板盖18，所述扣板盖18用于封闭扣板箱14中的开口，所述扣板盖18上通过轴承12安装有所述绕线轮20的一端。

卡扣16主要用于分离扣板箱14与电机安装板15，电机安装板 15上安装的细长卡扣16有一定弹性，可以在电机安装板15上做弹性摆动，在电机安装板15与扣板箱14配合时，可以实现卡死；欲取下电机安装板15，按动取卡扣13，可以使卡扣16向一侧摆动，使其与扣板箱14脱开，顺利将两者分离。

工作原理：所述的伺服电机17固连在机器人主动大臂上，在工作过程中，控制伺服电机17转动，带动绕线轮20转动，从而带动驱动丝23轴向移动。同时，所述的驱动丝23经由换向导轮的换向作用，可以将驱动丝23的方向调整至所需位置，以便实现线驱动。

在需要刚度变化时，可以通入热水或凉水，以实现对镍钛合金管的温度调控。在需要保持较低的刚度时，可以使其保持常温；在需要刚度变高时，可以通过双螺旋铜管通入热水，使镍钛合金的晶格结构变化，使其刚度变高；在需要刚度由高变低时，可以通过双螺旋铜管通入凉水，使温度降低，晶格结构改变，进而降低刚度。

所述的卡线盘8每隔一定间距固定在所述的弹性管7上，可以约束驱动丝23的轨迹。所述第一卡盘组件和第二卡盘组件分别由四条驱动丝23控制，伺服电机17转动驱动相对应的一组驱动丝23(分列于弹性管7两侧的两根驱动丝23，两根驱动丝23关于弹性管7轴线对称布置)分别进行伸长与缩短时，所控制的弹性管7会向设定的方向弯曲。当伺服电机17驱动另一个方向上的一组驱动丝23进行伸长或缩短时，所控制的弹性管7也会发生相应的弯曲。

当两组驱动丝23同时进行伸长或缩短的动作时，产生的弯曲会进行叠加，从而实现空间内任意方向上的弯曲。所述的弹性管7经过第一卡盘组件与第二卡盘组件造成的弯曲叠加，可以实现末端执行器在空间内任一点的定位。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，其特征在于，包括弹性管，所述弹性管为镍钛合金材质，所述弹性管的一端连接有第一套管，另一端连接有第二套管；在不受外力的情况下，第一套管、弹性管与第二套管同轴设置；

所述弹性管、第一套管和第二套管的内腔中设置有温控管，所述温控管的温度能够调节，所述温控管与弹性管间能够发生热交换以改变弹性管的温度，所述弹性管在不同温度下具有不同刚性；

所述第一套管中远离弹性管的一端安装有末端执行器，所述弹性管中靠近末端执行器的一侧固定设有多个卡线盘，所述卡线盘环套设置在弹性管的外表面，所述卡线盘中沿圆周方向均布设有多个通孔，所述通孔用于穿过驱动丝，每个驱动丝的一端分别与多个卡线盘中的一个固定连接，另一端与驱动装置固定连接；所述驱动装置能够带动驱动丝沿第二套管的轴线方向伸缩或放松，以带动弹性管发生形变；

所述末端执行器包括能够开合的第一钳片和第二钳片，所述第一钳片与第一套管远离弹性管的一端固定连接，所述第二钳片与圆盘固定连接，所述圆盘与第一套管通过固定轴转动连接，所述第二钳片能够在自身沿固定轴转动的过程中完成末端执行器的开合；

所述第二钳片与圆盘固定连接的一端铰接有连杆，所述连杆的另一端转动连接有动轴，所述动轴设置在第一套管的滑槽中，所述动轴能够沿第一滑槽滑动以转化成圆盘的转动；

所述动轴上连接有第一拉绳的一端，所述第一拉绳的另一端通过驱动装置驱动；

所述动轴上连接有第二拉绳的一端，所述第二拉绳的另一端绕过固定轴后通过驱动装置驱动。

2.根据权利要求1所述的基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，其特征在于，所述卡线盘分成数量相同的两组，靠近末端执行器的一组卡线盘形成第一卡线盘组件，远离末端执行器的一组卡线盘形成第二卡线盘组件，所述驱动丝包括用于驱动第一卡线盘组件的第一驱动丝和用于驱动第二卡线盘组件的第二驱动丝；

所述第一驱动丝与第二驱动丝的数量均为2N 个，其中N为大于零的自然数，第一驱动丝依次穿过第二卡线盘组件和第一卡线盘组件中不同卡线盘的通孔后，与第一卡线盘组件中最靠近末端执行器的一个卡线盘固定连接；

所述第二驱动丝依次穿过第二卡线盘组件中不同卡线盘的通孔后，与第二卡线盘组件中最靠近末端执行器的一个卡线盘固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，其特征在于，2N个第一驱动丝与2N个第二驱动丝交错布置，每个卡线盘中通孔的数量为N个，所述通孔在卡线盘上的位置被设置为：

在弹性管的中心轴线为直线的情况下，不同卡线盘中相应位置处的通孔的轴线重合，弹性管外周分别有4N列所述通孔。

4.根据权利要求1所述的基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，其特征在于，所述温控管为双螺旋金属管，所述双螺旋金属管的入水口和出水口位于弹性管远离末端执行器的一端，所述双螺旋金属管中能够通过不同温度的流体以改变自身温度。

5.根据权利要求1所述的基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，其特征在于，所述第一拉绳与第二拉绳能够穿过第一套管、弹性管和第二套管的内腔。

6.根据权利要求5所述的基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，其特征在于，所述驱动装置包括多个伺服电机，所述伺服电机的数量为4N+2个，所述伺服电机的输出轴与绕线轮固定连接，绕线轮与伺服电机的输出轴同轴设置，所述绕线轮上缠绕有所述第一驱动丝或第二驱动丝或第一拉绳或第二拉绳。

7.根据权利要求6所述的基于镍钛合金骨架的变刚度蛇形手术机器人，其特征在于，所述第一套管靠近驱动装置的一端伸入扣板箱的内腔中，所述扣板箱中安装有所述绕线轮，所述扣板箱的外部设有所述伺服电机，所述伺服电机的输出轴伸入扣板箱的内腔中并分别与绕线轮连接。

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