CN111317571A - 一种骨架嵌套可控连续形变机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种骨架嵌套可控连续形变机构，包括柔性中心骨架、外骨架、支撑盘、端盘、第一驱动腱和第二驱动腱，支撑盘和端盘呈一线排列且两个端盘分设于最外侧两端，每个端盘与相邻支撑盘之间以及任意两个相邻支撑盘之间均设有外骨架，柔性中心骨架穿过各个支撑盘和各个外骨架，且所述柔性中心骨架两端分别与两侧最外端的端盘固连，第一驱动腱穿过近端的端盘后与任一支撑盘固连，且所述第一驱动腱穿过该支撑盘与所述近端端盘之间的所有支撑盘和外骨架，第二驱动腱穿过所述近端端盘、各个支撑盘和各个外骨架后与远端的端盘固连。本发明总体尺寸紧凑且具有灵巧的形变能力、良好的外部扭矩抵抗能力和轴向抗压缩能力，并可提供较强的末端载荷能力。

Description

一种骨架嵌套可控连续形变机构
技术领域
本发明涉及一种骨架嵌套可控连续形变机构。
背景技术
连续形变机构在各行各业中的应用非常广泛，可灵活适应复杂的工作空间，比如在现代医学的诊疗过程中，为了实现手术创伤小、降低疼痛感、术后恢复快、外表美观等要求，需要使用连续的形变机构构成手术器械，并且其所具备的灵活自由度以及形变能力对手术微创效果以及手术操作的完成都具有决定意义。
对于应用于微创手术机器人的手术器械而言，末端操作器定位的准确性和稳定性与形变机构的力矩稳定性、调姿准确性与控制精准性有很大的关系，因此微创手术器械的形变机构首先需要保证末端器械控制的可控性，这要求形变机构具有灵活弯曲的特征，其次需要保证末端器械控制的准确性和稳定性，这要求形变机构的驱动腱运动需限制在要求的范围内，最后需要保证末端器械在操作过程中所承受的载荷应当尽可能避免影响形变机构的形态稳定性，这要求形变机构应能够有效抵御外部载荷的变形影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种骨架嵌套可控连续形变机构，总体尺寸紧凑且具有灵巧的形变能力、良好的外部扭矩抵抗能力和轴向抗压缩能力，并可提供较强的末端载荷能力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种骨架嵌套可控连续形变机构，包括柔性中心骨架、外骨架、支撑盘、端盘、第一驱动腱和第二驱动腱，支撑盘和端盘呈一线排列且两个端盘分设于两端，每个端盘与相邻支撑盘之间以及任意两个相邻支撑盘之间均设有外骨架，柔性中心骨架穿过各个支撑盘和各个外骨架，且所述柔性中心骨架两端分别与两侧最外端的端盘连接，第一驱动腱穿过近端的端盘后与任一支撑盘连接，且所述第一驱动腱穿过该支撑盘与所述近端端盘之间的所有支撑盘和外骨架，第二驱动腱穿过所述近端端盘、各个支撑盘和各个外骨架后与远端的端盘连接。
所述柔性中心骨架采用超弹性管、单层多导密绕弹簧或多层反向密绕弹簧制成。
所述支撑盘和端盘中部均设有中通孔，所述支撑盘和端盘上均设有多个通孔。
所述外骨架中部设有中通道，所述外骨架上沿着圆周方向均布有多个腱通道。
所述外骨架由多个波形弹簧呈一线正反交错叠加制成，各个波形弹簧中部的通孔形成所述中通道，所述波形弹簧上沿着圆周方向均布有多个波形弹簧侧通孔，且各个波形弹簧上对应呈一直线的波形弹簧侧通孔形成所述腱通道。
所述外骨架由矩形弹簧制成，所述矩形弹簧中心通孔形成所述中通道，所述矩形弹簧上沿螺旋方向旋转均布多个矩形弹簧侧通孔，且对应呈一直线的矩形弹簧侧通孔形成所述腱通道。
所述外骨架由波纹管制成，所述波纹管中心通孔形成所述中通道，所述波纹管外侧的圆周翅片上均布有多个波纹管侧通孔，且各个圆周翅片上对应呈一直线的波纹管侧通孔形成所述腱通道。
所述外骨架由多个球面盘呈一线正反交错叠加制成，各个球面盘中部的球面盘中心孔形成所述中通道，每个球面盘上沿着圆周方向均布有多个球面盘侧通孔，且各个球面盘上对应呈一直线的球面盘侧通孔形成所述腱通道。
所述外骨架由多个球铰盘依次叠加制成，各个球铰盘中部的球铰盘中心孔形成所述中通道，每个球铰盘上沿着圆周方向均布有多个球铰盘侧通孔，且各个球铰盘上对应呈一直线的球铰盘侧通孔形成所述腱通道。
所述外骨架由多个十字交叉盘呈一线正反交错叠加制成，各个十字交叉盘中部的十字交叉盘中心孔形成所述中通道，每个十字交叉盘上沿着圆周方向均布有多个十字交叉盘侧通孔，且各个十字交叉盘上对应呈一直线的十字交叉盘侧通孔形成所述腱通道。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明通过第一驱动腱带动后半段形变，通过第二驱动腱带动整体形变，整体尺寸紧凑且可实现复杂的空间形变，具有灵巧的形变能力，满足使用要求。
2、本发明设有柔性中心骨架、外骨架和多个支撑盘，其中柔性中心骨架采用超弹性管、单层多导密绕弹簧或多层反向密绕弹簧等材料制成，具有良好的扭矩抵抗能力和轴向抗压缩能力，另外外骨架和各个支撑盘约束所述柔性中心骨架和各个驱动腱，使本发明整体形变可控且可提高较强的末端载荷能力。
3、本发明可应用于医疗、工业、勘探、电力等多个领域，使用范围广泛。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中的I处放大图，
图3为图1中本发明的驱动腱示意图，
图4为图3中的II处放大图，
图5为图1中本发明的动作示意图，
图6为本发明的柔性中心骨架为超弹性管时的示意图，
图7为本发明的柔性中心骨架为单层多导密绕弹簧时的示意图，
图8为本发明的柔性中心骨架为多层反向密绕弹簧时的示意图，
图9为图2中的支撑盘结构示意图，
图10为本发明的外骨架采用波形弹簧时的示意图，
图11为图10中的波形弹簧组合示意图，
图12为本发明的外骨架采用矩形弹簧时的示意图，
图13为图12中的矩形弹簧示意图，
图14为本发明的外骨架采用波纹管时的示意图，
图15为图14中的波纹管示意图，
图16为本发明的外骨架采用球面盘时的示意图，
图17为图16中的球面盘示意图，
图18为本发明的外骨架采用球铰盘时的示意图，
图19为图18中的球铰盘示意图，
图20为本发明的外骨架采用十字交叉盘时的示意图，
图21为图20中的十字交叉盘示意图，
图22为本发明中的驱动腱与支撑盘连接示意图。
其中，1为驱动装置，2为支撑盘，201为中通孔，202为第一腱通孔，203为凹槽，204为第二腱通孔，3为外骨架，301为中通道，4为第一驱动腱，5为第二驱动腱，6为柔性中心骨架，601为超弹性管，602为单层多导密绕弹簧，603为多层反向密绕弹簧，7为波形弹簧，701为波形弹簧侧通孔，8为矩形弹簧，801为矩形弹簧侧通孔，9为波纹管，901为波纹管侧通孔，10为球面盘，101为球面盘中心孔，102为球面盘侧通孔，11为球铰盘，111为球铰盘中心孔，112为球铰盘侧通孔，12为十字交叉盘，121为十字交叉盘中心孔，122为十字交叉盘侧通孔，13为端盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～5所示，本发明包括柔性中心骨架6、外骨架3、支撑盘2、端盘13、第一驱动腱4和第二驱动腱5，支撑盘2和端盘13呈一线排列且两个端盘13分设于两侧最外端，每个端盘13与相邻支撑盘2之间以及任意两个相邻支撑盘2之间均设有外骨架3，柔性中心骨架6穿过各个支撑盘2和各个外骨架3，且所述柔性中心骨架6两端分别与两侧最外端的端盘13固连，如图1所示，第一驱动腱4和第二驱动腱5均由一个驱动装置1中引出并通过所述驱动装置1牵引移动，所述驱动装置1为本领域公知技术，本发明靠近所述驱动装置1一端为近端，远离所述驱动装置1一端为远端，如图3～4，第一驱动腱4引出后穿过近端端盘13后与任一支撑盘2固连，且所述第一驱动腱4穿过该支撑盘2与近端端盘13之间的所有支撑盘2和外骨架3，第二驱动腱5引出后穿过各个支撑盘2和外骨架3后与远端端盘13固连。如图4～5所示，第一驱动腱4移动可带动与其固连的支撑盘2发生多个方向偏转，第二驱动腱4移动可带动远端的端盘13发生多个方向偏转，从而实现本发明的形变，具体实现方式为相对的两个驱动腱为一组，其中一根拉紧同时另一根放松即实现本发明向驱动腱拉紧一侧弯曲。本实施例中，所述第一驱动腱4和第二驱动腱5均为弹性金属(比如弹簧钢)制成，所述支撑盘2和端盘13也采用弹性金属(比如弹簧钢)制成，且腱端部与对应端盘13或对应支撑盘2焊接固连。
如图6～8所示，所述柔性中心骨架6可采用超弹性管601、单层多导密绕弹簧602或多层反向密绕弹簧603制成。本实施例中，所述超弹性管601材质为镍钛合金，所述单层多导密绕弹簧602包括内侧和外侧两个不同旋向的弹簧套装在一起制成，所述多层反向密绕弹簧603包括多层套装在一起的弹簧，且相邻弹簧的旋向不同。
所述支撑盘2和端盘13结构相同，如图9所示，所述支撑盘2和端盘13上均设有供柔性中心骨架6穿过的中通孔201和供腱或其他元件穿过的多个通孔。本实施例中，所述多个通孔包括供第一驱动腱4穿过的第一腱通孔202和供第二驱动腱5穿过的第二腱通孔204，在所述第二腱通孔204一端设有用于容置驱动腱腱端的凹槽203。另外如图22所示，本实施例中，在所述第一驱动腱4或第二驱动腱5端部设有球状嵌合部嵌入对应的凹槽203中实现与支撑盘2的连接。
如图10～21所示，所述外骨架3中部设有供所述柔性中心骨架6穿过的中通道301，所述外骨架3上沿着圆周方向均布有多个腱通道，所述腱通道供所述第一驱动腱4或第二驱动腱5穿过，也可以供其他器械、传感器等通过。
如图10～11所示，所述外骨架3可由多个波形弹簧7呈一线正反交错叠加制成，各个波形弹簧7中部的通孔形成所述中通道301，所述波形弹簧7上沿着圆周方向均布有多个波形弹簧侧通孔701，且各个波形弹簧7上对应呈一直线的波形弹簧侧通孔701形成所述腱通道，所述外骨架3端部的波形弹簧7直接与对应支撑盘2相抵。所述波形弹簧7也可以用等同的蝶形弹簧代替。
如图12～13所示，所述外骨架3可由矩形弹簧8制成，所述矩形弹簧8中心通孔形成所述中通道301，所述矩形弹簧8上沿螺旋方向旋转均布多个矩形弹簧侧通孔801，且沿着所述矩形弹簧8长度方向对应呈一直线的矩形弹簧侧通孔801形成所述腱通道。所述矩形弹簧8端部与对应支撑盘2焊接连接。
如图14～15所示，所述外骨架3可由波纹管9制成，所述波纹管9中心通孔形成所述中通道301，所述波纹管9外侧的圆周翅片上均布有多个波纹管侧通孔901，且各个圆周翅片上对应呈一直线的波纹管侧通孔901形成所述腱通道。所述波纹管9端部与对应支撑盘2焊接连接。
如图16～17所示，所述外骨架3可由多个球面盘10呈一线正反交错叠加制成，各个球面盘10中部的球面盘中心孔101形成所述中通道301，每个球面盘10上沿着圆周方向均布有多个球面盘侧通孔102，且各个球面盘10上对应呈一直线的球面盘侧通孔102形成所述腱通道，所述外骨架3端部的球面盘10直接与对应支撑盘2相抵。
如图18～19所示，所述外骨架3可由多个球铰盘11依次叠加制成，各个球铰盘11中部的球铰盘中心孔111形成所述中通道301，每个球铰盘11上沿着圆周方向均布有多个球铰盘侧通孔112，且各个球铰盘11上对应呈一直线的球铰盘侧通孔112形成所述腱通道，所述外骨架3端部的球铰盘11直接与对应支撑盘2相抵。
如图20～21所示，所述外骨架3可由多个十字交叉盘12呈一线正反交错叠加制成，各个十字交叉盘12中部的十字交叉盘中心孔121形成所述中通道301，每个十字交叉盘12上沿着圆周方向均布有多个十字交叉盘侧通孔122，且各个十字交叉盘12上对应呈一直线的十字交叉盘侧通孔122形成所述腱通道，所述外骨架3端部的十字交叉盘12直接与对应支撑盘2相抵。
本发明的工作原理为：
如图1～5所示，本实施例中包括四根第一驱动腱4和四根第二驱动腱5，第一驱动腱4由驱动装置1引出后穿过近端端盘13后与最中间的支撑盘2固连，且所述第一驱动腱4穿过该支撑盘2与近端端盘13之间所有的支撑盘2和外骨架3，第二驱动腱5由驱动装置1引出后穿过各个支撑盘2和外骨架3后与远端的端盘13固连，第一驱动腱4移动可带动与其固连的支撑盘2发生四个方向偏转，从而引起后半部形变，第二驱动腱4移动可带动远端的端盘13发生四个方向偏转，从而实现本发明整体的形变，具体实现方式为相对的两个驱动腱为一组，其中一根拉紧同时另一根放松即实现本发明向驱动腱拉紧一侧弯曲。所述驱动装置1为本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：包括柔性中心骨架(6)、外骨架(3)、支撑盘(2)、端盘(13)、第一驱动腱(4)和第二驱动腱(5)，支撑盘(2)和端盘(13)呈一线排列且两个端盘(13)分设于两端，每个端盘(13)与相邻支撑盘(2)之间以及任意两个相邻支撑盘(2)之间均设有外骨架(3)，柔性中心骨架(6)穿过各个支撑盘(2)和各个外骨架(3)，且所述柔性中心骨架(6)两端分别与两侧最外端的端盘(13)连接，第一驱动腱(4)穿过近端的端盘(13)后与任一支撑盘(2)连接，且所述第一驱动腱(4)穿过该支撑盘(2)与所述近端端盘(13)之间的所有支撑盘(2)和外骨架(3)，第二驱动腱(5)穿过所述近端端盘(13)、各个支撑盘(2)和各个外骨架(3)后与远端的端盘(13)连接。
2.根据权利要求1所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述柔性中心骨架(6)采用超弹性管(601)、单层多导密绕弹簧(602)或多层反向密绕弹簧(603)制成。
3.根据权利要求1所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述支撑盘(2)和端盘(13)中部均设有中通孔(201)，所述支撑盘(2)和端盘(13)上均设有多个通孔。
4.根据权利要求1所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述外骨架(3)中部设有中通道(301)，所述外骨架(3)上沿着圆周方向均布有多个腱通道。
5.根据权利要求4所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述外骨架(3)由多个波形弹簧(7)呈一线正反交错叠加制成，各个波形弹簧(7)中部的通孔形成所述中通道(301)，所述波形弹簧(7)上沿着圆周方向均布有多个波形弹簧侧通孔(701)，且各个波形弹簧(7)上对应呈一直线的波形弹簧侧通孔(701)形成所述腱通道。
6.根据权利要求4所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述外骨架(3)由矩形弹簧(8)制成，所述矩形弹簧(8)中心通孔形成所述中通道(301)，所述矩形弹簧(8)上沿螺旋方向旋转均布多个矩形弹簧侧通孔(801)，且对应呈一直线的矩形弹簧侧通孔(801)形成所述腱通道。
7.根据权利要求4所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述外骨架(3)由波纹管(9)制成，所述波纹管(9)中心通孔形成所述中通道(301)，所述波纹管(9)外侧的圆周翅片上均布有多个波纹管侧通孔(901)，且各个圆周翅片上对应呈一直线的波纹管侧通孔(901)形成所述腱通道。
8.根据权利要求4所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述外骨架(3)由多个球面盘(10)呈一线正反交错叠加制成，各个球面盘(10)中部的球面盘中心孔(101)形成所述中通道(301)，每个球面盘(10)上沿着圆周方向均布有多个球面盘侧通孔(102)，且各个球面盘(10)上对应呈一直线的球面盘侧通孔(102)形成所述腱通道。
9.根据权利要求4所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述外骨架(3)由多个球铰盘(11)依次叠加制成，各个球铰盘(11)中部的球铰盘中心孔(111)形成所述中通道(301)，每个球铰盘(11)上沿着圆周方向均布有多个球铰盘侧通孔(112)，且各个球铰盘(11)上对应呈一直线的球铰盘侧通孔(112)形成所述腱通道。
10.根据权利要求4所述的骨架嵌套可控连续形变机构，其特征在于：所述外骨架(3)由多个十字交叉盘(12)呈一线正反交错叠加制成，各个十字交叉盘(12)中部的十字交叉盘中心孔(121)形成所述中通道(301)，每个十字交叉盘(12)上沿着圆周方向均布有多个十字交叉盘侧通孔(122)，且各个十字交叉盘(12)上对应呈一直线的十字交叉盘侧通孔(122)形成所述腱通道。
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