CN111407411A - 一种微细操作臂系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微细操作臂系统及其控制方法，该微细操作臂采用的支撑单元和弯曲结构相结合的方案结构简单，整体操作臂由多层材料组成，依靠中间层软体材料连接弯曲，加工时仅需将每层材料通过光刻或蚀刻的方式经行精密加工然后通过粘接层粘结起来，粘接好的多层材料通过激光切割出表面硬质金属层之间的间隙，加工精度高，避免了传统机械加工时的装配误差。多层材料折叠粘接后即可获得所需的微细操作臂，大大降低了微细臂的设计制作难度，便于广泛推广。

Description

一种微细操作臂系统及其控制方法
技术领域
本发明属于医疗装置技术领域，尤其涉及一种微细操作臂系统及其控制方法。
背景技术
随着医疗和工程技术的不断发展，医生可以在医疗影像的指引下，对手术器械进行遥控操作，在机械臂的帮助下将器械和药物送入人体特定部位，进行物理或化学治疗。这种操作大大减轻了医生的负担的同时减少了患者所受的创伤，提高了手术治疗的效果。然而人体的一些特殊部位，如耳部、膀胱、前列腺等，其内部空间狭小复杂，现有的手术器械难以施展，对医生的操作提出了很大的挑战。
为此需要设计一种微细的手术操作臂，其尺寸足够小能够深入人体内部的狭小通道。现有的刚性操作臂虽然能够满足尺寸的要求，但其灵活性较差同时缺乏反馈，稍有不慎就会对组织和血管造成伤害，对医生的操作提出了严格的要求。因此微细操作臂应具有足够高的灵活度能够将器械送至死角处的病灶，对病患进行彻底治疗，降低术后复发率。
目前国内外已经对微细操作臂进行了广泛的研究，提出了多种结构和设计方案，满足在狭长空间内的尺寸要求，但在灵活度和方便制造方面仍存在一些不足。意大利S.Russ等人在A Novel Robotic Platform for Laser-Assisted Transurethral Surgeryof the Prostate中提出了一种使用微细导盘的绳驱动导管结构，导管的长为30mm,直径仅2.1mm，其中心预留了手术器械通过通道，周围预留绳孔，绳孔直径仅有0.22mm，导盘使用激光加工。该微细臂尺寸较小，使用传统导管结构具有一定的灵活性，但受到加工精度的影响，其导线孔与器械通道形状误差较大，尺寸过小导致装配及其困难，装配精度差，难以控制无法应用于实际的手术操作中。美国Vanderbilt University团队在A TeleroboticSystem for Transnasal Surgery中使用同心管结构设计操作臂，同心管结构设计简单加工方便可以制作非常细小的操作臂，但其弯曲模式固定需要对不同的手术任务和对象环境进行变形尺寸的定制。同时复杂的变形缺乏准确的模型与直观的控制方法，难以精准操控。
综合微细操作臂的研究现状，尽管目前的操作臂已经尽量满足了尺寸方面的严格要求，但大部分微细操作臂仍存在灵活度不足，结构复杂，难以加工制作的问题。同时操作臂本身缺少传感反馈，不能满足手术操作过程中高精度控制的需求，限制了微细操作臂的广泛应用。针对上述情况，本发明提出了一种融合传感反馈的微细操作臂及其控制方法。
发明内容
针对上述现有的研究所存在的不足，本文提供一种多关节微细操作臂及控制方法，该操作臂结构简单，制作难度低，易于小型化，具有较高的灵活性和较好的可控制性。操作臂适用于狭小复杂空间内的操作，能够为人体特殊部位的手术操作提供支持，大大降低医生的操作难度，提高手术效率。
一种多关节微细操作臂系统，由右向左依次包括导管、连接头、多关节微细操作臂单元；
连接头由右侧的连接柱与左侧的矩形连接盘构成，连接柱与导管相连接，矩形连接盘有三个，在连接头上呈120度均匀分布，每个连接盘周围有四个过绳孔，过绳孔位于靠近连接盘边的中央，穿过整个连接头；连接盘上开孔供手术执行器通过。
多关节微细操作臂由支撑单元机构和弯曲关节机构与手术执行器以及电容式传感器组成。
支撑单元由四块矩形板折叠形成，四块板边长一致组成一个四边形的结构。每块板由多层材料组合粘结而成，中间为软体材料层，两边为硬质金属层，软体层和硬质金属层之间包裹有传感器层。软体材料层将四块矩形板组合在一起形成支撑单元机构，相邻板呈90度分布构成一个稳固的支撑方块。每块板上均打有两个穿绳孔，供驱动绳通过。
弯曲关节机构由六块三角形结构板构成，分为A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D四个为直角三角形板且大小一致，E、F两个三角形板为等腰三角形且大小一致。三角形板也由多层材料组合而成，包括硬质金属层，软体材料层。软体材料层将六块三角形板连接到了一起，同时也将弯曲关节与支撑单元连接到了一起，使之构成一个整体。A、B、E板可以拼接成一个矩形，其中A板的斜边与E板的短边相连接，B板的斜边与E板的短边相连接，三板之间的硬质金属层并不相连，相互之间保留一定的间隙，使各板能够绕连接处弯曲。C、D、F板构成同样的矩形，两个矩形依靠A、C与B、D的直角边相连接，组成一个平面矩形。平面矩形中的各三角形片可以绕硬质金属层之间的间隙自由弯曲，A、B、C、D绕E、F的短边转动后形成一个绕A、C和B、D相连直角边的弯曲关节结构，E、F的长边与支撑单元相连接。
支撑单元的两边与弯曲单元机构相连接，另外两边嵌入传感器。传感器分为上部和下部，主体部分为金属叉指电极。上部的电极由两层绝缘层包裹，电极与绝缘层一起嵌入支撑单元结构中，下部的电极无绝缘层包裹，直接插入上部中。由于电极呈手指状，两块电极交叉分布，手指之间存在间隙，上下电极可以相互移动。
微细臂的支撑单元和弯曲关节错位分布，相邻的两块弯曲关节呈90度分布，保证机械臂有两个方向上的弯曲自由度。
微细操作臂的支撑单元与连接头左侧的连接盘直接粘接，一个连接头上连接有三个操作臂，多臂协作完成复杂任务的执行。
微细操作臂的控制方法，其特征在于：
传感材料嵌入到微细操作臂结构中，位于支撑单元之间。当微细操作臂发生弯曲时将会带动上下两个电极的相互移动，电极间的接触面积发生了变化，两电极之间的电容发生改变。对传感器事先进行电容与传感器相对位移的标定实验，采集传感器的电容输出信号与先前标定的电容和传感器位移曲线进行比对，获得单个弯曲关节的伸长距离。
由微细臂中每个关节的伸长距离带入微细操作臂模型中，在等曲率假设的前提下重构出整个操作臂的形态，利用现有形态与目标形态的差值作为控制驱动绳长度的输入以获得想要的机械臂位姿，实现对操作臂的闭环反馈控制，能够获得较高的控制精度。
本发明实施的技术方案带来的有益效果至少包括，微细操作臂具有以下优点：
1）与现有的微细操作臂结构相比，本发明采用的支撑单元和弯曲结构相结合的方案结构简单，整体操作臂由多层材料组成，依靠中间层软体材料连接弯曲，加工时仅需将每层材料通过光刻或蚀刻的方式经行精密加工然后通过粘接层粘结起来，粘接好的多层材料通过激光切割出表面硬质金属层之间的间隙，加工精度高，避免了传统机械加工时的装配误差。多层材料折叠粘接后即可获得所需的微细操作臂，大大降低了微细臂的设计制作难度，便于广泛推广。
2）本发明采用的弯曲关节结构采用六块三角形结构板通过中间软体层连接而成，可以通过绕板件间隙自由转动。关节通过平面制作然后折叠成型的方式形成，作为操作臂的一部分无需装配具有可变形的特性。相对于其他结构操作臂，关节的弯曲范围广，能够完成大曲率变形，给微细操作臂提供了足够高的灵活度，适用于复杂环境的操作需求。
3）本发明采用叉指电极传感感应关节的变形，电极材料可由平面激光加工而成，易于嵌入弯曲关节的多层材料中。传感器与操作臂结构相融合，避免了外接传感器对微细操作臂结构及承载能力造成的影响。同时叉指状电极的设计可以有效的放大位移过程中电容的变化，提高测量的准确度，满足了高精度操控的需求。
4）本发明采用了平面折叠的结构设计，只保留了支撑和弯曲的功能结构，大大减轻了微细臂本体质量，同时减轻驱动负载，提高了微细操作臂的承载能力，同时降低了制造成本，便于批量制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，可以根据这些附图获得其它附图。
图1是微细操作臂的整体结构示意图；
图2是微细操作臂的立体分解图；
图3是微细操作臂连接头结构示意图；
图4是微细操作臂的平面展开图；
图5是微细操作臂的穿绳意图；
图6是微细操作臂关节弯曲示意图；
图中标号名称：1.微细操作臂2.微细操作臂与导管的连接头3.微细操作臂连接导管4.微细操作臂的支撑单元5.操作臂导绳孔6.微细臂弯曲关节7.弯曲传感器8.手术执行器9.连接头器械孔10.微细臂矩形连接盘11.穿绳孔12.导管连接柱.13.硬质金属层14.软体连接层15.传感器金属叉指电极16.传感器绝缘层17.弯曲关节孔18.传感器下部19.传感器上部20.软体层连接缝隙21.软体层连接头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。
实施例1
一种多关节微细操作臂系统，所述多关节微细操作臂系统包括依次连接的导管、连接头、多关节微细操作臂；
所述多关节微细操作臂系统包含若干条多关节微细操作臂，每条多关节微细操作臂包含若干相连的微细操作臂单元，每个微细操作臂单元包括一个用于维持操作臂刚度的支撑单元，以及一个用于改变操作臂方向的弯曲关节机构。
所述连接头包括一侧的连接柱与另一侧的矩形连接盘，所述连接柱与导管相连接；所述连接头包括若干矩形连接盘，矩形连接盘在连接柱上以等圆周角形式分布，各矩形的一条边首尾相接，每个连接盘周围有四个过绳孔，过绳孔位于靠近连接盘边的中央，穿过整个连接头；连接盘上开孔供手术执行器通过。
所述矩形连接盘有三个，多关节微细操作臂系统包含若三条多关节微细操作臂，在连接头上呈120度均匀分布。
所述支撑单元由四块矩形板折叠形成，四块板边长一致组成一个四边形的结构；每块板上均打有两个穿绳孔，供驱动绳通过。
所述板由多层材料组合粘结而成，中间为软体材料层，两边为硬质金属层，软体层和硬质金属层之间包裹有传感器层；软体材料层将四块矩形板组合在一起形成支撑单元机构，相邻板呈90度分布构成一个稳固的支撑方块。
所述弯曲关节机构分为两部分，一部分包括由六块三角形结构板构成的弯曲部，弯曲部分为A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D四个为直角三角形板且大小一致，E、F两个三角形板为等腰三角形且大小一致；
所述弯曲部分布在所述弯曲关节机构的对称两个面，所述弯曲关节机构的另一部分，即另外两边嵌入传感器，用于检测弯曲度。
所述三角形板由多层材料组合而成，包括硬质金属层，软体材料层；软体材料层将六块三角形板连接到了一起，同时将弯曲关节与支撑单元连接到了一起，使之构成一个整体；A、B、E板拼接成一个矩形，其中A板的斜边与E板的短边相连接，B板的斜边与E板的短边相连接，三板之间的硬质金属层并不相连，相互之间保留间隙，使各板能够绕连接处弯曲；C、D、F板构成同样的矩形，两个矩形依靠A、C与B、D的直角边相连接，组成一个平面矩形；平面矩形中的各三角形片可以绕硬质金属层之间的间隙自由弯曲，A、B、C、D绕E、F的短边转动后形成一个绕A、C和B、D相连直角边的弯曲关节结构，E、F的长边与支撑单元相连接。
所述传感器分为上部和下部，主体部分为金属叉指电极；所述上部的电极由两层绝缘层包裹，电极与绝缘层一起嵌入支撑单元结构中，下部的电极无绝缘层包裹，直接插入上部中；两块电极交叉分布，上下电极可以相互移动；
微细臂的支撑单元和弯曲关节错位分布，相邻的两块弯曲关节呈90度分布，保证机械臂有两个方向上的弯曲自由度。
参阅图2、3所示，微细操作臂1和连接导管3通过导管连接头2连接在一起，微细操作臂末端固定在矩形连接盘10上，而导管通过导管连接柱12与导管连接在一起。其中，微细操作臂1由微细臂支撑单元4与弯曲关节6和弯曲传感器7组合合成。微细臂支撑单元4上包含操作臂导绳孔5，绳子固定在操作臂的末端，经由导绳孔5和穿绳孔10进入导管，拉动操作臂的变形，带动手术执行机构8运动，实现手术操作。
参阅图4所示，微细操作臂的平面结构设计。微细机械臂由多种材料组合粘接而成，包括硬质金属层13、软体连接层14、传感器绝缘层16和传感器金属电极15。中间软体连接层14将微细操作臂的支撑部分和关节连接到了一起，其中16和传感器金属电极15组成了传感器上部19。传感器上部19和传感器下部18在微细臂弯曲时会发生相对位移。弯曲关节6由六块三角形结构板组成，中间开孔17防止弯曲过程中的应力集中，软体层连接头21和连接间隙20相互配合使得平面结构能够折叠固定。
参阅图5所示，驱动绳固定在微细操作臂的顶端内壁，由锡焊固定，绳子通过微细操作臂支撑单元的穿绳孔绕过整个微细操作臂，整个操作臂由四个驱动绳分别驱动。
参阅图6所示，微细操作臂折叠完成后，将关节机构6折叠形成灵活的弯曲关节，拉伸驱动绳，微细操作臂即可自由弯曲。
实施例2
基于上述微细操作臂系统，本发明还提供其控制方法，首先，传感材料嵌入到微细操作臂结构中，位于支撑单元之间。当微细操作臂发生弯曲时将会带动上下两个电极的相互移动，电极间的接触面积发生了变化，两电极之间的电容发生改变。对传感器事先进行电容与传感器相对位移的标定实验，采集传感器的电容输出信号与先前标定的电容和传感器位移曲线进行比对，获得单个弯曲关节的伸长距离。
由微细臂中每个关节的伸长距离带入微细操作臂模型中，在等曲率假设的前提下重构出整个操作臂的形态，利用现有形态与目标形态的差值作为控制驱动绳长度的输入以获得想要的机械臂位姿，实现对操作臂的闭环反馈控制，能够获得较高的控制精度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述多关节微细操作臂系统包括依次连接的导管、连接头、多关节微细操作臂；
所述多关节微细操作臂系统包含若干条多关节微细操作臂，每条多关节微细操作臂包含若干相连的微细操作臂单元，每个微细操作臂单元包括一个用于维持操作臂刚度的支撑单元，以及一个用于改变操作臂方向的弯曲关节机构。
2.根据权利要求1所述的一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述连接头包括一侧的连接柱与另一侧的矩形连接盘，所述连接柱与导管相连接；所述连接头包括若干矩形连接盘，矩形连接盘在连接柱上以等圆周角形式分布，各矩形的一条边首尾相接，每个连接盘周围有四个过绳孔，过绳孔位于靠近连接盘边的中央，穿过整个连接头；连接盘上开孔供手术执行器通过。
3.根据权利要求2所述的一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述矩形连接盘有三个，多关节微细操作臂系统包含若三条多关节微细操作臂，在连接头上呈120度均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述支撑单元由四块矩形板折叠形成，四块板边长一致组成一个四边形的结构；每块板上均打有两个穿绳孔，供驱动绳通过。
5.根据权利要求4所述的一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述板由多层材料组合粘结而成，中间为软体材料层，两边为硬质金属层，软体层和硬质金属层之间包裹有传感器层；软体材料层将四块矩形板组合在一起形成支撑单元机构，相邻板呈90度分布构成一个稳固的支撑方块。
6.根据权利要求1所述的一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述弯曲关节机构分为两部分，一部分包括由六块三角形结构板构成的弯曲部，弯曲部分为A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D四个为直角三角形板且大小一致，E、F两个三角形板为等腰三角形且大小一致；
所述弯曲部分布在所述弯曲关节机构的对称两个面，所述弯曲关节机构的另一部分，即另外两边嵌入传感器，用于检测弯曲度。
7.根据权利要求6所述的一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述三角形板由多层材料组合而成，包括硬质金属层，软体材料层；软体材料层将六块三角形板连接到了一起，同时将弯曲关节与支撑单元连接到了一起，使之构成一个整体；A、B、E板拼接成一个矩形，其中A板的斜边与E板的短边相连接，B板的斜边与E板的短边相连接，三板之间的硬质金属层并不相连，相互之间保留间隙，使各板能够绕连接处弯曲；C、D、F板构成同样的矩形，两个矩形依靠A、C与B、D的直角边相连接，组成一个平面矩形；平面矩形中的各三角形片可以绕硬质金属层之间的间隙自由弯曲，A、B、C、D绕E、F的短边转动后形成一个绕A、C和B、D相连直角边的弯曲关节结构，E、F的长边与支撑单元相连接。
8.根据权利要求7所述的一种多关节微细操作臂系统，其特征在于：所述传感器分为上部和下部，主体部分为金属叉指电极；所述上部的电极由两层绝缘层包裹，电极与绝缘层一起嵌入支撑单元结构中，下部的电极无绝缘层包裹，直接插入上部中；两块电极交叉分布，上下电极可以相互移动；
微细臂的支撑单元和弯曲关节错位分布，相邻的两块弯曲关节呈90度分布，保证机械臂有两个方向上的弯曲自由度。
9.微细操作臂的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
首先，当微细操作臂发生弯曲时带动上下两个电极的相互移动，电极间的接触面积发生了变化，两电极之间的电容发生改变；
其次，通过采集传感器的电容输出信号与先前标定的电容和传感器位移曲线进行比对，获得单个弯曲关节的伸长距离；
然后，由微细臂中每个关节的伸长距离带入微细操作臂模型中，在等曲率假设的前提下重构出整个操作臂的形态，利用现有形态与目标形态的差值作为控制驱动绳长度的输入以获得想要的机械臂位姿，实现对操作臂的闭环反馈控制，能够获得较高的控制精度。
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