CN111761572A - 用于远端操作的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含其的柔性执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于执行远端操作的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含该柔性机械臂和柔性机械腕的柔性执行机构。所述柔性机械臂包括柔性丝和多个相互独立的圆柱模块，所述柔性丝的一端与所述多个圆柱模块的一个固定相连，所述多个圆柱模块通过所述柔性丝串联到一起，所述圆柱模块可以相对于与其相邻的圆柱模块绕其轴向旋转，并且可以在所述柔性丝的驱动下沿相邻模块的轴向方向和非轴向方向移动，从而使所述柔性机械臂可以旋转和弯曲。所述柔性机械臂具有多个可调控的变形自由度，与现有技术相比具有更好的灵活度和柔顺性，可以更加快速、便捷、精准地将端部定位到需要操作的目标位置。

Description

用于远端操作的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含其的柔性 执行机构

技术领域

本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种用于远端操作的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含该柔性机械臂和柔性机械腕的柔性执行机构。

背景技术

生活中有很多涉及狭窄、弯曲、受限的空间的工作不适合人类直接操作，比如，基于自然腔道的微创手术。因此机械臂成为人类进行这类操作的常用工具。

一方面，机械臂具有可自动化控制度高的优点，但是另一方面，由于目前所用的机械臂柔顺度、灵活度有限，难以便利且精确地定位到目标位置，使得这类操作的实际实施变得困难。

例如，基于自然腔道的微创手术(natural orifice transluminal endoscopicsurgery，NOTES)是一种利用胃、结肠、尿道等自然腔道对病变部位进行诊断和治疗的手术方式。与传统的开放式手术、多孔微创手术、单孔微创手术相比，该手术方式避免在人体表面形成切口，具有手术创伤小、患者疼痛轻、术后恢复快、住院时间短，并发症少等优点。目前基于自然腔道的微创手术采用的手术器械主要为由医生直接操作的主从式手术器械。将手术器械末端放置于患者病变部位，医生通过操作手术器械远端进行手术操作，如切割、缝合、打结、冲洗等，这些操作对手术器械提出了较高的要求。由于医生直接操作手术器械，长时间大范围的操作容易使医生疲劳，降低手术质量。同时，因手部抖动等原因，医生容易造成误操作，给患者带来二次伤害。为了解决这一问题，通常使用微创手术机器人来替代人手操作。但是，由于人体自然腔道狭窄曲折，腔道内壁结构复杂且容易受到损伤，一方面使手术器械的灵活度受到限制，给医生操作增加了困难，另一方面，造成了手术器械因柔顺性的不足而难以到达病变区域。因此，对于基于自然腔道的微创手术机器人，足够的灵活度和柔顺性是提高手术操作效果的重要因素。

因此，希望有一种装置可以克服或者至少减轻现有技术的上述缺陷。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供不同的或改进的用于远端操作的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含该柔性机械臂和柔性机械腕的柔性执行机构，以解决上述背景技术中提到的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于执行远端操作的柔性机械臂，包括柔性丝和多个相互独立的圆柱模块。所述柔性丝的一端与所述多个圆柱模块中的一个固定相连，所述多个圆柱模块串联到一起；每一个所述圆柱模块适于相对于与其相邻的圆柱模块绕其轴向旋转，并且适于在所述柔性丝的驱动下沿所述相邻的圆柱模块的轴向方向和非轴向方向移动，从而使所述柔性机械臂可以旋转和弯曲。

优选地，其中所述柔性丝适于被固定到不同的所述圆柱模块，从而决定所述柔性机械臂的弯曲部位和可弯曲程度。

优选地，所述柔性机械臂包括一条或多条所述柔性丝，从而使所述柔性机械臂具有一个或多个弯曲自由度。

优选地，所述柔性丝包括柔性丝A和柔性丝B，其中所述柔性丝A的一端适于被固定到不同的所述圆柱模块，从而决定所述柔性机械臂的弯曲部位和可弯曲程度；所述柔性丝B的一端固定在所述柔性机械臂的端部的位置，所述柔性丝B适于被不同程度地拉紧，从而调节所述柔性机械臂的刚度。

优选地，所述柔性丝B多于一条，并且相对于每个所述圆柱模块而言在垂直于该圆柱模块轴向的方向上均匀布置，使得外部驱动力均匀分布在整个所述柔性机械臂上。

更优选地，所述柔性机械臂具有两条所述柔性丝A，以及两条所述柔性丝B，所述两条柔性丝A和所述两条柔性丝B在垂直于所述圆柱模块轴向的方向上均匀分布。

优选地，每个所述圆柱模块沿轴线方向的一端具有外侧倒圆，另一端具有内侧倒圆，每个所述圆柱模块和所述相邻的圆柱模块之间可围绕它们之间的所述内侧倒圆或所述外侧倒圆旋转。

优选地，所述圆柱模块沿其轴线方向具有外周通孔，所述柔性丝为多条，所述柔性丝的每一条穿过一个所述外周通孔。

根据本发明的又一个方面，提供了一种用于执行远端操作的柔性机械腕，包括可动头部、一端与可动头部固定连接的弹性丝、以及用于为所述柔性机械腕提供支撑的腕部框架。其中，所述可动头部可以相对于所述腕部框架翻转，并且可以沿腕部框架的轴向移动，所述弹性丝适于被固定在所述可动头部的不同位置，以及被不同程度地拉紧，从而调节所述可动头部的翻转角度，实现所述可动头部的精确定位。

优选地，所述柔性机械腕包括一条或多条所述弹性丝，从而使所述柔性机械腕的所述可动头部具有一个或多个翻转自由度。

优选地，所述柔性机械腕还包括导向件，所述导向件沿所述腕部框架的轴向方向可移动地容纳在所述腕部框架中。

更优选地，所述柔性机械臂有多条所述弹性丝和多个所述导向件，每一个所述导向件与一条所述弹性丝的一部分固定连接。

更优选地，每个所述导向件沿其轴线方向具有通孔，每一条所述弹性丝穿过一个所述导向件的一个所述通孔并与该导向件固定连接。

优选地，所述柔性机械腕还包括底部法兰，该底部法兰与所述腕部框架的底部固定相连。

优选地，所述柔性机械腕还包括套管，用于辅助所述弹性丝传递驱动力；所述套管的至少一部分固定在所述柔性机械腕上；每条所述弹性丝穿过一根所述套管，并可相对于该套管沿其轴向运动。

优选地，所述柔性机械腕还包括工具，所述工具与所述可动头部机械连接，从而通过精确定位所述可动头部，来精确定位所述工具。

优选地，所述弹性丝为4根。

根据本发明的第三个方面，提供了一种用于执行远端操作的柔性执行机构，包括如前所述的柔性机械臂和如前所述的柔性机械腕，所述柔性机械臂和所述柔性机械腕机械连接在一起。

本发明中的用于远端操作的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含其的柔性执行机构相对于现有技术而言具有很多优点。比如，柔性机械臂包含多个相互独立并且通过柔性丝串联在一起的圆柱模块，每个圆柱模块可以相对于与其相邻的圆柱模块绕其轴向旋转。这样的相互独立的圆柱模块允许了较大的移动范围，实现更大的翻转角度，特别是整个柔性机械臂本身可以发生旋转。这是传统的、节段全部固定连接在一起的机械臂所不可能实现的。同时，本发明中的柔性机械臂的弯曲位置和可弯曲程度可以通过将每一条柔性丝固定到不同的圆柱模块(也就是不同的圆柱模块)来实现。特别地，在一个实施例中柔性机械臂的刚度可由柔性丝B调节，从而可以通过控制柔性机械臂的刚度来更精准且便利地调节柔性机械臂的弯曲程度。本发明中的变刚度连续体柔性机械臂，具有结构紧凑、外径小、刚柔并济、灵活等优势。

另外，本发明中的柔性机械腕的可动头部可以相对于腕部框架翻转，并且可以沿腕部框架的轴向以及非轴向移动，从而可以通过弹性丝的数量、固定位置和拉紧程度实现可动头部的多级自由度和精准定位。

根据本发明的另一个方面，可以按照以下方式操作所述柔性执行机构：通过旋转和沿轴向平移所述柔性机构，以及驱动所述柔性丝A调整所述柔性机械臂的位姿，通过驱动所述柔性丝B调整所述柔性机械臂的刚度，通过驱动所述弹性丝调整所述柔性机械腕的弯曲角度，精准定位后在目标部位进行操作。该方法与现有技术相比具有更好的灵活度和柔顺性，可以更加快速、便捷、精准地将可动头部定位到需要操作的目标位置，为机械臂的实际应用，例如用于基于自然腔道的微创手术，提供了更好的技术基础。特别是，在不大幅增加机械臂的复杂程度的前提下，可以实现和现有技术比更多的自由度，从而可以实现机械臂的各种形状，方便进入人体的自然腔道而不会产生操作不便利或者对人体产生创伤的情况。

根据本发明的另一个实施例，提供了一个具有操作平台、如前所述的柔性执行机构的机器人，所述操作平台具有工作通道，用于支撑所述柔性执行机构。

通过考虑以下的详细描述和附图，本发明的其它特征和方面将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式来描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了根据本发明一个实施方式的柔性机械臂；

图2示出了图1中的柔性机械臂的弯曲状态；

图3A示出了图1中的柔性机械臂的一个圆柱模块的立体图，在此并没示出与该圆柱模块相连的柔性丝；

图3B示出了图3A中的圆柱模块的底部视图；

图4示出了根据本发明另一个实施方式的柔性机械腕；

图5示出了图4中的柔性机械腕的弯曲状态；

图6示出了图4中的柔性机械腕的导向件；

图7示出了图4中的柔性机械腕的腕部框架；

图8示出了图4中的柔性机械腕的底部法兰；

图9示出了根据本发明一个实施方式的包括柔性机械臂和柔性机械腕的柔性执行机构；

图10示出了根据本发明又一个实施方式的具有柔性机械臂和柔性机械腕的机器人。

附图标记说明

1-工作平台，2-内镜摄像头，3-圆柱模块，4-外侧柔性丝，5-内侧柔性丝，6-左右侧柔性丝，7-可动头部，8-弹性丝，9-套管，10-导向件，11-腕部框架，12-底部法兰，30-柔性机械臂的末端

具体实施方式

在详细解释本发明的任何结构之前，应理解，本发明在其应用中不限于在下面的描述中阐述或在下面的附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其它结构并能够以各种方式被实践或实现。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

现在参照图1-图3B，根据本发明一个实施方式的柔性机械臂包括多个圆柱模块3、以及大体而言穿过这些圆柱模块3的一根外侧柔性丝4、一根内侧柔性丝5、以及两根左右侧柔性丝6。外侧柔性丝4和内侧柔性丝5在本实施例中也被称为柔性丝A，而左右侧柔性丝6也被称为柔性丝B。应该理解，图1和图2只是示意图，而柔性机械臂实际的长度(特别是所包括的圆柱模块3的数量)可以比图1和图2中所示出的更多或者更少。图1和图2中所示的柔性机械臂右端是操控端，可以见到柔性丝4、5、6从柔性机械臂中引出来。左端是工作端，可以连接到其它的部件例如之后要描述的柔性机械腕。柔性机械臂的每个圆柱模块3相互独立，也就是说它们彼此之间并不存在固定连接。相反，这些圆柱模块3通过上述的四根不同柔性丝被串联到一起成为链式单元模块。每个圆柱模块3都是具有大体上圆柱形的形状的柱状构件，并且沿轴向具有5个通孔。并且，每个圆柱模块3的一端具有外侧倒圆3c，而另一端具有内侧倒圆3d。上述的5个通孔包括中心通孔3a和围绕中心通孔3a均匀分布的另外4个边通孔3b。柔性丝4、5、6被固定到不同的圆柱模块3，而取决于所固定到的圆柱模块3的不同，可以决定柔性机械臂的弯曲部位和可弯曲程度，从而使柔性机械臂具有多个可控的弯曲自由度。中心通孔3a用于供柔性执行机构的其它部件(例如柔性机械腕的用于控制的弹性丝)穿过，这些其它部件并不是柔性机械臂的一部分。

如图2所示，具体而言本实施例中的柔性机械臂具有4个自由度，具体而言是图2中由双箭头表示的弯曲自由度20、弯曲自由度21、旋转自由度23和平移自由度22。其中，弯曲自由度21和20分别位于柔性机械臂沿着其长度方向的两个不同部分，因此独立可控的弯曲自由度21和20可以实现例如S形的柔性机械臂的复杂形状。靠近操控端的弯曲自由度21中是由一根连接到柔性机械臂中心位置的圆柱模块3的柔性丝控制的(如下面将更详细描述的)。旋转自由度23使得柔性机械臂可以围绕自身轴线进行一定程度的旋转，而平移自由度23使得柔性机械臂可以进行一定程度的长度改变(即伸缩)。

在本实施例中，圆柱模块3和柔性丝4、5、6之间的位置关系是：多个圆柱模块3由柔性丝4、5、6串联到一起。每一个圆柱模块3之间可相对于与其相邻的圆柱模块3绕该相邻的圆柱模块3的轴向旋转。外侧柔性丝4、内侧柔性丝5、以及左右侧柔性丝6分别穿过如图3A和3B所示的圆柱模块3的4个通孔3b。外侧柔性丝4的一端固定连接于位于柔性机械臂中心位置的圆柱模块3。内侧柔性丝5、左右侧柔性丝6的一端固连于位于连续体柔性机械臂末端30的圆柱模块3。这些柔性丝4，5，6的另一端都适于连接到驱动装置(未示出，例如伺服电机驱动的装置)，以便对每一根柔性丝4，5，6进行单独张紧和放松以实现对柔性机械臂的控制。特别地，左右侧柔性丝6相对于每个圆柱模块3而言在垂直于该圆柱模块3的轴向的方向上均匀布置，使得外部驱动力均匀分布在整个柔性机械臂上。通过调节外侧柔性丝4和/或内侧柔性丝5在柔性机械臂上被固定的位置(即它们所固定到的圆柱模块3的不同)，可以控制柔性机械臂的弯曲部位和可弯曲程度。外侧柔性丝4、内侧柔性丝5、左右侧柔性丝6是一种普通市购柔性丝，其中，外侧柔性丝4用于实现柔性机械臂的外展运动，内侧柔性丝5用于实现柔性机械臂的内收运动，左右侧柔性丝6用于通过被不同程度地拉紧来实现使圆柱模块3沿相邻的圆柱模块3的轴向方向移动从而实时调整柔性机械臂的刚度，继而可以通过驱动外侧柔性丝4和内侧柔性丝5来更精确地控制柔性机械臂的弯曲。

现在来看上述的柔性机械臂的操作方法。如上所述的柔性机械臂具有4个自由度，通过外部驱动(例如上述的驱动装置)拉动外侧柔性丝4可使柔性机械臂向外弯曲。拉动内侧柔性丝5可使柔性机械臂向内弯曲。同时拉动外侧柔性丝和内侧柔性丝可使柔性机械臂构成“S”形状。同时拉动2根左右侧柔性丝6可通过调节柔性丝6的张力，从而提高圆柱模块3之间的摩擦力并增加柔性机械臂的刚度，从而可以更精准地通过拉动外侧柔性丝4和内侧柔性丝5来调节柔性机械臂的弯曲度。

现参考图4-图8，其中示出了根据本发明另一个实施方式的柔性机械腕，包括可动头部7、4根弹性丝8、4根套管9、4个有通孔的导向件10、腕部框架11、以及底部法兰12。这里，弹性丝8的数目决定了可动头部7的翻转自由度，而弹性丝8在可动头部7上被固定的位置决定了可动头部7的翻转程度。这里的弹性丝8是一种超弹性铰链，或者是市购普通弹性丝，用于构成柔性机械腕的支链，实现柔性机械腕可动头部7的连接、移动和翻转。套管9是一种市购普通套管，用于辅助弹性丝8传递驱动力。

底部法兰12是一种带有5个通孔12a，12b的圆柱状结构。其中，四个边通孔12a的每一个供一根上述的弹性丝8穿过腕，而中心通孔12b，用于供柔性执行机构的其它部件(例如连接到柔性机械腕的末端工具的线缆)穿过，这些其它部件并不是柔性机械腕的一部分。边通孔12a围绕中心通孔12b均匀分布。

腕部框架11是一种带有通孔和导向孔的圆柱状结构件，用于为柔性机械腕提供支撑。腕部框架11具有四个边通孔11a，每一个边通孔11a供一根上述的弹性丝8穿过。腕部框架11还具有中心通孔11b，用于供柔性执行机构的其它部件(例如连接到柔性机械腕的末端工具的线缆)穿过，这些其它部件并不是柔性机械腕的一部分。边通孔11a每一个具有长条形的横截面，并且它们围绕圆形的中心通孔11b均匀分布。每个导向件10是具有上端宽下端窄的“T”形条状构件，并且具有位于其轴线位置的通孔10a。可动头部7是用来固定用于实施最终用途的工具的，这样的工具包括但不限于刀类，钳类，锯类等，例如持针钳、锯齿钳、剪刀、电刀(均未示出)。

在本实施例中，弹性丝8和其它部件之间的位置关系是：每一根弹性丝8穿过一个导向件10的通孔10a，并与该导向件10固连，构成一个支链。每个支链的导向件10穿过腕部框架11的一个边通孔11a，使得导向件10可在弹性丝8的推拉作用下沿腕部框架11的轴向移动。4根弹性丝8的一端与可动头部7固连，而它们的另一端都适于连接到驱动装置(未示出，例如伺服电机驱动的装置)，以便对每一根弹性丝8进行单独张紧和放松以实现对柔性机械腕的控制。底部法兰12与腕部框架11固连。4根套管9的一端固定在腕部框架11上，并且与底部法兰12固连。4根弹性丝8分别穿过4根套管9，并适于相对于套管9沿套管9的轴向运动。上述的配置因此构成了一种柔性并联腕关节。

现在来看上述的柔性机械腕的操作方法。如上所述的柔性机械腕具有2个自由度，可以实现可动头部7相对于腕部框架11的左右上下弯曲。通过推拉弹性丝8可使可动头部7发生翻转，并且可以沿腕部框架11的轴向移动。弹性丝8可以被固定在可动头部7的不同位置，以及被不同程度地拉紧，从而可以调节可动头部7的翻转角度，实现可动头部7的精确定位。在本实施例中，通过推拉4根弹性丝8，可动头部7可以实现相对于腕部框架11的横截面向左、向右、向前、向后至少各90o的翻转。由于固定连接到可动头部7的工具(未示出)与可动头部7机械连接，因而通过精确定位可动头部7，可以精确定位工具7从而进行所需的末端操作，而这样的操作是远离驱动装置的远程操作。

现参考图9，其示出了根据本发明另一个实施方式的包括柔性机械臂140和柔性机械腕141的柔性执行机构。柔性机械臂140和柔性机械腕141之间的位置关系是：柔性机械臂140的最末端的一个圆柱模块130与柔性机械腕141的底部固连。柔性机械腕的顶部固定连接了在该实施方式中作为末端工具的锯齿钳142。柔性机械腕141的弹性丝和套管(未示出)置于柔性机械臂140的圆柱模块3的中心通孔(未示出)中。图9中示出了从柔性机械臂140伸出来的柔性丝104、105、106。虽然没有示出，但是这些柔性丝104，105，106的另一端都适于连接到驱动装置(未示出，例如伺服电机驱动的装置)，以便对每一根柔性丝104，105，106进行单独张紧和放松以实现对柔性机械臂的控制。上述的柔性机械臂可以是类似于图1-3b中描述的柔性机械臂，而柔性机械腕141可以是类似于图4-8中描述的柔性机械腕。另外，柔性执行机构还包括操作柔性机械腕的弹性丝，和上述图4-8中所述的类似，但是图9中没有示出弹性丝。

现参考图10，其示出了根据本发明另一个实施方式的具有柔性机械臂和柔性机械腕的机器人。该机器人包括操作平台201、内镜摄像头202和两套柔性执行机构243、244。它们之间的位置关系是：内镜摄像头202和两套柔性执行机构243、244分别穿过操作平台201的工作通道(未示出)。操作平台201是一种市购普通操作平台，具有三个上述的工作通道，分别用于支撑内镜摄像头202和两套柔性执行机构243、244。内镜摄像头2是一种市购普通内镜摄像头，具有实时采集视频信息的功能，用于获得柔性执行机构243或244及操作目标(例如人体自然腔道内组织或者肿瘤)的影像信息。柔性执行机构243和244中的每一套都具有如图9中所示的柔性机械臂和柔性机械腕。上述的柔性机械臂可以是类似于图1-3b中描述的柔性机械臂，而柔性机械腕141可以是类似于图4-8中描述的柔性机械腕。柔性执行机构243所配置的末端工具是锯齿钳242，而柔性执行机构244所配置的末端工具是电刀245。

图10中所示的机器人按下述方式工作：将操作平台201置于腔道/管道(例如人体自然腔道)内，使得其末端朝向目标部位。然后，使得机器人的两套柔性执行机构243，244穿过操作平台201的工作通道并从操作平台201伸出来。接着，通过旋转和沿轴向平移柔性执行机构243、244，以及驱动外侧柔性丝和内侧柔性丝(均未示出)调整柔性机械臂的位姿，通过驱动左右侧柔性丝(均未示出)调整柔性机械臂的刚度，通过驱动弹性丝(未示出)调整柔性机械腕的位移和翻转角度。可以实时驱动外侧柔性丝、内侧柔性丝、左右侧柔性丝和弹性丝来实时调节柔性机械臂的向外弯曲、向内弯曲、沿每一个圆柱模块轴向的移动以及柔性机械腕的可动头部(未示出)的翻转和沿腕部框架轴线的移动。然后，用户在内窥镜摄像头202的视频图像引导下进行操作(例如手术)。操作完成后，将柔性执行机构243，244恢复至初始状态，再将操作平台201移出腔道/管道。

在本发明的另一个实施例中，一种组装柔性机械臂的方法包括首先准备好柔性丝(例如图1-3B中描述的四个柔性丝)，使得它们彼此之间的距离和方向保持在预定数值，从而就位。然后，把柔性机械臂的圆柱模块一个个依次穿过柔性丝上安装，类似于串珠子的过程。在此过程中，如果柔性丝将被固定到的圆柱模块安装到位的话，会进行将该特定圆柱模块和特定柔性丝固定的动作。这样的过程一直持续到最后一个圆柱模块安装到位，并且需要的话固定到柔性丝。然后，柔性机械臂就组装好了。

以上描述了本发明的用于远端操作的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含该柔性机械臂和柔性机械腕的柔性执行机构的优选实施方式。应理解，本发明的柔性机械臂、柔性机械腕以及包含该柔性机械臂和柔性机械腕的柔性执行机构可具有不同的结构，以及具有和优选实施例相比增加或减少的功能或结构特征。本领域中的技术人员将认识到，可对本发明进行如在特定的实施方式中示出的很多变化和/或修改，而不偏离如广泛描述的本发明的精神或范围。当前的实施方式因此应在所有方面被考虑为是示例性的而不是限制性的。

另外，除非另有指示，否则包含在本文中的对现有技术的任何提及不应为理解为承认信息是公知常识。

例如，在上述的一个实施例中，四个柔性丝中的三根连到机械臂最末端的圆柱模块，而一根连到机械臂中段的圆柱模块。但是在其它的变化形式中，柔性丝也可以连到机械臂不同位置上的圆柱模块，和/或连到不同位置的柔性丝的数量也可以不同，从而实现不同用途下的机械臂不同的可弯曲程度和操作自由度。

类似地，一个操作平台上除了图10中所示的两套柔性执行机构外，也可以有更多或者更少的柔性执行机构。每个柔性执行机构的末端工具也可以具有除了上述的锯齿钳和电刀以外的其它工具。

上述的实施例中柔性机械臂的每一个圆柱模块具有外侧倒圆和内侧倒圆来实现相邻圆柱模块的接合。在另一个变化实施例中，圆柱模块的一端是圆球形，而另一端是可容纳并且卡接该圆球形的腔室。这也使得多个圆柱模块可以通过圆球和腔室实现串联，并且相邻的圆柱模块可以发生相对旋转。

应该明白，本发明的柔性机械臂和柔性机械腕的绝对尺寸并不受限制，而是可以根据实际用途来设计。例如，在一个实施例中，柔性机械臂的每一个圆柱模块的外径小于3.7mm。

Claims (18)

1.一种用于执行远端操作的柔性机械臂，其特征在于，包括：

柔性丝；和

多个相互独立的圆柱模块，所述柔性丝的一端与所述多个圆柱模块中的一个固定相连，所述多个圆柱模块串联到一起；每一个所述圆柱模块适于相对于与其相邻的圆柱模块绕其轴向旋转，并且适于在所述柔性丝的驱动下沿所述相邻的圆柱模块的轴向方向和非轴向方向移动，从而使所述柔性机械臂能够旋转和弯曲。

2.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其中所述柔性丝适于被固定到不同的所述圆柱模块，从而决定所述柔性机械臂的弯曲部位和可弯曲程度。

3.根据权利要求2所述的柔性机械臂，所述柔性机械臂包括一条或多条所述柔性丝，从而使所述柔性机械臂具有一个或多个弯曲自由度。

4.根据权利要求3所述的柔性机械臂，其中所述柔性丝包括柔性丝A和柔性丝B，所述柔性丝A的一端适于被固定到不同的所述圆柱模块，从而决定所述柔性机械臂的弯曲部位和可弯曲程度；所述柔性丝B的一端固定在所述柔性机械臂的端部的位置，所述柔性丝B适于被不同程度地拉紧，从而调节所述柔性机械臂的刚度。

5.根据权利要求4所述的柔性机械臂，其中所述柔性丝B多于一条，并且相对于每个所述圆柱模块而言在垂直于该圆柱模块轴向的方向上均匀布置，使得外部驱动力均匀分布在整个所述柔性机械臂上。

6.根据权利要求5所述的柔性机械臂，具有两条所述柔性丝A，以及两条所述柔性丝B，所述两条柔性丝A和所述两条柔性丝B在垂直于所述圆柱模块轴向的方向上均匀分布。

7.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其中每个所述圆柱模块沿轴线方向的一端具有外侧倒圆，另一端具有内侧倒圆，每个所述圆柱模块和所述相邻的圆柱模块之间能够围绕它们之间的所述内侧倒圆或所述外侧倒圆旋转。

8.根据权利要求7所述的柔性机械臂，其中所述圆柱模块沿其轴线方向具有多个外周通孔，所述柔性丝为多条，所述柔性丝的每一条穿过一个所述外周通孔。

9.一种用于执行远端操作的柔性机械腕，包括:

可动头部；

弹性丝，所述弹性丝的一端与所述可动头部固定连接；以及

腕部框架，用于为所述柔性机械腕提供支撑；

其特征在于，所述可动头部能够相对于所述腕部框架翻转，并且能够沿所述腕部框架的轴向移动，所述弹性丝适于被固定在所述可动头部的不同位置，以及被不同程度地拉紧，从而调节所述可动头部的翻转角度，实现所述可动头部的精确定位。

10.根据权利要求9所述的柔性机械腕，包括一条或多条所述弹性丝，从而使所述柔性机械腕的所述可动头部具有一个或多个翻转自由度。

11.根据权利要求9所述的柔性机械腕，还包括导向件，所述导向件沿所述腕部框架的轴向方向可移动地容纳在所述腕部框架中。

12.根据权利要求11所述的柔性机械腕，包括多条所述弹性丝和多个所述导向件，每一个所述导向件与一条所述弹性丝的一部分固定连接。

13.根据权利要求12所述的柔性机械腕，其中每个所述导向件沿其轴线方向具有通孔，每一条所述弹性丝穿过一个所述导向件的一个所述通孔并与该导向件固定连接。

14.根据权利要求11所述的柔性机械腕，还包括底部法兰，该底部法兰与所述腕部框架的底部固定相连。

15.根据权利要求9所述的柔性机械腕，还包括套管，用于辅助所述弹性丝传递驱动力；所述套管的至少一部分固定在所述柔性机械腕上；每条所述弹性丝穿过一根所述套管，并能够相对于该套管沿其轴向运动。

16.根据权利要求9所述的柔性机械腕，还包括工具，所述工具与所述可动头部机械连接，从而通过精确定位所述可动头部，来精确定位所述工具。

17.根据权利要求9所述的柔性机械腕，具有4条所述弹性丝。

18.一种用于执行远端操作的柔性执行机构，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的柔性机械臂和如权利要求9-17中任一项所述的柔性机械腕，所述柔性机械臂和所述柔性机械腕机械连接在一起。

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