CN112998860A - 一种用于微创外科手术单节软体操作器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于微创外科手术单节软体操作器，软体操作器包括柱体，柱体内开设有加强室和流体室；其中，加强室设置在柱体中部，流体室设置有三个，三个流体室均匀分布在加强室周围；加强室横截面为圆形，流体室横截面的半圆形。本发明的有益效果：本发明采用硅胶塑模的方式，实现了单节软体手术机器人的制作，制作出可实现大尺度弯曲变形的软体手术操作器，软体操作器本体采用软材料制造，在原理上具有无限自由度，在微创手术狭小空间操作时本质安全、不易造成损伤，具有很高的灵活性、适应性和安全性。因此，该技术在微创手术应用中优势明显，为解决手术操作器瓶颈问题供了新的思路和契机。
Description
技术领域
本发明属于微创外科手术领域，特别涉及一种用于微创外科手术单节软体操作器。
背景技术
微创外科是医学未来主要的发展方向之一，受到全世界关注。机器人微创外科手术是最前沿的技术，也是目前外科手术所能达到的微创极致水平。与传统开放性手术相比，机器人微创手术具有切口小、创伤轻、痛苦少和恢复快等优点，已在外科各专业领域得到应用。但是，现有手术机器人在临床应用中存在若干不足之处，主要体现在：手术操作器的运动自由度少、灵活性和适应性差，限制了手术器械可以到达的区域；操作器本体采用刚性材料制造，易造成术中组织损伤；力反馈功能缺失，容易因用力过度损伤组织，导致并发症；难以精确测量操作器空间姿态和末端位置，影响操作精度，很难完成吻合等精细操作。上述问题成为手术机器人技术的瓶颈，制约着微创外科手术技术的应用和发展，亟待研究有效的新方法。
软体机器人是机器人领域的新兴门类和研究热点，也是微创手术机器人研究的前沿方向，近年来受到广泛关注。与现有手术操作器不同，软体操作器本体采用软材料制造，在原理上具有无限自由度，在微创手术狭小空间操作时本质安全、不易造成损伤，具有很高的灵活性、适应性和安全性。因此，该技术在微创手术应用中优势明显，为解决手术操作器瓶颈问题供了新的思路和契机。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于微创外科手术单节软体操作器，本发明采用硅胶塑模的方式，实现了单节软体手术机器人的制作，制作出可实现大尺度弯曲变形的软体手术操作器，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于微创外科手术单节软体操作器，所述软体操作器包括柱体，所述柱体内开设有加强室和流体室；其中，所述加强室设置在所述柱体中部，所述流体室设置有三个，三个所述流体室均匀分布在所述加强室周围；所述加强室横截面为圆形，所述流体室横截面的半圆形。
优选的，所述柱体为圆柱形硅树脂基质。
优选的，所述柱体直径为20毫米、长度为60毫米。
优选地，所述加强室直径为6mm，深度为50mm；所述流体室直径为6mm，深度为50mm的半圆柱形孔。
优选的，所述柱体的弯曲角度随输入压力的增加而增大。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用硅胶塑模的方式，实现了单节软体手术机器人的制作，制作出可实现大尺度弯曲变形的软体手术操作器，软体操作器本体采用软材料制造，在原理上具有无限自由度，在微创手术狭小空间操作时本质安全、不易造成损伤，具有很高的灵活性、适应性和安全性。因此，该技术在微创手术应用中优势明显，为解决手术操作器瓶颈问题供了新的思路和契机。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明软体操作器结构示意图；
图2示意性示出了本发明软体操作器实物示意图；
图3示意性示出了本发明软体操作器工作原理示意图；
图4示意性示出了本发明软体操作器实验系统示意图；
图5示意性示出了本发明软体操作器弯曲性能试验示意图；
图6示意性示出了本发明软体操作器伸长性能试验示意图；
图7示意性示出了本发明软体操作器末端力性能试验示意图；
图8示意性示出了本发明软体操作器位移与末端力性能试验示意图。
图中：
1、加强室 2、第一流体室
3、第二流体室 4、第三流体室
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本专利采用硅胶塑模的方式，实现了单节软体手术机器人的制作。本专利中采用硅胶塑模方法，制作材料选取Ecoflex系列硅胶，制作出可实现大尺度弯曲变形的软体手术操作器。
微创手术单节柔性机械手总体结构如图1所示。它的整体机构为一个直径为20毫米、长度为60毫米的圆柱形硅树脂基质。同时，机械手内部有三个半圆形流体室和一个加强室。其中流体室是由直径为6mm，深度为50mm的半圆柱形孔组成，加强室同样是由直径为6mm，深度为50mm的圆柱形孔构成。设计如图1所示，实物图如图2所示。
如图3所示，该软体手术操作器采用正负气压协调驱动方式，其中第一流体室2、第二流体室3、第三流体室4三个腔道采用正压驱动的方式，加强室1腔道采用负压驱动的方式，当第一流体室2、第二流体室3、第三流体室4三个腔道同时通入等量气体时能够实现操作器的伸长，当其中任意一个或者两个腔道通入气体时能够实现软体操作器的多自由度弯曲，加强室1腔道通过负压的调节可以实现软体操作器的硬化。
基本性能实验
评估机械手主动运动和刚度调制的实验方案如图4所示。实验装置包括压缩机、真空泵、滑动位移平台、六维力传感系统和气动控制系统。
主动运动可以通过控制射流室内的空气压力来控制。可编程序控制器(plc)控制充液室的压力调节阀，压缩机供气，通过控制不同的气压的组合，可以实现操作器的弯曲、伸长等多种运动状态。通过真空泵调节加劲室的真空度，可以调节机械手的刚度，实现操作器的硬化。机械臂末端的力可以通过放置在滑动位移平台顶部的六维力传感器来测量，通过移动滑动位移平台改变六维力传感器与操作器末端的接触状态。接下来我们将评估软操作器的性能。
为了描述柔性机械臂的弯曲特性，我们驱动了一个射流腔。如图5所示，图中的蓝线表示正压驱动。弯曲试验中，单腔正压气道由压缩机驱动，实现柔性机械手的弯曲。同时，利用自定义算法计算出拍摄图像的弯曲角度。实验过程中，入口压力为0.005mpa，直至软机械手达到极限位置，即径向膨胀。
利用压缩机同时驱动三个液室，可以实现柔性机械手的伸长，并用直尺测量伸长。实验过程中，入口压力为0.01mpa，直至软件操作手达到极限位置。通过六维力传感器对滑动位移平台进行调整，实现了柔性机械臂末端与力传感器之间距离的调节。正压分别引入单通道、双通道和三通道。实验压力范围从软件机械手末端的接触力传感器开始，以0.01mpa为步进，直至达到极限位置。利用该方法实现了柔性机械臂末端力和输入压力的标定。
为了测试柔性机械臂的加固性能，将六维力传感器放置在滑动平台的末端，通过控制位移来表征柔性机械臂的加固性能。在三种不同的条件下测试刚度变化特性：1)基本条件[无室充气时的侧向位移，如图8(a)所示]；2)基本条件[无室充气时的轴向位移，如图8(b)所示]；3)90度弯曲条件[轴向位移0.04mpa单腔驱动，如图8(c)所示]。每种情况下，台阶设置为5mm，位移为5mm。上述试验是在真空泵驱动的负压室(大气压，0.0mpa)和相对压力(-0.092mpa)未激活的情况下进行的。
弯曲运动实验与特性分析：图5表明机械手的弯曲角度随输入压力的增加而增大。如我们所见，当输入压力小于0.05mpa时，弯曲角缓慢增大，这是由于腔体的膨胀是自由向任何方向膨胀的。当达到0.025mpa时，机械手有一定的弯曲角度，而kevlar丝开始限制径向膨胀，弯曲速率增大。当压力达到0.04mpa时，弯曲达到饱和，最大弯曲角度为160度。
伸缩运动实验与特性分析：通过同时激活三个射流室来调节延伸率。其整体性能与弯曲运动趋势一致，如图6所示，当激活压力达到0.06mpa时，机械手的最大伸长为84％。Kevlar电缆将限制操作员完全拉伸配置，以确保操纵器能够在安全工作范围内拉伸。
气压与末端力实验特征分析：图7显示了末端力和机械手输入压力之间的关系。图中三条曲线对应三种不同的驱动方式，即单腔驱动、双腔驱动和三腔驱动。当驱动压力达到最大值0.04MPa时，单室驱动产生的力随输入压力线性增大，最大值为2.5N，与其他两种驱动方式对应的最大力分别为5.2N和6.8N。
末端力对运动位置的影响：图8(a)为基本条件下横向实验，图中的白色箭头表示施加位移的方向，由于颗粒的存在，刚度可能会发生突变，随着位移的增加，操作器末端的力与位移量几乎呈线性关系。在负压腔抽取真空的条件下，负压室发生收缩，颗粒间的贴合更为紧密，其刚度得到提高,最大可达18.8N；图8(b)为基本条件下的轴向实验，随着位移的增加，操作器会发生微小的弯曲形变，负压室内颗粒间相对运动状态也随之改变，对应曲线图中的两个峰值，在第二个峰值之后，操作器相对稳定，末端力与位移呈线性关系。在启动负压室后，操作器的刚度得到提高,最大可达1N；图8(c)为90°弯曲条件下的轴向位移，由于弯曲，负压室内的颗粒处于分离状态，操作器侧面长度显著伸长，负压腔的横截面积减小，施加位移后，颗粒间容易发生相对运动，刚度也随之变化。启动负压室后，负压腔发生收缩，颗粒间的运动状态相对稳定，其刚度得到提高，最大可达0.9N。
通过对操作器的性能进行测试，能够实现大尺度弯曲变形，可以基本满足微创外科手术的需求。
本发明的有益效果：本发明采用硅胶塑模的方式，实现了单节软体手术机器人的制作，制作出可实现大尺度弯曲变形的软体手术操作器，软体操作器本体采用软材料制造，在原理上具有无限自由度，在微创手术狭小空间操作时本质安全、不易造成损伤，具有很高的灵活性、适应性和安全性。因此，该技术在微创手术应用中优势明显，为解决手术操作器瓶颈问题供了新的思路和契机。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (5)
1.一种用于微创外科手术单节软体操作器，其特征在于，所述软体操作器包括柱体，所述柱体内开设有加强室和流体室；
其中，所述加强室设置在所述柱体中部，所述流体室设置有三个，三个所述流体室均匀分布在所述加强室周围；
所述加强室横截面为圆形，所述流体室横截面的半圆形。
2.根据权利要求1所述的软体操作器，其特征在于，所述柱体为圆柱形硅树脂基质。
3.根据权利要求1所述的软体操作器，其特征在于，所述柱体直径为20毫米、长度为60毫米。
4.根据权利要求1所述的软体操作器，其特征在于，所述加强室直径为6mm，深度为50mm；所述流体室直径为6mm，深度为50mm的半圆柱形孔。
5.根据权利要求1所述的软体操作器，其特征在于，所述柱体的弯曲角度随输入压力的增加而增大。
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