CN113197667A - 一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，该操作臂包括若干完全相同的子节段，每个子节段包括外部弯管组件、内部传动组件和弯管驱动单元三部分。本发明末端可连接爪钳、镊子、剪刀等末端执行机构，组成一种灵巧的微器械，安装在微创外科手术机器人系统的末端，辅助开展微创外科手术。本发明将操作臂关节模块化，并将每个关节的驱动独立出来，提高了操作臂的灵活性，可以实现将末端执行机构灵巧地送达病灶附近开展手术。

Description

一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其是微创外科手术机器人系统中的微器械，具体地，涉及一种面向微创外科手术的多自由度操作臂。
背景技术
目前微创手术已经深得人心，成为许多手术的主流方案，并且日益依赖于灵巧操作的微器械实现极限的手术操作。以da Vinci(达芬奇)系统为代表的手术机器人系统在微创外科手术中取得了广泛应用，其采用单个或多个毫米级的体表创口建立手术通道，由末端执行器和操作臂组成的微器械通过通道进入手术部位。微创外科手术创伤小的特点要求手术机器人系统末端的微器械尺寸足够小，同时满足运动空间和若干个自由度灵巧操作的要求。
由于空间受限，目前机器人系统末端的微器械大部分采用电机后置，由绳索传递运动的方式牵引各自由度运动。多自由度的运动需要灵巧的传动布置，需要巧妙地运用有限空间布置灵巧的传动结构，带来了以下问题：1、多个自由度都需要绳索单独驱动，导致绳索数量增多，布线困难；2、各个自由度之间耦合严重，导致控制复杂，传动精度低；3、自由度的多少严重依赖传动机构需要的空间大小，整个操作臂的自由度受限。
发明内容
为了满足微创手术对器械的尺寸与灵活性的要求，解决传动困难的问题，在不丢失末端执行器自由度的前提下，使操作臂能灵巧地到达病灶附近，并自由地开展手术工作，本发明提供一种模块化关节分时切换驱动的柔顺化灵巧操作臂，以提高微创外科手术机器人手术操作的灵巧性。
本发明针对现有技术的不足所采用的技术方案是：一种模块化关节分时切换驱动的柔顺化灵巧操作臂，包括N段完全相同的子节段，每个子节段包括外部弯管组件、内部传动组件和弯管驱动单元三部分；
所述外部弯管组件包括固定外管、外管连接套Ⅰ、柔性外管、驱动镍钛丝、支撑镍钛丝和外管连接套Ⅱ；
所述固定外管为不可弯曲的套筒结构，其管壁上开有两侧对称的滑槽，滑槽一端延伸到固定外管的端面；所述外管连接套Ⅰ为套筒结构，其一端设轴肩与固定外管相连，另一端与柔性外管相连；所述柔性外管为单向可弯曲的套筒结构，其两端设轴肩分别与外管连接套Ⅰ和上一节段的外管连接套Ⅱ相连，柔性外管管壁内有沿圆周均布的通孔，通孔分上下左右四组，其中左右两组安装所述支撑镍钛丝，上下两组任意一组安装所述驱动镍钛丝；所述支撑镍钛丝和驱动镍钛丝为具有超弹性的镍钛合金丝；所述外管连接套Ⅱ为内部设轴肩的套筒结构，其两端分别连接固定外管和下一节段的柔性外管；
所述内部传动组件包括传动轴芯、内管连接套和柔性内管；
所述传动轴芯为空心轴结构，其两端设内花键分别与内管连接套相连；所述内管连接套为套筒结构，其一端设外花键与传动轴芯相连，一端与柔性内管相连；所述柔性内管为可灵活弯曲的空心轴结构，其两端通过轴铣平面结构与内管连接套相连；
所述弯管驱动单元包括螺纹管、法兰块、螺纹套环、环状滑块和镍钛温控丝；
所述螺纹管为内壁光滑的套筒结构，外部具有螺纹结构，与所述法兰块依次套在传动轴芯上；所述螺纹套环套在螺纹管外构成螺纹传动；所述环状滑块内侧与螺纹套环相互抱合固定所述驱动镍钛丝，环状滑块耳部为凸块结构，可在所述固定外管的滑槽内沿固定外管轴向方向滑动。
进一步地，所述柔性外管为可弯曲但不可扭转的镍钛合金管，其两侧开有对向间隔分布的槽口，用于提高柔性外管的弯曲性能。
进一步地，所述支撑镍钛丝两端分别被外管连接套Ⅰ、上一节段的外管连接套Ⅱ卡在柔性外管上，用于提高波形柔性外管的抗扭性能。
进一步地，所述驱动镍钛丝一端被外管连接套Ⅱ卡在柔性外管上，另一端卡在螺纹套环与环状滑块之间，螺纹套环与环状滑块操纵驱动镍钛丝，实现柔性外管的弯曲。
进一步地，所述传动轴芯管壁中开有若干布线通道，用于布置电线和镍钛温控丝。
进一步地，所述传动轴芯上设有可沿轴向产生微小位移的台阶，台阶上开有两个小孔，镍钛温控丝从传动轴芯管壁中引出，穿过小孔后回到传动轴芯管壁中。
进一步地，所述柔性内管为可弯曲但不可扭转的镍钛合金管，其两侧开有对向间隔分布的槽口，用于提高柔性内管的弯曲性能。
进一步地，所述法兰块固定地套在传动轴芯上，传动轴芯在与法兰块配合处设有两个小孔，用于从传动轴芯管壁中引出温控镍钛丝，法兰块与传动轴芯连接可以实现镍钛温控丝两端的固定。
进一步地，所述镍钛温控丝为具有通电收缩性能的镍钛合金丝，可以带动传动轴芯上的台阶沿轴向方向产生微小位移，使传动轴芯与螺纹管接触并通过摩擦力带动螺纹管转动。
本发明的有益效果是，本发明提出的操作臂具有模块化关节，且各关节的驱动相互独立。各个关节的弯管驱动单元通过分时切换地与内部传动组件相连，可以实现各个关节的独立弯曲。由于各个关节的弯曲动力都来源于内部传动组件的转动，不需要为每一个自由度单独设置动力源和传动部件，所以传动布线简单。由于各个关节的弯曲是分时独立的，因此各关节自由度相互间没有耦合，控制简单，传动精度高。由于各个关节的弯曲都是由弯管驱动单元分时切换地与内部传动组件相连实现的，因此整个操作臂的自由度可以通过关节模块数量实现灵活增减。本发明通过巧妙设计操作臂的传动结构，满足了微创手术对操作臂尺寸和灵巧性的要求，通过末端连接爪钳、镊子、剪刀等末端执行机构，可以实现精准地将末端执行机构送到工作区域，辅助外科医生完成微创外科手术。
附图说明
图1外观效果图；
图2为子节段爆炸图；
图3为局部剖视图；
图4为柔性外管弯曲原理图；
图5为驱动单元工作原理图；
图6为部分零件连接关系图；
图中：1.柔性外管，2.外管连接套Ⅰ，3.螺纹套环，4.环状滑块，5.固定外管，6.外管连接套Ⅱ，7.内管连接套，8.传动轴芯，9.螺纹管，10.法兰块，11.柔性内管，12.支撑镍钛丝，13.驱动镍钛丝，14.镍钛温控丝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-5所示，本发明提供了一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，包括N段完全相同的子节段，每个子节段包括外部弯管组件、内部传动组件和弯管驱动单元三部分；
所述外部弯管组件包括固定外管5、外管连接套Ⅰ6、柔性外管1、驱动镍钛丝13、支撑镍钛丝12和外管连接套Ⅱ6；
所述固定外管5为不可弯曲的套筒结构，其管壁上开有两侧对称的滑槽，滑槽一端延伸到固定外管5的端面；所述外管连接套Ⅰ6为套筒结构，其一端设轴肩与固定外管5相连，另一端与柔性外管1相连；所述柔性外管1为单向可弯曲的套筒结构，其两端设轴肩分别与外管连接套Ⅰ6和上一节段的外管连接套Ⅱ6相连，柔性外管1管壁内有沿圆周均布的通孔，通孔分上下左右四组，其中左右两组安装所述支撑镍钛丝12，上下两组任意一组安装所述驱动镍钛丝13；所述支撑镍钛丝12和驱动镍钛丝13为具有超弹性的镍钛合金丝；所述外管连接套Ⅱ6为内部设轴肩的套筒结构，其两端分别连接固定外管5和下一节段的柔性外管1；
所述内部传动组件包括传动轴芯8、内管连接套7和柔性内管11；
所述传动轴芯8为空心轴结构，其两端设内花键分别与内管连接套7相连；所述内管连接套7为套筒结构，其一端设外花键与传动轴芯8相连，一端与柔性内管11相连；所述柔性内管11为可灵活弯曲的空心轴结构，其两端通过轴铣平面结构与内管连接套7相连；
所述弯管驱动单元包括螺纹管9、法兰块10、螺纹套环3、环状滑块4和镍钛温控丝14；
所述螺纹管9为内壁光滑的套筒结构，外部具有螺纹结构，与所述法兰块10依次套在传动轴芯8上；所述螺纹套环3套在螺纹管9外构成螺纹传动；所述环状滑块4内侧与螺纹套环3相互抱合固定所述驱动镍钛丝13，环状滑块4耳部为凸块结构，可在所述固定外管5的滑槽内沿固定外管5轴向方向滑动。
【实施例1】
操作臂末端通过连接爪钳、镊子、剪刀等执行机构，组成一种微器械安装在微创外科手术机器人系统上，可以实现精准地将末端执行机构送到工作区域，辅助外科医生完成手术。
如图1所示，整个操作臂由N个相同的子节段构成，整个操作臂的弯曲由各个子节段的柔性外管1的弯曲组合完成。手术机器人系统通过电机驱动内部传动组件转动，由于各个子节段是通过内管连接套7连接在一起的，因此所有节段的内部传动组件都是转动的。各个子节段的分时切换驱动主要受各个节段的镍钛温控丝14控制，镍钛温控丝14通过传动轴芯8轴壁中的线路与控制电路相连，通过控制不同节段的镍钛温控丝14通电收缩，实现该节段的弯曲。具体而言，镍钛温控丝14通电收缩会带动螺纹管9转动，螺纹管9转动会带动柔性外管1弯曲。如图5和图6所示，螺纹管9转动的实现过程为：镍钛温控丝14受控通电收缩，拉动传动轴芯8的台阶产生形变，实现螺纹管9与传动轴芯8的接触，传动轴芯8通过摩擦力将转动传递给螺纹管9，当镍钛温控丝14断电时，传动轴芯8的台阶会在自身弹性的作用下断开与螺纹管9的接触，螺纹管9的转动停止。如图4所示，柔性外管1的弯曲实现过程为：螺纹管9转动，并通过螺纹副带动螺纹套环3和环状滑块4在固定外管5的滑槽内滑动，从而带动驱动镍钛丝13运动，驱动镍钛丝13带动柔性外管1弯曲。
【实施例2】
如图1所示，整个操作臂由N个相同的子节段构成，操作臂的末端可以连接爪钳、镊子、剪刀等简单的末端执行机构，由于传动轴芯8为空心轴结构，因此末端执行机构的动作可以通过传动轴芯8的内部通道进行传动。机器人系统通过合理控制各个子节段的镍钛温控丝14，可以实现灵巧地变换操作臂的位姿，尤其是当不可避免地需要绕开一些关键的人体组织时，本发明提供的操作臂可以更好地实现灵巧自如地将末端执行机构送到病灶附近，辅助完成一些外科微创手术，如超声消融、组织取出、缝合、注射药物等。
【实施例3】
如图2所示，每个子节段都包括外部弯管组件、内部传动组件和弯管驱动单元三部分，各个子节段在功能和结构上都是相同的，因此可以通过增加子节段数量，并通过外管连接套Ⅱ6和内管连接套7连接，增加整个操作臂的自由度，进一步提高整个操作臂的灵活性。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，包括N段完全相同的子节段，每个子节段包括外部弯管组件、内部传动组件和弯管驱动单元三部分；
所述外部弯管组件包括固定外管(5)、外管连接套Ⅰ(2)、柔性外管(1)、驱动镍钛丝(13)、支撑镍钛丝(12)和外管连接套Ⅱ(6)；
所述固定外管(5)为不可弯曲的套筒结构，其管壁上开有两侧对称的滑槽，滑槽一端延伸到固定外管(5)的端面；所述外管连接套Ⅰ(2)为套筒结构，其一端设轴肩与固定外管(5)相连，另一端与柔性外管(1)相连；所述柔性外管(1)为单向可弯曲的套筒结构，其两端设轴肩分别与外管连接套Ⅰ(2)和上一节段的外管连接套Ⅱ(6)相连，柔性外管(1)管壁内有沿圆周均布的通孔，通孔分上下左右四组，其中左右两组安装所述支撑镍钛丝(12)，上下两组任意一组安装所述驱动镍钛丝(13)；所述支撑镍钛丝(12)和驱动镍钛丝(13)为具有超弹性的镍钛合金丝；所述外管连接套Ⅱ(6)为内部设轴肩的套筒结构，其两端分别连接固定外管(5)和下一节段的柔性外管(1)；
所述内部传动组件包括传动轴芯(8)、内管连接套(7)和柔性内管(11)；
所述传动轴芯(8)为空心轴结构，其两端设内花键分别与内管连接套(7)相连；所述内管连接套(7)为套筒结构，其一端设外花键与传动轴芯(8)相连，一端与柔性内管(11)相连；所述柔性内管(11)为可灵活弯曲的空心轴结构，其两端通过轴铣平面结构与内管连接套(7)相连；
所述弯管驱动单元包括螺纹管(9)、法兰块(10)、螺纹套环(3)、环状滑块(4)和镍钛温控丝(14)；
所述螺纹管(9)为内壁光滑的套筒结构，外部具有螺纹结构，与所述法兰块(10)依次套在传动轴芯(8)上；所述螺纹套环(3)套在螺纹管(9)外构成螺纹传动；所述环状滑块(4)内侧与螺纹套环(3)相互抱合固定所述驱动镍钛丝(13)，环状滑块(4)耳部为凸块结构，可在所述固定外管(5)的滑槽内沿固定外管(5)轴向方向滑动。
2.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述柔性外管(1)为可弯曲但不可扭转的镍钛合金管，其两侧开有对向间隔分布的槽口，用于提高柔性外管的弯曲性能。
3.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述支撑镍钛丝(12)两端分别被外管连接套Ⅰ(2)、上一节段的外管连接套Ⅱ(6)卡在柔性外管(1)上，用于提高波形柔性外管的抗扭性能。
4.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述驱动镍钛丝(13)一端被上一节段的外管连接套Ⅱ(6)卡在柔性外管(1)上，另一端卡在螺纹套环(3)与环状滑块(4)之间，螺纹套环(3)与环状滑块(4)操纵驱动镍钛丝(13)，实现柔性外管的弯曲。
5.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述传动轴芯(8)管壁中开有若干布线通道，用于布置电线和镍钛温控丝(14)。
6.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述传动轴芯(8)上设有可沿轴向产生微小位移的台阶，台阶上开有两个小孔，镍钛温控丝(14)从传动轴芯(8)管壁中引出，穿过小孔后回到传动轴芯(8)管壁中。
7.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述柔性内管(11)为可弯曲但不可扭转的镍钛合金管，其两侧开有对向间隔分布的槽口，用于提高柔性内管的弯曲性能。
8.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述法兰块(10)固定地套在传动轴芯(8)上，传动轴芯(8)在与法兰块(10)配合处设有两个小孔，用于从传动轴芯(8)管壁中引出温控镍钛丝(14)，法兰块(10)与传动轴芯(8)连接可以实现镍钛温控丝(14)两端的固定。
9.根据权利要求1所述的一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，其特征在于，所述镍钛温控丝(14)为具有通电收缩性能的镍钛合金丝，可以带动传动轴芯(8)上的台阶沿轴向方向产生微小位移，使传动轴芯(8)与螺纹管(9)接触并通过摩擦力带动螺纹管(9)转动。
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