CN113303911A - 一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂 - Google Patents

一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，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、传动组件和内部弯管驱动组件三部分。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

一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂
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，本发明提供一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，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：一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，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、传动组件和内部弯管驱动组件三部分；
所述外部弯管组件包括固定外管、外管连接套Ⅰ、柔性外管、外管连接套Ⅱ和驱动镍钛丝；
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，通孔分左右两组，用于安装所述驱动镍钛丝；所述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；
所述传动组件包括螺纹管、螺纹滑环和挡环；
所述螺纹管为外部设有螺纹的空心套筒结构；所述螺纹滑环为内部设有螺纹的空心套环结构，与所述螺纹管通过螺纹副相连，所述螺纹滑环两侧设有耳部，耳部可在所述固定外管的滑槽内滑动，所述螺纹滑环侧壁设有卡口用于固定所述驱动镍钛丝；所述挡环分布于所述螺纹管两端，用于将传动组件与固定外管相连；
所述内部弯管驱动组件包括柔性内管、内管连接套Ⅰ、支撑杆、膨胀管、内管连接套Ⅱ和温控镍钛丝；
所述柔性内管由多节可相互间摆动的铰接结构组成，其两端分别与内管连接套Ⅰ和上一节段的内管连接套Ⅱ相连；所述支撑杆为金属杆状结构，表面光滑，两端分别与内管连接套Ⅰ和内管连接套Ⅱ相连，所述膨胀管为弹性材料制成的鼓状结构，所述膨胀管一端固定在所述支撑杆上，另一端为自由端，可在所述温控镍钛丝的作用下伸缩；所述温控镍钛丝为受温度控制的记忆合金，以S型的方式缠绕在所述膨胀管的侧壁中。
进一步地，所述柔性外管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，所述驱动镍钛丝一端固定于柔性外管，另一端固定于螺纹滑环，螺纹滑环的转动可以带动驱动镍钛丝的伸缩，从而实现柔性外管的弯曲。
进一步地，所述膨胀管一端与所述支撑杆过盈连接，另一端可相对支撑杆滑动。
进一步地，所述膨胀管未膨胀时不与所述螺纹管内壁接触。
进一步地，所述膨胀管膨胀时可以与所述螺纹管内壁接触，并可以通过摩擦力带动所述螺纹管转动。
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。由于各子节段的内部弯管驱动组件是相连的，整个操作臂通过一个电机带动所有子节段的内部弯管驱动组件转动，通过控制各子节段的温控镍钛丝收缩，使膨胀管膨胀并与螺纹管接触，可以实现各子节段分时切换地与内部弯管驱动组件相连，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内部弯管驱动组件分时切换地与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为动力传递路线图；
图4为柔性外管弯曲原理图；
图5为膨胀管与温控镍钛丝的缠绕关系图；
图6为膨胀管工作原理图；
图中：1.外管连接套Ⅱ，2.固定外管，3.外管连接套Ⅰ，4.柔性外管，5.驱动镍钛丝，6.螺纹管，7.螺纹滑环，8.挡环，9.内管连接套Ⅱ，10.温控镍钛丝，11.膨胀管，12.支撑杆，13.内管连接套Ⅰ，14.柔性内管。
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1-6所示，本发明提供了一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，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、传动组件和内部弯管驱动组件三部分；
所述外部弯管组件包括固定外管2、外管连接套Ⅰ3、柔性外管4、外管连接套Ⅱ1和驱动镍钛丝5；
所述固定外管2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2的端面；所述外管连接套Ⅰ3为套筒结构，其一端设轴肩与固定外管2相连，另一端与柔性外管4相连；所述柔性外管4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Ⅰ3和上一节段的外管连接套Ⅱ1相连，柔性外管4管壁内有沿圆周均布的通孔，通孔分左右两组，用于安装所述驱动镍钛丝5；所述驱动镍钛丝5为具有超弹性的镍钛合金丝；所述外管连接套Ⅱ1为内部设轴肩的套筒结构，其两端分别连接固定外管2和下一节段的柔性外管4；
所述传动组件包括螺纹管6、螺纹滑环7和挡环8；
所述螺纹管6为外部设有螺纹的空心套筒结构；所述螺纹滑环7为内部设有螺纹的空心套环结构，与所述螺纹管6通过螺纹副相连，所述螺纹滑环7两侧设有耳部，耳部可在所述固定外管2的滑槽内滑动，所述螺纹滑环7侧壁设有卡口用于固定所述驱动镍钛丝5；所述挡环8分布于所述螺纹管6两端，用于将传动组件与固定外管2相连；
所述内部弯管驱动组件包括柔性内管14、内管连接套Ⅰ13、支撑杆12、膨胀管11、内管连接套Ⅱ9和温控镍钛丝10；
所述柔性内管14由多节可相互间摆动的铰接结构组成，其两端分别与内管连接套Ⅰ13和上一节段的内管连接套Ⅱ9相连；所述支撑杆12为金属杆状结构，表面光滑，两端分别与内管连接套Ⅰ13和内管连接套Ⅱ9相连，所述膨胀管11为弹性材料制成的鼓状结构，所述膨胀管11一端固定在所述支撑杆12上，另一端为自由端，可在所述温控镍钛丝10的作用下伸缩；所述温控镍钛丝10为受温度控制的记忆合金，以S型的方式缠绕在所述膨胀管11的侧壁中。
【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和图2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4的弯曲组合完成。由于各个子节段的内部弯管驱动组件是首尾相连的，因此所有节段的内部弯管驱动组件在同一个电机的驱动下始终是转动的。各个子节段的分时切换驱动主要受各个节段的温控镍钛丝10控制。具体而言，温控镍钛丝10通电收缩会拉动膨胀管11膨胀，使得膨胀管11与螺纹管6的内壁接触并带动螺纹管6旋转，螺纹管6转动会带动螺纹滑环7滑动，螺纹滑环7牵引驱动镍钛丝5伸缩，从而带动柔性外管4弯曲，实现单关节的转动。当温控镍钛丝10断电时，膨胀管11会在自身弹性的作用下断开与螺纹管6的接触，螺纹管6的转动停止。如图4所示，柔性外管4的弯曲实现过程为：螺纹管6转动，并通过螺纹副带动螺纹滑环7在固定外管2的滑槽内滑动，从而带动驱动镍钛丝5运动，驱动镍钛丝5带动柔性外管4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。机器人系统通过合理控制各个子节段的温控镍钛丝10，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、传动组件和内部弯管驱动组件三部分，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，并通过内管连接套Ⅱ9和外管连接套Ⅱ1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 (6)

1.一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，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、传动组件和内部弯管驱动组件三部分；
所述外部弯管组件包括固定外管(2)、外管连接套Ⅰ(3)、柔性外管(4)、外管连接套Ⅱ(1)和驱动镍钛丝(5)；
所述固定外管(2)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(2)的端面；所述外管连接套Ⅰ(3)为套筒结构，其一端设轴肩与固定外管(2)相连，另一端与柔性外管(4)相连；所述柔性外管(4)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(3)和上一节段的外管连接套Ⅱ(1)相连，柔性外管(4)管壁内有沿圆周均布的通孔，通孔分左右两组，用于安装所述驱动镍钛丝(5)；所述驱动镍钛丝(5)为具有超弹性的镍钛合金丝；所述外管连接套Ⅱ(1)为内部设轴肩的套筒结构，其两端分别连接固定外管(2)和下一节段的柔性外管(4)；
所述传动组件包括螺纹管(6)、螺纹滑环(7)和挡环(8)；
所述螺纹管(6)为外部设有螺纹的空心套筒结构；所述螺纹滑环(7)为内部设有螺纹的空心套环结构，与所述螺纹管(6)通过螺纹副相连，所述螺纹滑环(7)两侧设有耳部，耳部可在所述固定外管(2)的滑槽内滑动，所述螺纹滑环(7)侧壁设有卡口用于固定所述驱动镍钛丝(5)；所述挡环(8)分布于所述螺纹管(6)两端，用于将传动组件与固定外管(2)相连；
所述内部弯管驱动组件包括柔性内管(14)、内管连接套Ⅰ(13)、支撑杆(12)、膨胀管(11)、内管连接套Ⅱ(9)和温控镍钛丝(10)；
所述柔性内管(14)由多节可相互间摆动的铰接结构组成，其两端分别与内管连接套Ⅰ(13)和上一节段的内管连接套Ⅱ(9)相连；所述支撑杆(12)为金属杆状结构，表面光滑，两端分别与内管连接套Ⅰ(13)和内管连接套Ⅱ(9)相连，所述膨胀管(11)为弹性材料制成的鼓状结构，所述膨胀管(11)一端固定在所述支撑杆(12)上，另一端为自由端，可在所述温控镍钛丝(10)的作用下伸缩；所述温控镍钛丝(10)为受温度控制的记忆合金，以S型的方式缠绕在所述膨胀管(11)的侧壁中。
2.根据权利要求1所述的一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，其特征在于，所述柔性外管(4)两侧开有对向间隔分布的槽口，用于提高柔性外管(4)的弯曲性能。
3.根据权利要求1所述的一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，其特征在于，所述驱动镍钛丝(5)一端固定于柔性外管(4)，另一端固定于螺纹滑环(7)，螺纹滑环(7)的转动可以带动驱动镍钛丝(5)的伸缩，从而实现柔性外管(4)的弯曲。
4.根据权利要求1所述的一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，其特征在于，所述膨胀管(11)一端与所述支撑杆(12)过盈连接，另一端可相对支撑杆(12)滑动。
5.根据权利要求1所述的一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，其特征在于，所述膨胀管(11)未膨胀时不与所述螺纹管(6)内壁接触。
6.根据权利要求1所述的一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，其特征在于，所述膨胀管(11)膨胀时可以与所述螺纹管(6)内壁接触，并可以通过摩擦力带动所述螺纹管(6)转动。
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