CN114557774B - 一种面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人。包括：两级主动介入连续体、被动介入连续体、介入导向模块、介入推送模块。其中的两级主动介入连续体采用切口式镍钛合金，可完成主动介入的全维度的弯曲运动。在肺部介入活检时，介入连续体由介入导向模块通过拉伸放松驱动丝实现全维度的弯曲运动并可完成S型的复杂弯曲操作，从而实现肺部介入活检的主动介入导向功能；被动介入连续体模块固接在介入导向模块上，介入导向模块再与介入推送模块相连，介入连续体由介入推送模块实现递送和回退的操作，从而可实现肺部介入活检的推送功能，使柔性连续体机器人灵巧柔顺的介入肺部，本发明具有结构紧凑、柔顺性好、自锁能力强等优点。

Description

一种面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人。

背景技术

目前，肺癌是我国发病率和死亡率最高的肿瘤之一，肺部微小结节是否病变为肺癌需要肺部支气管活检确定，传统支气管镜检查中，需要医生手动插入，并且需要手动操作支气管镜的旋转，自由度有限，并且手动操作重复操作精度低。肺部支气管分支众多且腔道狭窄，能够准确灵巧地延伸介入肺部支气管到达病灶是当前肺部活检临床难点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人，具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人，包括：两级主动介入连续体(100)、被动介入连续体(200)、介入导向模块(300)、介入推送模块(400)；

所述两级主动介入连续体(100)包括：第一级主动介入连续体(110)、第二级主动介入连续体(120)、驱动丝(170)和柔性骨架(180)；所述第一级主动介入连续体(110)与所述第二级主动介入连续体(120)串联连接，所述驱动丝包括第一组驱动丝和第二组驱动丝；所述第一级主动介入连续体(110)包括第一组卡丝盘；所述第二级主动介入连续体(120)包括第二组卡丝盘；所述第一组驱动丝安装在所述第一组卡丝盘上进行限位，并通过所述第二级主动介入连续体(120)，即安装在所述第二组卡丝盘上；所述第二组驱动丝安装在所述第二组卡丝盘上进行限位；所述第一组卡丝盘和第二组卡丝盘均套设在柔性骨架(180)上；所述驱动丝可在所述两级主动介入连续体(100)内进行拉伸直线运动；

所述被动介入连续体(200)包括：驱动丝通道管(230)；

所述驱动丝(170)可通过所述驱动丝通道管(230)伸入到所述介入导向模块300内；

所述介入导向模块(300)包括：驱动丝夹具(321)和伺服步进电机(330)；

所述驱动丝夹具(321)用于夹持所述驱动丝(170)，所述伺服步进电机(330)用于驱动所述驱动丝(170)运动；

所述被动介入连续体(200)的一端与所述两级主动介入连续体(100)连接，另一端与所述介入导向模块(300)固定连接，所述第一组驱动丝和第二组驱动丝能够在所述两级主动介入连续体(100)、被动介入连续体(200)和介入导向模块(300)中进行拉伸运动，从而控制所述两级主动介入连续体(100)在全维度上的主动介入运动；

所述介入推送模块(400)包括：推送伺服步进电机(410)；

所述介入导向模块(300)安装在所述介入推送模块(400)上，并通过所述推送伺服步进电机(410)推送所述介入导向模块(300)做直线往复运动。

在一些实施例中，所述第一级主动介入连续体(110)中的第一组卡丝盘包括：头部卡丝盘(130)、至少一个第一中部卡丝盘(151)；所述第二级主动介入连续体(120)中的卡丝盘包括：尾部卡丝盘(140)、至少一个第二中部卡丝盘(153)；其中第一组和第二组卡丝盘共用一个中部卡丝盘即为中部共用卡丝盘(152)；

所述两级主动介入连续体(100)还包括：间隔盘(160)；

所述第一级主动介入连续体(110)中的第一组驱动丝的一端固定安装在所述头部卡丝盘(130)上，并控制所述第一级主动介入连续体(110)运动；所述第二级主动介入连续体(120)中的第二组驱动丝的一端固定安装在中部共用卡丝盘(152)上，并控制所述第二级主动介入连续体(120)运动。

在一些实施例中，所述柔性骨架(180)为镍钛合金柔性骨架，是通过对镍钛合金管进行激光切割而成，所述镍钛合金柔性骨架(180)上具有交错60度分布的柔性倒圆直梁。

在一些实施例中，所述第一组卡丝盘和第二组卡丝盘均为圆环形结构，且圆周均匀60度分布限位通道对驱动丝进行固定和限位；

所述头部卡丝盘(130)设置卡槽结构并与所述柔性骨架(180)的端部啮合固定；所述中部卡丝盘(150)与所述柔性骨架(180)中的未切割成柔性倒圆直梁的刚性部分固定；所述间隔盘(160)为圆环形结构与所述柔性骨架(180)中的刚性部分固定并且均匀分布在各卡丝盘之间；所述尾部卡丝盘(140)内部的卡槽与柔性骨架(180)的另一端啮合固定，所述所有驱动丝通过所述尾部卡丝盘(140)内部上的限位通道。

在一些实施例中，所述被动介入连续体(200)还包括：不锈钢海波纹管(210)、被动段间隔盘(220)和柔性硅胶骨架管(240)；所述柔性硅胶骨架管(240)为支撑管，所述驱动丝通道管(230)固定在柔性硅胶骨架管(240)的外壁上；所述被动段间隔盘(220)为多个且以固定间隔地固定在柔性硅胶骨架管(240)上，并且通过固定销与不锈钢海波纹管(210)固定，所述不锈钢海波纹管(210)为所述被动介入连续体(200)的最外部管路且与所述柔性硅胶骨架管(240)同心，所述两级主动介入连续体(100)通过所述尾部卡丝盘(140)与所述被动介入连续体(200)的所述柔性硅胶骨架管(240)固定连接。

在一些实施例中，所述介入导向模块(300)还包括：被动介入连续体固定支架(350)和过线结构(310)；

所述过线结构(310)包括多个过线支架；

所述被动介入连续体(200)固定在被动介入连续体固定支架(350)上，所述驱动丝依次通过多个所述过线支架，所述过线结构(310)与所述被动介入连续体(200)的尾部固定连接，所述介入推送模块(400)实现介入导向模块(300)的直线运动，进而实现两级主动介入连续体(100)和被动介入连续体(200)的介入推送运动。

在一些实施例中，所述介入导向模块(300)还包括：滑块结构(320)；

所述滑块结构(320)包括：驱动丝夹具(321)、滑块(322)、丝杆螺母(323)；

所述驱动丝夹具(321)设置在所述滑块(322)上；所述滑块(322)通过螺钉与丝杆螺母(323)固定连接；所述伺服步进电机(330)为多个，分别固定在电机固定支架(341)上，多个所述伺服步进电机(330)的电机输出轴分别与多个联轴器(331)的一端固定连接，所述联轴器(331)的另一端与滚珠丝杆(332)连接，从而实现伺服步进电机(330)带动滚珠丝杆(332)旋转运动，并将滚珠丝杆(332)的旋转运动转化为丝杆螺母(323)的直线运动，实现对每个驱动丝的分别独立的拉伸运动，从而控制两级主动介入连续体(100)的全维度的主动介入运动；所述滚珠丝杆(332)的另一端与轴承座(334)连接，所述轴承座(334)固定在轴承固定支架(342)上；轴承固定支架(342)通过螺钉与介入导向模块底板(340)固定连接，电机固定支架(341)通过螺钉与介入导向模块底板(340)固定连接。

在一些实施例中，所述滑块结构(320)还包括：拉力传感器固定座(324)、拉力传感器(325)和力传递固定座(326)；所述驱动丝夹具(321)通过螺钉与拉力传感器(325)一端固定连接；所述拉力传感器通过拉力传感器固定座(324)固定在所述滑块(322)上，所述拉力传感器(325)的另一端与力传递固定座(326)固定连接，所述拉力传感器实时测量驱动丝的拉力值。

在一些实施例中，电机外壳(362)固定在电机固定支架(341)上，介入导向模块上板(361)与介入导向模块侧板(363)固定在电机固定支架(341)与轴承固定支架(342)上，轴承外壳(364)通过螺钉固定在轴承固定支架(342)上，过线结构外壳(365)通过螺钉固定在轴承固定支架(342)上，橡胶塞(366)固定在过线结构外壳(365)上，其他医疗器械入口(367)固定在介入导向模块上板(361)上。

在一些实施例中，所述介入推送模块(400)还包括：介入推送模块底板(420)、惰带轮支座(430)、同步带轮(440)、同步带(450)、滑台连接板(460)、滑台(461)、导轨(470)、直线导轨滑块(471)、惰带轮(480)、介入推送模块外壳(490)和推送伺服步进电机外壳(491)；

所述推送伺服步进电机(410)固定连接在介入推送模块底板(420)上，所述推送伺服步进电机(410)的输出轴与同步带轮(440)相连，带动其进行旋转运动，所述同步带轮(440)与惰带轮(480)带动同步带(450)进行往复运动，惰带轮支座(430)的轴连接惰带轮(480)、底座连接在介入推送模块底板(420)上，同步带(450)通过同步带固接板固定在滑台461上，所述滑台(461)通过螺钉两侧对称固定在2个直线导轨滑块(471)上，所述直线导轨滑块(471)分别在其导轨(470)上进行直线滑动，所述导轨(470)固定在介入推送模块底板(420)上，滑台连接板(460)固定在滑台(461)上，滑台连接板(460)与介入导向模块底板(340)通过螺钉固定；

所述介入推送模块外壳(490)与推送伺服步进电机外壳(491)分别固定在介入推送模块底板(420)上。

根据上述方案，本发明针对上述临床难点，提出了一种用于肺部介入活检的多自由度连续体手术机器人，具有如下有益效果：

本发明提供的一种用于肺部介入活检的多自由度连续体手术机器人具有7自由度，利用镍钛合金骨架的弹性变形来传递运动和力，比传统的刚性铰接的蛇骨连续体具有结构紧凑，工作通道大，柔顺性高等优点。其中的两级主动介入连续体采用切口式镍钛合金作为骨架具有柔顺性高、灵巧性强等优点，可完成主动介入的全维度的弯曲运动，被动介入连续体采用螺旋海波纹外管结构，既具有一定的刚度也具有一定的柔顺度，并作为工作通道和驱动丝的通道。在肺部介入活检时，介入连续体由介入导向模块通过拉伸放松驱动丝实现全维度的弯曲运动并可完成S型的复杂弯曲操作，从而实现肺部介入活检的主动介入导向功能；被动介入连续体模块固接在介入导向模块上，介入导向模块再与介入推送模块相连，介入连续体由介入推送模块实现递送和回退的操作，从而可实现肺部介入活检的推送功能，使柔性连续体机器人灵巧柔顺的介入肺部，并准确地到达病灶。本发明作为一种面向肺部介入的多自由度柔性连续体机器人，能够克服现有机器人灵巧性差、工作通道狭小，结构不紧凑、柔顺性差、自锁能力差等缺点。

附图说明

图1为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人的整体结构示意图；

图2为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人的整体外观结构示意图；

图3为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，柔性介入连续体的两级主动介入连续体的结构示意图；

图4为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，两级主动介入连续体的结构分解图；

图5为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，两级主动介入连续体的驱动丝分布图；

图6为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，两级主动介入连续体的头部卡丝盘结构示意图；

图7为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，柔性介入连续体的被动介入连续体的结构示意图；

图8为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，被动介入连续体的分解图；

图9为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，两级主动介入连续体受拉伸为S型弯曲状态下的结构示意图；

图10为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，介入导向模块的整体结构示意图；

图11为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，介入导向模块的整体外观结构示意图；

图12为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，介入导向模块中的滑块结构示意图；

图13为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，介入导向模块的过线结构示意图；

图14为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，介入推送模块的整体结构示意图；

图15为本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人中，介入推送模块的整体外观结构示意图；

图中，

100-两级主动介入连续体；

110-第一级主动介入连续体；120-第二级主动介入连续体；130-头部卡丝盘；140-尾部卡丝盘；

150-中部卡丝盘；

151-第一中部卡丝盘1；

152-第二中部卡丝盘2；

153-第三中部卡丝盘3；

160-间隔盘；

170-驱动丝；

171-第一驱动丝；172-第二驱动丝；173-第三驱动丝；174-第四驱动丝；175-第五驱动丝5；176-第六驱动丝；

180-柔性骨架；

200-被动介入连续体；

210-不锈钢海波纹管；220-被动段间隔盘；230-驱动丝通道管；240-柔性硅胶骨架管；

300-介入导向模块；

310-过线结构；

311-过线支架1；312-过线支架2；313-过线支架3；

320-滑块结构320；

321-驱动丝夹具；322-滑块；323-丝杆螺母；324-拉力传感器固定座；325-拉力传感器；326-力传递固定座；

330-伺服步进电机；331-联轴器；332-滚珠丝杆；333-限位光轴；334-轴承座；340-介入导向模块底板；341-电机固定支架；342-轴承固定支架；350-被动介入连续体固定支架；361-介入导向模块上板；362-电机外壳；363-介入导向模块侧板；364-轴承外壳；365-过线结构外壳；366-橡胶塞1；367-其他医疗器械入口；

400-介入推送模块；

410-推送伺服步进电机；420-介入推送模块底板；430-惰带轮支座；440-同步带轮；450-同步带；460-滑台连接板；461-滑台；470-导轨；471-直线导轨滑块；480-惰带轮；490-介入推送模块外壳；491-推送伺服步进电机外壳。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

实施例1：

如图1、图2所示，本发明提供的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，包括：两级主动介入连续体100、被动介入连续体200、介入导向模块300、介入推送模块400；两级主动介入连续体100与被动连续体200串联固定连接，被动介入连续体200与介入导向模块300固连、介入导向模块300与介入推送模块400固连；

所述两级主动介入连续体100包括：第一级主动介入连续体110、第二级主动介入连续体120、驱动丝170和柔性骨架180；所述第一级主动介入连续体110与所述第二级主动介入连续体120串联连接，所述驱动丝包括第一组驱动丝和第二组驱动丝；所述第一级主动介入连续体110包括第一组卡丝盘；所述第二级主动介入连续体120包括第二组卡丝盘；所述第一组驱动丝安装在所述第一组卡丝盘上进行限位，并通过所述第二级主动介入连续体120，即安装在所述第二组卡丝盘上；所述第二组驱动丝安装在所述第二组卡丝盘上进行限位；所述第一组卡丝盘和第二组卡丝盘均套设在柔性骨架180上；所述驱动丝可在所述两级主动介入连续体100内进行拉伸运动；

所述被动介入连续体200包括：驱动丝通道管230；

所述驱动丝可通过所述驱动丝通道管230伸入到所述介入导向模块300内；

所述介入导向模块300包括：驱动丝夹具321和伺服步进电机330；

所述驱动丝夹具321用于夹持所述驱动丝，所述伺服步进电机330用于驱动所述驱动丝运动；

所述被动介入连续体200的一端与所述两级主动介入连续体100连接，另一端与所述介入导向模块300固定连接，所述第一组驱动丝和第二组驱动丝能够在所述两级主动介入连续体100、被动介入连续体200和介入导向模块300中拉伸运动，从而控制所述两级主动介入连续体100在全维度的主动介入运动；

所述介入推送模块400包括：推送伺服步进电机410；

所述介入导向模块300安装在所述介入推送模块400上，并通过所述推送伺服步进电机410推送所述介入导向模块300做直线往复运动。

其中，驱动丝为多根，第一组驱动丝为一根或者多根，第二组驱动丝为一根或者多根。

本实施例提供的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其中该柔性介入连续体具有7个自由度，其中的两级主动介入连续体采用切口式镍钛合金作为骨架具有柔顺性高、灵巧性强等优点，可完成主动介入的全维度的弯曲运动，被动介入连续体采用螺旋海波纹外管结构，既具有一定的刚度也具有一定的柔顺度，并作为工作通道和驱动丝的通道。在肺部介入活检时，介入连续体由介入导向模块通过拉伸放松驱动丝实现全维度的弯曲运动并可完成S型的弯曲操作，从而实现肺部介入活检的主动介入导向功能；被动介入连续体模块固接在介入导向模块上，介入导向模块再与介入推送模块相连，介入连续体由介入推送模块实现递送和回退的操作，从而可实现肺部介入活检的推送功能，使柔性连续体机器人灵巧柔顺的介入肺部，并准确地到达病灶。本发明作为一种面向肺部介入的多自由度柔性连续体机器人，能够克服现有机器人灵巧性差、工作通道狭小，结构不紧凑、柔顺性差、自锁能力差等缺点。

实施例2：

根据上述方案，进一步，在一些具体的实施例中，具体地，以第一组驱动丝为3根，第二组驱动丝为3根，具体实施例，如下：

如图3、图4、图5、图6所示，两级主动介入连续体100包括：第一级主动介入连续体110；第二级主动介入连续体120；头部卡丝盘130；尾部卡丝盘140；中部卡丝盘150；间隔盘160；驱动丝170；柔性骨架180；第一组卡丝盘包括：头部卡丝盘130；第一中部卡丝盘151和第二中部卡丝盘152；第二组卡丝盘包括：尾部卡丝盘140；第三中部卡丝盘153和第二中部卡丝盘152；其中中部卡丝盘为1个或者多个，本实施例中，中部卡丝盘为3个，分别是中部卡丝盘151-153；其中第一组和第二组卡丝盘共用一个第二中部卡丝盘152即为中部共用卡丝盘。

第一组驱动丝包括第一驱动丝171、第二驱动丝172和第三驱动丝173，第一组驱动丝的一端固接在头部卡丝盘130上，三根驱动丝控制第一级主动介入连续体110，第二组驱动丝包括第四驱动丝174、第五驱动丝175和第六驱动丝176，第二组驱动丝的一端固接在第二中部卡丝盘152上，三根驱动丝控制第二级主动介入连续体120，通过驱动丝的拉伸实现了连续体机器人的全维弯曲运动；柔性骨架180是通过对镍钛合金管进行激光切割而成的，柔性骨架180上具有交错60度分布的柔性倒圆直梁，并在其抗拉强度内可实现180度的弯曲，同时满足刚度和柔度要求，可实现全维弯曲和S型的弯曲操作，以及连续体的运动自锁，满足机器人的精度及稳定性要求；卡丝盘结构具有圆周均匀分布的卡丝槽，作为驱动丝的通道，卡丝盘的中央具有和镍钛合金骨架间隙配合的腔道。利用镍钛合金的超弹性材料性能可满足主动介入连续体的全维弯曲运动；多种卡丝盘结构对驱动丝进行限位，头部卡丝盘130内部具有圆周均匀60度分布的卡槽，卡槽结构可与柔性骨架180的端部啮合固定，头部卡丝盘130中的限位卡槽对第一组驱动丝包括第一驱动丝171、第二驱动丝172和第三驱动丝173进行限位；中部卡丝盘150中圆周均匀60度分布的限位卡槽对第二组驱动丝包括第四驱动丝174、第五驱动丝175和第六驱动丝176进行固定限位，对第一组驱动丝包括第一驱动丝171、第二驱动丝172和第三驱动丝173做限位通道，并中部卡丝盘150与镍钛合金柔性骨架中的未切割成柔性倒圆直梁的刚性部分固定；间隔盘160中均匀60度分布的限位卡槽对驱动丝171-176做限位通道，并间隔盘160与镍钛合金柔性骨架中的刚性部分固定；尾部卡丝盘140内部具有圆周均匀60度分布的卡槽，卡槽与柔性骨架180的尾部啮合固定，尾部卡丝盘140中的限位卡槽对驱动丝171-176做限位通道，并尾部卡丝盘140与镍钛合金柔性骨架180中的尾部固定；两级主动介入连续体100结构尺寸紧凑，内部工作通道空间大，且具有良好的柔顺性，可满足肺部介入活检的要求。

如图6所示，从图中可以看出，在头部卡丝盘130的内壁上均匀设置有6个卡槽，用于与柔性骨架180的端部配合啮合，柔性骨架180的端部设置有6个卡片，6个卡片正好插入6个卡槽中，形成配合安装；同时在头部卡丝盘130的6个卡槽中设置有6个限位通道，如图所示，具体为半圆柱型或者槽型的通道，用于通过驱动丝，给予驱动丝定位和限制。

根据上述方案，进一步，如图7、图8所示，柔性介入连续体的被动介入连续体200包括：不锈钢海波纹管210、被动段间隔盘220、驱动丝通道管230、柔性硅胶骨架管240；柔性硅胶骨架管240作为工作通道以及内部支撑管，可满足活检钳、细胞刷等医疗器械的自由推送，驱动丝通道管230圆周均匀60度固定在柔性硅胶骨架管240上，被动段间隔盘220以固定间隔固定在柔性硅胶骨架管240上，并且通过固定销与不锈钢海波纹管210固定，不锈钢海波纹管210为被动介入连续体200的外同心管，既具有良好的柔顺度，又具有一定的刚度。

根据上述方案，进一步，如图9所示，两级主动介入连续体100受拉伸为S型弯曲状态下的结构，通过对驱动丝的控制实现两级主动介入连续体100的S型弯曲动作，可展示出两级主动介入连续体100的良好的柔顺性，可满足在支气管迂回曲折的环境下，可完成主动介入到达病灶的能力。

根据上述方案，进一步，如图10、图11、图12、图14所示，介入导向模块300包括：

过线结构310；

其中，过线结构310包括：过线支架311；过线支架312；过线支架313；

滑块结构320；

其中，滑块结构320包括：驱动丝夹具321；滑块322；丝杆螺母323；拉力传感器固定座324；拉力传感器325；力传递固定座326；所述驱动丝夹具(321)设置在所述滑块(322)上，即所述驱动丝夹具(321)安装在所述滑块结构(320)整体结构的内部；

伺服步进电机330；联轴器331；滚珠丝杆332；限位光轴333；轴承座334；介入导向模块底板340；电机固定支架341；轴承固定支架342；被动介入连续体固定支架350；介入导向模块上板361；电机外壳362；介入导向模块侧板363；轴承外壳364；过线结构外壳365；橡胶塞366；其他医疗器械入口367；

其中，被动介入连续体200固定在被动介入连续体固定支架350上，过线结构310与被动段介入连续体200尾部固定，从而通过介入导向模块300由介入推送模块400进行滑动，实现两级主动介入连续体100和被动段介入连续体200的介入推送运动；驱动丝171-176依次通过过线支架313、过线支架312、过线支架311，实现驱动丝171-176的合理布局。

在一些实施例中，具体地，滑块结构320中的驱动丝夹具321分别固连驱动丝171-176，驱动丝夹具321通过螺钉与拉力传感器325固连，拉力传感器通过拉力传感器固定座324固定在322滑块上，拉力传感器325的另一端与力传递固定座326固定，该结构可实时测量驱动丝的拉力值，可补偿驱动丝的延伸量，提高控制精度，滑块322通过螺钉与丝杆螺母323固连，其中，伺服步进电机330的数量与驱动丝的数量相同，根据上述实施例中，选用6个驱动丝，对应设置有6个伺服步进电机330，且分别固定在电机固定支架341上，伺服步进电机330的电机输出轴分别与6个联轴器331固接，联轴器331的另一端与滚珠丝杆332连接，从而实现伺服步进电机330带动滚珠丝杆332的旋转运动，并滚珠丝杆332的旋转运动转化为丝杆螺母323的直线运动，实现对驱动丝171-176的分别独立的拉伸运动，从而控制两级主动介入连续体100的全维度的主动介入运动；滚珠丝杆332的另一端与轴承座334连接，轴承座334固定在轴承固定支架342上；其中，电机外壳362固定在电机固定支架341上，介入导向模块上板361与介入导向模块侧板363固定在电机固定支架341与轴承固定支架342上，轴承外壳364固定在轴承固定支架342上，轴承固定支架(342)通过螺钉与介入导向模块底板(340)固定连接，电机固定支架(341)通过螺钉与介入导向模块底板(340)固定连接；过线结构外壳365固定在轴承固定支架342上，橡胶塞366固定在过线结构外壳365上，其他医疗器械入口367固定在介入导向模块上板361上。

在一些实施例中，具体地，如图14、图15所示，介入推送模块400包括：推送伺服步进电机410；介入推送模块底板420；惰带轮支座430；同步带轮440；同步带450；滑台连接板460；滑台461；导轨470；直线导轨滑块471；惰带轮480；介入推送模块外壳490；推送伺服步进电机外壳491；其中，推送伺服步进电机410固接在介入推送模块底板420上，推送伺服步进电机410的输出轴与同步带轮440相连，带动其进行旋转运动，同步带轮440与惰带轮430带动同步带450进行往复运动，惰带轮支座430的轴连接惰带轮480、底座连接在介入推送模块底板420，同步带450通过同步带固接板固定在滑台461上，滑台461通过螺钉两侧对称固定在2个直线导轨滑块471上，2个直线导轨滑块471分别在其导轨470上进行直线滑动，2个直线导轨滑块471固定在介入推送模块底板420上，滑台连接板460固定在滑台461上，滑台连接板460与介入导向模块底板340通过螺钉固定，从而实现介入推送模块400实现推送介入导向模块300的整体的直线往复运动，进而实现柔性介入连续体的介入推送运动；其中，介入推送模块外壳490与推送伺服步进电机外壳491分别固定在介入推送模块底板420上。

综上，本发明提供的一种面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人，其中，两级主动介入连续体采用切口式镍钛合金骨架和卡丝盘的结构，3根驱动丝控制一级主动介入连续体，另3根驱动丝控制另外一级主动介入连续体。其中，切口形式为倒圆直梁结构，圆周交错60度阵列布置，同时满足刚度和柔度要求，可实现全维弯曲和S型的弯曲操作，以及连续体的运动自锁，满足机器人的精度及稳定性要求；卡丝盘结构具有圆周均匀分布的卡丝槽，作为驱动丝的通道，卡丝盘的中央具有和镍钛合金骨架间隙配合的腔道。

被动介入连续体结构由柔性硅胶支撑内管、驱动丝通道管、被动卡丝盘、不锈钢螺旋海波纹外管等组成。具有小外径大工作腔道。被动卡丝盘圆周均匀分布卡丝槽，驱动丝通道管固定在卡丝槽中，驱动丝通道管为驱动丝的通道，并可减少驱动丝与被动段卡丝槽的摩擦力。柔性硅胶支撑内管与被动段卡丝盘紧密配合、驱动丝通道管与被动段卡丝盘紧密配合、被动段卡丝盘外侧与不锈钢螺旋海波纹外管紧密配合。

介入导向模块包括驱动结构、滑块结构、过线结构、驱动支撑结构，其中驱动结构包括伺服步进电机、联轴器、滚珠丝杆及螺母、轴承座、导轨、直线轴套；滑块结构包括滑块、拉力传感器、拉力传感器固定结构、驱动丝夹具；过线结构包括过线支撑座；其中驱动结构固定在驱动支撑结构上、滑块结构与驱动结构中的滚珠丝杆螺母固连，6根驱动丝通过过线结构与滑块结构中的驱动丝夹具固连，驱动丝的另一端与两级主动介入连续体末端相连。从而实现了6根驱动丝的拉伸放松，完成两级主动介入连续体的全维度弯曲运动并可完成S型的弯曲操作，从而实现肺部介入活检的主动介入导向功能。

介入推送模块包括：推送伺服步进电机、介入推送模块底板、惰带轮支座、同步带轮、同步带、滑台连接板、滑台、导轨滑块、惰带轮、介入推送模块外壳、推送伺服步进电机外壳；被动段介入连续体与介入导向模块的过线结构固定，介入导向模块与介入推送模块的滑台连接板固定，介入连续体由介入推送模块实现递送和回退的操作，从而可实现肺部介入活检的推送功能，使柔性连续体机器人灵巧柔顺的介入肺部，并准确地到达病灶。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了面向肺部介入活检的多自由度柔性连续体机器人，能够完成柔性灵巧准确地介入迂回曲折复杂的肺部支气管中，并且具有中央工作通道大、柔顺性强、结构紧凑、定位精准等特点。本发明是可配合肺部介入活检的其他医疗器械(活检钳、细胞刷、吸取针)使用，到达病灶，完成肺部介入活检的工作。

虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为限制任何发明的范围或所要求保护的范围，而是主要用于描述特定发明的具体实施例的特征。本说明书内在多个实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合实施。另一方面，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序执行或顺次执行、或者要求所有例示的操作被执行，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统模块和组件的分离不应被理解为在所有实施例中均需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中，或者封装成多个软件产品。

由此，主题的特定实施例已被描述。其他实施例在所附权利要求书的范围以内。在某些情况下，权利要求书中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍实现期望的结果。此外，附图中描绘的处理并非必需所示的特定顺序或顺次顺序，以实现期望的结果。在某些实现中，多任务和并行处理可能是有利的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其特征在于，包括：两级主动介入连续体(100)、被动介入连续体(200)、介入导向模块(300)、介入推送模块(400)；

所述两级主动介入连续体(100)包括：第一级主动介入连续体(110)、第二级主动介入连续体(120)、驱动丝(170)和柔性骨架(180)；所述第一级主动介入连续体(110)与所述第二级主动介入连续体(120)串联连接，所述驱动丝包括第一组驱动丝和第二组驱动丝；所述第一级主动介入连续体(110)包括第一组卡丝盘；所述第二级主动介入连续体(120)包括第二组卡丝盘；所述第一组驱动丝安装在所述第一组卡丝盘上进行限位，并通过所述第二级主动介入连续体(120)，即安装在所述第二组卡丝盘上；所述第二组驱动丝安装在所述第二组卡丝盘上进行限位；所述第一组卡丝盘和第二组卡丝盘均套设在柔性骨架(180)上；所述驱动丝可在所述两级主动介入连续体(100)内进行拉伸直线运动；

所述被动介入连续体(200)包括：驱动丝通道管(230)；

所述驱动丝(170)可通过所述驱动丝通道管(230)伸入到所述介入导向模块300内；

所述介入导向模块(300)包括：驱动丝夹具(321)和伺服步进电机(330)；

所述驱动丝夹具(321)用于夹持所述驱动丝(170)，所述伺服步进电机(330)用于驱动所述驱动丝(170)运动；

所述被动介入连续体(200)的一端与所述两级主动介入连续体(100)连接，另一端与所述介入导向模块(300)固定连接，所述第一组驱动丝和第二组驱动丝能够在所述两级主动介入连续体(100)、被动介入连续体(200)和介入导向模块(300)中进行拉伸运动，从而控制所述两级主动介入连续体(100)在全维度上的主动介入运动；

所述介入推送模块(400)包括：推送伺服步进电机(410)；

所述介入导向模块(300)安装在所述介入推送模块(400)上，并通过所述推送伺服步进电机(410)推送所述介入导向模块(300)做直线往复运动；

所述第一级主动介入连续体(110)中的第一组卡丝盘包括：头部卡丝盘(130)、至少一个第一中部卡丝盘(151)；所述第二级主动介入连续体(120)中的第二组卡丝盘包括：尾部卡丝盘(140)、至少一个第二中部卡丝盘(153)；其中第一组和第二组卡丝盘共用一个中部卡丝盘即为中部共用卡丝盘(152)；

所述两级主动介入连续体(100)还包括：间隔盘(160)；

所述第一级主动介入连续体(110)中的第一组驱动丝的一端固定安装在所述头部卡丝盘(130)上，并控制所述第一级主动介入连续体(110)运动；所述第二级主动介入连续体(120)中的第二组驱动丝的一端固定安装在中部共用卡丝盘(152)上，并控制所述第二级主动介入连续体(120)运动；

所述柔性骨架(180)为镍钛合金柔性骨架，是通过对镍钛合金管进行激光切割而成，所述镍钛合金柔性骨架(180)上具有交错60度分布的柔性倒圆直梁；

所述第一组卡丝盘和第二组卡丝盘均为圆环形结构，且圆周均匀60度分布限位通道对驱动丝进行固定和限位；

所述头部卡丝盘(130)设置卡槽结构并与所述柔性骨架(180)的端部啮合固定；所述中部卡丝盘(150)与所述柔性骨架(180)中的未切割成柔性倒圆直梁的刚性部分固定；所述间隔盘(160)为圆环形结构与所述柔性骨架(180)中的刚性部分固定并且均匀分布在各卡丝盘之间；所述尾部卡丝盘(140)内部的卡槽与柔性骨架(180)的另一端啮合固定，所有所述驱动丝通过所述尾部卡丝盘(140)内部上的限位通道。

2.根据权利要求1所述的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其特征在于，所述被动介入连续体(200)还包括：不锈钢海波纹管(210)、被动段间隔盘(220)和柔性硅胶骨架管(240)；所述柔性硅胶骨架管(240)为支撑管，所述驱动丝通道管(230)固定在柔性硅胶骨架管(240)的外壁上；所述被动段间隔盘(220)为多个且以固定间隔地固定在柔性硅胶骨架管(240)上，并且通过固定销与不锈钢海波纹管(210)固定，所述不锈钢海波纹管(210)为所述被动介入连续体(200)的最外部管路且与所述柔性硅胶骨架管(240)同心，所述两级主动介入连续体(100)通过所述尾部卡丝盘(140)与所述被动介入连续体(200)的所述柔性硅胶骨架管(240)固定连接。

3.根据权利要求1所述的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其特征在于，所述介入导向模块(300)还包括：被动介入连续体固定支架(350)和过线结构(310)；

所述过线结构(310)包括多个过线支架；

所述被动介入连续体(200)固定在被动介入连续体固定支架(350)上，所述驱动丝依次通过多个所述过线支架，所述过线结构(310)与所述被动介入连续体(200)的尾部固定连接，所述介入推送模块(400)实现介入导向模块(300)的直线运动，进而实现两级主动介入连续体(100)和被动介入连续体(200)的介入推送运动。

4.根据权利要求3所述的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其特征在于，所述介入导向模块(300)还包括：滑块结构(320)；

所述滑块结构(320)包括：驱动丝夹具(321)、滑块(322)、丝杆螺母(323)；

所述驱动丝夹具(321)设置在所述滑块(322)上；所述滑块(322)通过螺钉与丝杆螺母(323)固定连接；所述伺服步进电机(330)为多个，分别固定在电机固定支架(341)上，多个所述伺服步进电机(330)的电机输出轴分别与多个联轴器(331)的一端固定连接，所述联轴器(331)的另一端与滚珠丝杆(332)连接，伺服步进电机(330)带动滚珠丝杆(332)旋转运动，并将滚珠丝杆(332)的旋转运动转化为丝杆螺母(323)的直线运动，实现对每个驱动丝的分别独立的拉伸运动，从而控制两级主动介入连续体(100)的全维度的主动介入运动；所述滚珠丝杆(332)的另一端与轴承座(334)连接，所述轴承座(334)固定在轴承固定支架(342)上；轴承固定支架(342)通过螺钉与介入导向模块底板(340)固定连接，电机固定支架(341)通过螺钉与介入导向模块底板(340)固定连接。

5.根据权利要求4所述的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其特征在于，所述滑块结构(320)还包括：拉力传感器固定座(324)、拉力传感器(325)和力传递固定座(326)；

所述驱动丝夹具(321)通过螺钉与拉力传感器(325)一端固定连接；所述拉力传感器通过拉力传感器固定座(324)固定在所述滑块(322)上，所述拉力传感器(325)的另一端与力传递固定座(326)固定连接，通过所述拉力传感器实时测量驱动丝的拉力值。

6.根据权利要求5所述的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其特征在于，电机外壳(362)固定在电机固定支架(341)上，介入导向模块上板(361)与介入导向模块侧板(363)固定在电机固定支架(341)与轴承固定支架(342)上，轴承外壳(364)通过螺钉固定在轴承固定支架(342)上，过线结构外壳(365)通过螺钉固定在轴承固定支架(342)上，橡胶塞(366)固定在过线结构外壳(365)上，其他医疗器械入口(367)固定在介入导向模块上板(361)上。

7.根据权利要求6所述的面向肺部介入活检的多自由度连续体机器人，其特征在于，所述介入推送模块(400)还包括：介入推送模块底板(420)、惰带轮支座(430)、同步带轮(440)、同步带(450)、滑台连接板(460)、滑台(461)、导轨(470)、直线导轨滑块(471)、惰带轮(480)、介入推送模块外壳(490)和推送伺服步进电机外壳(491)；

所述推送伺服步进电机(410)固定连接在介入推送模块底板(420)上，所述推送伺服步进电机(410)的输出轴与同步带轮(440)相连，带动其进行旋转运动，所述同步带轮(440)与惰带轮(480)带动同步带(450)进行往复运动，惰带轮支座(430)的轴连接惰带轮(480)、底座连接在介入推送模块底板(420)上，同步带(450)通过同步带固接板固定在滑台461上，所述滑台(461)通过螺钉两侧对称固定在2个直线导轨滑块(471)上，所述直线导轨滑块(471)分别在其导轨(470)上进行直线滑动，所述导轨(470)固定在介入推送模块底板(420)上，滑台连接板(460)固定在滑台(461)上，滑台连接板(460)与介入导向模块底板(340)通过螺钉固定；

所述介入推送模块外壳(490)与推送伺服步进电机外壳(491)分别固定在介入推送模块底板(420)上。

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