CN211460504U - 一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种软体机械臂，具体是涉及到一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂，用于微创手术的可变刚度软体机械臂包括变刚度支撑臂以及套装在变刚度支撑臂上的套筒，套筒包括弯曲段和扭转段，弯曲段和扭转段外分别缠绕有多个丝圈和螺旋丝，弯曲段和扭转段内分别设置有连通充放模块的沿变刚度支撑臂径向分布的至少2个以上腔室，对腔室充放介质以实现机械臂的弯曲和扭转，本实用新型整体变刚度支撑臂、弯曲段和扭转段结构一致，只需改变外壁缠绕丝圈或者螺旋丝即可改变弯曲和扭转的类型，极大程度上简化了机械臂的结构设计和排布组合的难度，便于根据实际需要，进行不同的弯曲段和扭转段的组合，具有较好的顺应性。

Description

一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂

技术领域

本实用新型属于一种软体机械臂，具体是涉及到一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂。

背景技术

科技的快速发展提高了人类对于机器安全性的审视，现代机械设计中对于人机交互中的安全性的考量也得到了大幅度的提升，因此，具有良好的顺应性、人机交互安全性的软体机器人迅速成为机器人的热点，被相关从业人员认为是机器人领域未来重要发展方向。

传统应用于手术中的机械臂集成于外科手术机器人系统中，用于辅助外科手术的顺利进行，稳定、精确以及灵活的机械臂能够完成在人手无法触及的狭小空间内的操作。但是刚性结构的机械臂对于人体脆弱的组织容易造成损伤，其次外科手术机器人价格昂贵，因此，可用于微创手术的软体机械臂一出现就受到了广泛关注。

体积小巧的软体机械臂可以通过人体切开的创口，进入人体内实现类似胃镜等内窥镜的检查功能，也可以通过末端加载功能模块实现如抓取等操作。柔软拥有众多的优点，但是目前的软体机械臂同时还存在刚度不足使得其稳定性差、内部结构复杂不便于扭转模块或弯曲模块的排布组合设计，各个模块之间的控制方式不同，同一个软体机械臂需要多种动力设备等问题。

申请号为CN201810935837.3名称为“一种电流变液控制的变刚度软体机械臂”的中国发明专利记载有：“变刚度中装置充满电流变液，通过改变电压的大小，实现电流变液的“液—固—液”的转变，从而实现刚度的变化；软体机械臂本体四周均布三个气腔，通过密封装置与快速接头相连输送气体来使其弯曲”。其变刚度模块由电压的大小控制，而弯曲则由输送气体来控制，带来了操作不便，需要多种控制设备的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有多种扭转段和弯曲段组合方式、便于控制和结构简单的用于微创手术的可变刚度软体机械臂及其使用方法。

本实用新型的内容包括变刚度支撑臂以及套装在变刚度支撑臂上的套筒，套筒包括弯曲段和扭转段，弯曲段和扭转段外分别缠绕有多个丝圈和螺旋丝，弯曲段和扭转段内分别设置有连通充放模块的沿变刚度支撑臂径向分布的至少2个以上腔室，对腔室充放介质以实现机械臂的弯曲和扭转。

充放模块可以对腔室填充和吸走介质，介质可以为气体也可以为液体，优选为压缩空气，另外，可根据实际工作需要调整腔室的尺寸以及弯曲段和扭转段的长度，以获得最佳的使用效果。

更进一步地，所述变刚度支撑臂包括连通充放模块的内管和套装在内管上的外管，内管与外管之间填充有阻塞颗粒，阻塞颗粒采用摩擦系数大的颗粒，增加紧密状态下的稳定性。

更进一步地，所述腔室可以为圆形、椭圆形、矩形、扇形等其它形状，优选为扇形腔室，腔室可以为气囊结构或者腔体结构。

更进一步地，弯曲段或扭转段沿套筒径向分布的每2个腔室之间设置有支撑条。

更进一步地，所述支撑条内沿套筒轴线方向设置有预留通孔，预留通孔内设置有管道Ⅲ，管道Ⅲ一端连通充放模块，另一端与另一弯曲段的腔室连通。

更进一步地，所述腔室绕套筒中心轴呈圆周分布有3个。

更进一步地，所述弯曲段和扭转段隔断设置，隔断设置提高扭转和弯曲的控制精度，使相邻的弯曲段或者扭转段不会相互干扰。

更进一步地，所述丝圈沿弯曲段紧密排布。

更进一步地，所述螺旋丝呈大倾角单螺旋、双螺旋或者多螺旋设置于扭转段外壁。

一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：控制充放模块单独对弯曲段内的各腔室充放介质，实现弯曲段的弯曲变形，通过控制介质压力大小以及充放顺序，实现不同程度和不同方向的弯曲；同时，控制充放模块同时对扭转段内的各腔室充放介质，实现扭转段的扭转变形。

步骤2：控制充放模块对内管填充介质，内管发生径向膨胀，挤压阻塞颗粒以增加变刚度支撑臂的刚度，内管内介质压力大小，对应变刚度支撑臂的不同刚度。

本实用新型的有益效果是，本实用新型整体变刚度支撑臂、弯曲段和扭转段结构一致，只需改变外壁缠绕丝圈或者螺旋丝即可改变弯曲和扭转的类型，极大程度上简化了机械臂的结构设计和排布组合的难度，便于根据实际需要，进行不同的弯曲段和扭转段的组合，具有较好的顺应性，而在生产制造时，减少制造工序，提升模具的利用率；

本实用新型变刚度支撑臂采用内管、外管以及填充阻塞颗粒的方式，与弯曲段和扭转段同样采用正压控制，只需一个压缩气体装置或者液压装置即可完成变刚度、弯曲和扭转的控制，减少动力源的种类，同时解决了目前软体机械臂刚度、末端力小的问题；

本实用新型腔体采用扇面腔体，具有横截面积大、机械臂利用率高的特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的截面示意图。

图3为本实用新型中管道Ⅲ的安装示意图。

图4为本实用新型中管道Ⅰ-Ⅲ的安装示意图。

图5为本实用新型中变刚度支撑臂的结构示意图。

图6为本实用新型中弯曲段的结构示意图。

图7为本实用新型中扭转段的结构示意图。

图8为本实用新型中管道Ⅱ的结构示意图。

图9为本实用新型中管道Ⅱ的安装示意图。

图10为本实用新型中管道Ⅳ的安装示意图。

图11为本实用新型中固定模块的结构示意图。

图12为本实用新型中配件连接模块的结构示意图。

在图中，1内管、2外管、3套筒、4支撑条、5阻塞颗粒、6预留通孔、7腔室、8管道Ⅰ、9管道Ⅱ、901分管、10管道Ⅲ、11丝圈、12螺旋丝、13固定模块、1301固定主体、 1302搭载平台连接螺栓孔、1303紧固滑块、1304紧固螺栓、1305三角滑槽、1306三角滑块、 14配件连接模块、1401配件连接主体、1402配件连接螺栓孔、1403紧固螺栓孔、1404固定腔、15管道Ⅳ、16扭转段Ⅰ、17弯曲段Ⅰ、18扭转段Ⅱ、19弯曲段Ⅱ、20扭转段Ⅲ。

具体实施方式

如图1-12所示，本实用新型包括变刚度支撑臂以及套装在变刚度支撑臂上的套筒3，变刚度支撑臂和套筒3均由柔软材料制成，例如硅胶材质，套筒3包括弯曲段和扭转段，弯曲段外缠绕有多个丝圈11，扭转段外缠绕有螺旋丝12，丝圈11和螺旋丝12均由抗拉伸、不易撕裂材料制成，例如纤维丝、凯夫拉或尼龙等材料，丝圈11和螺旋丝12可以缠绕设置在套筒3外壁，也可以镶嵌设置在套筒3外壁内，弯曲段和扭转段内分别设置有连通充放模块的沿变刚度支撑臂径向分布的至少2个以上腔室7，对腔室7充放介质，使弯曲段或扭转段生膨胀，膨胀的同时受丝圈11和螺旋丝12的限制，分别产生弯曲和扭转变形，实现机械臂的弯曲和扭转。

弯曲段外缠绕多个丝圈11，多个丝圈11限制了腔室7在填充介质时腔室7向外径向膨胀，使弯曲段向充满了介质的腔室反向弯曲，扭转段外缠绕有螺旋丝12，将原本轴向和径向同时膨胀变形的扭转段，转换为一个个沿螺旋丝12螺旋角方向斜向变形的扭转力，最终使扭转段扭转变形。

如图5所示，为了提高在变形后的机械臂刚度，所述变刚度支撑臂包括连通充放模块的内管1和套装在内管1上的外管2，内管1与外管2之间填充有阻塞颗粒5，其中，阻塞颗粒优选直径小于1mm的矿石、晶体或者各种摩擦系数较大的颗粒材质，阻塞颗粒5按相对于内管1与外管2之间容纳空腔的100％-120％的体积填充，当内管1内充满介质后，继续填充介质，内管1受到介质压力的影响发生膨胀，膨胀后的内管1对阻塞颗粒5进行挤压，在静摩擦力的作用下，阻塞颗粒5从松散状态转变为紧密状态，由此呈现出不同的刚度，介质的压力越大，刚度越高。

如图2所示，所述腔室7为扇形腔室，采用扇形设置，首先具有横截面积大，空间利用率高的效果，同时减少机械臂的材料，更利于轻量化的设计，其次，扇形设置，使靠近丝圈11或者螺旋丝12一侧的腔面面积更大，使对应充满介质后腔室7的套筒3外壁处膨胀面积更大，进而转换为扭转或弯曲变形的变形量更大。

腔室7可以为位于套筒3与外管2之间的类似气球的气囊结构或者为腔体结构，为了提高机械臂的一体性，本实施例中，优选为如图2所示的腔体结构，该结构中，弯曲段或者扭转段沿套筒3径向分布的每2个腔室7之间设置有支撑条4，变刚度支撑臂4的两侧面，即为相邻两腔室的侧壁，此种腔室结构提高机械臂的连接强度和套筒与变刚度支撑臂的一体性，在变刚度支撑臂刚度变化的同时，由支撑条4传递给套筒3上，进而使得整个机械臂的刚度同步发生改变，同时，变刚度支撑臂4的数量与同一截面腔室7的数量一致。

当然，当腔室7为气囊结构时，同样可以设置变刚度支撑臂4，气囊结构的腔室7设置于多个变刚度支撑臂4之间，可以保证在弯曲段弯曲变形时，对不同位置气囊结构的腔室7 填充介质后，仅仅该腔室7对应的套筒3上的扇面区域发生弯曲变形，进而提高弯曲变形方向控制的精度。

所述支撑条4内沿套筒3轴线方向设置有预留通孔6，预留通孔6的设置，首先可以设置有管道Ⅲ10，管道Ⅲ10一端连通充放模块，另一端与另一弯曲段的腔室7连通，以此可以通过管道Ⅲ10连接远离充放模块的第二个弯曲段内的腔室7，在此种情况下，弯曲段内截面处的腔室7交错分布，另外，预留通孔6的设置，减轻了支撑条4的重量，进一步减轻机械臂的重量。

所述腔室7绕套筒3中心轴呈圆周分布有3个，3个腔室7的设计，简化了后续管道的布局设计，提高弯曲变形方向控制的精准度。

如图1所示，所述弯曲段和扭转段隔断设置，隔断设置，可以使相邻的弯曲段和扭转段之间的变形不会相互干扰，进而提高机械臂扭转弯曲变形控制的精准度。

如图6所示，所述丝圈11可以等距间隔分布，本实施例中所述丝圈11沿弯曲段紧密排布，类似于波纹管结构，多根丝圈11之间紧密相连，尽可能多的限制腔体7受介质压力对弯曲段向外的径向膨胀，同时能够起到一个限制保护作用。

如图7所示，所述螺旋丝12呈大倾角单螺旋、双螺旋或者多螺旋设置于扭转段外壁，螺旋丝12呈大倾角设置，避免因为扭转段膨胀导致扭转变形过大的情况，更精确化扭转段扭住变形量的控制，同时，螺旋丝12可以为单螺旋、双螺旋或者多螺旋，同样精确化扭转段扭住变形量的控制，本实施例中，螺旋丝12优选为双螺旋。

一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：控制充放模块单独对弯曲段内的各腔室7充放介质，实现弯曲段的弯曲变形，通过控制介质压力大小以及充放顺序，实现不同程度和不同方向的弯曲；同时，控制充放模块同时对扭转段内的各腔室7充放介质，实现扭转段的扭转变形。

步骤2：控制充放模块对内管1填充介质，内管1发生径向膨胀，挤压阻塞颗粒5以增加变刚度支撑臂的刚度，内管1内介质压力大小，对应变刚度支撑臂的不同刚度。

本软体机械臂的首端和末端分别设置有固定模块13和配件连接模块14。

固定模块13包括通过紧固螺丝1304相互螺接的固定主体1301和紧固滑块1303，固定主体1301和紧固滑块1303上对应设置有用于夹持套筒3的三角滑槽1305和三角滑块1306，安装时，将套筒3安装在三角滑槽1305和三角滑块1306之间，并通过紧固螺丝1304拧紧锁死，固定主体1301上向上延伸有搭载平台连接螺栓孔1302，用于与搭载平台进行固定，延伸部位上方预留了足够的位置用于放置管道和充放模块的预留空间。

配件连接模块14包括两块通过紧固螺栓孔1403相互螺接的配件连接主体1401，配件连接主体1401组合呈现圆柱状，圆柱内设置有用于安装套筒3的固定腔1404，位于端部的弯曲段或者扭转段对应固定腔设置有固定凸起，保证配合后连接稳定不会脱离，配件连接主体 1401的一端设置有配件连接螺栓孔1402，配件连接螺栓孔1402可以根据实际需求与摄像头以及夹爪等功能配件相连，实现功能拓展。

由于弯曲段内多个腔室7的充放介质需要单独控制，其控制方式有如下几种：

如图4所示，弯曲段内的腔室7的充放介质通过管道Ⅰ8与充放模块连接，该种连接方式，管道Ⅰ8的一端直接与腔室7连接，另一端穿过靠近固定模块13一侧所有的弯曲段或扭转段的腔室7与充放模块连接，当腔室7为腔体结构时，每一个腔体7内可以同时设置多根管道Ⅰ8，该种连接方式可以连通多个弯曲段，本实施例中，一个腔室内可以设置三根管道Ⅰ 8，因此，该种连接方式可以连通三个弯曲段；

如图3和图4所示，弯曲段内的腔室7的充放介质通过管道Ⅲ10与充放模块连接，该种连接方式，管道Ⅲ10的一端与一个弯曲段的腔室7连通，另一端穿过靠近固定模块13一侧所有的弯曲段或扭转段的预留通孔6与充放模块连接；此时，该弯曲段的腔室7与该弯曲段到固定模块13之间的其它弯曲段或扭转段的腔室7交错分布。

如图10所示，弯曲段内的腔室7的充放介质还可以通过管道Ⅳ15与充放模块连接，弯曲段的每个腔室7均贯穿套筒3设置有管道Ⅳ15，多根管道Ⅳ15另一端在与充放模块连接，由于该种连接方式，会有部分管道暴露在机械臂外侧，固优先设置在靠近固定模块13一侧的弯曲段上。

扭转段内多个腔室7的充放介质需要同步控制，其控制方式有如下几种：

如图8和图9所示，扭转段内的腔室7的充放介质通过管道Ⅱ9与充放模块连接，管道Ⅱ9设置于内管1内，管道Ⅱ9的端面设置有与多个腔室7对应的分管901，分管901贯穿内管1、阻塞颗粒5和外管2延伸至腔室7内，介质通过管道Ⅱ9流通至分管901，同时对扭转段内的多个腔室7同时充放介质，内管1内可以设置多组管道Ⅱ9，对应多组扭转段。

由于扭转段内的多个腔室7的充放介质需要同步进行，其控制方式同样可以采用弯曲段的上述三种充放方式中的任意一种，将多根管道Ⅰ8、管道Ⅲ10和管道Ⅳ15同时充放介质即可。

由于本机械臂的结构和多种充放介质的方式，可以根据实际需要对扭转段和弯曲段排布组合和数量进行调整，如图1所示，从固定模块13至配件连接模块14之间依次设置为扭转段Ⅰ16、弯曲段Ⅰ17、扭转段Ⅱ18、弯曲段Ⅱ19和扭转段Ⅲ20，在本实施例中扭转段Ⅰ16、扭转段Ⅱ18和扭转段Ⅲ20均可以采用管道Ⅱ9的方式进行介质充放，而弯曲段Ⅰ17和弯曲段Ⅱ19则分别采用管道Ⅰ8和管道Ⅲ10两种方式，此时，弯曲段Ⅱ19内腔室7与扭转段Ⅰ16、弯曲段Ⅰ17和扭转段Ⅱ18内的腔室7交错分布，即与弯曲段Ⅱ19连通的管道Ⅲ10，设置在扭转段Ⅰ16、弯曲段Ⅰ17和扭转段Ⅱ18内的预留通孔6内，此种结构，最好的保留了扭转段Ⅰ16、弯曲段Ⅰ17和扭转段Ⅱ18内腔体7内的面积，且无外置的管道连接，充放模块的控制简单，控制精度高，效果好。

Claims (9)

1.一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，包括变刚度支撑臂以及套装在变刚度支撑臂上的套筒(3)，套筒(3)包括弯曲段和扭转段，弯曲段和扭转段外分别缠绕有多个丝圈(11)和螺旋丝(12)，弯曲段和扭转段内分别设置有连通充放模块的沿变刚度支撑臂径向分布的至少2个以上腔室(7)，对腔室(7)充放介质以实现机械臂的弯曲和扭转。

2.如权利要求1所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述变刚度支撑臂包括连通充放模块的内管(1)和套装在内管(1)上的外管(2)，内管(1)与外管(2)之间填充有阻塞颗粒(5)。

3.如权利要求1或2所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述腔室(7)为扇形腔室。

4.如权利要求3所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述弯曲段和扭转段沿套筒(3)径向分布的每2个腔室(7)之间设置有支撑条(4)。

5.如权利要求4所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述支撑条(4)内沿套筒(3)轴线方向设置有预留通孔(6)，预留通孔(6)内设置有管道Ⅲ(10)，管道Ⅲ(10)一端连通充放模块，另一端与另一弯曲段的腔室(7)连通。

6.如权利要求4或5所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述腔室(7)绕套筒(3)中心轴呈圆周分布有3个。

7.如权利要求1所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述弯曲段和扭转段隔断设置。

8.如权利要求7所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述丝圈(11)沿弯曲段紧密排布。

9.如权利要求7所述的用于微创手术的可变刚度软体机械臂，其特征是，所述螺旋丝(12)呈大倾角单螺旋、双螺旋或者多螺旋设置于扭转段外壁。

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