一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法，包括多个关节，相邻关节球面接触，所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管及至少一组绳线，每组绳线的数量为两根，多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上，圆周的直径大于变刚度管的外径，同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端，柔性温控管能够加热或冷却变刚度管，改变变刚度管的刚度状态，本发明专利技术的手术机械臂结构体积小，既能适应在人体曲折的腔道前进，又能提供足够的刚度，满足了手术需求。

A Variable Stiffness Operating Manipulator, Operating Device and Method

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法
本专利技术涉及医疗器械
，具体涉及一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法。
技术介绍
在内窥镜介入手术中，柔性手术机械臂能够在狭窄的空间内灵活适应人体的曲折路径，而不会伤害到人体组织；但是当末端手术器械工作时，又需要手术机械臂有足够的刚度来抵抗外部载荷。这两种情况下的刚度相差很大，专利技术人发现，现有的手术机器人未能完全满足这两个相互矛盾的要求，这限制了手术机器人的性能和使用。目前手术机械臂通过利用结构内部的可附接以及可拆卸连杆重新组装或者重新连接部件来调节刚度。拆卸零件时可获得一致性，零件重新安装时可获得高刚度。如使用基于滑块和阻挡器的锁定机构来切换套管系统的状态(顺应性或刚性)，但专利技术人发现，这种方法结构设计相当复杂，而且整体结构庞大，无法在手术过程中的狭窄空间使用；应用颗粒介质(沙子或咖啡粉)的可逆干扰性和真空压力来调节系统的刚度，专利技术人发现，高刚度需要大量的颗粒，这会导致结构过于庞大；通过增加绳缆的张力来提高手术机械臂的刚度，专利技术人发现，此种方法需要高强度耐磨性好的绳缆材料且线路排布比较复杂；利用圆柱形硅胶导管并在内部嵌入网状结构塑料管构成可变刚度手术机械臂，专利技术人发现，此种方法需要用气压控制刚度，噪声和结构尺寸都比较大，不适合在手术中应用，因此，目前还没有满足临床应用的多节连续体手术机器人的刚度调节技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供变刚度手术机械臂，结构体积小，能够改变刚度，适合在手术中应用。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种变刚度手术机械臂，包括多个关节，相邻关节球面接触，所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管，所有关节穿过有至少一组绳线，每组绳线的数量为两根，多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上，圆周的直径大于变刚度管的外径，同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端，柔性温控管能够加热或冷却变刚度管，改变变刚度管的刚度状态。进一步的，所述关节一端端面设有凸台，所述凸台具有球状端面，关节的另一端具有与所述球状端面相匹配的球状槽面，相邻关节通过球状端面和球状槽面实现球面接触。进一步的，所述柔性管由橡胶材质制成。进一步的，所述柔性温控管为螺旋状的柔性金属管，其内部设有流道，端部设有进水口和出水口，冷却水能够通过进水口进入流道并通过出水口流出。进一步的，所述变刚度管由PET塑料材质制成。本专利技术的另一个目的是提供一种手术装置，自动化程度高，操作方便，劳动强度低，采用如下技术方案：一种手术装置，包括所述的变刚度手术机械臂，所述变刚度手术机械臂一端端部与机械臂支座固定连接，机械臂支座固定在底板上，底板设置有至少一个第一驱动机构，第一驱动机构均连接有转盘，变刚度手术机械臂同一组内的两根绳线穿过机械臂支座与同一个转盘连接，第一驱动机构能够带动转盘转动，转盘转动能够带动同一组内其中一根绳线收起的同时，释放另一根绳线。进一步的，所述变刚度手术机械臂的绳线与导向轮绕接连接，绳线通过导向轮的导向后与转盘连接，所述导向轮与导向轮座连接，所述导向轮座与底板连接。进一步的，所述底板设置有滑槽，导向轮座上连接有固定螺栓，所述固定螺栓穿过滑槽并旋紧固定螺母，将导线轮座与底板固定连接。进一步的，所述底板与第二驱动机构连接，第二驱动机构能够驱动底板沿变刚度手术机械臂在平直状态时的轴线方向运动。本专利技术的第三个目的是提供一种所述手术装置的工作方法，操作方便，工作效率高，手术机械臂能够在刚性和柔性状态切换，满足了手术需要，采用如下技术方案：一种手术装置的工作方法：将手术器械与手术机械臂固定连接，柔性温控管对变钢度管加热，使变刚度管的刚度状态由刚性转变为柔性，第一驱动机构带动转盘转动，同一个转盘的两根绳线一根收起，另一根释放，能够带动变刚度手术机械臂的弯曲转动，此时手术器械臂能够带动手术器械在人体内腔路径中灵活前进，使手术器械到达目的地，手术器械到达目的地后，可在温控管中通入冷却水，对变刚度管进行冷却，使变刚度管的刚度状态由柔性变为刚性，此时能够进行手术操作。本专利技术的有益效果：1.本专利技术的手术机械臂仅需要设置穿过关节的柔性管、柔性温控管、变刚度管及绳线，结构简单，体积小，通过利用柔性温控管对变刚度管进行加热或冷却，实现了变刚度管在柔性和刚性不同状态的切换，使手术机械臂实现了柔性和刚性不同状态的切换，既满足了在狭窄空间内灵活适应人体内曲折腔路中前进的需要，又满足了末端手术器械工作时抵抗外部载荷的需要。2.本专利技术的手术机械臂，变刚度管采用PET塑料材质制成，无毒，相变温度低，不会对人体造成伤害。3.本专利技术的手术机械臂，柔性温控管为螺旋状的柔性金属管，能够对变刚度管进行快速的升降温，相变所需要的时间少，工作效率高。4.本专利技术的手术机械臂，通过第一驱动机构连接的转盘带动绳线的收起和释放，从而带动手术机械臂的弯曲，自动化程度高，降低了操作人员的劳动强度。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。图1为本专利技术实施例1结构示意图；图2为本专利技术实施例1关节主视示意图；图3为本专利技术实施例1关节剖面示意图；图4为本专利技术实施例1相邻关节配合示意图；图5为本专利技术实施例3整体结构示意图；图6为本专利技术实施例3剖面示意图；图7为本专利技术实施例3导向轮与绳线分布示意图一；图8为本专利技术实施例3导向轮与绳线分布示意图二；图9为本专利技术实施例3导向轮与绳线分布示意图三；其中，1.关节，1-1.凸台，1-2.球状端面，1-3.球状槽面，1-4.通孔，1-5.穿孔，2.柔性管，3.柔性温控管，3-1.进水口，3-2.出水口，4.变刚度管，5.绳线，6.机械臂支座，7.法兰连接盘，8.底板，9.舵机，10.转盘，11.导向轮座，12.电机，13.丝杠，14.滑块，15.平台，16.滑轨，17.第一绳线，18.第二绳线，19.第一导向轮，20.第二导向轮，21.第三导向轮，22.第四导向轮，23.第五导向轮，24.第六导向轮，25.第七导向轮，26.第八导向轮，27.支撑板，28.固定螺栓，29.滑槽。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。为了方便叙述，本专利技术中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。正如
技术介绍
所介绍的，现有的手术机械臂变刚度方法不适合应用于手术中，针对上述问题，本申请提出了一种变刚度手术机械臂。本申请的一种典型实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变刚度手术机械臂，其特征在于，包括多个关节，相邻关节球面接触，所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管，所有关节穿过有至少一组绳线，每组绳线的数量为两根，多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上，圆周的直径大于变刚度管的外径，同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端，柔性温控管能够加热或冷却变刚度管，改变变刚度管的刚度状态。

【技术特征摘要】
1.一种变刚度手术机械臂，其特征在于，包括多个关节，相邻关节球面接触，所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管，所有关节穿过有至少一组绳线，每组绳线的数量为两根，多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上，圆周的直径大于变刚度管的外径，同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端，柔性温控管能够加热或冷却变刚度管，改变变刚度管的刚度状态。2.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂，其特征在于，所述关节一端端面设有凸台，所述凸台具有球状端面，关节的另一端具有与所述球状端面相匹配的球状槽面，相邻关节通过球状端面和球状槽面实现球面接触。3.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂，其特征在于，所述柔性管由橡胶材质制成。4.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂，其特征在于，所述柔性温控管为螺旋状的柔性金属管，其内部设有流道，端部设有进水口和出水口，冷却水能够通过进水口进入流道并通过出水口流出。5.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂，其特征在于，所述变刚度管由PET塑料材质制成。6.一种手术装置，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的变刚度手术机械臂，所述变刚度手术机械臂一端端部与机械臂支座固定连接，机械臂支座固定在底板上，底板设置有至少一个第一驱动机构，第一驱动机构均连接有转盘，变...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜付鑫，卢佳佳，张涛，张钢，孙海林，王子豪，杨浩锦，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37