一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂制造技术

本实用新型专利技术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，本实用新型专利技术整体变刚度支撑臂、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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微创手术的可变刚度软体机械臂
本技术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。
技术介绍
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”的中国专利技术专利记载有：“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。
技术实现思路
本技术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。本技术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。本技术的有益效果是，本技术整体变刚度支撑臂、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；本技术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；本技术腔体采用扇面腔体，具有横截面积大、机械臂利用率高的特点。附图说明图1为本技术的结构示意图。图2为本技术的截面示意图。图3为本技术中管道Ⅲ的安装示意图。图4为本技术中管道Ⅰ-Ⅲ的安装示意图。图5为本技术中变刚度支撑臂的结构示意图。图6为本技术中弯曲段的结构示意图。图7为本技术中扭转段的结构示意图。图8为本技术中管道Ⅱ的结构示意图。图9为本技术中管道Ⅱ的安装示意图。图10为本技术中管道Ⅳ的安装示意图。图11为本技术中固定模块的结构示意图。图12为本技术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，本技术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、晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊峰，温涛，梁龙，林茂虎，卓超群，肖承坤，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：新型
国别省市：江西;36