一种柔性关节及柔性器械臂制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性关节，包括柔性连续体以及气囊，柔性连续体上开设有与所述气囊相匹配的气囊通道；气囊置于所述气囊通道内；所述气囊与气驱动模块相连接，所述气驱动模块通过控制气囊内部气压大小，实现柔性关节刚度连续可调。其中：当气囊未充气或气压较小时，柔性关节处于柔性状态，这种状态下的柔性关节具有适度的结构刚度以灵活适应人体狭窄弯曲的腔道形状；当气囊内气压逐渐增大时，气囊与连续体结构周向壁的摩擦力增大，柔性关节处于刚性状态，这种状态下，柔性关节承载能力高，可以为手术器械提供稳定的操作平台。术器械提供稳定的操作平台。术器械提供稳定的操作平台。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性关节及柔性器械臂


[0001]本专利技术涉及医疗器械领域，具体涉及一种可连续变刚度的柔性关节及柔性器械臂。

技术介绍

[0002]微创手术(MIS)指由小切口或人体自然腔道进入人体，在受限的生理结构中进行复杂和精细的手术。微创手术中狭窄弯曲的腔道解剖路径也为入路和操作增加了很多限制，以上因素导致操作器械由传统的刚性直杆器械向柔性操作器械发展，特别是利用柔性内镜经人体自然腔道开展的腔镜手术，如NOTES。柔性内窥镜微创手术机器人可以通过人体曲折狭窄的自然腔道，对目标病灶进行灵巧的筛查和诊断。此外，它们还具备可以使手术器械通过的操作通道，如抓钳、电刀等，使外科医生能够进行复杂、精细的手术。因此，这一过程要求柔性内镜微创手术机器人的性能可以在两种工作状态之间切换:柔性状态和刚性状态。在柔性状态下，内镜柔性关节远端可在人体狭窄腔道内灵活运动而不损伤人体组织。在刚性状态下，内镜柔性关节远端以合适的刚度在腔道内前进，并可以为手术器械提供稳定的操作平台。因此，研究具有变刚度功能的柔性内窥镜微创手术机器人，以实现在不同环境下的刚度连续可调可变具有重要的意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种刚度连续可调可变的柔性关节及柔性器械臂。
[0004]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种柔性关节，包括柔性连续体以及气囊，其中：
[0005]柔性连续体上开设有与所述气囊相匹配的气囊通道；
[0006]气囊置于所述气囊通道内，气囊一端与柔性连续体相固定；
[0007]所述气囊与气驱动模块相连接，所述气驱动模块通过控制气囊内部气压大小，实现柔性关节刚度连续可调。
[0008]作为优选，所述气驱动模块包括空气压缩机、气路通道、电磁阀、电气比例阀以及控制模块，其中：
[0009]空气压缩机用于向气路通道提供气源；
[0010]气路通道与所述气囊相连接；
[0011]所述电磁阀以及电气比例阀分别设置于所述气路通道上；
[0012]所述控制模块与电磁阀以及电气比例阀相连接。
[0013]作为优选，所述柔性连续体为螺旋弹簧式结构，包括多个呈螺旋式连接的柔性关节体。
[0014]作为进一步优选，所述柔性连续体包括至少一个顺时针螺旋段与至少一个逆时针螺旋段，所述顺时针螺旋段与逆时针螺旋段相互连接。
[0015]作为优选，所述气囊设置有一个或多个，当气囊数量设置为多个时，所述柔性连续体沿圆周向均匀布置数量与所述气囊相匹配的气囊通道。
[0016]作为优选，所述柔性连续体的结构中心处设有中心骨架通道，中心骨架通道内设有镍钛合金杆，所述镍钛合金杆与柔性连续体粘接固定。
[0017]本专利技术还提供了一种柔性器械臂，包括上述任一柔性关节、多个驱动丝以及丝驱动装置，其中：
[0018]柔性连续体上沿圆周方向均匀分布数量与所述驱动丝相匹配的驱动丝通道，各个所述驱动丝一端穿过驱动丝通道并固定在柔性连续体端部，另一端与丝驱动装置连接，所述丝驱动装置通过驱动多个驱动丝进行拮抗运动实现柔性关节的弯曲。
[0019]作为优选，所述驱动丝的数量为4，气囊的数量为4，柔性连续体上设置沿圆周方向均匀分布的四个气囊通道，每个气囊通道对应一个驱动丝通道设置，所述气囊以及气囊通道可设置为柱状或扁平状。
[0020]作为优选，所述气驱动模块包括两个气路通道，每个气路通道分别与互为对侧两个气囊相连接。
[0021]作为优选，所述丝驱动装置包括安装框架以及装配于安装框架上的多组驱动机构，多组驱动机构分别驱动各个驱动丝；
[0022]各组所述驱动机构分别包括驱动电机、丝杆、丝杆螺母、光轴以及驱动丝固定板，其中：驱动电机用于驱动丝杆旋转，丝杆螺母螺纹配合于丝杆上；光轴上设有光轴滑块，光轴滑块与丝杆螺母分别与驱动丝固定板装配固定；驱动丝固定板用于固定驱动丝；所述丝杆转动设置于安装框架上，光轴固接于安装框架上。
[0023]本专利技术同现有技术相比具有以下优点及效果：
[0024]1、本专利技术所述柔性关节的刚度变化通过气驱动模块控制气囊内气压大小来实现，当气囊内未充气或微小气压时，柔性关节处于柔性状态，这种状态下具备优良的恒弯曲曲率特性和适度的结构刚度以灵活适应人体狭窄弯曲的腔道形状；当气囊内的压力足够大时，柔性关节处于刚性状态，随着气囊内气压的增加，气囊与螺旋结构周向壁面(气囊通道)之间的摩擦力逐渐增大，这限制了两者间的相对运动，从而达到柔性关节刚度增大的效果，这种状态下，柔性关节承载能力高，可以为手术器械提供稳定的操作平台。
[0025]2、本专利技术所述柔性关节中，气囊内气压的变化可以通过控制模块对电气比例阀以及电磁阀进行连续调节，从而实现柔性关节刚度的连续可调，气动的驱动方式可以在不到1秒的时间内快速完成柔性状态与刚性状态之间的转换，这使得针对外科手术中的突发情况可以及时做出响应。此外，本专利技术只需要少量压缩空气就可以调节气囊内压力值以实现刚度变化，说明本专利技术开发的柔性关节在手术操作中的本质安全性。
[0026]3、本专利技术所述柔性关节中，选用了在相同弯曲角度下，相对于其它形式的连续体在单位长度上形变最小，应力最小，且不容易断裂的螺旋弹簧式结构连续体作为加载气囊的弯曲段，可实现柔性关节在气囊增压情形下，具有高承载能力以及优异的结构锁定特性。
[0027]4、本专利技术所述螺旋弹簧式结构的连续体中，将顺时针螺旋段与逆时针螺旋段成对布置，可以减少连续体模块末端受到扭矩时产生的扭转变形，继而提高连续体整体抗扭转能力及承载能力，且当设置于连续体中的气囊压力增大时，连续体将产生一定的扭曲，由顺时针螺旋段与逆时针螺旋段相互连接构成螺旋弹簧式连续体可以更好地有效抵消这一扭
曲变形，进一步实现柔性关节在刚度调节时，具有较好的结构形状锁定特性。
[0028]5、本专利技术所述的柔性关节中，通过将具有超弹特性的镍钛合金杆固定于柔性连续体结构的中心骨架通道内，可以提高柔性关节整体结构刚度及抗弯特性。
[0029]6、本专利技术所述柔性器械臂中，丝驱动装置通过驱动电机提供运动所需力矩，经由丝杠与丝杠螺母运动配合，将电机所提供的旋转运动转化为驱动丝所需直线运动，同时，将丝杠螺母与光轴滑块通过驱动丝固定板相连接可以避免丝杠螺母进给运动时所产生的径向摆动问题，提高运动精度。
[0030]7、本专利技术所述的柔性器械臂具有全向弯曲能力，并可以在任意形状下实现变刚度调节。
[0031]8、综上，本专利技术所述的柔性关节在刚性状态和柔性状态下，恒曲率特性好，且具有优异的弯曲弹性、适中的结构刚度以及较好的抗疲劳能力；在刚性状态下，尤其具有高承载能力、优异的结构形状锁定特性和连续可控的结构刚度；在刚度变化过程中：刚柔转换速度(时间)快(1秒内)，且结构变刚度过程安全可控。
[0032]9、本专利技术所述柔性连续体上还可设置至少一个用于手术器械通过的器械通道、至少一个内窥镜通道以及至少一个水气通道，以满足柔性内镜手术的操本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性关节，其特征在于，包括柔性连续体以及气囊，其中：柔性连续体上开设有与所述气囊相匹配的气囊通道；气囊置于所述气囊通道内，气囊一端与柔性连续体相固定；所述气囊与气驱动模块相连接，所述气驱动模块通过控制气囊内部气压大小，实现柔性关节刚度连续可调。2.根据权利要求1所述的柔性关节，其特征在于，所述气驱动模块包括空气压缩机、气路通道、电磁阀、电气比例阀以及控制模块，其中：空气压缩机用于向气路通道提供气源；气路通道与所述气囊相连接；所述电磁阀以及电气比例阀分别设置于所述气路通道上；所述控制模块与电磁阀以及电气比例阀相连接。3.根据权利要求1或2所述的柔性关节，其特征在于，所述柔性连续体为螺旋弹簧式结构，包括多个呈螺旋式连接的柔性关节体。4.根据权利要求3所述的柔性关节，其特征在于，所述柔性连续体包括至少一个顺时针螺旋段与至少一个逆时针螺旋段，所述顺时针螺旋段与逆时针螺旋段相互连接。5.根据权利要求1或4所述的柔性关节，其特征在于，所述气囊设置有一个或多个，当气囊数量设置为多个时，所述柔性连续体沿圆周向均匀布置数量与所述气囊相匹配的气囊通道。6.根据权利要求5所述的柔性关节，其特征在于，所述柔性连续体的结构中心处设有中心骨架通道，中心骨架通道内设有镍钛合金杆，所述镍钛合金杆与柔性连续...

【专利技术属性】
技术研发人员：史超阳，罗翔宇，王树新，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：