一种多材料柔性关节及其应用制造技术

本发明专利技术的一个技术方案是提供了一种多材料柔性关节，其特征在于，由若干薄片和连接体相互交替串接而成，其中：薄片为硬性材料，连接体为软材料。本发明专利技术的另一个技术方案是提供了一种上述的多材料柔性关节的应用。本发明专利技术公开的多材料柔性关节采用了软材料与硬材料相结合的新设计思路，软材料的物理参数有多种选择，可实现不同的弯曲刚度，理论计算的复杂度将得到简化。柔性关节工作时，软材料和硬材料都在其极限强度范围内，提高了柔性关节的使用寿命，降低了柔性关节的设计难度。多材料柔性关节采用整体制作而成，简化了微小尺寸零件的安装复杂度。安装复杂度。安装复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种多材料柔性关节及其应用


[0001]本专利技术涉及一种多材料柔性关节以及该多材料柔性关节的应用。

技术介绍

[0002]微创外科手术相比于传统的开放手术，手术切口小，有着微创、安全、伤口感染少、术后恢复快等优点。为了减小创伤，微创外科手术朝着进一步减少手术切口的单切口腹腔镜手术和经自然腔道内镜手术发展。然而，传统手术器械为细长的直器械，在新术式中应用有很大的局限：器械在通道处拥挤，器械之间相互碰撞干涉，不易形成操作三角等。可弯曲的器械增加了器械的自由度和活动空间，在新术式中有着潜在的应用。特别在经自然腔道内镜手术中，器械需要像蛇一样经过人体弯弯曲曲的自然腔道，到达病灶位置进行操作。柔性关节是可弯曲器械中的关键部件。传统的柔性关节采用单一硬质材料制作而成，多零件组成的柔性关节尺寸微小、精度要求高，装配难度大。而一体成型的柔性关节，不管是利用传统的机械加工工艺或是3D打印技术，单一材料的柔性关节设计需要复杂的有限元分析或理论计算，且柔性关节易发生疲劳，使用寿命不高。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：传统的采用单一硬质材料制作而成的柔性关节装配难度大，而传统的一体成型的柔性关节需要复杂的有限元分析或理论计算，且柔性关节易发生疲劳，使用寿命不高。
[0004]为了解决上述问题，本专利技术的一个技术方案是提供了一种多材料柔性关节，其特征在于，由若干薄片和连接体相互交替串接而成，其中：薄片为硬性材料，其上设置有多个钢丝绳通道；连接体为软材料，相邻的连接体相互偏转一定角度；每个钢丝绳通道穿入钢丝绳后，由钢丝绳牵引所述多材料柔性关节实现整体两个自由度的弯曲；在所述多材料柔性关节的中心设置有中心通道，用作器械通道或者末端执行器的驱动部件通道。
[0005]优选地，所述连接体嵌入到与其相接的所述薄片内。
[0006]优选地，所述连接体为带有若干凸起的圆柱体，在每个凸起所形成的凹槽处放置一片所述薄片。
[0007]优选地，所述钢丝绳通道沿周向均匀分布。
[0008]本专利技术的另一个技术方案是提供了一种上述的多材料柔性关节的应用，其特征在于，用于形成放大驱动结构，所述放大驱动结构包括基于上述的多材料柔性关节实现的执行端以及基于上述的多材料柔性关节实现的驱动端；执行端与驱动端之间连接有放大装置，通过放大装置将钢丝绳之间的距离平滑导引放大，使得执行端的钢丝绳之间的距离d
执行
小于驱动端的钢丝绳之间的距离d
驱动
，则执行端的弯曲角度是驱动端的弯曲角度的d
驱动
/d
执行
倍。
[0009]优选地，所述放大装置外套有套管，穿入所述执行端及驱动端的不同所述钢丝绳通道的钢丝绳在套管内交叉方向，使所述驱动端与所述执行端朝一个方向弯曲。
[0010]本专利技术的另一个技术方案是提供了一种上述的多材料柔性关节的应用，其特征在于，用于形成N级串联结构，N≥2，所述N级串联结构包括执行端、驱动端以及连接在执行端与驱动端之间的放大装置，通过放大装置将钢丝绳之间的距离平滑导引放大，使得执行端的钢丝绳之间的距离d
执行
小于驱动端的钢丝绳之间的距离d
驱动
；执行端以及驱动端均由N段上述的多材料柔性关节串联而成，其中，执行端的第n段多材料柔性关节以及驱动端的第n段多材料柔性关节串在相同的钢丝绳上，由驱动端的第n段多材料柔性关节控制执行端的第n段多材料柔性关节，n＝1,
…
,N，从而实现N段的独立控制。
[0011]优选地，所述执行端与所述驱动端成中心对称分布。
[0012]优选地，所述放大装置外套有套管，穿入所述执行端及驱动端的第n段多材料柔性关节的不同所述钢丝绳通道的钢丝绳在套管内交叉方向，使所述驱动端与所述执行端朝一个方向弯曲。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0014]多材料柔性关节采用了软材料与硬材料相结合的新设计思路，软材料的物理参数有多种选择，可实现不同的弯曲刚度，理论计算的复杂度将得到简化。柔性关节工作时，软材料和硬材料都在其极限强度范围内，提高了柔性关节的使用寿命，降低了柔性关节的设计难度。多材料柔性关节采用整体制作而成，简化了微小尺寸零件的安装复杂度。
附图说明
[0015]图1为实施例公开的一种结构的多材料柔性关节；
[0016]图2示意了中心通道以及驱动钢丝绳通道的设置；
[0017]图3示意了图1中多材料柔性关节的组成方式；
[0018]图4为实施例公开的另一种结构的多材料柔性关节的组成方式；
[0019]图5示意了实施例中的放大驱动结构；
[0020]图6示意了一种形式的多级串联结构；
[0021]图7及图8为多级串联样品两种弯曲示例；
[0022]图9示意了控制方式。
具体实施方式
[0023]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0024]本实施例公开的多材料柔性关节由若干薄片和连接体相互交替串接而成。薄片为硬性材料，上面设置若干钢丝绳通道。连接体为软材料，为了使软材料和硬材料更好地连接，将连接体嵌入到薄片内。相邻的连接体相互偏转一定角度，在钢丝绳的牵引下，可实现整体两个自由度的弯曲。多材料柔性关节的中心留有中心通道，可用作器械通道或者末端执行器的驱动部件通道。
[0025]上述多材料柔性关节通过3D打印或注塑等工艺一体制作而成，将不同物理性质的材料能够集成到一个零件中。本专利技术将不同硬度的材料结合起来，材料的属性可以设计和
选择，在恰当的位置选择硬度低的材料，利于结构弯曲，且不易发生疲劳。
[0026]图1至图3示意了一种结构形式的多材料柔性关节，图中，1表示硬材料薄片、2表示软材料连接体、3表示钢丝绳通道、4表示中心通道。
[0027]图4示意了另一种结构形式的多材料柔性关节，在图4所示例子中，软材料连接体2为圆柱形，带有凸起，硬材料薄片1设置在软材料连接体2的凹槽处，起到加强连接的作用。其他描述与上一结构类似。多材料的组合方式有很多，此处不再一一赘述，这种软硬结合的多材料柔性关节，皆在此专利技术保护范围内。
[0028]本实施例的另一个方面给出了上述多材料柔性关节的两种应用实例：
[0029]第一种应用实例——放大驱动
[0030]手术器械在实际使用过程中，通常是执行端的弯曲角度较大，而驱动端为了操作方便通常不允许有大范围的活动，即驱动端的弯曲角度小于执行端的角度。柔性关节发生弯曲时，钢丝绳的变化量与钢丝绳距离圆盘中心距离成正比。在驱动过程中，驱动端与执行段钢丝绳的变化量相等，为使驱动端弯曲角度小，则驱动端的d
驱动
必然要增大，d
驱动...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多材料柔性关节，其特征在于，由若干薄片和连接体相互交替串接而成，其中：薄片为硬性材料，其上设置有多个钢丝绳通道；连接体为软材料，相邻的连接体相互偏转一定角度；每个钢丝绳通道穿入钢丝绳后，由钢丝绳牵引所述多材料柔性关节实现整体两个自由度的弯曲；在所述多材料柔性关节的中心设置有中心通道，用作器械通道或者末端执行器的驱动部件通道。2.如权利要求1所述的一种多材料柔性关节，其特征在于，所述连接体嵌入到与其相接的所述薄片内。3.如权利要求1所述的一种多材料柔性关节，其特征在于，所述连接体为带有若干凸起的圆柱体，在每个凸起所形成的凹槽处放置一片所述薄片。4.如权利要求1所述的一种多材料柔性关节，其特征在于，所述钢丝绳通道沿周向均匀分布。5.一种如权利要求1所述的多材料柔性关节的应用，其特征在于，用于形成放大驱动结构，所述放大驱动结构包括基于权利要求1所述的多材料柔性关节实现的执行端以及基于权利要求1所述的多材料柔性关节实现的驱动端；执行端与驱动端之间连接有放大装置，通过放大装置将钢丝绳之间的距离平滑导引放大，使得执行端的钢丝绳之间的距离d
执行
小于驱动端的钢丝绳之间的距离d
驱动
，则执行端的弯曲角度是驱动端的弯曲角度的d
驱动
/d
执行

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坤勇，冯奕逍，师泽仁，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：