柔性连续体关节制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性连续体关节

【技术实现步骤摘要】
柔性连续体关节、柔性机械臂及面向TEM的微创手术机器人


[0001]本专利技术涉及医疗手术器械
，具体涉及一种基于双螺旋结构的柔性连续体关节
、
基于多个所述柔性连续体关节的柔性机械臂及应用所述柔性机械臂的
TEM
微创手术机器人
。

技术介绍

[0002]经肛门内窥镜显微手术
(Transanal endoscopic microsurgery
，
TEM)
是一种针对早期直肠肿瘤进行局部有效切除的微创手术，该术式穿过经肛端口进行操作，具有手术创伤小
、
治疗效率高
、
恢复周期短
、
并发症风险小的优点
。
然而，由于直肠位于狭窄的盆腔内，缺少良好的照明环境，且其神经丛和静脉丛与盆腔器官接近，因此达到良好的肿瘤切除效果操作难度较大；与此同时，传统的
TEM
手术目前还存在器械操作灵活性差
、
操作不直观
、
医生学习曲线陡峭等问题，限制了该手术的进一步发展和更广泛的应用
。
[0003]相对于传统微创手术，微创手术机器人引入了机器人技术
、
显微外科手术技术等多种技术，具有精度高
、
稳定性好的优点，能够在术中辅助医生在狭小空间内完成精细手术操作，提升医生操作的灵巧度与感知能力，进而达到提升手术质量
、
降低手术风险的目的
。
目前，国内外研究机构开发的机器人系统可分为两类：一类是面向腹腔操作的通用型单孔微创手术机器人，该类机器人已被广泛研究并开展商业化实践；另一类则是面向
TEM
手术环境的专用型手术机器人，该类机器人的研究和商业化在国内外都处于探索阶段
。
其中：
[0004]通用型单孔手术机器人系统通常基于高度铰接的关节或柔性连续体结构设计，其器械臂平行插入端口后以
Y
型配置部署，可提供立体视觉与三角定位
。
然而，由于该类机器人针对大工作空间下的腹腔手术而设计，通常具有相对较大的尺寸，因此缺乏对狭窄受限直肠腔道环境的适应性；
[0005]在面向
TEM
手术环境的专用型手术机器人研发方面，英国帝国理工学院研究团队研发的
micro
‑
IGES
系统，其端口直径为
36mm
，具有两个7自由度铰接式器械臂和一个
3D
内窥镜
(Olympus EndoEye Flex)。
该系统可以完成
TEM
手术操作并已经通过了动物实验评估，但是由于该系统采用了铰接式关节构建柔性器械臂，该机械臂存在高摩擦和弯曲不连续的问题，同时由较大摩擦和不连续弯曲带来的非线性传输问题，使得难以达到较高的运动精度，进而导致操作精度和稳定性较差，需要额外的软件补偿
。
此外，由于商用内窥镜缺乏可调节的结构，导致内窥镜靠近器械轴，严重遮挡了手术视野
。
为了解决铰接式关节造成的问题，
Hu
等人开发的
TEM
手术机器人系统包括两个直径
6mm
的5自由度操作器械和4自由度内窥镜
。
操作器械包括两段连续体柔性关节和一个自动缝合器，能够完成在直肠腔道内的定位
、
缝合与打结等操作
。
但是，由于每段连续体关节仅具有一个自由度，该系统需要进一步改进，以提高操作灵活度
。
[0006]通过分析上述国内外研究现状与发展动态可以发现：
TEM
微创手术机器人系统是手术机器人领域研发的一个难点与制高点，在柔性连续体关节设计
、
柔性机械臂的构建以及模块化系统集成等方面技术仍需进一步深入研究
。

技术实现思路

[0007]基于现有
TEM
微创手术机器人所存在的上述缺陷和不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有良好弯曲柔顺性能，同时具有较高抗轴向压缩性能及抗扭转性能的柔性连续体关节；并基于所述柔性连续体关节，构建了一种具有四个弯曲自由度
、
呈
S
形弯曲
、
整体所需驱动数量少且能够克服关节之间运动耦合问题的柔性机械臂；最后，根据所述柔性机械臂集成设计一种面向
TEM
的微创手术机器人，该手术机器人能够实现高精度的弯曲运动控制，且操作灵活性强
。
[0008]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种柔性连续体关节，包括由两个螺旋弹簧构成的双螺旋结构，所述双螺旋结构内部有一中央孔道，中央孔道内设有与所述双螺旋结构相连接且同轴布置的中空管，所述中空管上开设有若干槽口
。
[0009]作为优选，若干所述槽口呈螺旋状布置于中空管上
。
[0010]本专利技术还提供了一种柔性机械臂，包括主动段
、
被动段
、
末端关节
、
主动段驱动丝
、
镍钛合金杆以及末端关节驱动丝；其中：
[0011]所述主动段
、
被动段及末端关节均为上述柔性连续体关节，且所述主动段与被动段相连接，被动段与末端关节相连接，所述被动段与主动段结构设置相同；
[0012]所述主动段驱动丝一端穿过主动段，并固定在主动段顶部，所述主动段驱动丝设置有多根，并可使主动段进行两自由度弯曲运动；
[0013]所述镍钛合金杆依次穿过主动段及被动段，且一端固定在主动段底部，另一端固定在被动段顶部，所述镍钛合金杆的设置数量与主动段驱动丝的设置数量相同；
[0014]所述末端关节驱动丝一端依次穿过主动段
、
被动段以及末端关节，并固定在末端关节顶部，所述末端关节驱动丝设置有多根，并可使末端关节进行两自由度弯曲运动
。
[0015]作为优选，所述主动段驱动丝及末端关节驱动丝分别设置有四根，四根所述主动段驱动丝及四根所述末端关节驱动丝的另一端分别与丝驱动装置相连接；
[0016]所述丝驱动装置包括四组丝驱动部件
、
四个驱动电机以及驱动模组安装架；四组所述丝驱动部件分别转动装配于驱动模组安装架上，所述丝驱动部件包括两个驱动丝缠绕轮以及驱动电机连接轴；两个所述驱动丝缠绕轮中：一个设置有正向螺纹段，另一个设置有反向螺纹段；两个所述驱动丝缠绕轮分别通过顶丝固定于驱动电机连接轴上，所述驱动电机连接轴由驱动电机驱动旋转；
[0017]四根所述主动段驱动丝以及四根所述末端关节驱动丝中，两两为一组，每组所述主动段驱动丝及每组末端关节驱动丝分别缠绕于各组丝驱动部件上，且每组中的两根驱动丝一根缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上，另一根缠绕于设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上
。
[0018]本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种柔性连续体关节，其特征在于，包括由两个螺旋弹簧构成的双螺旋结构，所述双螺旋结构内部有一中央孔道，中央孔道内设有与所述双螺旋结构相连接且同轴布置的中空管，所述中空管上开设有若干槽口
。2.
根据权利要求1所述的柔性连续体关节，其特征在于，若干所述槽口呈螺旋状布置于中空管上
。3.
一种柔性机械臂，其特征在于，包括主动段
、
被动段
、
末端关节
、
主动段驱动丝
、
镍钛合金杆以及末端关节驱动丝；其中：所述主动段
、
被动段及末端关节均为权利要求1或2所述的柔性连续体关节，且所述主动段与被动段相连接，被动段与末端关节相连接，所述被动段与主动段结构设置相同；所述主动段驱动丝一端穿过主动段，并固定在主动段顶部，所述主动段驱动丝设置有多根，并可使主动段进行两自由度弯曲运动；所述镍钛合金杆依次穿过主动段及被动段，且一端固定在主动段底部，另一端固定在被动段顶部，所述镍钛合金杆的设置数量与主动段驱动丝的设置数量相同；所述末端关节驱动丝一端依次穿过主动段
、
被动段以及末端关节，并固定在末端关节顶部，所述末端关节驱动丝设置有多根，并可使末端关节进行两自由度弯曲运动
。4.
根据权利要求3所述的柔性机械臂，其特征在于，所述主动段驱动丝及末端关节驱动丝分别设置有四根，四根所述主动段驱动丝及四根所述末端关节驱动丝的另一端分别与丝驱动装置相连接；所述丝驱动装置包括四组丝驱动部件
、
四个驱动电机以及驱动模组安装架；四组所述丝驱动部件分别转动装配于驱动模组安装架上，所述丝驱动部件包括两个驱动丝缠绕轮以及驱动电机连接轴；两个所述驱动丝缠绕轮中：一个设置有正向螺纹段，另一个设置有反向螺纹段；两个所述驱动丝缠绕轮分别通过顶丝固定于驱动电机连接轴上，所述驱动电机连接轴由驱动电机驱动旋转；四根所述主动段驱动丝以及四根所述末端关节驱动丝中，两两为一组，每组所述主动段驱动丝及每组末端关节驱动丝分别缠绕于各组丝驱动部件上，且每组中的两根驱动丝一根缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上，另一根缠绕于设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上
。5.
一种柔性内镜臂，其特征在于，包括权利要求4所述的柔性机械臂，所述柔性机械臂的末端关节上设置有内窥镜成像模组
。6.
一种柔性器械臂，其特征在于，包括权利要求4所述的柔性机械臂，所述柔性机械臂的末端关节上设有夹钳，所述柔性机械臂的主动段
、
被动段及末端关节的中央孔道内设有钢丝软轴，所述钢丝软轴与夹钳相连接，并可在软轴驱动单元的驱动下，驱动夹钳进行旋转及开合
。7.
根据要求6所述的柔性器械臂，其特征在于，所述夹钳包括转动支座
、
软轴固定块
、
推拉轴
、
钳体一
、
钳体二以及钳...

【专利技术属性】
技术研发人员：史超阳，李纪晨，王凯峰，
申请(专利权)人：天津大学浙江国际创新设计与智造研究院，
类型：发明
国别省市：