[發明專利]單氣體驅動的柔性微創手術操作臂及制備方法

在審

• 申請號: 201510670424.3
• 申請日: 2015-10-13
• 公開（公告）號: CN105287000A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 陳花玲;劉磊;羅盟;卞長生
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

技術領域

本發明涉及一種微創手術器械及制造，特別涉及一種用智能材料(介電彈性體DE)作為氣動驅動器單元并結合纖維Jamming(阻塞)剛度調節機理來制備的一種多自由全柔性微創手術操作臂。

背景技術

隨著醫學臨床對于降低手術風險、減少手術時間的迫切需求，以及患者對于小創口、輕痛感、快速的預后能力的急切需要，微創手術作為近年來快速發展的一種新手術模式而得到普遍的關注，并已然逐漸演變為臨床中最常用的一種手術方式。然而，隨著科學技術的發展，臨床微創術的發展必將走向更加便捷和更加多元化的方向，包括臨床的可靠性、兼容性、柔性等多個發展趨勢。

截至目前，以DaVinci手術機器人為代表的新手術機器人已成功的吸引著來自各界的目光，并申請了多項相關專利(WO2007146987A3和WO2007120952A3)。而在國內，也有著相關的剛性手術機械結構的發明和改進，包含天津大學的一體式機械臂(文獻號：CN101889900B和CN102973317A)以及哈爾濱工業大學的傳動式多自由度微創手術操作臂結構(文獻號：CN102973317A)等。然而，作為新手術機器人的代表，DaVinci手術機器人同上述的相關結構設計和改進依然要依靠剛性金屬操作臂的配合來進行手術。因此一定程度上造成了手術前器械的保養和準備復雜、手術中因剛度過大而可能引起的對人體組織的傷害、手術后器械的清洗及測試檢查復雜等一些固有的弊端。于是，對于柔性微創手術臂的研究便引起了眾多國內外學者的關注，而對于柔性機械臂的基礎結構研究也就顯得至關重要了。柔性氣動人工肌肉技術的發展，為微創手術操作臂的全柔性多自由度驅動設計提供了一種全新思路。人工氣動肌肉材料通常利尼龍纖維等韌性較強的纖維與柔軟的硅膠或乳膠材料進行一定復合而得到。例如，通過將纖維平行有序的束縛在硅橡膠圓柱體的環向，在氣壓的作用下，由于硅橡膠圓柱筒體在環向方向受到纖維束縛，不會向氣球一樣鼓起，而只能在圓柱體的母線方向伸長。當上述這種結構的某一側母線被束縛而不能伸長時，則圓柱體會朝母線不能伸長的方向發生彎曲。而這種新型手術操作臂正是利用這種變形機理來實現多自由彎曲變形的。在驅動器四周分布著四個纖維Jamming單元，借助抽真空的方式，可實現4個方向母線的約束，從而實現對驅動器彎曲方向的控制。當手術臂通過變形實現目標姿態時，對四個方向的Jamming單元同時抽真空，從而實現手術臂的姿態定型及剛度調節功能。

發明內容

針對目前臨床所使用的微創手術臂多為直桿形結構且剛性較大等問題，本發明的目的在于，提供一種基于氣動肌肉及纖維Jamming技術的、依靠氣壓驅動的、全柔性、剛度可調節的多自由度彎曲的微創手術操作器械。

為了達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種單氣體驅動的柔性微創手術操作臂，其特征在于，包含至少一節密封的柔性驅動器，其中，該柔性驅動器包括支撐骨架、剛度調節層，所述支撐骨架由一個硅橡膠管連接兩端的基座構成；所述剛度調節層由內外兩層硅橡膠筒體夾一層纖維組成，其中內層硅橡膠筒體包裹住支撐骨架，筒體外側沿軸向設有多個周向的纖維束縛定位槽、及周向均布的至少三個軸向的單元纖維定位槽，每個單元纖維定位槽中均設有Jamming纖維條，每個纖維束縛定位槽內設一根束縛纖維，各單元纖維定位槽的一端設有真空管定位槽并安裝有一根與該單元纖維定位槽連通的真空管；所述外層硅橡膠筒體套在設有Jamming纖維條及束縛纖維的內層硅橡膠筒體外周，兩端設有密封卡箍，并用扎帶緊固。

上述方案中，所述Jamming纖維條由多個尼龍纖維簾自下而上錯層粘接在單元纖維定位槽內。所述每個尼龍纖維簾是用一條膠帶將多根尼龍纖維粘接成梳狀束。所述單元纖維定位槽周向均布四個，每個定位槽所占內部硅橡膠筒體的圓心角度為10°。

前述單氣體驅動的柔性微創手術操作臂的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

(1)在一根硅橡膠管兩端裝配基座形成支撐骨架，每個基座中心均開有取樣孔與硅橡膠管連通，其中底部基座上還開有驅動氣體的入口；

(2)利用模具澆注內層硅橡膠筒體，使之筒體外側沿軸向形成多個周向的纖維束縛定位槽、及周向均布至少三個軸向的單元纖維定位槽，各單元纖維定位槽的一端均開有一軸向真空管定位槽，并安裝有一根與該單元纖維定位槽連通的真空管；

(3)將步驟(2)所得硅橡膠筒體套在步驟(1)的支撐骨架外周，該內層硅橡膠筒體與支撐骨架間形成與驅動氣體入口連通的腔體；