[發(fā)明專利]一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂及制作方法

有效

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• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106859770B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李滌塵;陳煜宇;羅盟
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30;A61B17/00;B29C69/00;B29C39/10;B29C70/34;B29C65/52
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發(fā)明公開了一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂及制作方法，包括若干節(jié)相同的氣動驅(qū)動器單元連接而成。氣動驅(qū)動器單元包括圓柱型驅(qū)動器，驅(qū)動器兩端連接有基座，驅(qū)動器包括外部的剛度調(diào)節(jié)層，剛度調(diào)節(jié)層內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動層。驅(qū)動層包括具有通孔的圓環(huán)柱形硅橡膠層，硅橡膠層上開設(shè)有若干腔體，硅橡膠層內(nèi)表面覆蓋有PDMS層，硅橡膠層外表面覆蓋有雙螺旋尼龍纖維。基座上設(shè)置有與腔體相對應(yīng)的氣孔，以及與剛度調(diào)節(jié)層相對應(yīng)的抽真空口。所提出的操作臂具有高度靈活的運動能力和剛度可變的特性，并且體積小、質(zhì)量輕，對人體剛性損傷少，氣路更少易于控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多自由度微創(chuàng)手術(shù)操作臂領(lǐng)域，具體涉及一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂及制作方法。

背景技術(shù)

隨著科學技術(shù)發(fā)展和人們對醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量要求的日益增長，微創(chuàng)手術(shù)作為臨床治療新模式正逐步獲得廣泛應(yīng)用。微創(chuàng)手術(shù)相對于傳統(tǒng)開放式手術(shù)具有創(chuàng)口小、出血少、疼痛輕、術(shù)后恢復快等優(yōu)點，已經(jīng)成為醫(yī)療手術(shù)的主流方式。未來微創(chuàng)手術(shù)向著自然腔道和傷口更少、更小的方向發(fā)展。

目前微創(chuàng)手術(shù)操作臂多是直臂，具有較高的結(jié)構(gòu)剛性。然而，傳統(tǒng)機械式結(jié)構(gòu)使得這類手術(shù)臂的運動自由度少，即使通過多機械關(guān)節(jié)組合來實現(xiàn)多自由度，也會由于剛度不足帶來操作力難以施加到末端工具上、整體靈活度不高、運動空間不足等問題，這些問題直接導致了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)需要多至4到5個創(chuàng)口。同時，過多的機械結(jié)構(gòu)體裝配形成許多縫隙，易成為細菌和病垢的藏匿區(qū)，即使采用滅菌措施也很難徹底消毒。

因此，探索新的驅(qū)動和剛度調(diào)控機構(gòu)是未來的發(fā)展方向，如何制造出既有多自由度，又具有剛度可調(diào)性和生物安全性的微創(chuàng)手術(shù)操作臂是研究的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提出一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂及制作方法，該手術(shù)操作臂具有高度靈活的運動能力和剛度可變的特性，并且體積小、質(zhì)量輕，對人體剛性損傷少，氣路更少易于控制。

為了達到上述目的，一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂，包括若干節(jié)相同的氣動驅(qū)動器單元連接而成，氣動驅(qū)動器單元包括圓柱型驅(qū)動器，驅(qū)動器兩端連接有基座，驅(qū)動器包括外部的剛度調(diào)節(jié)層，剛度調(diào)節(jié)層內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動層，驅(qū)動層包括具有通孔的圓環(huán)柱形硅橡膠層，硅橡膠層上開設(shè)有若干腔體，硅橡膠層內(nèi)表面覆蓋有PDMS層，硅橡膠層外表面覆蓋有雙螺旋尼龍纖維，基座上設(shè)置有與腔體相對應(yīng)的氣孔，以及與剛度調(diào)節(jié)層相對應(yīng)的抽真空口。

所述剛度調(diào)節(jié)層包括在交錯固定在驅(qū)動層外壁上的環(huán)狀尼龍纖維束，環(huán)狀尼龍纖維束外側(cè)設(shè)置有硅橡膠薄膜，硅橡膠薄膜兩端分別與兩個基座連接，驅(qū)動層外壁與硅橡膠薄膜內(nèi)壁之間構(gòu)成密閉層，密封層連接抽真空口。

所述氣孔上設(shè)置有密封筋。

所述腔體為三個，等角度設(shè)置在硅橡膠層內(nèi)。

一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂的制作方法，包括以下步驟：

步驟一，根據(jù)所需尺寸，選取模具，模具包括中模、圓柱、薄壁件、底座、內(nèi)圓柱和外模；

步驟二，將中模固定在底座上，將三個薄壁件放置在中模內(nèi)部，圓柱放置在三個薄壁件內(nèi)，澆鑄液體硅橡膠后，置于真空干燥箱中固化；

步驟三，脫模后，在通孔中插入內(nèi)圓柱，將PDMS的主劑與固化劑按質(zhì)量比10:1均勻混合后倒入內(nèi)圓柱與硅橡膠層間，置于真空干燥箱中固化；

步驟四，脫模后，將尼龍纖維按雙螺旋的方式纏繞在硅橡膠層的外表面；

步驟五，將纏繞好尼龍纖維的驅(qū)動層放在外模內(nèi)，在縫隙中填充硅橡膠后，置于真空干燥箱中固化，脫模后通過粘接劑將基座固定在驅(qū)動層上，使氣孔密封腔體；

步驟六，將環(huán)狀尼龍纖維束自上而下交錯地粘貼在連接基座的驅(qū)動層外壁上，再用粘接劑將硅橡膠薄膜粘貼在兩端基座上，形成對剛度調(diào)節(jié)層的封裝，即完成氣動驅(qū)動器單元。