[發明專利]一種基于單一動力源的模塊化靈巧操作臂

有效

• 申請號: 202110672729.3
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113303911B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 楊克己;崔露航;王云江;肖璇;胡鑫奔;朱永堅
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種基于單一動力源的模塊化靈巧操作臂，該操作臂包括若干完全相同的子節段，每個子節段包括外部彎管組件、傳動組件和內部彎管驅動組件三部分。本發明末端可連接爪鉗、鑷子、剪刀等末端執行機構，組成一種靈巧的微器械，安裝在微創外科手術機器人系統的末端，輔助開展微創外科手術。本發明將操作臂關節模塊化，并將每個關節的驅動獨立出來，提高了操作臂的靈活性，可以實現將末端執行機構靈巧地送達病灶附近開展手術。

技術領域

本發明涉及醫療器械領域，尤其是微創外科手術機器人系統中的微器械，具體地，涉及一種面向微創外科手術的多自由度操作臂。

背景技術

目前微創手術已經深得人心，成為許多手術的主流方案，并且日益依賴于靈巧操作的微器械實現極限的手術操作。以da Vinci(達芬奇)系統為代表的手術機器人系統在微創外科手術中取得了廣泛應用，其采用單個或多個毫米級的體表創口建立手術通道，由末端執行器和操作臂組成的微器械通過通道進入手術部位。微創外科手術創傷小的特點要求手術機器人系統末端的微器械尺寸足夠小，同時滿足運動空間和若干個自由度靈巧操作的要求。

由于空間受限，目前機器人系統末端的微器械大部分采用電機后置，由繩索傳遞運動的方式牽引各自由度運動。多自由度的運動需要靈巧的傳動布置，需要巧妙地運用有限空間布置靈巧的傳動結構，帶來了以下問題：1、多個自由度都需要繩索單獨驅動，導致繩索數量增多，布線困難；2、各個自由度之間耦合嚴重，導致控制復雜，傳動精度低；3、自由度的多少嚴重依賴傳動機構需要的空間大小，整個操作臂的自由度受限。

發明內容

為了滿足微創手術對器械的尺寸與靈活性的要求，解決傳動困難的問題，在不丟失末端執行器自由度的前提下，使操作臂能靈巧地到達病灶附近，并自由地開展手術工作，本發明提供一種基于單一動力源的模塊化靈巧操作臂，以提高微創外科手術機器人手術操作的靈巧性。

本發明針對現有技術的不足所采用的技術方案是：一種基于單一動力源的模塊化靈巧操作臂，包括N段完全相同的子節段，每個子節段包括外部彎管組件、傳動組件和內部彎管驅動組件三部分；

所述外部彎管組件包括固定外管、外管連接套Ⅰ、柔性外管、外管連接套Ⅱ和驅動鎳鈦絲；

所述固定外管為不可彎曲的套筒結構，其管壁上開有兩側對稱的滑槽，滑槽一端延伸到固定外管的端面；所述外管連接套Ⅰ為套筒結構，其一端設軸肩與固定外管相連，另一端與柔性外管相連；所述柔性外管為單向可彎曲的套筒結構，其兩端設軸肩分別與外管連接套Ⅰ和上一節段的外管連接套Ⅱ相連，柔性外管管壁內有沿圓周均布的通孔，通孔分左右兩組，用于安裝所述驅動鎳鈦絲；所述驅動鎳鈦絲為具有超彈性的鎳鈦合金絲；所述外管連接套Ⅱ為內部設軸肩的套筒結構，其兩端分別連接固定外管和下一節段的柔性外管；

所述傳動組件包括螺紋管、螺紋滑環和擋環；

所述螺紋管為外部設有螺紋的空心套筒結構；所述螺紋滑環為內部設有螺紋的空心套環結構，與所述螺紋管通過螺紋副相連，所述螺紋滑環兩側設有耳部，耳部可在所述固定外管的滑槽內滑動，所述螺紋滑環側壁設有卡口用于固定所述驅動鎳鈦絲；所述擋環分布于所述螺紋管兩端，用于將傳動組件與固定外管相連；

所述內部彎管驅動組件包括柔性內管、內管連接套Ⅰ、支撐桿、膨脹管、內管連接套Ⅱ和溫控鎳鈦絲；

所述柔性內管由多節可相互間擺動的鉸接結構組成，其兩端分別與內管連接套Ⅰ和上一節段的內管連接套Ⅱ相連；所述支撐桿為金屬桿狀結構，表面光滑，兩端分別與內管連接套Ⅰ和內管連接套Ⅱ相連，所述膨脹管為彈性材料制成的鼓狀結構，所述膨脹管一端固定在所述支撐桿上，另一端為自由端，可在所述溫控鎳鈦絲的作用下伸縮；所述溫控鎳鈦絲為受溫度控制的記憶合金，以S型的方式纏繞在所述膨脹管的側壁中。

進一步地，所述柔性外管兩側開有對向間隔分布的槽口，用于提高柔性外管的彎曲性能。