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【发明授权】一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法_山东大学_201910470475.X 

申请/专利权人:山东大学

申请日:2019-05-31

公开(公告)日:2020-10-20

公开(公告)号:CN110123458B

主分类号:A61B34/30(20160101)

分类号:A61B34/30(20160101);A61B17/00(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.10.20#授权;2019.09.10#实质审查的生效;2019.08.16#公开

摘要:本发明涉及一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法,包括多个关节,相邻关节球面接触,所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管及至少一组绳线,每组绳线的数量为两根,多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上,圆周的直径大于变刚度管的外径,同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端,柔性温控管能够加热或冷却变刚度管,改变变刚度管的刚度状态,本发明的手术机械臂结构体积小,既能适应在人体曲折的腔道前进,又能提供足够的刚度,满足了手术需求。

主权项:1.一种变刚度手术机械臂,其特征在于,包括多个关节,相邻关节球面接触,所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管,所有关节穿过有至少一组绳线,每组绳线的数量为两根,多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上,圆周的直径大于变刚度管的外径,同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端,柔性温控管能够加热或冷却变刚度管,改变变刚度管的刚度状态;所述柔性管由橡胶材质制成;所述变刚度管由PET塑料材质制成;所述柔性温控管为螺旋状的柔性金属管,其内部设有流道,端部设有进水口和出水口,冷却水能够通过进水口进入流道并通过出水口流出。

全文数据:一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法技术领域本发明涉及医疗器械技术领域,具体涉及一种变刚度手术机械臂、手术装置及方法。背景技术在内窥镜介入手术中,柔性手术机械臂能够在狭窄的空间内灵活适应人体的曲折路径,而不会伤害到人体组织;但是当末端手术器械工作时,又需要手术机械臂有足够的刚度来抵抗外部载荷。这两种情况下的刚度相差很大,发明人发现,现有的手术机器人未能完全满足这两个相互矛盾的要求,这限制了手术机器人的性能和使用。目前手术机械臂通过利用结构内部的可附接以及可拆卸连杆重新组装或者重新连接部件来调节刚度。拆卸零件时可获得一致性,零件重新安装时可获得高刚度。如使用基于滑块和阻挡器的锁定机构来切换套管系统的状态顺应性或刚性,但发明人发现,这种方法结构设计相当复杂,而且整体结构庞大,无法在手术过程中的狭窄空间使用;应用颗粒介质沙子或咖啡粉的可逆干扰性和真空压力来调节系统的刚度,发明人发现,高刚度需要大量的颗粒,这会导致结构过于庞大;通过增加绳缆的张力来提高手术机械臂的刚度,发明人发现,此种方法需要高强度耐磨性好的绳缆材料且线路排布比较复杂;利用圆柱形硅胶导管并在内部嵌入网状结构塑料管构成可变刚度手术机械臂,发明人发现,此种方法需要用气压控制刚度,噪声和结构尺寸都比较大,不适合在手术中应用,因此,目前还没有满足临床应用的多节连续体手术机器人的刚度调节技术。发明内容本发明的目的是为克服上述现有技术的不足,提供变刚度手术机械臂,结构体积小,能够改变刚度,适合在手术中应用。为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:一种变刚度手术机械臂,包括多个关节,相邻关节球面接触,所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管,所有关节穿过有至少一组绳线,每组绳线的数量为两根,多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上,圆周的直径大于变刚度管的外径,同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端,柔性温控管能够加热或冷却变刚度管,改变变刚度管的刚度状态。进一步的,所述关节一端端面设有凸台,所述凸台具有球状端面,关节的另一端具有与所述球状端面相匹配的球状槽面,相邻关节通过球状端面和球状槽面实现球面接触。进一步的,所述柔性管由橡胶材质制成。进一步的,所述柔性温控管为螺旋状的柔性金属管,其内部设有流道,端部设有进水口和出水口,冷却水能够通过进水口进入流道并通过出水口流出。进一步的,所述变刚度管由PET塑料材质制成。本发明的另一个目的是提供一种手术装置,自动化程度高,操作方便,劳动强度低,采用如下技术方案:一种手术装置,包括所述的变刚度手术机械臂,所述变刚度手术机械臂一端端部与机械臂支座固定连接,机械臂支座固定在底板上,底板设置有至少一个第一驱动机构,第一驱动机构均连接有转盘,变刚度手术机械臂同一组内的两根绳线穿过机械臂支座与同一个转盘连接,第一驱动机构能够带动转盘转动,转盘转动能够带动同一组内其中一根绳线收起的同时,释放另一根绳线。进一步的,所述变刚度手术机械臂的绳线与导向轮绕接连接,绳线通过导向轮的导向后与转盘连接,所述导向轮与导向轮座连接,所述导向轮座与底板连接。进一步的,所述底板设置有滑槽,导向轮座上连接有固定螺栓,所述固定螺栓穿过滑槽并旋紧固定螺母,将导线轮座与底板固定连接。进一步的,所述底板与第二驱动机构连接,第二驱动机构能够驱动底板沿变刚度手术机械臂在平直状态时的轴线方向运动。本发明的第三个目的是提供一种所述手术装置的工作方法,操作方便,工作效率高,手术机械臂能够在刚性和柔性状态切换,满足了手术需要,采用如下技术方案:一种手术装置的工作方法:将手术器械与手术机械臂固定连接,柔性温控管对变钢度管加热,使变刚度管的刚度状态由刚性转变为柔性,第一驱动机构带动转盘转动,同一个转盘的两根绳线一根收起,另一根释放,能够带动变刚度手术机械臂的弯曲转动,此时手术器械臂能够带动手术器械在人体内腔路径中灵活前进,使手术器械到达目的地,手术器械到达目的地后,可在温控管中通入冷却水,对变刚度管进行冷却,使变刚度管的刚度状态由柔性变为刚性,此时能够进行手术操作。本发明的有益效果:1.本发明的手术机械臂仅需要设置穿过关节的柔性管、柔性温控管、变刚度管及绳线,结构简单,体积小,通过利用柔性温控管对变刚度管进行加热或冷却,实现了变刚度管在柔性和刚性不同状态的切换,使手术机械臂实现了柔性和刚性不同状态的切换,既满足了在狭窄空间内灵活适应人体内曲折腔路中前进的需要,又满足了末端手术器械工作时抵抗外部载荷的需要。2.本发明的手术机械臂,变刚度管采用PET塑料材质制成,无毒,相变温度低,不会对人体造成伤害。3.本发明的手术机械臂,柔性温控管为螺旋状的柔性金属管,能够对变刚度管进行快速的升降温,相变所需要的时间少,工作效率高。4.本发明的手术机械臂,通过第一驱动机构连接的转盘带动绳线的收起和释放,从而带动手术机械臂的弯曲,自动化程度高,降低了操作人员的劳动强度。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的限定。图1为本发明实施例1结构示意图;图2为本发明实施例1关节主视示意图;图3为本发明实施例1关节剖面示意图;图4为本发明实施例1相邻关节配合示意图;图5为本发明实施例3整体结构示意图;图6为本发明实施例3剖面示意图;图7为本发明实施例3导向轮与绳线分布示意图一;图8为本发明实施例3导向轮与绳线分布示意图二;图9为本发明实施例3导向轮与绳线分布示意图三;其中,1.关节,1-1.凸台,1-2.球状端面,1-3.球状槽面,1-4.通孔,1-5.穿孔,2.柔性管,3.柔性温控管,3-1.进水口,3-2.出水口,4.变刚度管,5.绳线,6.机械臂支座,7.法兰连接盘,8.底板,9.舵机,10.转盘,11.导向轮座,12.电机,13.丝杠,14.滑块,15.平台,16.滑轨,17.第一绳线,18.第二绳线,19.第一导向轮,20.第二导向轮,21.第三导向轮,22.第四导向轮,23.第五导向轮,24.第六导向轮,25.第七导向轮,26.第八导向轮,27.支撑板,28.固定螺栓,29.滑槽。具体实施方式应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和或它们的组合。为了方便叙述,本发明中如果出现“上”、“下”字样,仅表示与附图本身的上、下方向一致,并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位,以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。正如背景技术所介绍的,现有的手术机械臂变刚度方法不适合应用于手术中,针对上述问题,本申请提出了一种变刚度手术机械臂。本申请的一种典型实施方式实施例1中,如图1-4所示,一种变刚度手术机械臂,包括多个关节1,相邻关节通过球面接触,具体的,所述关节的一侧端面设置有凸台1-1,凸台的端面为球状端面1-2,所述关节的另一侧端面设有与所述球状端面相匹配的球状槽面1-3,相邻关节的球状端面与球状槽面相接触,实现了相邻关节的球面接触。所述关节的中心部位设置有通孔1-4,多个关节的通孔中穿过与关节同心设置的柔性管、柔性温控管及变刚度管,柔性管2有由橡胶材质制成,柔性管的位于关节的中心部位,柔性管的外周包裹固定有柔性温控管3,所述柔性温控管采用螺旋状结构的柔性金属管,所述柔性金属管内部具有流道,所述螺旋状结构采用双螺旋结构,柔性金属管端部设置的进水口3-1和出水口3-2位于同一侧,冷却水能够通过进水口进入流道,通过出水口排出,所述柔性温控管外周包裹有变刚度管4,所述变刚度管采用PET塑料材质制成,变刚度管与通孔过盈配合连接,变刚度管弯曲时,能够与关节产生一定的相对滑动,以关节中心为圆心,关节设置有沿圆周均匀分布的四个穿孔1-5,所述穿孔中穿过有绳线5,关节通过穿孔与绳线固定连接,绳线穿过所有关节并与末端用于连接手术器械的端部的关节固定连接,四根绳线沿圆周均匀分布,每根绳线均位于其所在圆周的直径两端,拉动绳线可以实现手术机械臂向任意方向的弯曲,其中位于穿孔所在圆周直径两端的两根绳线为一组绳线。温控管的进水口和出水口处分别与电源的正极和电源的负极连接,电源能够对温控管通电,金属材质制成的温控管通电发热,对由PET塑料材质制成的变刚度管进行加热,加热至67℃以上时,变刚度管由发生相变,由刚性转变为柔性,此时拉动绳线,手术机械臂能够进行弯曲,方便在人体内腔路径中的前进,当手术机械臂末端到达目标位置后,柔性温控管内部通入冷却水,对变刚度管进行降温,变刚度管发生相变,由柔性转变为刚性,能够承担手术过程中产生的外部载荷。变刚度管采用PET塑料材质制成,无毒,相变温度低,不会对人体造成伤害,柔性温控管为螺旋状的柔性金属管,能够对变刚度管进行快速的升降温,相变所需要的时间少,工作效率高。实施例2:本实施例公开了一种手术装置,包括底板,所述底板一侧设置有机械臂支座,所述机械臂支座与实施例1所述的变刚度手术机械臂的一端通过螺栓固定连接,具体的,变刚度手术机械臂用于与机械臂支座连接的关节连接有法兰连接盘7,法兰连接盘通过螺栓与机械臂支座固定连接。所述底板上设置有两个第一驱动机构,第一驱动机构采用舵机,所述舵机固定在支撑板上,支撑板与底板通过螺栓固定连接,所述舵机的输出轴与转盘连接,变刚度手术机械臂中一组中的两根绳线穿过机械臂支座,并通过绕接底板上设置的导向轮后与其中一个第一驱动机构连接的转盘固定连接,另一组绳线中的两根绳线穿过机械臂支座,并通过绕接底板上设置的导向轮后与另一个第一驱动机构连接的转盘固定连接。转盘转动,能够收起一组中的一根绳线的同时,释放一组中的另一根绳线,从而带动手术机械臂的弯曲。所述导向轮与导向轮座连接,所述导向轮座与底板固定连接,所述导向轮座连接有固定螺栓29,所述固定螺栓穿过导向轮座及滑槽30,并旋紧固定螺母,将导向轮座与底板固定连接,松开固定螺母,导向轮座能够沿滑槽滑动,能够对绳线进行张紧。所述底板与第二驱动机构连接,所述第二驱动机构能够驱动底板做沿变刚度手术机械臂在平直状态下轴线方向的运动,所述第二驱动机构包括电机,所述电机的输出轴后与丝杠连接,丝杠连接有滑块,所述滑块与设置在平台两侧的滑轨滑动连接,所述滑块通过螺栓与底板固定连接,丝杠两端利用轴承座进行支撑。本实施例中,所述舵机、电机均与控制器连接,由控制器控制其工作。实施例3:本实施例公开了一种手术装置,如图5-6所示,本实施例中,变刚度手术机械臂包括第一机械臂部及第二机械臂部,其绳线的数量为八根,共四组绳线,其中两组绳线四条绳穿过第一机械臂部及第二机械臂部的所有关节,并与第二机械臂末端的关节固定连接,另外两组绳线另外四条绳只穿过第一机械臂部,并与第一机械臂部末端用于连接第二机械臂部的端部的关节固定连接,其中,第一机械臂部用于与机械臂支座6连接,第二机械臂部的末端用于连接手术器械,只穿过第一机械臂的绳线和穿过第一机械臂及第二机械臂的绳线沿圆周均匀交错分布。采用此种设置,利用第一机械臂部可以使手术器械到达目标位置,利用第二机械臂部可以调节手术器械的姿态,使手术机械臂具有更多的运动自由度。所述变刚度手术机械臂的端部采用与实施例1相同的方式与机械臂支座固定连接,机械臂支座固定在底板8上,底板上设置有四个第一驱动机构,所述第一驱动机构采用舵机9,底板通过支撑板27连接舵机,舵机固定在支撑板上,支撑板通过螺栓与底板固定连接,舵机的输出轴连接有转盘10,底板的两侧分别设置两个舵机,变刚度手术机械臂同一组绳线的两根绳线穿过机械臂支座与同一个转盘连接,四组绳线分别连接在四个转盘上。绳线绕穿过机械臂支座后绕接导向轮,利用导向轮导向后与转盘连接,所述导向轮连接在导向轮座11上,导向轮采用实施例1相同的方法可以与底板的相对位置进行调节,从而对绳线进行张紧,所述的导向轮和导向轮基座设置在两侧舵机之间的底板部位,布置紧凑,节省了占用空间。本实施例中,导向轮与绳线的分布方式如图7-9所示,以其中一个转盘上的第一绳线17和第二绳线18为例进行说明,所述第一绳线和第二绳线为一组当中的两根绳线,第一绳线绕过第一导向轮19、第二导向轮20及第三导向轮21与转盘固定连接,其中第一导向轮、第二导向轮、第三导向轮均为水平设置的导向轮,只改变第一绳线的方向,不改变其高度位置,第二绳线绕过第四导向轮22、第五导向轮23、第六导向轮24、第七导向轮25及第八导向轮26后与转盘连接,其中第五导向轮及第六导向轮竖直设置,能够改变第二绳线的高度,与第二绳线绕接的其余导向轮均水平设置,只能改变第二绳线的方向,由于第一绳线及第二绳线设置在圆周直径的两端,其高度是不同的,所以设置了第五导向轮及第六导向轮来改变其高度,其余转盘上的绳线通过相同的方法利用导向轮导向后连接在转盘上,本领域技术人员可根据实际需要设置导向轮的位置和绳线的绕接走向,在此不进行详细说明。所述导向轮与导向轮座连接,所述导向轮座与底板固定连接,所述导向轮座连接有固定螺栓28,所述固定螺栓穿过导向轮座及滑槽29,并旋紧固定螺母,将导向轮座与底板固定连接,松开固定螺母,导向轮座能够沿滑槽滑动,能够对绳线进行张紧,可根据需要将部分导向轮采用此种方式与底板可相对移动的连接,其余导向轮座与底板固定连接。所述底板与第二驱动机构连接,所述第二驱动机构能够驱动底板做沿变刚度手术机械臂在平直状态下轴线方向的运动,所述第二驱动机构包括电机12,所述电机的输出轴后与丝杠13连接,丝杠连接有滑块14,所述滑块与设置在平台15两侧的滑轨16滑动连接,所述滑块通过螺栓与底板固定连接,丝杠两端利用轴承座进行支撑。本实施例中,所述舵机、电机均与控制器连接,由控制器控制其工作。实施例4:本实施例公开了一种手术装置的工作方法:根据手术目标位置对控制器预先输入机械臂末端的运动路径,将所需要的手术器械连接在变刚度手术机械臂的末端,将柔性温控管的进水口处和出水口处分别接通电源的正极和负极,柔性金属管通电后发热,对由PET塑料材质制成的变刚度管进行加热,加热到一定温度后,变刚度管产生相变,由刚性变为柔性,此时,第二电机工作,带动变刚度手术机械臂整体前进,前进的同时,舵机共同工作,根据控制器设置的运动路径工作,收起或释放相应的绳线,使整个变刚度手术机械臂产生设定角度的弯曲,在人体曲折腔路中前进,到达目标位置后,柔性温控管断开与电源的连接,此时,通过进水口通入冷却水,对变刚度管进行降温,此时变刚度管温度下降至一定值后发生相变,由柔性变为刚性,此时变刚度手术机械臂整体为刚性,能够承受手术器械工作产生的外部载荷。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

权利要求:1.一种变刚度手术机械臂,其特征在于,包括多个关节,相邻关节球面接触,所有关节穿过有与关节同心设置的柔性管、包裹在柔性管外部的柔性温控管、包裹在柔性温控管外部的变刚度管,所有关节穿过有至少一组绳线,每组绳线的数量为两根,多根绳线均匀分布在与关节同心设置的圆周上,圆周的直径大于变刚度管的外径,同一组内的两根绳线位于圆周直径的两端,柔性温控管能够加热或冷却变刚度管,改变变刚度管的刚度状态。2.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂,其特征在于,所述关节一端端面设有凸台,所述凸台具有球状端面,关节的另一端具有与所述球状端面相匹配的球状槽面,相邻关节通过球状端面和球状槽面实现球面接触。3.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂,其特征在于,所述柔性管由橡胶材质制成。4.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂,其特征在于,所述柔性温控管为螺旋状的柔性金属管,其内部设有流道,端部设有进水口和出水口,冷却水能够通过进水口进入流道并通过出水口流出。5.如权利要求1所述的一种变刚度手术机械臂,其特征在于,所述变刚度管由PET塑料材质制成。6.一种手术装置,其特征在于,包括权利要求1-5任一项所述的变刚度手术机械臂,所述变刚度手术机械臂一端端部与机械臂支座固定连接,机械臂支座固定在底板上,底板设置有至少一个第一驱动机构,第一驱动机构均连接有转盘,变刚度手术机械臂同一组内的两根绳线穿过机械臂支座与同一个转盘连接,第一驱动机构能够带动转盘转动,转盘转动能够带动同一组内其中一根绳线收起的同时,释放另一根绳线。7.如权利要求6所述的手术装置,其特征在于,所述变刚度手术机械臂的绳线与导向轮绕接连接,通过导向轮的导向与转盘连接,所述导向轮与导向轮座连接,所述导向轮座与底板固定连接。8.如权利要求6所述的手术装置,其特征在于,所述底板还设置有用于对绳线进行张紧的张紧轮,所述张紧轮与张紧轮座连接,所述张紧轮座通过滑槽和螺栓与底板连接,张紧轮座能够沿滑槽滑动,并利用螺栓紧固在底板上。9.如权利要求6所述的手术装置,其特征在于,所述底板与第二驱动机构连接,第二驱动机构能够驱动底板沿所述的变刚度手术机械臂在平直状态时的轴线方向运动。10.一种权利要求6-9任一项所述的手术装置的工作方法,其特征在于,将手术器械与手术机械臂固定连接,柔性温控管对变钢度管加热,使变刚度管的刚度状态由刚性转变为柔性,第一驱动机构带动转盘转动,同一个转盘的两根绳线一根收起,另一根释放,能够带动变刚度手术机械臂的弯曲转动,此时手术器械臂能够带动手术器械在人体内腔路径中灵活前进,使手术器械到达目的地,手术器械到达目的地后,可在温控管中通入冷却水,对变刚度管进行冷却,使变刚度管的刚度状态由柔性变为刚性,此时能够进行手术操作。

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