CN105287000B - 单气体驱动的柔性微创手术操作臂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单气体驱动的柔性微创手术操作臂及制备方法，其特征在于，1)利用柔性气动肌肉(硅橡胶材料)与纤维Jamming复合实现软材料的各向异性改造。2)将多个独立的纤维Jamming单元沿周向分布在手术臂圆柱筒体上，通过独立控制各个Jamming单元实现手术臂的多自由度弯曲功能。3)通过多路纤维Jamming单元同时工作，实现手术臂的姿态定型及刚度调节功能。4)通过在封装硅橡胶薄膜中参入纳米铜离子，降低手术臂表面的细菌滋生。

Description

单气体驱动的柔性微创手术操作臂及制备方法

技术领域

本发明涉及一种微创手术器械及制造，特别涉及一种用智能材料(介电弹性体DE)作为气动驱动器单元并结合纤维Jamming(阻塞)刚度调节机理来制备的一种多自由全柔性微创手术操作臂。

背景技术

随着医学临床对于降低手术风险、减少手术时间的迫切需求，以及患者对于小创口、轻痛感、快速的预后能力的急切需要，微创手术作为近年来快速发展的一种新手术模式而得到普遍的关注，并已然逐渐演变为临床中最常用的一种手术方式。然而，随着科学技术的发展，临床微创术的发展必将走向更加便捷和更加多元化的方向，包括临床的可靠性、兼容性、柔性等多个发展趋势。

截至目前，以Da Vinci手术机器人为代表的新手术机器人已成功的吸引着来自各界的目光，并申请了多项相关专利(WO2007146987A3和WO2007120952A3)。而在国内，也有着相关的刚性手术机械结构的发明和改进，包含天津大学的一体式机械臂(文献号：CN101889900B和CN102973317A)以及哈尔滨工业大学的传动式多自由度微创手术操作臂结构(文献号：CN102973317A)等。然而，作为新手术机器人的代表，Da Vinci手术机器人同上述的相关结构设计和改进依然要依靠刚性金属操作臂的配合来进行手术。因此一定程度上造成了手术前器械的保养和准备复杂、手术中因刚度过大而可能引起的对人体组织的伤害、手术后器械的清洗及测试检查复杂等一些固有的弊端。于是，对于柔性微创手术臂的研究便引起了众多国内外学者的关注，而对于柔性机械臂的基础结构研究也就显得至关重要了。柔性气动人工肌肉技术的发展，为微创手术操作臂的全柔性多自由度驱动设计提供了一种全新思路。人工气动肌肉材料通常利尼龙纤维等韧性较强的纤维与柔软的硅胶或乳胶材料进行一定复合而得到。例如，通过将纤维平行有序的束缚在硅橡胶圆柱体的环向，在气压的作用下，由于硅橡胶圆柱筒体在环向方向受到纤维束缚，不会向气球一样鼓起，而只能在圆柱体的母线方向伸长。当上述这种结构的某一侧母线被束缚而不能伸长时，则圆柱体会朝母线不能伸长的方向发生弯曲。而这种新型手术操作臂正是利用这种变形机理来实现多自由弯曲变形的。在驱动器四周分布着四个纤维Jamming单元，借助抽真空的方式，可实现4个方向母线的约束，从而实现对驱动器弯曲方向的控制。当手术臂通过变形实现目标姿态时，对四个方向的Jamming单元同时抽真空，从而实现手术臂的姿态定型及刚度调节功能。

发明内容

针对目前临床所使用的微创手术臂多为直杆形结构且刚性较大等问题，本发明的目的在于，提供一种基于气动肌肉及纤维Jamming技术的、依靠气压驱动的、全柔性、刚度可调节的多自由度弯曲的微创手术操作器械。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种单气体驱动的柔性微创手术操作臂，其特征在于，包含至少一节密封的柔性驱动器，其中，该柔性驱动器包括支撑骨架、刚度调节层，所述支撑骨架由一个硅橡胶管连接两端的基座构成；所述刚度调节层由内外两层硅橡胶筒体夹一层纤维组成，其中内层硅橡胶筒体包裹住支撑骨架，筒体外侧沿轴向设有多个周向的纤维束缚定位槽、及周向均布的至少三个轴向的单元纤维定位槽，每个单元纤维定位槽中均设有Jamming纤维条，每个纤维束缚定位槽内设一根束缚纤维，各单元纤维定位槽的一端设有真空管定位槽并安装有一根与该单元纤维定位槽连通的真空管；所述外层硅橡胶筒体套在设有Jamming纤维条及束缚纤维的内层硅橡胶筒体外周，两端设有密封卡箍，并用扎带紧固。

上述方案中，所述Jamming纤维条由多个尼龙纤维帘自下而上错层粘接在单元纤维定位槽内。所述每个尼龙纤维帘是用一条胶带将多根尼龙纤维粘接成梳状束。所述单元纤维定位槽周向均布四个，每个定位槽所占内部硅橡胶筒体的圆心角度为10°。

前述单气体驱动的柔性微创手术操作臂的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)在一根硅橡胶管两端装配基座形成支撑骨架，每个基座中心均开有取样孔与硅橡胶管连通，其中底部基座上还开有驱动气体的入口；

(2)利用模具浇注内层硅橡胶筒体，使之筒体外侧沿轴向形成多个周向的纤维束缚定位槽、及周向均布至少三个轴向的单元纤维定位槽，各单元纤维定位槽的一端均开有一轴向真空管定位槽，并安装有一根与该单元纤维定位槽连通的真空管；

(3)将步骤(2)所得硅橡胶筒体套在步骤(1)的支撑骨架外周，该内层硅橡胶筒体与支撑骨架间形成与驱动气体入口连通的腔体；

(4)在每个单元纤维定位槽上粘贴Jamming纤维条，再在每个纤维束缚定位槽上缠上一根束缚纤维，然后套上外层硅橡胶管，并在两端套上密封卡箍，用扎带将密封卡箍紧固。

上述方法中，所述Jamming纤维条由多个尼龙纤维帘自下而上错层粘接在单元纤维定位槽内。每个尼龙纤维帘是用一条胶带将多根尼龙纤维粘接成梳状束。单元纤维定位槽周向均布四个，每个定位槽所占内部硅橡胶筒体的圆心角度为10°。

所述内、外层硅橡胶筒体采用超软硅橡胶Ecoflex 0010，AB组分1:1混合调配，并加入纳米铜离子混合均匀，在室温下固化24小时后脱模制成。

本发明新型气动手术操作臂利用多组均布的Jamming纤维条能够快速控制单节手术驱动器实现多自由度的刚度调节，并且保证了手术过程中能够顺利的实现手术操作臂的进入和撤出。使用硅橡胶及尼龙纤维刚度调节材料，具有良好的生物兼容性和延展性，采用纳米铜离子封装杀菌，可避免引起人体感染，降低病人的痛苦。

附图说明

图1～图2为本发明手术操作臂基座结构图。其中：图1为顶部基座；图2为底部基座。每图中的b图均为a图的剖视图。

图3为硅橡胶圆筒的制备工艺示意图。其中a图与b图分别为硅橡胶注塑的模具(内)与模具(外)；c图为a图与b图的装配图；d图为在c图中浇注出的硅橡胶圆柱筒的示意图。

图4为基座与硅橡胶圆筒的组装图。其中b图为a图的剖视图。

图5为图4的组装图粘贴上尼龙纤维所形成的Jamming单元的组装图。

图6为图5的组装图配合4根真空管形成的手术操作臂组装图。

图7为手术操作臂组装图加上硅橡胶封装薄膜外套之后的组装图。

图8中a图为图7组装图A-A剖视图；b图为图7组装图B-B剖视图。

图9为利用密封卡箍进行密封的整体手术操作臂组装图；b图为a图的剖视图。

图1-图9中：1、顶部基座，2、底部基座，3、组织取样口，4、驱动气体入口，5、模具(内)，6、模具(外)，7、硅橡胶筒体，8、纤维束缚定位槽，9、单元纤维定位槽，10、真空管定位槽，11、硅橡胶管，12、尼龙纤维条，13、硅橡胶封装薄膜，14、真空管，15密封卡箍、16、扎带。

具体实施方式

参考图1～图2，本发明手术操作臂包含顶部基座1和底部基座2，且每个基座中心都设计有方便取样的组织取样口3，其中底部基座上还开有驱动气体的入口4；基座结构均采用3D打印制造。

参考图3，硅橡胶筒体7通过注塑的方法成型，注塑用的模具也是通过3D打印而成，由模具(内)5、模具(外)6组成，分别如图3中a图和b图所示。将内外模具组装嵌套在一起后，模具(内)和模具(外)就配合形成了一个整体模具，如c图。在c图所示的模具壁中灌入混合均匀的Ecoflex 0030硅橡胶，其组分A和B以1:1进行配比。然后将模具整体放入真空箱中，排除硅橡胶中的气泡。最后，从真空箱中取出模具在常温下固化24小时即可脱模成型。如图3中d图所示。硅橡胶筒体表面分布着三种定位槽，分别为周向的纤维束缚定位槽8、单元纤维定位槽9以及真空管定位槽10，其中单元纤维定位槽所占圆心角为10°。

参考图4，顶部基座与底部基座间可通过弹性硅橡胶管11进行连接组装，形成手术臂的内部骨架结构，并为手术过程中的取样提供一条通路。而后，将硅橡胶筒体7与基座骨架进行装配。

参考图5～图6，将尼龙纤维条12粘贴在4个周向均布的竖向单元纤维定位槽9内。其中，尼龙纤维条12作为Jamming纤维单元由多个尼龙纤维帘自下而上交错粘接而成。每个尼龙纤维帘是用一条胶带将多根尼龙纤维粘接成梳状(图5局部放大图)。利用半凝固的Ecoflex 0030溶液将尼龙纤维帘沿着定位槽9逐层粘接在硅橡胶筒体上，并在40摄氏度的恒温箱中放置4小时即可完成粘贴。当4个方向的Jamming纤维条结构全部粘接完成后，在筒体的各个纤维束缚定位槽8上缠绕单根尼龙纤维，然后在真空管定位槽10内依次嵌入4根硅胶细管作为真空管14。

参考图7～图8，在除Jamming纤维条以外区域的圆筒面上涂抹半凝固的Ecoflex0030溶液并将外层硅橡胶封装薄膜13(Ecoflex 0010中参杂纳米铜离子)套在硅橡胶筒体外侧，最后放入40摄氏度的恒温箱中固化4个小时。固化后，内层硅橡胶筒体7、粘接其外侧的Jamming纤维条及束缚纤维以及外层封装薄膜13被径向紧密连接在一起，而纤维Jamming区域被自然分割开来，形成了四个独立的空腔。

参考图9，当外层封装薄膜与内层圆筒体粘接完成后，利用密封卡箍15和扎带16实现手术操作臂(单节柔性驱动器)的气密封装。

本发明新型气动手术操作臂主要是通过对手术臂主腔体提供一路正压以及对四路纤维Jamming单元分别提供负压来形式实现多自由度弯曲变形控制的。当对操作臂某一侧Jamming单元施加负压后，在外界大气压的作用下，纤维重叠处的正压力与摩擦力迅速增加，导致这一侧母线无法伸长，此时在主腔体内施加正压，驱动器则向母线无法伸长的方向发生弯曲。弯曲角度可通过调节主腔体内施加的气压大小进行控制。当弯曲驱动器达到所需的弯曲角度后，同时对四路Jamming单元施加负压，此时4个方向的母线均被锁定，从而实现了驱动器姿态的“定型”和结构刚度的提升。在实际手术过程中，为了使手术器械能够稳定的进入人体腹腔，可先对4路Jamming单元同时施加负压，并对手术臂的主腔体施加正压，此时手术呈现刚性较大的“直杆”状态。当手术臂进入人体腹腔后，需要实现弯曲变形到达人体病变位置时，则可单独对4路Jamming单元施加负压来实现弯曲变形。当手术臂末端到达病变位置时，为了保障手术操作过程的稳定性，可再次向4路Jamming单元同时施加负压，实现手术臂的姿态“定型”及刚度提升。当手术操作结束后，可将所有Jamming单元与外界大气压接通，迅速降低手术臂的刚度，以保障手术臂安全撤出人体。

Claims (9)

1.一种单气体驱动的柔性微创手术操作臂，其特征在于，包含至少一节密封的柔性驱动器，其中，该柔性驱动器包括支撑骨架、刚度调节层，所述支撑骨架由一个硅橡胶管连接两端的基座构成；所述刚度调节层由内外两层硅橡胶筒体夹一层纤维结构组成，所述纤维结构包括Jamming纤维条和束缚纤维，其中内层硅橡胶筒体包裹住支撑骨架，筒体外侧沿轴向设有多个周向的纤维束缚定位槽、及周向均布的至少三个轴向的单元纤维定位槽，每个单元纤维定位槽中均设有Jamming纤维条，每个纤维束缚定位槽内设一根束缚纤维，各单元纤维定位槽的一端设有真空管定位槽并安装有一根与该单元纤维定位槽连通的真空管；所述外层硅橡胶筒体套在设有Jamming纤维条及束缚纤维的内层硅橡胶筒体外周，两端设有密封卡箍，并用扎带紧固。

2.如权利要求1所述的单气体驱动的柔性微创手术操作臂，其特征在于，所述Jamming纤维条由多个尼龙纤维帘自下而上错层粘接在单元纤维定位槽内。

3.如权利要求2所述的单气体驱动的柔性微创手术操作臂，其特征在于，所述每个尼龙纤维帘是用一条胶带将多根尼龙纤维粘接成梳状束。

4.如权利要求1所述的单气体驱动的柔性微创手术操作臂，其特征在于，所述单元纤维定位槽周向均布四个，每个定位槽所占内部硅橡胶筒体的圆心角度为10°。

5.一种单气体驱动的柔性微创手术操作臂的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)在一根硅橡胶管两端装配基座形成支撑骨架，每个基座中心均开有取样孔与硅橡胶管连通，其中底部基座上还开有驱动气体的入口；

(2)利用模具浇注内层硅橡胶筒体，使之筒体外侧沿轴向形成多个周向的纤维束缚定位槽、及周向均布至少三个轴向的单元纤维定位槽，各单元纤维定位槽的一端均开有一轴向真空管定位槽，并安装有一根与该单元纤维定位槽连通的真空管；

(3)将步骤(2)所得硅橡胶筒体套在步骤(1)的支撑骨架外周，该内层硅橡胶筒体与支撑骨架间形成与驱动气体入口连通的腔体；

(4)在每个单元纤维定位槽上粘贴Jamming纤维条，再在每个纤维束缚定位槽上缠上一根束缚纤维，然后套上外层硅橡胶筒体，并在两端套上密封卡箍，用扎带将密封卡箍紧固。

6.如权利要求5所述的单气体驱动的柔性微创手术操作臂的制备方法，其特征在于，所述Jamming纤维条由多个尼龙纤维帘自下而上错层粘接在单元纤维定位槽内。

7.如权利要求6所述的单气体驱动的柔性微创手术操作臂的制备方法，其特征在于，所述每个尼龙纤维帘是用一条胶带将多根尼龙纤维粘接成梳状束。

8.如权利要求5所述的单气体驱动的柔性微创手术操作臂的制备方法，其特征在于，所述单元纤维定位槽周向均布四个，每个定位槽所占内部硅橡胶筒体的圆心角度为10°。

9.如权利要求5所述的单气体驱动的柔性微创手术操作臂的制备方法，其特征在于，所述内、外层硅橡胶筒体采用超软硅橡胶Ecoflex 0010，AB组分1:1混合调配，并加入纳米铜离子混合均匀，在室温下固化24小时后脱模制成。