CN113040943A

CN113040943A - 一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器

Info

Publication number: CN113040943A
Application number: CN202110314353.9A
Authority: CN
Inventors: 王正雨; 包诗扬; 魏迅; 刘光明; 张建喜; 王道明; 钱森; 钱钧
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2041-03-24
Also published as: CN113040943B

Abstract

本发明涉及一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，属于机器人技术领域。包括驱动机构、柔索导向机构和镜头组件。驱动机构包括四个直线电机、四根柔索和四个预紧机构；柔索导向机构包括空心管和柔性连续体；四根柔索穿过空心管连接着柔性连续体；镜头组件固定安装在柔性连续体的端部。驱动机构负责预紧、拉伸四根柔索，柔索导向机构负责将柔索导向至镜头组件。四根柔索通过配合拉伸，使得柔性连续体在空间任意方向弯曲，满足镜头组件不断捕捉画面的要求。本发明可通过调节柔索的张紧程度，改变柔性连续体的刚度大小；连续体弯曲平均角速度约5.7rad/s，完全满足在手术过程中的实时性要求。

Description

一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器。

背景技术

因微创手术的创伤小，患者恢复时间快等特点。微创手术在国内外得到大力推广和发展，进行微创手术时需要在患者体表开一个到几个小孔来支持手术钳和腹腔镜工作，腹腔镜在手术时主要作用是获取清晰图像以配合手术钳进行各项操作。

但是传统微创手术，需要数名医生和护士协作完成，其中腹腔镜需要一名持镜医生用手控制以获取图像，手术过程复杂多变，操作钳和腹腔镜的位置需要不断调整，持镜医生和主刀医生通过不断调整位置以便得到最佳手术位置。这对医生之间的默契配合要求很高，不然极易对患者创口造成二次伤害，严重时甚至可导致医疗事故。持镜医生长期持镜过程中，胳膊酸痛麻痹，容易产生抖动等外在因素影响手术进展。甚至手术过程中万一发生意外冲击，由于传统腹腔镜管体刚度高，极易对微创小孔造成撕裂伤害。

一种可自动跟踪手术器械移动的柔性腹腔镜采用离散构型的球铰结构作为弯曲主体，在建模的准确度和控制的精度上大打折扣。另外由于没有设置柔性弹性元件，不能预防手术中的意外状况，也不能配合机械臂使用以提高稳定性。

发明内容

为了提高微创手术过程中腹腔镜获取图像的稳定性，减少人为因素对手术的不利影响，并使腹腔镜与人体微创小口变为柔性接触，抵抗意外冲击，本发明提供一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器。

一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器包括驱动机构、柔索导向机构和镜头组件45；所述驱动机构包括四个直线电机、四根柔索、四个预紧机构、第一固定件13、第二固定件14和固定板15；第一固定件13、第二固定件14和固定板15依次连接形成柱状体；四个直线电机均布在第一固定件13内，四根柔索的一端分别对应固定连接着四个直线电机的输出轴，四根柔索穿过固定板15进入柔索导向机构的空心管42。

所述固定板15的内侧轴向端面上均布设有结构相同的四个预紧机构，四根柔索分别跨绕在对应的预紧机构上；固定板15的外侧轴向端面上固定连接着弹性盘41，弹性盘41的中心开设有安装孔，空心管42的一端固定配合插设在弹性盘41的安装孔内；空心管42的另一端固定连接着柔性连续体44的一端；柔性连续体44的另一端固定连接着镜头组件45；

穿过空心管42的四根柔索的另一端分别进入柔性连续体44，并固定在与镜头组件45相邻的柔性连续体44的端部；

工作时，在驱动机构的驱动下，柔性连续体44带动镜头组件45实现向任意方向的弯曲。

进一步具体的技术方案如下：

所述预紧机构包括导块31、滑块311、预紧轮312、导轮313、预紧螺钉314；所述导块31为直立的矩形块，预紧轮312通过滑块311和导块31的滑动配合，活动设于第一导块31的上部，所述导轮313固定设于导块31的下部，预紧轮312和导轮313在导块31的同一侧面的对角线上。

所述预紧轮312和导轮313均为V型轴承。

所述四个预紧机构呈顺时针或逆时针固定设于固定板15。

所述弹性盘41包括外圆环414、安装环413和两个以上的弹性体412；两个以上的弹性体412均布固定连接在外圆环414和安装环413之间；所述安装环413内沿轴向均布设有三条以上的卡条411；空心管42的一端通过与三条以上的卡条411的过盈配合插设在弹性盘41的安装环413内。

所述弹性体412呈空心的工字型，工字型的顶边固定连接着外圆环414的内圆周、工字型的底边固定连接着安装环413的外圆周。弹性盘41是3D打印的一个整体构件。所述柔性连续体44为圆柱体，圆柱体的轴向均布开设有贯通的四个柔索孔446，圆柱体的圆周径向上均布开设有五组以上的柔性槽，每组柔性槽由四个半圆槽组成，相邻半圆槽在圆周上相错的度角为a，相邻半圆槽在轴向上的间距为h。

相邻半圆槽在圆周上相错的角度a为90度，相邻半圆槽在轴向上的间距h为1-3mm。

所述柔性连续体44的轴向一端上开设有十字型的装配槽445，通过十字型的装配槽445固定连接着镜头组件45；柔性连续体44的轴向另一端通过过渡件43固定连接着空心管42的端部。

滑块311的一侧连接着定位块，定位块上开设有螺纹通孔，螺纹通孔内配合设有预紧螺钉314，定位块下方的导块31上固定安装有限位块，预紧螺钉314的底端抵在限位块上；旋转预紧螺钉314，实现滑块311在导块31上的上下移动调节。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.在结构上，本发明采用柔索-轴承控制方式，该方式理论控制模型已相当成熟，控制精度极高；通过固定板15上的四个柔索预紧机构，可以方便快捷调节柔索的松紧度。柔索在工作时需要保持张紧状态，同时调节柔索的绷紧程度大小，可以改变柔性连续体的刚度大小，柔索绷的越紧，柔性连续体的刚度越大。通过弹性盘中设计的弹性体部分，起到缓冲减震的作用，使得空心管与人体表面创口接触为柔性接触，在意外情况下，降低对人体的伤害。柔性连续体上开有错开的半圆槽，使得其可以在任意方向弯曲，满足腹腔镜跟踪画面的要求，且更加灵活自由。本发明可以安装在机械臂上，组成腹腔镜手术辅助操作机器人，相较于人手持腹腔镜，长时间工作也稳定可靠，消除了人手生理性抖动的不利手术因素。

2.直线驱动器最大运动速度为17mm/s，连续体弯曲平均角速度约5.7rad/s，完全满足在手术过程中实时追踪画面的速度要求；柔性连续体可在任意方位进行100度以内的弯曲，空心管可以最大程度上保持不动，仅仅依靠末端柔性连续体的灵活运动，便可得到极大的手术视野；弹性盘的弹性极好，意外情况下，在受力远远小于人体表面组织撕裂力的时候，就发生大幅弹性变形，缓冲减震吸能，防止人体表面微创小口受到撕裂伤。

附图说明

图1是本发明的三维外观图。

图2是本发明的内部结构图。

图3是本发明的内部结构爆炸图。

图4是四个导向预紧机构的空间布局图。

图5是一个导向预紧机构的放大图。

图6是弹性盘的结构示意图。

图7是弹性体受力变形图。

图8是本发明末端局部放大爆炸图。

图9A是柔性连续体主视图。

图9B是柔性连续体俯视图。

图10是柔性连续体不同弯曲状态示意图。

图11是本发明的使用状态图。

上图中的序号：机械臂01、基座箱02、左壳11、右壳12、第一固定板13、第二固定板14、第三固定板15、直线电机21、导块31、滑块311、预紧轮312、导向轮313、预紧螺钉314、第一柔索315、第二柔索316、第三柔索317、第四柔索318、弹性盘41、卡条411、弹性体412、安装环413、外圆环414、空心管42、过渡件43、柔性连续体44、镜头组件45、第一槽口441、第二槽口442、第三槽口443、第四槽口444、装配槽445、柔索孔446、镜头组件45。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1，一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器包括驱动机构、柔索导向机构和镜头组件45。

参见图2、图3，驱动机构包括四个直线电机21、四根柔索、四个预紧机构、第一固定件13、第二固定件14和固定板15。直线电机21为丝杆式直线电机，四根柔索分别为第一柔索315、第二柔索316、第三柔索317和第一柔索318。第一固定件13、第二固定件14和固定板15依次连接形成柱状体；四个直线电机均布在第一固定件13内，四根柔索的一端分别对应固定连接着四个直线电机的输出轴，四根柔索穿过固定板15进入柔索导向机构的空心管42。

参见图4、图5，固定板15的内轴向端面上均布设有结构相同的四个预紧机构，四根柔索分别跨绕在对应的预紧机构上。预紧机构包括导块31、滑块311、预紧轮312、导轮313、预紧螺钉314。导块31为直立的矩形块，预紧轮312通过滑块311和导块31的滑动配合，活动安装在第一导块31的上部，导轮313固定安装于导块31的下部，预紧轮312和导轮313在导块31的同一侧面的对角线上。预紧轮312和导轮313均为V型轴承。四个预紧机构呈逆时针固定安装于固定板15上。滑块311的一侧连接着定位块，定位块上开设有螺纹通孔，螺纹通孔内配合设有预紧螺钉314，定位块下方的导块31上固定安装有限位块，预紧螺钉314的底端抵在限位块上；旋转预紧螺钉314，实现滑块311在导块31上的上下移动调节。

参见图6，固定板15的外轴向端面上固定连接着弹性盘41，弹性盘41包括外圆环414、安装环413和四个弹性体412。四个弹性体412均布固定连接在外圆环414和安装环413之间。安装环413内沿轴向均布设有四条卡条411。空心管42的一端通过与四条卡条411的过盈配合插装在弹性盘41的安装环413内，空心管42的另一端通过过渡件43固定连接着柔性连续体44的一端；柔性连续体44的另一端固定连接着镜头组件45。穿过空心管42的四根柔索的另一端分别进入柔性连续体44，并固定在与镜头组件45相邻的柔性连续体44的端部。

参见图7，弹性体412呈空心的工字型，工字型的顶边固定连接着外圆环414的内圆周、工字型的底边固定连接着安装环413的外圆周。弹性盘41是3D打印的一个整体构件。

参见图8，柔性连续体44为圆柱体。圆柱体的轴向均布开设有贯通的四个柔索孔446和装配槽445，见图9B，柔性连续体44的轴向端面通过十字型的装配槽445固定连接着镜头组件45。参见图9A，圆柱体的圆周径向上均布开设有九组柔性槽，每组柔性槽由四个半圆槽组成，分别为第一槽441、第二槽442、第三槽443和第四槽444；相邻半圆槽在圆周上相错的角度a为90度，相邻半圆槽在轴向上的间距h为1mm。

本发明的工作原理及工作过程如下：

参见图1、图2和图3，四个直线电机21作为动力源，实现拉伸第一柔索315、第二柔索316、第三柔索317、第四柔索318。

参见图4和图5，分别调节四个预紧机构的预紧螺钉314，滑块311移动，使第一柔索315、第二柔索316、第三柔索317和第四柔索318被预紧至紧绷状态。在每次工作前需要保持四根柔索处于张紧状态。

参见图2和图10，四个直线电机21配合拉伸第一柔索315、第二柔索316、第三柔索317和第四柔索318，经过四组柔索导向机构，柔索的拉力可以拉动柔性连续体44的末端，使其可向任意方向弯曲。通过运动学建模，便可精确得到四根柔索的长度变化量和柔性连续体44空间位置的数学关系，用于控制。图10是柔性连续体44的工作状态示意图，柔性连续体44可以朝任意方向以任意角度（100度以内）弯曲，使得镜头组件45捕捉画面。

参见图6，弹性盘41的四个弹性体412可以发生各个方向的弹性变形，可为安装在安装环413内的空心管42提供柔性和弹性。当空心管42受到外力或意外冲击时，四个弹性体412发生相应弹性变形，冲击力会有很大一部分被弹性盘41吸收掉，大大降低对患者微创伤口的伤害。

本发明还具有以下优点： 1）本发明的结构简单、轻巧易安装，作为医疗设备方便快捷；2）本发明的直线电机最大运动速度为17mm/s，连续体弯曲平均角速度约5.7rad/s，完全满足在手术过程中实时追踪画面的要求。3）本发明采用直线电机和柔索、轴承传动，选用的轴承为高精密轴承，摩擦极小，在控制时的理论模型简单且精确；4）本发明通过直线电机对四根柔索的拉伸，驱动柔性连续体在空间任意方向以任意角度（100度以内）进行弯曲，实时跟踪操作钳和手术区域，满足手术图像要求；5）本发明设计的弹性盘具有弹性和柔性，可以在受力情况下产生弹性形变，与空心管柔性连接，在手术过程中万一出现意外情况，空心管受到力或冲击，可大幅吸收动能，降低对患者创口的伤害；6）本发明可通过预紧机构，调节柔索的绷紧程度大小，进而改变柔性连续体的刚度大小；7）本发明通过与机械臂相连进行手术前期摆位和手术中的运动以及固定，比人手动持镜稳定安全，不会产生抖动；8）本发明安装在机械臂上进行手术，在控制模型上以人体表面上的创口为运动约束点，机械臂和末端腹腔镜执行器可任意调整位姿，运动约束点处的腹腔镜空心管体位置始终保持不变，不会对患者伤口造成二次伤害。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，包括驱动机构、柔索导向机构和镜头组件（45）；所述驱动机构包括四个直线电机、四根柔索、四个预紧机构、第一固定件（13）、第二固定件（14）和固定板（15）；第一固定件（13）、第二固定件（14）和固定板（15）依次连接形成柱状体；四个直线电机均布在第一固定件（13）内，四根柔索的一端分别对应固定连接着四个直线电机的输出轴，四根柔索穿过固定板（15）进入柔索导向机构的空心管（42），其特征在于：

所述固定板（15）的内侧轴向端面上均布设有结构相同的四个预紧机构，四根柔索分别跨绕在对应的预紧机构上；固定板（15）的外侧轴向端面上固定连接着弹性盘（41），弹性盘（41）的中心开设有安装孔，空心管（42）的一端固定配合插设在弹性盘（41）的安装孔内；空心管（42）的另一端固定连接着柔性连续体（44）的一端；柔性连续体（44）的另一端固定连接着镜头组件（45）；

穿过空心管（42）的四根柔索的另一端分别进入柔性连续体（44），并固定在与镜头组件（45）相邻的柔性连续体（44）的端部；

工作时，在驱动机构的驱动下，柔性连续体（44）带动镜头组件（45）实现向任意方向的弯曲。

2.根据权利要求1所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述预紧机构包括导块（31）、滑块（311）、预紧轮（312）、导轮（313）、预紧螺钉（314）；所述导块（31）为直立的矩形块，预紧轮（312）通过滑块（311）和导块（31）的滑动配合，活动设于第一导块（31）的上部，所述导轮（313）固定设于导块（31）的下部，预紧轮（312）和导轮（313）在导块（31）的同一侧面的对角线上。

3.根据权利要求2所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述预紧轮（312）和导轮（313）均为V型轴承。

4.根据权利要求1所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述四个预紧机构呈顺时针或逆时针固定设于固定板（15）。

5.根据权利要求1所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述弹性盘（41）包括外圆环（414）、安装环（413）和两个以上的弹性体（412）；两个以上的弹性体（412）均布固定连接在外圆环（414）和安装环（413）之间；所述安装环（413）内沿轴向均布设有三条以上的卡条（411）；空心管（42）的一端通过与三条以上的卡条（411）的过盈配合插设在弹性盘（41）的安装环（413）内。

6.根据权利要求5所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述弹性体（412）呈空心的工字型，工字型的顶边固定连接着外圆环（414）的内圆周、工字型的底边固定连接着安装环（413）的外圆周。

7.根据权利要求1所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述柔性连续体（44）为圆柱体，圆柱体的轴向均布开设有贯通的四个柔索孔（446），圆柱体的圆周径向上均布开设有五组以上的柔性槽，每组柔性槽由四个半圆槽组成，相邻半圆槽在圆周上相错的度角为a，相邻半圆槽在轴向上的间距为h。

8.根据权利要求1所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：相邻半圆槽在圆周上相错的角度a为90度，相邻半圆槽在轴向上的间距h为1-3mm。

9.根据权利要求1所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述柔性连续体（44）的轴向一端上开设有十字型的装配槽（445），通过十字型的装配槽（445）固定连接着镜头组件（45）；柔性连续体（44）的轴向另一端通过过渡件（43）固定连接着空心管（42）的端部。

10.根据权利要求1所述的一种基于串联弹性元件与连续体构型的柔性腹腔镜执行器，其特征在于：所述滑块（311）的一侧连接着定位块，定位块上开设有螺纹通孔，螺纹通孔内配合设有预紧螺钉（314）；定位块下方的导块（31）上固定安装有限位块，预紧螺钉314的底端抵着限位块；旋转预紧螺钉（314），实现滑块（311）在导块（31）上的上下移动调节。