一种耦合运动链的连续体机构及手术工具的制作方法

1.本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种耦合运动链的连续体机构及手术工具。


背景技术：

2.传统的刚性手术器械多为细长的杆状结构，其末端设置有手术执行器，杆状结构通过多杆件串联铰接，采用钢丝绳拉力驱动，使手术器械在铰接关节处实现弯转，由于存在复杂的手眼协同操作需求，传统的刚性手术器械存在灵活度有限、工作范围较小等缺点，限制了其推广应用。随着手术机器人系统的研究和开发，目前开始采用柔性机械臂取代传统的刚性手术器械，极大地提高了手术器械的自由度和柔性，增加了器械运动的灵活性。
3.现有的柔性机械臂通过驱动丝与驱动机构耦接，使柔性机械臂产生对应的弯曲变形，从而产生期望的运动。但是，现有的柔性机械臂普通存在刚性不足、负载能力较低的问题。由于柔性机械臂具有弹性且极易弯曲，使得柔性机械臂绕着轴向的抗扭能力较差。当柔性机械臂受到外部负载时，容易产生绕着轴向的扭转，导致柔性机械臂失去运动的精确性，同时，柔性机械臂的扭转运动容易造成柔性机械臂发生弯折或损坏，降低手术器械的使用寿命。


技术实现要素：

4.基于以上问题，本发明的目的在于提供一种耦合运动链的连续体机构及手术工具，提高抗扭性能，延长使用寿命。
5.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：耦合运动链的连续体机构，包括：连续体机构和运动链；
6.所述连续体机构包括基盘、止盘和结构骨；
7.所述基盘和所述止盘间隔设置；
8.所述结构骨的远端与所述止盘固定连接，所述结构骨的近端贯穿所述基盘；
9.所述运动链的远端和近端分别与所述止盘和所述基盘连接；
10.所述运动链包括至少一个多面体单元，各所述多面体单元包括在空间交错且相互垂直的两条棱边，相邻的两个所述多面体单元的棱边彼此重合；
11.采用上述配置，从而使运动链本身不具有绕着轴线方向的旋转能力，因而限制约束连续体机构绕轴线的旋转能力，且不影响连续体的弯曲运动。
12.作为本发明的连续体机构的优选方案，所述多面体单元为片状物折叠而成的多面体结构，或者所述多面体单元设置成通过3d打印形成。
13.作为本发明的连续体机构的优选方案，所述多面体单元包括彼此固定连接的第一v型结构和第二v型结构；
14.所述第一v型结构的两平面相交于第一棱边；
15.所述第二v型结构的两平面相交于第二棱边；
16.所述第一棱边和所述第二棱边在空间交错且相互垂直。
17.作为本发明的连续体机构的优选方案，多个所述多面体单元相互堆叠形成塔状结构，相邻两个所述多面体单元的棱边重合，且各相邻重合棱边之间相互垂直；
18.设置多个相互垂直的棱边，从而增加运动链在弯曲运动时的自由度，避免因运动链影响连续体机构的弯曲运动。作为本发明的连续体机构的优选方案，所述结构骨设置有多根，每根所述结构骨的近端均被配置为能够与一个驱动机构连接；
19.或者多根所述结构骨被配置为能够与一个驱动机构连接。
20.作为本发明的连续体机构的优选方案，所述结构骨由弹性材料制成；优选地，所述结构骨由镍钛金属丝制备而成。
21.该耦合运动链的连续体机构还包括设置在所述止盘和所述基盘之间的至少一个保持盘；
22.所述结构骨的远端与所述止盘固定连接，所述结构骨的近端依次贯穿所述保持盘和所述基盘，且所述结构骨分别沿所述基盘、所述保持盘和所述止盘的周向设置；
23.设置保持盘从而使结构骨在弯曲变形的过程中仍然保持平行状态，防止结构骨在弯曲运动时失稳。
24.作为本发明的连续体机构的优选方案，该耦合运动链的连续体机构还包括设置在所述连续体机构外周的支撑结构；
25.所述支撑结构包括螺旋钢带和金属编织网，所述螺旋钢带贴靠于所述连续体机构的外周面，所述金属编织网贴靠于所述螺旋钢带的外周面；
26.通过支撑结构从而维持连续体机构的弯曲保持性能。
27.作为本发明的连续体机构的优选方案，所述结构骨由弹性材料制成；优选地，所述结构骨由镍钛金属丝制备而成。
28.本发明还提供一种手术工具，包括末端执行器和如上所述的耦合运动链的连续体机构，所述末端执行器与所述连续体机构远端的止盘固定连接。
29.本发明的有益效果为：
30.本发明提供的耦合运动链的连续体机构及手术工具，通过在连续体机构之间设置运动链，由于运动链具有空间交错且相互垂直的两条棱边，相邻的两个多面体单元41的棱边彼此重合，从而使运动链不具有绕着轴线方向的旋转能力，且可以产生弯曲运动以顺应连续体机构的弯曲，进而避免在弯曲运动时产生绕轴线的扭转，使得连续体机构具有灵活弯曲能力的同时，提高连续体机构绕轴向的抗扭能力，进而提升负载能力和运动精确性，降低手术操作难度，延长手术工具的使用寿命。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明具体实施方式提供的连续体机构的结构示意图；
33.图2是本发明具体实施方式提供的运动链的结构示意图；
34.图3是本发明具体实施方式提供的单个多面体单元的结构示意图；
35.图4是本发明具体实施方式提供的多个多面体单元相互堆叠的结构示意图。
36.图中：
37.1-基盘；2-止盘；3-结构骨；4-运动链；5-保持盘；
38.41-多面体单元；
39.411-第一棱边；412-第二棱边。
具体实施方式
40.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.本发明中，当提及“远侧或远端”时，该术语是指相对远离操作者的一侧或一端。当提及“近侧或近端”时，该术语是指相对靠近操作者的一侧或一端。
44.如图1-图3所示，本实施例提供一种耦合运动链的连续体机构，包括：连续体机构和运动链4；
45.连续体机构包括基盘1、止盘2和结构骨3。基盘1和止盘2间隔设置。结构骨3的远端与止盘2固定连接，结构骨3的近端贯穿基盘1。运动链4的远端和近端分别与止盘2和基盘1固定连接，运动链4包括至少一个多面体单元41，各多面体单元41包括在空间交错且相互垂直的两条棱边，相邻的两个多面体单元41的棱边彼此重合。具体来说，连续体机构在弯曲运动时，带动运动链4产生弯曲，连续体机构和运动链4的弯曲轨迹大致呈弧形，由于运动链4具有空间交错且相互垂直的两条棱边，相邻的两个多面体单元41的棱边彼此重合，从而使运动链4本身不具有绕着轴线方向的旋转能力，因而限制约束连续体机构绕轴线的旋转能力。同时，运动链4可随着连续体机构的弯曲，而产生顺应连续体机构在空间的弯曲。通过在止盘2和基盘1之间设置运动链4，使连续体机构具有灵活弯曲能力的同时，还可以提高连续体机构绕轴向的抗扭性能，进而提升负载能力和运动精确性，降低手术操作难度，延长手术工具的使用寿命。
46.在本实施中，止盘2和基盘1可以呈圆环状或者矩形状等，优选地呈圆环状。结构骨3的远端固定连接于止盘13上，结构骨3的近端贯穿基盘1，并被配置为与驱动机构连接。基
盘1作为固定端，止盘2作为运动端，用于承载负载(例如末端执行器)。
47.优选地，结构骨3设置有多根，多根结构骨3沿周向间隔分布于止盘2和基盘1上，每根结构骨3均沿平行运动链4轴线的方向设置，每根结构骨3均被配置为与一个驱动机构连接或者多根结构骨3被配置为与一个驱动机构连接。可以理解的是，当某一个驱动机构施加主动驱动力，推动一根结构骨3时，其他驱动机构未施加主动驱动力时，由于基盘1为固定端，这根被推动的结构骨3通过止盘2带动运动链4在基盘1的限制下产生弯曲形变，其他结构骨3随动，整个连续体机构在这个被推动的结构骨3的作用下完成背离这个被推动的结构骨3的预设弯曲动作，止盘2作为运动端，到达预设位置。当多个驱动机构同时施加主动驱动力时，通过多个驱动机构协同推拉多个结构骨3，根据推或拉产生的不同位移量，使得整个连续体机构产生相应的弯曲形变，从而实现运动端负载(例如末端执行器)期望的运动。
48.更优选地，多根结构骨3穿过基盘1后，与另外的固定盘连接，通过一个驱动机构带动固定盘翻转，同样可以使多根结构骨3沿任意方向弯曲，止盘2作为运动端，到达预设位置。
49.在实际应用时，结构骨3的远端和近端分布沿止盘2和基盘1的周向分布设置。例如，可以沿圆周分布，以使结构骨3围设成一个容纳空间，运动链4位于该容纳空间内。
50.为保证连续体机构的整体柔顺性，可选地，结构骨3弹性材料制成，优选地，结构骨3由镍钛金属丝制备而成。
51.在具体实施例中，多面体单元41为片状物折叠而成的多面体结构，或者多面体单元41通过3d打印形成。示例性地，片状物可以为塑料片，或者特殊材料制成的片状结构，其通过折叠的形式可以形成多面体结构。
52.具体地，多面体单元41包括彼此固定连接的第一v型结构和第二v型结构；第一v型结构的两平面相交于第一棱边411，第二v型结构的两平面相交于第二棱边412，第一棱边411和第二棱边412在空间交错且相互垂直。应当理解的是，第一v型结构的第一棱边411对应的底面与第二v型结构的第二棱边412对应的底面重叠，且第一v型结构位于第一棱边411两侧的侧面由该底面沿第一棱边411的方向逐渐向第一v型结构的内部延伸，第二v型结构位于第二棱边412两侧的侧面由该底面沿第二棱边412的方向逐渐向第二v型结构的内部延伸。但应理解，多面体单元41也可以为四面体结构，其同样可以具有两条空间交错且相互垂直的棱边。
53.在本实施例中，如图4所示，多个多面体单元41相互堆叠形成塔状结构，相邻两个多面体单元41的棱边重合，且各相邻重合棱边之间相互垂直。具体地，位于上方的多面体单元41的第二棱边412与位于下方相邻的多面体单元41的第二棱边412重合，而下方的多面体单元41的第一棱边411又与其相邻的多面体单元41的第一棱边411重合，依次堆叠从而形成塔状结构，且相邻重合棱边即指相互重合的第二棱边412和第一棱边411，相邻的两条重合棱边相当于运动链的两个旋转副，故塔状结构的运动链4可以理解为包括多个空间交错且相互垂直的旋转关节，且旋转轴线与运动链4的延伸方向垂直，从而避免运动链4在弯曲时绕轴向旋转运动。进一步地，连续体机构在弯曲运动时，带动运动链4产生弯曲，连续体机构和运动链4的弯曲轨迹大致呈弧形，运动链4的延伸方向是指运动链4在弯曲部位的切线方向，例如，当运动链4在未产生弯曲时，其延伸方向指沿轴线的方向，即竖直方向。
54.在本实施例中，止盘2和基盘1之间的至少一个保持盘5，结构骨的远端与止盘2固
定连接，结构骨3的近端依次贯穿保持盘5和基盘1。优选地，保持盘5的数量为多个，分别间隔设置在止盘2和基盘1之间，保持盘5用于从结构骨3的径向支撑结构骨3，从而使得各结构骨3在弯曲变形的过程中仍然保持平行状态，防止结构骨3在弯曲运动时失稳。
55.止盘2上沿周向设置有多个用于固定结构骨3端部的锁紧孔，基盘1和保持盘5上沿周向设置有多个用于供结构骨3滑动通过的过孔。不同盘上过孔和锁紧孔的具体孔位和孔数取决于结构骨3分布位置和数量。示例性的，当结构骨3沿圆周分布时，具体孔位也沿圆周分布，各孔位的数量与结构骨3的数量保持一致，可以理解的，各孔位的数量可以大于结构骨3的数量，结构骨3也可沿矩阵周向布置。
56.为维持连续体机构的弯曲保持性能，可选地，连续体机构还可以包括支撑结构(图中未示出)，支撑结构用于支撑连续体机构，以维持连续体机构的弯曲保持性能，以防止连续体机构在弯曲后不能够顺利恢复到初始位置。具体地，支撑结构可以由内层螺旋钢带和外层金属编织网制成，金属编织网由金属丝编织成网状结构，紧固套设在螺旋钢带外周。
57.连续体机构的相邻两盘之间均可安装有弹性间隔件(如弹簧，图中未示出)，以将各盘间隔分开。
58.本实施例还提供一种手术工具，该手术工具包括上述的连续体机构，还包括末端执行器，末端执行器与连续体机构远端的止盘2固定连接。通过驱动机构协同推拉不同位置的结构骨3，根据推或拉产生的不同驱动量，使得整个连续体机构产生相应的弯曲形变，从而实现末端执行器期望的运动。连续体机构具有灵活弯曲能力的同时，提高了连续体机构绕轴向的抗扭能力，提升了负载能力和运动精确性，降低了手术操作难度，延长了手术工具的使用寿命。
59.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。