一种混合柔性结构的连续体机构及医疗应用

1.本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种混合柔性结构的连续体机构及医疗应用。


背景技术：

2.传统开放式手术的过程中，会在人体表面留下很大的切口，手术后切口部位常伴有疼痛、酸胀、麻木感。由于切口大，且会造成切口附近肌肉、血管和相应神经的损伤，有可能伴随某些组织感染并发症，因此患者恢复速度慢。传统手术分离组织广泛，出血量比较大。传统开刀的切口感染或脂肪液化、切口裂开，一直是无法避免的问题。而传统的无创手术往往是通过切四五个小孔用于手术操作，很大程度上解决了传统开放手术带来的恢复慢，对人体损害大等问题。美中不足的是仍然在术后会带了几个细小的疤痕。经过自然腔道手术则是接触到了无创手术的慨念，人体自然腔道几乎遍布全身，譬如口腔、阴道、尿道、肛门等，通过利用手术机器人将手术器械置入病灶，解决问题。
3.经自然腔道的手术机器人机构设计的核心，在于操作臂构型的类型选择与结构设计，操作臂的构型决定了机器人是否能够通过自然腔道到达病灶并且完成医疗任务，同时还反应了机器人的控制方式与精度。目前机器人构型可以分为两类：一种是刚性的机械臂，另外一种的连续体构型。显然，刚性机器人的灵活度并不高，同时体积较大，并且无法满足狭长的自然腔道环境。而连续体机构拥有功能柔性的特点，能够适用于人体自然腔道复杂分布的环境，因此经自然腔道的手术主要以连续体构型的手术机器人来完成手术操作。
4.目前连续体构型主要可以分为几种：柔性离散型、柔性铰链型和柔性连续型。其中柔性离散型的连续体机器人具有控制精度不高，且体积较大的缺陷，不适用于需要在狭长的自然腔道内进行高精度控制的无创手术，柔性铰链型的连续体机器人加工成本较高，并且灵活性相较于柔性连续型而言更差。柔性连续型结构的连续体兼顾灵活性和承载能力，并且能够适应人体自然腔道的手术操作。螺旋结构属于柔性连续型结构的一种，螺旋结构加工方便，弯曲曲率一致性较好。
5.考虑到自然腔道的复杂程度，本发明采用混合螺旋结构的连续体机构，这样能够实现多自由度来适应自然腔道的环境，同时视手术的操作要求，可以改变机构的刚度。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种混合柔性结构的连续体机构及医疗应用，以解决上述问题，提供一种具备主动控制、稳定可靠、可变刚度且尺寸微小的柔性组合结构的柔性连续体机构。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种混合柔性结构的连续体机构，包括柔性结构，所述柔性结构一端固定连接有手术夹爪，所述柔性结构另一端固定连接有刚性臂体，所述刚性臂体远离所述柔性结构的一端固定连接有机器人支架，所述机器人支架内部设有驱动模块，所述驱动模块与所述柔
性结构传动连接；
9.所述柔性结构包括一端与所手术夹爪固定连接的第一柔性结构，所述第一柔性结构另一端固定连接有卡扣结构，所述卡扣结构远离所述第一柔性结构的一端固定连接有第二柔性结构，所述第二柔性结构远离所述第一柔性结构的一端固定连接有所述卡扣结构，所述第二柔性结构上的所述卡扣结构与所述刚性臂体固定连接；所述第二柔性结构的刚度大于所述第一柔性结构的刚度。
10.优选的，所述卡扣结构包括第一卡扣结构和第二卡扣结构，所述第一卡扣结构包括环形板，所述环形板一侧固定连接有两个第一弧形凸起、两个第二弧形凸起，两个所述第一弧形凸起对称设置，两个所述第二弧形凸起对称设置，所述第一弧形凸起、第二弧形凸起呈90
°
分布；所述环形板上开设有若干第一过孔；
11.所述第二卡扣结构包括圆形外壳，所述圆形外壳外侧壁开设有两个第二弧形凹槽，所述圆形外壳内侧壁开设有两个第一弧形凹槽，两个所述第一弧形凹槽对称设置，两个所述第二弧形凹槽对称设置，所述第一弧形凹槽、第二弧形凹槽呈90
°
分布，所述圆形外壳侧壁沿轴向开设有若干第二过孔，所述第二过孔数量与所述第一过孔数量相匹配，所述第一弧形凸起与所述第二弧形凹槽相匹配，所述第二弧形凸起与所述第一弧形凹槽相匹配。
12.优选的，所述驱动模块包括固定连接在所述机器人支架内部的夹爪驱动组件和若干弯曲驱动组件，所述弯曲驱动组件传动连接有牵引绳滑轮，所述牵引绳滑轮固定连接有至少两个牵引绳的一端，两个所述牵引绳缠绕在所述牵引绳滑轮上，每个所述牵引绳滑轮上的两个所述牵引绳缠绕方向相反，其中两个所述弯曲驱动组件上的所述牵引绳另一端穿过所述刚性臂体与所述第一柔性结构上的所述卡扣结构固定连接连接，另外两个所述弯曲驱动组件上的所述牵引绳另一端穿过所述第一柔性结构上的所述卡扣结构与所述第一柔性结构端部固定连接。每一个所述弯曲驱动组件控制所述柔性结构的一个自由度。
13.优选的，所述夹爪驱动组件传动连接有舵机臂，所述舵机臂端部固定连接有钢丝的一端，所述钢丝的另外一端与所述手术夹爪的驱动端固定连接，依靠夹爪驱动组件带动所述舵机臂转动，进而控制所述钢丝的移动以完成手术夹爪的闭合与展开。
14.优选的，所述刚性臂体包括刚性导杆，所述刚性导杆中心开设有功能通道，所述刚性导杆侧壁沿轴向开设有若干牵引绳通道；所述刚性导杆一端与所述机器人支架固定连接，所述刚性导杆另一端与刚性臂体上的所述卡扣结构固定连接。
15.优选的，所述第一柔性结构为双螺旋结构连续体，所述第二柔性结构为三螺旋结构连续体。
16.优选的，所述功能通道内通过所述钢丝，所述牵引绳通道内通过所述牵引绳。
17.一种上述技术方案所述混合螺旋结构的连续体机构在医疗中的应用。
18.本发明具有如下技术效果：
19.本发明将柔性结构设置为第一柔性结构和第二柔性结构，并通过驱动模块控制第一柔性结构和第二柔性结构的弯曲度，由于第二柔性结构的刚度大于第一柔性结构的刚度，第二柔性结构为第一柔性结构提供更大的承载能力，避免了整段柔性结构弯曲曲率恒定的限制，使刚度可变，提升了整个连续体机构的灵活性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明结构示意图；
22.图2为本发明柔性结构的结构示意图；
23.图3为本发明驱动模块结构示意图；
24.图4为本发明机器人支架结构示意图；
25.图5为本发明刚性导杆截面结构示意图；
26.图6为本发明第一卡扣结构的结构示意图；
27.图7为本发明第二卡扣结构的结构示意图。
28.图8为本发明舵机安装支架的结构示意图。
29.其中，1、手术夹爪；2、柔性结构；21、第一柔性结构；211、第一卡扣结构；22、第二柔性结构；221、第二卡扣结构；3、刚性臂体；31、刚性导杆；311、功能通道；312、牵引绳通道；4、驱动模块；41、牵引绳；42、弯曲驱动组件；420、第一舵机；422、牵引绳滑轮；423、滚子；43、夹爪驱动组件；431、第二舵机；432、舵机臂；44、钢丝；5、机器人支架；51、前端盖；511、方形槽口；512、刚性臂安装通孔；513、方形槽；52、后端盖；53、方形外壳；54、舵机安装支架；541、圆柱形凸起；542、舵机安装槽口；2111、环形板；2112、第一过孔；2113、第一弧形凸起；2114、第二弧形凸起；2211、圆形外壳；2212、第二过孔；2213、第一弧形凹槽；2214、第二弧形凹槽。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做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。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.参照图1-8所示，本发明提供一种混合柔性结构的连续体机构，包括柔性结构2，柔性结构2一端固定连接有手术夹爪1，柔性结构2另一端固定连接有刚性臂体3，刚性臂体3远离柔性结构2的一端固定连接有机器人支架5，机器人支架5内部设有驱动模块4，驱动模块4与柔性结构2传动连接；
33.柔性结构2包括一端与所手术夹爪1固定连接的第一柔性结构21，第一柔性结构21另一端固定连接有卡扣结构，卡扣结构远离第一柔性结构21的一端固定连接有第二柔性结构22，第二柔性结构22远离第一柔性结构21的一端固定连接有卡扣结构，第二柔性结构22上的卡扣结构与刚性臂体3固定连接；第二柔性结构22的刚度大于第一柔性结构21的刚度。
34.本发明将柔性结构2设置为第一柔性结构21和第二柔性结构22，并通过驱动模块4控制第一柔性结构21和第二柔性结构22的弯曲度，由于第二柔性结构22的刚度大于第一柔性结构21的刚度，第二柔性结构22为第一柔性结构21提供更大的承载能力，避免了整段柔
性结构2弯曲曲率恒定的限制，使刚度可变，提升了整个连续体机构的灵活性。
35.进一步优化方案，卡扣结构包括第一卡扣结构211和第二卡扣结构221，第一卡扣结构211包括环形板2111，环形板2111一侧固定连接有两个第一弧形凸起2113、两个第二弧形凸起2114，两个第一弧形凸起2113对称设置，两个第二弧形凸起2114对称设置，第一弧形凸起2113、第二弧形凸起2114呈90
°
分布；环形板2111上开设有若干第一过孔2112；
36.第二卡扣结构221包括圆形外壳2211，圆形外壳2211外侧壁开设有两个第二弧形凹槽2214，圆形外壳2211内侧壁开设有两个第一弧形凹槽2213，两个第一弧形凹槽2213对称设置，两个第二弧形凹槽2214对称设置，第一弧形凹槽2213、第二弧形凹槽2214呈90
°
分布，圆形外壳2211侧壁沿轴向开设有若干第二过孔2212，第二过孔2212数量与第一过孔2112数量相匹配，第一弧形凸起2113与第二弧形凹槽2214相匹配，第二弧形凸起2114与第一弧形凹槽2213相匹配。
37.通过设置第一卡扣结构211和第二卡扣结构221，可以更加方便的将第一柔性结构21、第二柔性结构22以及刚性臂体3进行定位固定连接，方便对整个结构进行拆装。
38.进一步优化方案，驱动模块4包括固定连接在机器人支架5内部的夹爪驱动组件43和若干弯曲驱动组件42，弯曲驱动组件42传动连接有牵引绳滑轮422，牵引绳滑轮422固定连接有至少两个牵引绳41的一端，两个牵引绳41缠绕在牵引绳滑轮422上，每个牵引绳滑轮422上的两个牵引绳41缠绕方向相反，其中两个弯曲驱动组件42上的牵引绳41另一端穿过刚性臂体3与第一柔性结构21上的卡扣结构固定连接连接，另外两个弯曲驱动组件42上的牵引绳41另一端穿过第一柔性结构21上的卡扣结构与第一柔性结构21端部固定连接。每一个弯曲驱动组件42控制柔性结构2的一个自由度。其中，以图3为例说明，四个弯曲驱动组件42分为两组，一组靠近前端盖51一侧，这两个弯曲驱动组件42上的牵引绳绕过靠近前端盖51的滚子的一侧后穿过刚性臂体3与第一柔性21结构上的卡扣结构固定连接，另外一组的两个弯曲驱动组件42上的牵引绳41绕过远离前端盖51的滚子423的两侧后，再绕过靠近前端盖51的滚子423的一侧后，先后穿过刚性臂体3，第二柔性结构22的卡扣结构的牵引绳通道312、第一柔性结构21上的卡扣结构第一过孔2112与第一柔性结构21端部固定连接。
39.夹爪驱动组件43连接有舵机臂432，舵机臂432固定连接有一条钢丝44的一端，钢丝44固定连接在舵机臂432上，的牵引绳的另外一端穿过滚子中间后，先后闯过刚性臂体3的功能通道312、柔性结构2的功能通道312与手术夹爪1相固定连接。依靠夹爪驱动组件43带动舵机臂43，进而控制钢丝的44的移动以完成手术夹爪1的闭合与展开。
40.弯曲驱动组件42采用第一舵机420，第一舵机420的输出轴与牵引绳滑轮422轴接，牵引绳滑轮422上设有螺钉，通过螺钉将两个牵引绳41的一端与牵引绳滑轮422固定连接，第一舵机420的数量为四个，其中靠近前端盖51的一对第一舵机420上的四个牵引绳41另一端穿过刚性臂体3与第一柔性结构21上的第二卡扣结构221固定连接，另一对第一舵机420上的四个牵引绳41另一端穿过第一柔性结构21上的卡扣结构与第一柔性结构21端部固定连接。第一过孔2112的数量为四个，相对的两个第一过孔2112中通过来自同一第一舵机420中牵引绳滑轮422引出的两条牵引绳41。则一对第一舵机420所引出的四条牵引绳41利用对应的四个第一过孔2112，另外一对舵机所引出的四条牵引绳41也以同样的方式利用所对应的四个第一过孔2112。
41.夹爪驱动组件43采用第二舵机431，第二舵机431的输出轴上轴接舵机臂，将钢丝
44的一端固定在舵机臂上的小孔上，钢丝44的另外一端穿过刚性臂体3与柔性结构2内部设有的功能通道311连接到手术夹爪1。
42.进一步优化方案，刚性臂体3包括刚性导杆31，刚性导杆31中心开设有功能通道311，刚性导杆31侧壁沿轴向开设有若干牵引绳通道312；刚性导杆31一端与机器人支架5固定连接，刚性导杆31另一端与刚性臂体3上的卡扣结构固定连接。
43.牵引绳通道312的数量与第一过孔2112数量相对应，牵引绳通道312用于穿过牵引绳41。
44.进一步优化方案，第一柔性结构21为双螺旋结构连续体，第二柔性结构22为三螺旋结构连续体。双螺旋结构连续体由两个螺旋段绕中心180
°
分布，三螺旋结构连续体由三个螺旋段绕中心120
°
分布，第一柔性结构21中心设有第一功能通道，第二柔性结构22中心设有第二功能通道，功能通道311的尺寸与第一功能通道、第二功能通道相匹配。
45.机器人支架5包括前端盖51和后端盖52、舵机安装支架54、前端盖51、后端盖52端面开设有若干方形槽口511，前端盖51、后端盖52之间通过方形槽口511与舵机安装支架54上的方形突起插入配合，前端盖51、后端盖52之间设有方形外壳53，前端盖51、后端盖52朝着内部的面设有方形槽513，前端盖51、后端盖52与方形外壳53通过方形槽513可拆卸连接，方形外壳53位于舵机安装支架54外侧，第一舵机420固定连接在舵机安装支架54上，舵机安装支架54靠近柔性结构2的一侧固定连接有圆柱形凸起541，圆柱形凸起541上转动连接有滚子423，牵引绳41绕过滚子423穿入刚性臂体3内，前端盖51上开设有刚性臂安装通孔512，刚性导杆31固定连接在刚性臂安装通孔512内，舵机安装支架54上开设有若干舵机安装槽口542，第一舵机420、第二舵机431安装在舵机安装槽口542内。
46.一种上述技术方案混合螺旋结构的连续体机构在医疗中的应用。本发明的连续体机构可以应用至微创手术中，手术过程中需要调整手术夹爪1的位置时，通过控制不同的第一舵机420运行，第一舵机420上的牵引绳滑轮422拉动对应的牵引绳41，从而带动牵引绳41前后运动，通过牵引绳41传递动力，能够使柔性结构2进行二自由度的运动，牵引绳41绕过滚子423进入牵引绳通道312中，滚子423的作用在于减少牵引绳41的应力集中，避免载荷过大是牵引绳41断裂，同时确保在第一舵机420旋转角度相同时，牵引绳41的线位移也相同，减小误差，提高柔性结构2末端的精度。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
48.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，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做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。