一种可整体驱动的柔性连续体结构及柔性机械臂的制作方法

1.本发明涉及一种连续体结构，具体是关于一种可整体驱动的柔性连续体结构及包含该柔性连续体结构的柔性机械臂。


背景技术：

2.现有的连续体结构一般通过驱动机构对连续体结构中的驱动丝进行直接推拉，且对驱动丝的驱动分为两种：第一种为通过直线副直接推拉驱动丝，从来驱动柔性机械臂弯曲；第二种为通过直线副先推拉一组较粗的驱动丝，使得近端连续体产生弯曲，从而带动近端连续体上的一组较细的驱动丝弯曲，来驱动柔性机械臂弯曲，从而实现以较少数量的驱动机构来驱动更多的驱动丝。
3.但由于上述两种驱动方式均为直接推拉驱动丝进行运动，故当驱动丝的数量较多时，驱动机构的数量也会相应的增加，使得结构复杂。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供一种可整体驱动的柔性连续体结构，避免对驱动丝进行直接的推拉，在驱动数量较多的驱动丝时，可以不受限于驱动器的数量，且满足柔性连续体结构的弯曲性能，同时结构紧凑，原理简单，易于实现，具有很高的可靠性；本发明的另一个目的是提供一种包含该柔性连续体结构的柔性机械臂。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种可整体驱动的柔性连续体结构，包括近端连续体和远端连续体；其中，所述近端连续体包括：近端基盘、第一近端止盘和第二近端止盘，三者间隔布置；第一结构骨，多根所述第一结构骨的近端与第二近端止盘固定连接，多根所述第一结构骨的远端穿过所述第一近端止盘后与所述近端基盘固定连接；所述远端连续体包括：远端基盘和远端止盘，二者间隔布置，且所述远端基盘与所述近端基盘相邻；第二结构骨，多根所述第二结构骨的近端与所述第一近端止盘固定连接，多根所述第二结构骨的远端穿过所述近端基盘和远端基盘后与所述远端止盘固定连接。
6.所述的柔性连续体结构，优选地，所述柔性连续体结构还包括驱动连接部，所述驱动连接部与所述第二近端止盘连接。
7.所述的柔性连续体结构，优选地，所述驱动连接部的一端与所述第二近端止盘固定连接；
8.或者，所述驱动连接部的一端与所述第二近端止盘活动连接，以使所述驱动连接部与所述第二近端止盘能够相对上下滑动和/或旋转。
9.所述的柔性连续体结构，优选地，所述柔性连续体还包括连接在所述近端基盘和远端基盘之间的结构骨引导管束，多根所述第二结构骨的远端依次穿过所述近端基盘、结构骨引导管束和远端基盘后与所述远端止盘固定连接。
10.所述的柔性连续体结构，优选地，所述驱动连接部为柱状的滑动销，此时所述滑动销通过设置在所述第二近端止盘上的导孔与所述第二近端止盘采用圆柱副连接，所述滑动
销能够绕轴线自转和沿着所述第二近端止盘上的导孔上下滑动；
11.或者，所述驱动连接部呈环状，并套设在所述第二近端止盘的外周，且与所述第二近端止盘能够相对上下滑动和旋转。
12.所述的柔性连续体结构，优选地，所述近端连续体还包括设置在所述第一近端止盘和第二近端止盘之间的至少一片第一近端保持盘和/或设置在所述近端基盘和第一近端止盘之间的至少一片第二近端保持盘，各所述第一结构骨穿过所述第一近端保持盘。
13.所述的柔性连续体结构，优选地，所述远端连续体还包括设置在所述远端基盘和远端止盘之间的至少一片远端保持盘，各所述第二结构骨依次穿过所述第二近端保持盘和远端保持盘。
14.所述的柔性连续体结构，优选地，所述第一近端保持盘、第一近端止盘、第二近端保持盘、近端基盘、远端基盘和远端保持盘上沿周向布置有多个用于供所述第一结构骨和第二结构骨滑动通过的过孔，所述近端基盘和第二近端止盘上沿周向布置有多个用于固定所述第一结构骨端部的第一锁紧孔，所述第一近端止盘和远端止盘上沿周向布置有多个用于固定所述第二结构骨端部的第二锁紧孔。
15.所述的柔性连续体结构，优选地，在所述近端连续体的相邻两盘之间和/或所述远端连续体的相邻两盘之间均安装有弹性间隔件。
16.一种柔性机械臂，包括至少一个上述的柔性连续体结构；
17.优选地，所述柔性机械臂采用两个以上所述柔性连续体结构串联或者并联形成。
18.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供了一种可整体驱动的柔性连续体结构，只需要通过一个平面机构驱动驱动连接部运动，即可带动第一近端止盘翻转时近端连续体产生对偶弯曲，并间接推拉远端连续体中的第二结构骨，并最终驱动远端连续体在空间中沿不同方向的弯转运动，避免了对结构骨进行直接的推拉，而且在驱动数量较多的结构骨时，不受限于驱动机构的数量，同时结构紧凑，原理简单，易于实现，从而具有很高的可靠性。2、本发明相较传统的通过在关节处相互转动从而实现弯转运动的刚性运动链，柔性连续体结构通过其近端结构变形实现远端结构的弯转变形，其结构主体同时成为驱动的传递结构，因此可在小尺寸空间范围内实现极高的自由度配置，故可以被广泛应用于柔性操作臂、内窥镜、可控导管等医疗器械，以及工业用深腔探测内窥镜、柔性机械臂等新型特种装备的研发。
附图说明
19.图1为本发明一实施例中柔性连续体结构的结构示意图。
具体实施方式
20.以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
21.本发明的描述中，需要理解的是，术语“近端”、“远端”、“上”、“下”、“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保护范围的限制。在本发明中，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。
22.如图1所示，本实施例提供的可整体驱动的柔性连续体结构，包括近端连续体1和远端连续体3。
23.其中，近端连续体1包括：近端基盘4、第一近端止盘7和第二近端止盘8，三者间隔布置；第一结构骨13，多根第一结构骨13的近端与第二近端止盘8固定连接，多根第一结构骨13的远端穿过第一近端止盘7并与近端基盘4固定连接。
24.远端连续体3包括：远端基盘9和远端止盘11，二者间隔布置，且远端基盘9与近端基盘4相邻；第二结构骨12，多根第二结构骨12的近端与第一近端止盘7固定连接，多根第二结构骨12的远端穿过近端基盘4和远端基盘9并与远端止盘11固定连接。
25.由此，近端连续体1与远端连续体3关联，当施加一个驱动机构来驱动近端连续体1产生弯曲运动，进而带动远端连续体3在近端连续体1的弯曲状态下能够产生与近端连续体1相反的弯曲运动。
26.在上述实施例中，优选地，该柔性连续体结构还包括与第二近端止盘8连接的驱动连接部14。具体地，驱动连接部14的一端与第二近端止盘8可以采用固定连接，而驱动连接部14可以通过旋转和/或移动与驱动机构连接。
27.在上述实施例中，优选地，驱动连接部14的一端与第二近端止盘8活动连接，以使驱动连接部14与第二近端止盘8可以相对上下滑动和/或旋转。具体来说，驱动连接部14的一端与第二近端止盘8之间采用圆柱副连接，以使驱动连接部14与第二近端止盘8可以相对上下滑动和/或旋转，驱动连接部14的另一端穿过第二近端止盘8后形成自由端，通过该自由端外接驱动机构。
28.在上述实施例中，优选地，该柔性连续体结构还包括结构骨引导管束2，该结构骨引导管束2的近端连接在近端基盘4上，结构骨引导管束2的远端连接在远端基盘9上，多根第二结构骨12的远端依次穿过近端基盘4、结构骨引导管束2和远端基盘9后与远端止盘11固定连接。结构骨引导管束2的作用是引导和约束位于近端基盘4和远端基盘9之间的第二结构骨12。
29.上述实施例提供的柔性连续体结构在工作时，由于近端基盘4固定，当施加一个平面驱动机构来驱动连接部14的自由端在同一水平面方向移动时，使得近端基盘4和第二近端止盘8产生错位，两者轴线不再重合。因第一结构骨13两端分别与近端基盘4和第二近端止盘8固定，各第一结构骨13被迫弯曲，从而使近端连续体1在近端和远端之间产生对偶弯曲；同时第一近端止盘7随之产生协同翻转，从而对端部固定在第一近端止盘7上的各第二结构骨12产生推拉，均布固定在第一近端止盘7上的各第二结构骨12，一侧受拉从而使得对应第二结构骨12处在近端连续体1中的长度增加，另一侧受压从而使得对应第二结构骨12处在近端连续体1中的长度减少。但各第二结构骨12的总长不变，各第二结构骨12处在结构骨引导管束2中的长度不变，导致各第二结构骨12位于远端连续体1中的长度发生相应的变化，从而驱动远端连续体3产生与近端连续体1靠近近端基盘4部分的反向弯曲。近端连续体1和远端连续体3的弯曲比例与对应第二结构骨12分别在两者中的分布半径(在本实施例中，近端连续体1和远端连续体3中的第二结构骨12沿周向分布，其可以分布在圆周上或者
分布在矩阵周向上，可以均匀分布或者非均匀分布，在此不加以限定)呈反比。在应用时可通过调整第二结构骨12在近端连续体1和远端连续体3中的分布半径，以满足实际弯曲比例需求。由此，通过驱动连接部14与第二近端止盘8采用圆柱副连接，实现第二近端止盘8与驱动连接部14可上下滑移或旋转，从而可以满足近端连续体1在对偶弯曲时产生的沿轴向方向上的寄生运动(上下滑移)，以及向任意方向的弯曲运动(旋转)，寄生运动可避免远端连续体3在弯曲的过程中，产生沿轴向的伸缩运动，导致包覆在远端连续体3外周的封皮起皱或者过度拉伸，影响封皮的使用寿命。
30.在上述实施例中，优选地，驱动连接部14可以为柱状的滑动销，此时滑动销通过设置在第二近端止盘8上的导孔与第二近端止盘8采用圆柱副连接，滑动销可以绕轴线自转和沿着第二近端止盘8上的导孔上下滑动。或者，驱动连接部14也可以呈环状，并套设在第二近端止盘8的外周，且与第二近端止盘8可以相对上下滑动和旋转。
31.在上述实施例中，优选地，近端连续体1还包括设置在第一近端止盘7和第二近端止盘8之间的至少一片第一近端保持盘6和/或设置在近端基盘4和第一近端止盘7之间的至少一片第二近端保持盘5，各第一结构骨13穿过第一近端保持盘6，第一近端保持盘6用于从第一结构骨13的径向支撑第一结构骨13，从而使得各第一结构骨13在弯曲变形的过程中仍然保持平行状态，防止第一结构骨13在弯曲运动时失稳。
32.在上述实施例中，优选地，远端连续体3还包括设置在远端基盘9和远端止盘11之间的至少一片远端保持盘10，各第二结构骨12依次穿过第二近端保持盘5和远端保持盘10，第二近端保持盘5和远端保持盘10用于从第二结构骨12的径向支撑第二结构骨12，从而使得各第二结构骨12在弯曲变形的过程中仍然保持平行状态，防止第二结构骨12在弯曲运动时失稳。
33.在上述实施例中，优选地，第一近端保持盘6、第一近端止盘7、第二近端保持盘5、近端基盘4、远端基盘9和远端保持盘10上沿周向分布有多个用于供第一结构骨13和第二结构骨12滑动通过的过孔，近端基盘4和第二近端止盘8上沿周向分布有多个用于固定第一结构骨13端部的第一锁紧孔，第一近端止盘7和远端止盘11上沿周向分布有多个用于固定第二结构骨12端部的第二锁紧孔，且不同盘上过孔和锁紧孔的具体孔位和孔数取决于第一结构骨13和第二结构骨12的分布位置和数量。
34.在上述实施例中，优选地，在近端连续体1的相邻两盘之间和/或远端连续体3的相邻两盘之间均可安装有预压缩的弹性间隔件(如弹簧，图中未示出)，以将各盘间隔分开。
35.在上述实施例中，优选地，第一结构骨13和第二结构骨12可以采用由超弹性材料制成的弹性细杆或细管，一般可以采用镍钛合金等高强度、高韧性、具有弹性的金属材料制造；结构骨引导管束2可以采用钢管束。
36.基于上述实施例提供的柔性连续体结构，本发明还提供了一种柔性机械臂，包括至少一个上述可整体驱动的柔性连续体结构。
37.优选地，柔性机械臂采用两个上述的柔性连续体结构串联或者并联形成，从而增加臂体的灵活性。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
39.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。