一种柔性关节及柔性内镜微创手术机器人用器械臂

1.本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种柔性关节及柔性内镜微创手术机 器人用器械臂。


背景技术：

2.机器人辅助柔性内镜微创手术是一项将机器人技术应用于医学领域的新兴 技术，机器人通常设置有柔性关节并通过柔性关节安装具体的手术设备，比如 内窥镜、手术钳等。当医生需要对病变组织进行修复时，机器人通过狭窄受限 的人体自然腔道，携带手术器械抵达病灶处，并通过来变换柔性关节的姿态调 整位于末端的手术设备的角度和位置，完成手术操作。其中，在实际应用过程 中，柔性关节不仅需要具有足够的柔顺灵活性以适应复杂弯曲的自然腔道，还 需具备足够的刚度，为手术器械操作时施加足够的力提供一个稳定的支持。然 而，目前现有的柔性关节大都难以满足“刚柔并济，即：同时具有柔顺灵活特点 及高承载能力”，这一需求，继而导致手术操作过程中存在较多安全性隐患。同 时，现有大部分的柔性关节，在受力弯曲时，变形姿态无法确定，无法达到预 期的变形效果，导致无法实施精准的手术操作。
3.另一方面，柔性内镜微创手术机器人中，因手术器械置入部位集中，操作 空间受到限制，难以形成操作三角区，导致手术器械易相互干扰发生碰撞，操 作视野受限，操作困难。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现两自由度弯曲运动的柔性 关节以及在此柔性关节基础上设计得到的柔性内镜微创手术机器人用器械臂。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种柔性关节，包括呈柱 状结构的连续体，其中：
6.连续体径向外侧上开设有若干平行设置且纵向截面为三角形的外侧槽口， 所述外侧槽口的槽宽由径向外侧向径向内侧逐渐减小；
7.连续体径向内侧上开设有若干平行设置且纵向截面为三角形内侧槽口，所 述内侧槽口的槽宽由径向内侧向径向外侧逐渐减小；
8.所述外侧槽口与内侧槽口的形状及槽口深度均相同，且交替布置；
9.若干所述外侧槽口关于柱状结构连续体母线a对称，若干所述内侧槽口关 于柱状结构连续体的母线b对称，所述母线a、母线b与连续体的中心轴线位 于同一平面上。
10.作为优选，任意相邻外侧槽口之间的开设间距与任意相邻内侧槽口之间的 开设间距相同。
11.作为优选，所述柱状结构的连续体中心处设有中心孔道，中心孔道内设有 镍钛合金杆。
12.作为优选，所述外侧槽口的槽深大于柱状结构连续体的半径。
13.作为优选，所述外侧槽口的槽深与柱状结构连续体直径的比为0.6-0.9:1。
14.作为优选，相邻外侧槽口之间的开设间距与外侧槽口底端槽宽的比例为 1.2-2:1。
15.作为优选，所述连续体上设有关节头部与关节尾部，关节头部与关节尾部之 间外侧槽口的设置数量与内侧槽口的设置数量相同。
16.本发明还提供了一种柔性内镜微创手术机器人用器械臂，包括上述任一所述 柔性关节、钢丝软轴以及前端展开机构，其中：
17.所述柔性关节上设有钢丝软轴通道；
18.所述钢丝软轴内穿所述钢丝软轴通道并与前端展开机构相连接；
19.所述前端展开机构可在钢丝软轴的推拉作用下，实现开合动作，并可在展开 状态下，为手术器械提供操作三角区。
20.进一步地，所述前端展开机构包括展开机构头部、两个展开爪、推杆以及两 个连杆；其中：
21.所述展开机构头部与柔性关节相连接；
22.两个所述展开爪对称设置，且分别铰接于展开机构头部上；
23.所述推杆与钢丝软轴相连接；
24.所述两个连杆关于推杆对称布置，且连杆一端与推杆铰接，另一端与相应的 展开爪铰接；在展开状态下，两个展开爪与展开机构头部之间可围合形成三角 操作空间。
25.作为优选，两个所述展开爪之间最大展开角度设置为30-33
°
。
26.本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
27.1、本发明通过在连续体径向内侧以及径向外侧上交替开设形状以及槽口深 度均相同的纵向截面为三角形的槽口，且三角形槽口向内逐渐收缩；同时，若 干所述外侧槽口关于柱状结构连续体母线a对称，若干所述内侧槽口关于柱状 结构连续体的母线b对称，所述母线a、母线b与连续体的中心轴线位于同一 平面上；这种槽口形状以及布局设置，使得所提出的基于三角形切槽设计的柔 性关节具有大多数单向或双向非对称切槽式柔性关节所不具备的二自由度弯曲 运动，显著提高了连续体关节的灵活性和可达的工作空间。
28.2、本发明所述的基于三角形切槽设计的柔性关节可达到两自由度弯曲变形 效果，有效提高了连续体柔性关节的弯曲可控性，有利于提高手术操作的安全 性。
29.3、本发明中，任意相邻外侧槽口之间的开设间距与任意相邻内侧槽口之间 的开设间距相同，对应形成于相邻外侧槽口与内侧槽口之间的各个连续体关节 片厚度相同，这种结构设计的柔性关节，具有弯曲效果均匀、灵活性高，且柔 顺性能好的特点；另一方面，所述的柔性关节相对于其它切槽形式的连续体在 单位长度上形变最小，应力最小，且不容易断裂，承载能力高。
30.4、本发明中，将镍钛合金杆作为中心骨架，并粘接于连续体中心孔道两端， 使连续体受到多个点的约束，可以有效提高柔性关节的轴向抗压缩能力；另一 面，镍钛合金杆具有超弹性和不可压缩性，将其为中心骨架设置于柔性关节的 中心处，可以在柔性关节原有承载性能的基础上，进一步提高关节的整体承载 能力。
31.5、本发明中，通过对外侧槽口(内侧槽口)切槽参数进行优化调整，得到 当外侧槽口的槽深p大于柱状结构连续体的半径、外侧槽口的设置数量与内侧 槽口的设置数量相
同、相邻外侧槽口之间的开设间距与外侧槽口底端槽宽的比 例限定为1.2-2:1时，设计得到基于三角形双向非对称切槽设计的柔性关节在实 现两自由度弯曲的同时，具有最佳的承载性能、柔顺性能以及抗扭转能力。
32.6、本发明所述的器械臂中，前端展开机构包括展开机构头部、推杆、两个 展开爪以及两个连杆；其中：两个展开爪以及两个连杆均对称布置，并共用一 个由钢丝软轴驱动的推杆，通过推拉推杆驱动两个展开爪产生开合操作，并形 成稳定的“操作三角区”，继而有效避免了操作过程中手术器械易于发生碰撞、或 干扰的问题，同时，增大了术中视野，与现有柔性内镜器械臂中手术器械平行 伸出的设计方式相比，显著提高了手术操作灵活性与有效性。
附图说明
33.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 例或现有技术描述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。
34.图1为本发明实施例中所述柔性关节的立体结构示意图。
35.图2为本发明实施例中所述柔性关节的主视图。
36.图3为本发明实施例中所述柔性关节的侧视图。
37.图4为本发明实施例中柔性关节预期的弯曲姿态示意图。
38.图5为本发明实施例中柔性内镜微创手术机器人用器械臂立体结构示意图。
39.图6为本发明实施例中前端展开机构的结构示意图。
40.标号说明：1、连续体；11、外侧槽口；12、内侧槽口；13、关节头部；14、 关节尾部；2、内窥镜通道；3、器械通道；4、水气通道；5、中心孔道；51、 钢丝软轴；6、钢丝软轴通道；7、驱动丝通道；71、驱动丝；8、前端展开机构； 81、展开机构头部；82、推杆；83、展开爪；84、连杆。
具体实施方式
41.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的 解释而本发明并不局限于以下实施例。
42.实施例1：如图1至3所示，一种柔性关节，包括呈柱状结构的连续体1， 其中：定义呈柱状结构连续体1的轴线延伸方向为柔性关节的轴向，垂直于该 轴向的方向为柔性关节的径向，定义径向一侧为径向外侧，径向另一侧为径向 内侧；具体地，连续体1的结构设置如下：
43.连续体1径向外侧上开设有若干平行设置且纵向截面为三角形的外侧槽口 11，所述外侧槽口11的槽宽由径向外侧向径向内侧逐渐减小；
44.连续体1径向内侧上开设有若干平行设置且纵向截面为三角形的内侧槽口 12，所述内侧槽口12的槽宽由径向内侧向径向外侧逐渐减小；
45.所述外侧槽口11与内侧槽口12的形状及槽口深度均相同，且交替布置；
46.若干所述外侧槽口关于柱状结构连续体母线a对称，若干所述内侧槽口关 于柱状结构连续体的母线b对称，所述母线a、母线b与连续体的中心轴线位 于同一平面上。
47.本发明实施例1所述的柔性关节可用于柔性内镜微创手术机器人系统中， 既具有足够的柔顺灵活性以适应复杂弯曲的自然腔道，还可为手术器械的稳定 操作提供足够的支撑。
48.本发明实施例1所述的柔性关节可实现两自由度弯曲运动，其弯曲姿态如 图4所示，其中：定义柔性关节的两个弯曲平面分别称为主弯曲平面和次弯曲 平面，通过简单的有限元仿真可知，所述柔性关节在主弯曲平面内的弯曲刚度 最小，在次弯曲平面内的弯曲刚度最大。
49.以下将具体阐述本发明所述柔性关节具有两自由度弯曲运动特性的工作原 理：
50.本发明中，通过在连续体径向内侧以及径向外侧上交替开设形状以及槽口 深度均相同的纵向截面为三角形的槽口，且三角形槽口向内逐渐收缩；同时， 若干所述外侧槽口关于柱状结构连续体母线a对称，若干所述内侧槽口关于柱 状结构连续体的母线b对称，所述母线a与母线b与连续体的中心轴线位于同 一平面上；这种槽口形状以及布局设置，如图2所示，在主视图中，柔性关节 的槽口设置可视为双向非对称形式；如图3所示，在侧视图中，柔性关节的槽 口设置可近似视为双向对称形式，从而使得所提出的基于三角形切槽设计的柔 性关节具有大多数单向或双向非对称切槽式柔性关节所不具备的二自由度弯曲 运动(如图4所示)，显著提高了连续体关节弯曲灵活性和运动范围。
51.另一方面，该基于三角形切槽设计的柔性关节可达到两自由度弯曲变形效 果，有效提高了连续体柔性关节的弯曲可控性，提高了手术操作的安全性。
52.进一步地，如图2至3所示，在本实施例1中，为了提高柔性关节的弯曲 灵活性以及弯曲均匀性，可将任意相邻外侧槽口11之间的开设间距与任意相邻 内侧槽口12之间开设间距设置为相同，那么形成于任意相邻的外侧槽口11与 内侧槽口12之间的各个连续体关节片厚度也相同，这种结构设计的柔性关节， 具有总体上具有弯曲效果均匀、灵活性高，且柔顺性能好的特点。另一方面， 所设计得到的柔性关节在相同弯曲角度下，相对于其它切槽形式的连续体在单 位长度上形变最小，应力最小，且不容易断裂，具有高承载能力。
53.实施例2：如图1、图5所示，一种柔性关节，与实施例1的区别在于，所 述柱状结构连续体的中心处设有中心孔道5，中心孔道5内设有镍钛合金杆51。
54.本发明所述柔性关节可采用丝驱动的方式进行弯曲，为了防止连续体在丝 驱动装置驱动下进行弯曲时，产生非必要的轴向压缩，可将外径为1.2mm的镍 钛合金杆51作为中心骨架，放置于中心孔道5内，将其两端分别与中心孔道的 远端与近端粘接，使连续体受到多个点的约束，继而提高轴向抗压缩能力；
55.另一面，镍钛合金杆具有超弹性和不可压缩性，将其为中心骨架设置于柔 性关节的中心处，可以在柔性关节原有承载性能的基础上，进一步提高关节的 整体承载能力。
56.进一步地，如图1所示，本发明实施例2所述柔性关节连续体上还设有一 个内窥镜通道2、至少两个器械通道3、至少两个水气通道4以及四个驱动丝通 道7，以便携带内窥镜和外科手术器械进行功能性手术。
57.实施例3：如图2所示，为了进一步提高本发明所述柔性关节的承载能力、 抗扭转性能以及相关的运动学性能，本发明通过有限元仿真的方法，以最大弯 曲角度、最小加工壁厚和外形基本尺寸(总长、直径)为约束，以主弯曲平面 内偏转刚度、次弯曲平面内弯曲刚度和整体扭转刚度为目标，使用熵权法确定 各优化目标权重，综合考虑确定外侧槽口
11、内侧槽口12的设计参数，并进行 了具体的优化，优化结果如下：
58.由于外侧槽口11与内侧槽口12结构相同，本发明具体以外侧槽口11为例 进行说明：
59.如图2所示，本发明中定义相邻外侧槽口11之间的开设间距为h2，外侧槽 口的底端槽宽为h1，外侧槽口的槽深为p，连续体的直径为d，长度为l；
60.(1)外侧槽口的槽深p大于柱状结构连续体的半径；作为优选，当外侧槽 口的槽深p与柱状结构连续体直径d的比值为0.6-0.9:1；
61.(2)相邻外侧槽口11之间的开设间距h2与外侧槽口底端槽宽h1的比例限 定为1.2-2:1；
62.(3)连续体上设有关节头部13与关节尾部14，关节头部13与关节尾部14 之间外侧槽口的设置数量与内侧槽口的设置数量相同。
63.当满足以上限定条件时，设计得到的三角形双向非对称切槽设计的柔性关节 在实现两自由度弯曲的同时，具有最佳的承载性能、柔顺性能以及抗扭转能力。
64.具体地，本发明中，以柔性关节连续体直径d为20mm，长度l为80mm为 例，外侧槽口的数量与内侧槽口的数量相同，且数量均为13时，根据上述限定，， 在控制建模实验过程中，可得到如下实验结果：
65.(1)连续体运动学性能：衡量连续体运动学性能一般是将其弯曲的实际末 端位置与基于恒曲率模型的建模理论值对比，比较二者误差，即定位误差，误 差越小说明恒曲率性越好；本发明中，与基于恒曲率假设的运动学模型理论值 对比，柔性关节远端位置定位误差最大值小于连续体柔性关节总长度(80mm)的 5％，表明恒曲率性好；
66.(2)滞回特性：指连续体在弯曲与恢复这一整个运动周期内，远端实际位 置的重复性，即滞回误差，反映了重复定位精度；本发明中，对比三次实验值 显示最大滞回误差小于总长度的2％，表明其重复定位精度较高，具有良好的运 动学特性；
67.(3)承载能力：在负载为150g的情况下，柔性关节弯曲至任意角度下其 变形挠度均小于总长度的10％；当弯曲角度为90
°
时，有效负载高达500g，表 明所设计的连续体具有较高的承载能力；
68.(4)抗扭转能力：本发明所述的柔性关节一体化结构设计具有更高的抗扭 转能力，其远端能够承受一定的外力，实验结果显示其扭转刚度超过8mnm/
°
， 有利于在手术过程中为手术器械提供稳定的支撑。
69.实施例4：如图5所示，一种柔性内镜微创手术机器人用器械臂，包括实施 例1至3任一所述的柔性关节、钢丝软轴51以及前端展开机构8；其中：
70.柔性关节上设有钢丝软轴通道5；钢丝软轴51内穿所述钢丝软轴通道5并与 前端展开机构8相连接；所述前端展开机构8可在钢丝软轴51的推拉作用下， 实现开合动作，并可在展开状态下，为手术器械提供稳定的三角操作空间。
71.具体地，实现上述开合动作，并可形成三角操作空间的前端展开机构8结构 设置如下：
72.所述前端展开机构8包括展开机构头部81、两个展开爪83、推杆82以及两 个连杆84；其中：所述展开机构头部81与柔性关节相连接；两个所述展开爪 83对称设置，且分别铰接于展开机构头部81上；所述推杆82与钢丝软轴51相 连接；所述两个连杆84关于推杆82对
称布置，且连杆84一端与推杆82铰接， 另一端与相应的展开爪83铰接；在展开状态下，两个展开爪83与展开机构头 部81之间可围合形成三角操作空间。
73.在本发明实施例4所述的器械臂中，展开机构头部81固连在柔性关节连续 体远端上，其通道布置与连续体保持一致，分别设置钢丝软轴通道、驱动丝通 道、内窥镜通道、水气通道以及两个手术器械通道。
74.在本发明实施例4所述的器械臂中，钢丝软轴51与驱动装置相连接，用于 实现在弯曲通道中传递力与扭矩；由展开机构头部81、推杆82、两个展开爪83 和两个连杆84构成的两组四杆机构中，两个展开爪83以及两个连杆84均对称 布置，并共用一个由钢丝软轴51驱动的推杆82，通过推拉推杆82驱动两个展 开爪83产生开合操作。
75.进一步地，在实际应用过程中，内窥镜经由连续体上的内窥镜通道最终固定 在展开机构头部上，两手术器械经由连续体柔性关节上的器械通道穿过展开爪 引导展开机构被动展开，有利于形成更大的“操作三角”。作为优选的实施方式， 在前端展开机构中，两个展开爪之间的最大展开角度设置为30-33
°
，以保证手 术过程中腔道内壁不被破坏，提高手术安全性。
76.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形 状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做 的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域 的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的 方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均 应属于本发明的保护范围。