[发明专利]一种基于DE驱动器的微创手术操作臂结构

说明书

技术领域：

本发明涉及一种微创手术操作臂，具体涉及一种基于DE驱动器的微创手术操作臂结构。

背景技术：

随着社会的发展，人们对医疗服务质量的要求日益提高，创口小、疼痛轻、恢复快、住院时间短、出血少的微创手术越来越受到患者和医生的青睐。现有的微创手术臂主要有两种结构：以达芬奇系统为代表的刚性直杆手术臂和以NOTES（Yeung,Baldwin Po Man,and Terence Gourlay.A technical review of flexible endoscopic multitasking platforms.International Journal of Surgery10.7(2012):345-354.）为代表的柔性手术臂。刚性直杆手术臂采用纯机械结构，刚性好，末端输出力大，但是灵活性差，无法实现弯曲等一系列复杂运动，手术及设备维护费用也相对较高。NOTES使用软式内镜经自然腔道进入腹腔、胸腔等各种体腔，进行各种内镜下操作。但是柔性手术臂不能主动弯曲变形，仅靠自然腔道的束缚实现弯曲，结构刚度差，控制精度差；驱动方式为伺服电机牵引绳索，存在摩擦、松弛等缺点。未来微创手术朝着经自然腔道和伤口更少的方向发展，这就要求手术臂具有较大的空间自由度，结构稳定性和操作精度等。以上两种结构都不能满足以上要求。

作为电场型EAP（electroactive polymer）的代表，DE(dielectric elastomer)材料具有质量轻，价格便宜，制备方便，响应迅速，机械输出大等优点，是一种极具发展潜力的人工肌肉。这种材料是由一层聚丙烯酸酯或硅胶和涂抹在上下表面的两层柔性电极组成。当对D材料E施加一定的电压（通常为几MV/m到几百MV/m）时，上下电极表面上将分别积累大量的异种电荷，异种电荷间产生相互吸引力，即麦克斯韦应力，由于材料的不可压缩性，DE材料会迅速向着垂直于电场方向扩张，产生较大的变形应力。研究表明，对DE材料进行预拉伸，将会促进DE材料的变形性能，最大可产生380%的应变，可以用来做驱动部件。卸载电压后，利用预拉伸后的回弹特性，DE材料将产生较大的回弹应力，驱使使变形结构恢复原位。利用DE材料这种特性，结合机械铰链，可以实现空间运动的手术操作臂结构。

这种结构采用DE驱动器直接驱动铰链，而不经过其他传动装置，既提高了驱动效率、可靠性，避免了绳索牵引方式存在的问题；同时，又能够满足经自然腔道的微创手术的医学要求，可以实现主动弯曲变形。另外，基于DE材料的电致动特性，结构整体具有驱动性能；通过控制加载电压，可以控制DE材料的变形，进而控制结构的弯曲变形大小。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有微创手术操作臂的缺点和局限，提供了一种基于DE驱动器的微创手术操作臂结构，其利用树脂材料3D打印结构作为手术臂主体结构，DE作为驱动材料制造的微创手术操作臂结构，能够实现空间多自由度弯曲变形。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于DE驱动器的微创手术操作臂结构，包括两个基座、若干个连杆、若干个连接环、若干DE驱动器和若干转轴；其中，两个基座之间连接有若干个连杆，基座与连杆、连杆与连杆之间通过若干个连接环以及设置在连接环周向的若干转轴相连接，且连接环与基座、连接环与连杆之间连接有若干个DE驱动器，该DE驱动器采用柔性生物兼容性介电弹性体材料制成。

本发明进一步改进在于：基座包括基座圆台、对称设置于其端面上的一组基座支架以及对称设置于基座圆台周向上的两个基座凸台，且两个基座支架的对称线与两个基座凸台垂直，基座支架的伸出端开设有基座轴孔，基座圆台的中心开设有基座通孔；

连杆包括连杆圆台，连杆圆台的两个端面上均对称设置有一组连杆支架，且两组连杆支架的的对称面夹角为90度，连杆圆台的周向上均匀设置有4个连杆凸台，且4个连杆凸台的对称线与两组连杆支架的对称线重合，连杆支架的伸出端开设有连杆轴孔，连杆圆台的中心开设有连杆通孔；

连接环为圆角方形环，其周向上均匀设置有4个连接环轴孔；

DE驱动器包括DE材料层、两组T型双色板、迈拉绝缘板、第一铜箔电极和第二铜箔电极；其中，T型双色板设有T型双色板孔，两组T型双色板分别固定在DE材料层的两端，第一铜箔电极和第二铜箔电极分别粘贴在DE材料层的两侧，迈拉绝缘板设置在DE材料层中间位置的周向上；