[发明专利]一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法

说明书

本发明公开了一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法，包括若干节相同的气动驱动器单元连接而成。气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座，驱动器包括外部的刚度调节层，刚度调节层内部设置有驱动层。驱动层包括具有通孔的圆环柱形硅橡胶层，硅橡胶层上开设有若干腔体，硅橡胶层内表面覆盖有PDMS层，硅橡胶层外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维。基座上设置有与腔体相对应的气孔，以及与刚度调节层相对应的抽真空口。所提出的操作臂具有高度灵活的运动能力和刚度可变的特性，并且体积小、质量轻，对人体刚性损伤少，气路更少易于控制。

技术领域

本发明属于多自由度微创手术操作臂领域，具体涉及一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法。

背景技术

随着科学技术发展和人们对医疗服务质量要求的日益增长，微创手术作为临床治疗新模式正逐步获得广泛应用。微创手术相对于传统开放式手术具有创口小、出血少、疼痛轻、术后恢复快等优点，已经成为医疗手术的主流方式。未来微创手术向着自然腔道和伤口更少、更小的方向发展。

目前微创手术操作臂多是直臂，具有较高的结构刚性。然而，传统机械式结构使得这类手术臂的运动自由度少，即使通过多机械关节组合来实现多自由度，也会由于刚度不足带来操作力难以施加到末端工具上、整体灵活度不高、运动空间不足等问题，这些问题直接导致了传统微创手术需要多至4到5个创口。同时，过多的机械结构体装配形成许多缝隙，易成为细菌和病垢的藏匿区，即使采用灭菌措施也很难彻底消毒。

因此，探索新的驱动和刚度调控机构是未来的发展方向，如何制造出既有多自由度，又具有刚度可调性和生物安全性的微创手术操作臂是研究的挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提出一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法，该手术操作臂具有高度灵活的运动能力和刚度可变的特性，并且体积小、质量轻，对人体刚性损伤少，气路更少易于控制。

为了达到上述目的，一种多自由度刚度可变气动手术操作臂，包括若干节相同的气动驱动器单元连接而成，气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座，驱动器包括外部的刚度调节层，刚度调节层内部设置有驱动层，驱动层包括具有通孔的圆环柱形硅橡胶层，硅橡胶层上开设有若干腔体，硅橡胶层内表面覆盖有PDMS层，硅橡胶层外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维，基座上设置有与腔体相对应的气孔，以及与刚度调节层相对应的抽真空口。

所述刚度调节层包括在交错固定在驱动层外壁上的环状尼龙纤维束，环状尼龙纤维束外侧设置有硅橡胶薄膜，硅橡胶薄膜两端分别与两个基座连接，驱动层外壁与硅橡胶薄膜内壁之间构成密闭层，密封层连接抽真空口。

所述气孔上设置有密封筋。

所述腔体为三个，等角度设置在硅橡胶层内。

一种多自由度刚度可变气动手术操作臂的制作方法，包括以下步骤：

步骤一，根据所需尺寸，选取模具，模具包括中模、圆柱、薄壁件、底座、内圆柱和外模；

步骤二，将中模固定在底座上，将三个薄壁件放置在中模内部，圆柱放置在三个薄壁件内，浇铸液体硅橡胶后，置于真空干燥箱中固化；

步骤三，脱模后，在通孔中插入内圆柱，将PDMS的主剂与固化剂按质量比10:1均匀混合后倒入内圆柱与硅橡胶层间，置于真空干燥箱中固化；

步骤四，脱模后，将尼龙纤维按双螺旋的方式缠绕在硅橡胶层的外表面；

步骤五，将缠绕好尼龙纤维的驱动层放在外模内，在缝隙中填充硅橡胶后，置于真空干燥箱中固化，脱模后通过粘接剂将基座固定在驱动层上，使气孔密封腔体；

步骤六，将环状尼龙纤维束自上而下交错地粘贴在连接基座的驱动层外壁上，再用粘接剂将硅橡胶薄膜粘贴在两端基座上，形成对刚度调节层的封装，即完成气动驱动器单元。