[发明专利]一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂

说明书

本发明公开了一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，该操作臂包括若干完全相同的子节段，每个子节段包括外部弯管组件、传动组件和内部弯管驱动组件三部分。本发明末端可连接爪钳、镊子、剪刀等末端执行机构，组成一种灵巧的微器械，安装在微创外科手术机器人系统的末端，辅助开展微创外科手术。本发明将操作臂关节模块化，并将每个关节的驱动独立出来，提高了操作臂的灵活性，可以实现将末端执行机构灵巧地送达病灶附近开展手术。

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其是微创外科手术机器人系统中的微器械，具体地，涉及一种面向微创外科手术的多自由度操作臂。

背景技术

目前微创手术已经深得人心，成为许多手术的主流方案，并且日益依赖于灵巧操作的微器械实现极限的手术操作。以da Vinci(达芬奇)系统为代表的手术机器人系统在微创外科手术中取得了广泛应用，其采用单个或多个毫米级的体表创口建立手术通道，由末端执行器和操作臂组成的微器械通过通道进入手术部位。微创外科手术创伤小的特点要求手术机器人系统末端的微器械尺寸足够小，同时满足运动空间和若干个自由度灵巧操作的要求。

由于空间受限，目前机器人系统末端的微器械大部分采用电机后置，由绳索传递运动的方式牵引各自由度运动。多自由度的运动需要灵巧的传动布置，需要巧妙地运用有限空间布置灵巧的传动结构，带来了以下问题：1、多个自由度都需要绳索单独驱动，导致绳索数量增多，布线困难；2、各个自由度之间耦合严重，导致控制复杂，传动精度低；3、自由度的多少严重依赖传动机构需要的空间大小，整个操作臂的自由度受限。

发明内容

为了满足微创手术对器械的尺寸与灵活性的要求，解决传动困难的问题，在不丢失末端执行器自由度的前提下，使操作臂能灵巧地到达病灶附近，并自由地开展手术工作，本发明提供一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，以提高微创外科手术机器人手术操作的灵巧性。

本发明针对现有技术的不足所采用的技术方案是：一种基于单一动力源的模块化灵巧操作臂，包括N段完全相同的子节段，每个子节段包括外部弯管组件、传动组件和内部弯管驱动组件三部分；

所述外部弯管组件包括固定外管、外管连接套Ⅰ、柔性外管、外管连接套Ⅱ和驱动镍钛丝；

所述固定外管为不可弯曲的套筒结构，其管壁上开有两侧对称的滑槽，滑槽一端延伸到固定外管的端面；所述外管连接套Ⅰ为套筒结构，其一端设轴肩与固定外管相连，另一端与柔性外管相连；所述柔性外管为单向可弯曲的套筒结构，其两端设轴肩分别与外管连接套Ⅰ和上一节段的外管连接套Ⅱ相连，柔性外管管壁内有沿圆周均布的通孔，通孔分左右两组，用于安装所述驱动镍钛丝；所述驱动镍钛丝为具有超弹性的镍钛合金丝；所述外管连接套Ⅱ为内部设轴肩的套筒结构，其两端分别连接固定外管和下一节段的柔性外管；

所述传动组件包括螺纹管、螺纹滑环和挡环；

所述螺纹管为外部设有螺纹的空心套筒结构；所述螺纹滑环为内部设有螺纹的空心套环结构，与所述螺纹管通过螺纹副相连，所述螺纹滑环两侧设有耳部，耳部可在所述固定外管的滑槽内滑动，所述螺纹滑环侧壁设有卡口用于固定所述驱动镍钛丝；所述挡环分布于所述螺纹管两端，用于将传动组件与固定外管相连；

所述内部弯管驱动组件包括柔性内管、内管连接套Ⅰ、支撑杆、膨胀管、内管连接套Ⅱ和温控镍钛丝；

所述柔性内管由多节可相互间摆动的铰接结构组成，其两端分别与内管连接套Ⅰ和上一节段的内管连接套Ⅱ相连；所述支撑杆为金属杆状结构，表面光滑，两端分别与内管连接套Ⅰ和内管连接套Ⅱ相连，所述膨胀管为弹性材料制成的鼓状结构，所述膨胀管一端固定在所述支撑杆上，另一端为自由端，可在所述温控镍钛丝的作用下伸缩；所述温控镍钛丝为受温度控制的记忆合金，以S型的方式缠绕在所述膨胀管的侧壁中。

进一步地，所述柔性外管两侧开有对向间隔分布的槽口，用于提高柔性外管的弯曲性能。