[发明专利]一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂

说明书

本发明公开了一种模块化关节分时切换驱动的灵巧操作臂，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、内部传动组件和弯管驱动单元三部分。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，本发明提供一种模块化关节分时切换驱动的柔顺化灵巧操作臂，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：一种模块化关节分时切换驱动的柔顺化灵巧操作臂，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、内部传动组件和弯管驱动单元三部分；

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

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，通孔分上下左右四组，其中左右两组安装所述支撑镍钛丝，上下两组任意一组安装所述驱动镍钛丝；所述支撑镍钛丝和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；

所述内部传动组件包括传动轴芯、内管连接套和柔性内管；

所述传动轴芯为空心轴结构，其两端设内花键分别与内管连接套相连；所述内管连接套为套筒结构，其一端设外花键与传动轴芯相连，一端与柔性内管相连；所述柔性内管为可灵活弯曲的空心轴结构，其两端通过轴铣平面结构与内管连接套相连；

所述弯管驱动单元包括螺纹管、法兰块、螺纹套环、环状滑块和镍钛温控丝；

所述螺纹管为内壁光滑的套筒结构，外部具有螺纹结构，与所述法兰块依次套在传动轴芯上；所述螺纹套环套在螺纹管外构成螺纹传动；所述环状滑块内侧与螺纹套环相互抱合固定所述驱动镍钛丝，环状滑块耳部为凸块结构，可在所述固定外管的滑槽内沿固定外管轴向方向滑动。

进一步地，所述柔性外管为可弯曲但不可扭转的镍钛合金管，其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。

进一步地，所述支撑镍钛丝两端分别被外管连接套Ⅰ、上一节段的外管连接套Ⅱ卡在柔性外管上，用于提高波形柔性外管的抗扭性能。