一种柔性手术操作臂

1.本发明属于手术器械领域，尤其涉及一种柔性手术操作臂。


背景技术：

2.传统的手术机器人需使用多个专用器械(如解剖器、抓取器、牵开器和内窥镜等)，影响了对手术通路和创伤恢复的追求。随着手术机器人不断发展，出现了一种单个创口并且可容纳多种器械的机器人—单孔集成式器械。这类器械有侵入性小、术后恢复快的优势，减轻了手术暴露不良和器械碰撞等问题。随着对手术器械的要求的不断提高，如何设计变刚度器械适应环境逐渐成为研究热点。机械变刚度为利用机械臂本身结构在不同方向产生拮抗，使结构达到耦合从而实现可控刚度。
3.但现有的手术操作臂在使用时，由于手术操作臂较长，当长距离导线完成关节弯曲时，由于弯曲、摩擦以及与柔性管间的间隙导致的误差将直接影响机械臂的控制精度，该类手术操作臂不利于完成精确的手术。
4.为避免上述技术问题，确有必要提供一种柔性手术操作臂以克服现有技术中的所述缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种柔性手术操作臂，旨在解决现有手术操作臂控制精度低的问题。
6.本发明实施例是这样实现的，一种柔性手术操作臂，包括操作臂外鞘和关节，所述关节连接在操作臂外鞘的端部，所述关节的端部设有摄像头和照明灯，所述关节的侧面开设有工作通道，所述工作通道中安装有末端执行器；
7.所述关节的侧壁嵌设有四个dea驱动器，四个所述dea驱动器围绕关节的轴心均匀分布；
8.所述操作臂外鞘包括外侧封装层、smp变刚度层、dea感知驱动层和内封装层，所述smp变刚度层和dea感知驱动层均位于外侧封装层和内封装层之间，所述dea感知驱动层设置在smp变刚度层的内侧。
9.进一步的技术方案，所述操作臂外鞘还包括抗菌涂层和润滑层，所述抗菌涂层设置在外封装层的外侧，所述润滑层设置在外封装层和smp变刚度层之间。
10.进一步的技术方案，所述dea感知驱动层包括介电弹性体层、可拉伸电极层和图案电极层，可拉伸电极层和图案电极层分别位于介电弹性体层的两侧，图案电极层靠近smp变刚度层。
11.进一步的技术方案，所述关节末端还设有用于感知操作臂外鞘形状的柔性力感知模块。
12.进一步的技术方案，该柔性手术操作臂为一个模块化单元，将一个模块化单元嵌套进另一个模块化单元的工作通道中。
13.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
14.本发明实施例提供的一种柔性手术操作臂，本装置采用两级模块化单元复合构型操作臂，两级模块化单元复合构型操作臂可以提供6个自由度的运动，可以面对自然腔道的复杂环境变化，使本装置控制操作更精准；通过在手术中实时控制关节末端的弯曲姿态和伸出长度，可以调整末端执行器的整体刚度和关节末端弯曲半径，适应自然腔道的复杂环境变化；通过采用dea驱动器，dea驱动器可带动关节变形，对操作臂外鞘实现精准运动补偿，可通过控制输入电压精准控制关节的变形量，避免了由导线运动补偿时产生的二次误差，提高了操作臂的末端定位精确度。
附图说明
15.图1为本发明的单级操作臂立体结构示意图；
16.图2为本发明的二级操作臂立体结构示意图；
17.图3为本发明的单级操作臂侧视结构示意图；
18.图4为本发明的操作臂外鞘立体结构示意图。
19.附图中：操作臂外鞘1、关节2、dea驱动器3、末端执行器4、摄像头5、照明灯6、次级操作臂7、工作通道8、内封装层9、可拉伸电极层10、介电弹性体层11、图案电极层12、smp变刚度层13、润滑层14、外封装层15、抗菌图层16。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
22.结构/功能一体化柔性手术操作臂结构与功能设计
23.a)柔性手术操作臂的串并联复合构型和模块化柔性并联单元实现方式如下：
24.为适应人体腔道的复杂弯曲环境，本装置将柔性操作臂设计成串并联复合结构，实现并联分节构型的嵌套递送。
25.将并联构型设计成模块化单元，模块化单元包括套筒单元，在套筒单元的中空结构中合理设计导线、光纤、摄像单元和工作通道8的布置，用来对下一级模块化单元的姿态进行控制和完成末端执行器4的输送。
26.具体的，如图2-3所示，模块化单元包括操作臂外鞘1和关节2，关节2连接在操作臂外鞘1的端部，关节2采用柔性材料制成，关节2和操作臂外鞘1的连接处由硬质材料制成，关节2的端部还设有摄像头5和照明灯6，关节2的侧面开设有工作通道8，多个模块化单元的结构相同，但尺寸不同，小型的模块化单元可以装在大型模块化单元的工作通道8中，该大型的模块化单元构成了一级操作臂，小型的模块化单元构成了次级操作臂7。
27.本装置可以进行单级操作或多级操作，多级操作时，形成复合构型，一级操作臂的工作通道8用于安装次级操作臂7，次级操作臂7的工作通道8用于安装末端执行器4；单级操作时，一级操作臂的工作通道8用于安装末端执行器4。
28.模块化单元具有一定的变刚度和变弯曲半径能力，能够事先利用低刚度大弯曲半
径的特性进入自然腔道，在达到预设位置之后为下一级模块化单元建立工作通道8，多级模块化单元构成柔性并联单元。
29.柔性并联单元的每一个模块化单元可以提供3个自由度，因此两级模块化单元可以提供6个自由度的运动。
30.通过在手术中实时控制关节2末端的两个方向的弯曲和伸出长度，可以调整末端执行器4的整体刚度和关节2末端弯曲半径，适应自然腔道的复杂环境变化。
31.b)基于功能材料的变刚度的实现方法如下：
32.操作臂的变刚度设计可满足腔道环境自适应和精准力传递，本装置采用介电弹性体驱动器(dielectric elastomer actuator，dea)和形状记忆聚合物(shape memory polymer,smp)的功能结构作为操作臂外鞘1，该操作臂外鞘1可同时实现姿态感知、功能材料驱动和变刚度。
33.操作臂外鞘1主要由抗菌涂层16、外封装层15、smp变刚度层13、润滑层14、dea感知驱动层和内封装层9构成，如图4所示。
34.dea是一种新型的软体驱动器，其由单层介电弹性体和两侧可拉伸电极构成，对外侧(靠近smp变刚度层13一侧)的可拉伸电极进行图案化设计，dea感知驱动层可作为一种可拉伸电阻，形变后阻抗会发生改变。
35.smp是一种智能响应性材料，又称形状记忆聚合物，指具有初始形状的制品在一定条件下改变其初始条件发生形状的变化，并固定后暂时保持该形状，通过外界条件的刺激(如电、热、光、化学感应等)又可以恢复其初始形状。
36.dea感知驱动层包括介电弹性体层11、可拉伸电极层10和图案电极层12，可拉伸电极层10和图案电极层12分别位于介电弹性体层11的两侧，图案电极层12靠近smp变刚度层13，dea感知驱动层可被拉伸。
37.操作该操作臂外鞘1时，单独对图案电极层12加载直流电，图案电极层12生热，对smp变刚度层13加热，smp变刚度层13软化后刚度减小，使操作臂外鞘1实现腔道环境自适应，当断电不再加热时，smp变刚度层13温度降低，材质变硬，操作臂外鞘1形状逐渐固定，使操作臂外鞘1形状与人体腔道相适应，smp变刚度层13硬化以后，可实现精准力传递。
38.c)柔性操作臂的驱动感知一体化的实现方式如下：
39.在关节2末端引入柔性力感知模块，该柔性力感知模块用于感知操作臂外鞘1的形状，获取组织-器械交互力信息，柔性力感知模块可以为柔性传感器，当接触力过大时，需调整关节2弯曲角度，同时通过图案电极层12加热smp变刚度层13，减小操作臂外鞘1的刚度，实现自适应变刚度，dea拉伸后的电容变化可用来感知操作臂外鞘1以及关节2处的姿态变化；另一方面，当操作臂外鞘1发生弯曲变形时，可操作关节2上的dea驱动器3发生协同变形，dea驱动器3的可扩展性好，输出性能好且稳定易于控制，当对dea驱动器3内的两侧电极施加一定电势差时，产生的maxwell应力挤压介电弹性体，dea驱动器3上的介电弹性体厚度减小的同时平面内面积增大(介电弹性体视为不可压缩)，进而使dea驱动器3可带动关节2变形，对次级操作臂的位姿实现精准运动补偿，可通过控制输入电压精准控制关节2的变形量，避免了由导线运动补偿时产生的二次误差。因此，通过控制关节2连接处的dea驱动器3的输入电压以改变变形量，从而实现功能材料的智能驱动。
40.dea驱动器3的阻抗与变形之间存在固有的协同变化关系，可以建立基于dea驱动
器3时变阻抗的动态自感知模型，并设计dea驱动器3的电极阵列分布，在关节2上设计四个dea驱动器3，四个dea驱动器3围绕关节2的轴心均匀分布，使四个dea驱动器3分别控制关节2的四个方向(向上、向下、向左、向右)，如图1所示。
41.在使用时，能够通过控制一个或二个dea驱动器3进行弯曲，实现关节2的方向变化，使关节2与人体腔道适应。
42.做手术时，将本装置伸入人体的腔道内，缓慢推送操作臂外鞘1，关节2端部的摄像头5会将操作臂前进方向的影像传送到电脑操作端，医生通过影像来实时确定末端执行器4的位置，当操作臂需要转向时，对dea驱动器3输入电压，dea驱动器3带动关节2改变方向，然后对图案电极层12加载电流，图案电极层12生热，并对smp变刚度层13加热，smp变刚度层13的刚度减小，使操作臂实现腔道环境自适应；当断电不再加热时，smp变刚度层13温度降低，材质变硬，操作臂形状逐渐固定，使操作臂外鞘1形状与人体腔道相适应，然后继续推送操作臂，反复该过程，即可将操作臂上的末端执行器4送到人体内病变位置，然后可以操作关节2改变末端执行器4的方向，对病变位置进行处理；柔性力感知模块可以感知关节2与人体腔道的作用力和方向，可以辅助医生更精确的控制操作臂，减少操作臂移动过程中对人体造成的损伤。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
44.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种柔性手术操作臂，包括操作臂外鞘和关节，所述关节固定连接在操作臂外鞘的端部，所述关节的端部设有摄像头和照明灯，其特征在于，所述关节的侧面开设有工作通道，所述工作通道中安装有末端执行器；所述关节的侧壁嵌设有四个dea驱动器，四个所述dea驱动器围绕关节的轴心均匀分布；所述操作臂外鞘包括外侧封装层、smp变刚度层、dea感知驱动层和内封装层，所述smp变刚度层和dea感知驱动层均位于外侧封装层和内封装层之间，所述dea感知驱动层设置在smp变刚度层的内侧。2.根据权利要求1所述的柔性手术操作臂，其特征在于，所述操作臂外鞘还包括抗菌涂层和润滑层，所述抗菌涂层设置在外封装层的外侧，所述润滑层设置在外封装层和smp变刚度层之间。3.根据权利要求1所述的柔性手术操作臂，其特征在于，所述dea感知驱动层包括介电弹性体层、可拉伸电极层和图案电极层，所述可拉伸电极层和图案电极层分别位于介电弹性体层的两侧，所述图案电极层靠近smp变刚度层。4.根据权利要求1所述的柔性手术操作臂，其特征在于，所述关节末端还设有用于感知操作臂外鞘形状的柔性力感知模块。5.根据权利要求1-4任一项所述的柔性手术操作臂，其特征在于，该柔性手术操作臂为一个模块化单元，将一个模块化单元嵌套进另一个模块化单元的工作通道中。

技术总结
本发明适用于手术器械领域，提供了一种柔性手术操作臂，操作臂外鞘和关节，所述关节连接在操作臂外鞘的端部，所述关节的端部设有摄像头和照明灯。本装置采用两级模块化单元复合构型操作臂，两级模块化单元复合构型操作臂可以提供6个自由度的运动，可以面对自然腔道的复杂环境变化，使本装置控制操作更精准；通过在手术中实时控制关节末端的弯曲姿态和伸出长度，可以调整末端执行器的整体刚度和关节末端弯曲半径，适应自然腔道的复杂环境变化；通过采用DEA驱动器，DEA驱动器可带动关节变形，对操作臂外鞘实现精准运动补偿，可通过控制输入电压精准控制关节的变形量，避免了由导线运动补偿时产生的二次误差，提高了操作臂的精确度。度。度。


技术研发人员：李鹏 高兴 张承禹
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/21