專利名稱：三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)的腕式末端執(zhí)行器，尤其涉及一種三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)因其微創(chuàng)損傷小，出血少，術(shù)后恢復(fù)快而得到臨床醫(yī)師和患者的共同重視，成為目前世界上開展并增長最快的微創(chuàng)術(shù)式。在單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)過程中，往往需要對體內(nèi)進(jìn)行組織分離，會導(dǎo)致出現(xiàn)人體腹腔內(nèi)出血?，F(xiàn)有技術(shù)中，是先用剪刀對組織進(jìn)行分離，然后用電凝鉗進(jìn)行止血，手術(shù)麻煩且時間長，凝血效果不理想。從目前的研究來看，現(xiàn)有的手術(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端的尺寸偏大、工作空間和靈活性不夠，增加了手術(shù)創(chuàng)傷和難度。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式不能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)器械更簡單、更微型的需求
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該執(zhí)行器體積較小，通過電流加熱形狀記憶合金(SMA)絲驅(qū)動，解決了現(xiàn)有手術(shù)器械的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸和重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作空間和靈活性不夠等問題。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括分離鉗、連接套、腕式機(jī)構(gòu)、操作桿，所述腕式機(jī)構(gòu)包括依次布置的末端墊片、第一關(guān)節(jié)球、中間墊片、第二關(guān)節(jié)球、固定墊片，所述末端墊片與固定墊片之間連接有多對預(yù)緊絲，所述末端墊片通過所述連接套與所述分離鉗連接，所述底部墊片與所述操作桿連接；所述末端墊片與固定墊片之間連接有至少兩對驅(qū)動絲，用于實現(xiàn)所述腕式機(jī)構(gòu)的兩個彎曲自由度；所述分離鉗連接有至少一對驅(qū)動絲，用于實現(xiàn)所述分離鉗的開合自由度；所述驅(qū)動絲和預(yù)緊絲均為TiNi形狀記憶合金絲，所述驅(qū)動絲通過控制電線與控制系統(tǒng)連接。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于采用形狀記憶合金絲為驅(qū)動絲，可大大減少執(zhí)行器體積，通過電流加熱形狀記憶合金(SMA)絲驅(qū)動，解決了現(xiàn)有手術(shù)器械的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸和重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作空間和靈活性不夠等問題。


圖I為本發(fā)明實施例提供的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中腕式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例中分離鉗結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明實施例中關(guān)節(jié)墊片結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例中關(guān)節(jié)球的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6a為本發(fā)明實施例中連接套的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖6b為本發(fā)明實施例中連接套的底面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實施例中操作桿的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面將對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其較佳的具體實施方式
是包括分離鉗、連接套、腕式機(jī)構(gòu)、操作桿，所述腕式機(jī)構(gòu)包括依次布置的末端墊片、第一關(guān)節(jié)球、中間墊片、第二關(guān)節(jié)球、固定墊片，所述末端墊片與固定墊片之間連接有多對預(yù)緊絲，所述末端墊片通過所述連接套與所述分離鉗連接，所述底部墊片與所述操作桿連接；所述末端墊片與固定墊片之間連接有至少兩對驅(qū)動絲，用于實現(xiàn)所述腕式機(jī)構(gòu)的兩個彎曲自由度；所述分離鉗連接有至少一對驅(qū)動絲，用于實現(xiàn)所述分離鉗的開合自由度；所述驅(qū)動絲和預(yù)緊絲均為TiNi形狀記憶合金絲，所述驅(qū)動絲通過控制電線與控制系統(tǒng)連接。所述分離鉗的后端連接有四桿機(jī)構(gòu)和連桿，所述連桿連接有一對夾持驅(qū)動絲和一對張開驅(qū)動絲。所述腕式機(jī)構(gòu)包括三對預(yù)緊絲和三對驅(qū)動絲。所述末端墊片、中間墊片和固定墊片的外圈設(shè)有三對小孔，用于穿過三對驅(qū)動絲，內(nèi)圈設(shè)有三對小孔，用于穿過三對預(yù)緊絲，還另外設(shè)有三對小孔，用來穿過所述分離鉗的驅(qū)動絲和控制電線。所述末端墊片、第一關(guān)節(jié)球、中間墊片、第二關(guān)節(jié)球和固定墊片的中部設(shè)有相通的通孔，用來穿過所述控制電線。所述連接套設(shè)有兩個導(dǎo)向孔和三對斜孔，所述兩個導(dǎo)向孔用于穿過所述分離鉗的驅(qū)動絲，所述三對斜孔用于穿過并固定所述腕式機(jī)構(gòu)的預(yù)緊絲。所述操作桿為帶有中間通孔和多個邊緣通孔的細(xì)長桿，所述中間通孔用于穿過所述控制電線和有利于散熱。本發(fā)明采用智能材料形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動，同時形狀記憶合金還具有反饋作用，可以更好的控制分離鉗夾持力的大小和腕式機(jī)構(gòu)的彎曲幅度。在單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)過程中，方便手術(shù)器械的交叉使用，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足。腕式機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)兩個自由度的彎曲轉(zhuǎn)動，采用形狀記憶合金驅(qū)動，響應(yīng)快且準(zhǔn)確，手術(shù)應(yīng)用穩(wěn)定并且靈活工作空間大，保證手術(shù)的順利進(jìn)行。分離鉗的加持力可以通過形狀記憶合金絲反饋量化控制，手術(shù)過程中分離效果好，不會損傷器官。分離鉗拆卸安裝方便有利于清洗和消毒處理，且互換性非常好。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理緊密，可實現(xiàn)微型化和輕質(zhì)化，機(jī)構(gòu)主體采用醫(yī)用工程塑料制作，可以沖洗消毒或高溫消毒。
具體實施例如圖I、圖2、圖3所示，包括控制電線I、操作桿2、腕式機(jī)構(gòu)3、連接套4、分離鉗5、末端墊片6、中間墊片7、固定墊片8、預(yù)緊TiNi形狀記憶合金絲9、關(guān)節(jié)球10、關(guān)節(jié)驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲11、四桿機(jī)構(gòu)12、連桿13、夾持驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲14、張開驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲15。其中分離鉗5通過連接套4與腕式機(jī)構(gòu)3的末端墊片6耦合，操作桿2與腕式機(jī)構(gòu)3的固定墊片8耦合?？刂齐娋€I與控制系統(tǒng)連接，控制該腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個自由度的運動(腕式機(jī)構(gòu)3的兩個彎曲自由度和分離鉗5的張合自由度)。分離鉗5由四桿機(jī)構(gòu)12和連桿13控制實現(xiàn)張合，連桿13采用兩對TiNi形狀記憶合金絲驅(qū)動，通過驅(qū)動連桿13的推拉實現(xiàn)分離鉗5的張開和夾持運動。TiNi形狀記憶合 金絲14通電加熱收縮拉動連桿13使分離鉗5夾持，當(dāng)其冷卻恢復(fù)到初始狀態(tài)時，TiNi形狀記憶合金絲15加熱收縮反方向拉動即推動連桿13使分離鉗5張開，兩對合金絲處于兩種相反的冷熱狀態(tài)，控制分離鉗5的張合自由度。腕式機(jī)構(gòu)包括末端墊片6、中間墊片7、固定墊片8、三對預(yù)緊TiNi形狀記憶合金絲9、兩個關(guān)節(jié)球10和三對驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲11，是一種具有兩個自由度的混聯(lián)機(jī)構(gòu)。如圖4、圖5所示，關(guān)節(jié)墊片外圈的三對小孔16穿過三對驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲11，內(nèi)圈的三對小孔17穿過三對預(yù)緊TiNi形狀記憶合金絲，其余三對小孔18用來穿過分離鉗5的夾持驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲14、張開驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲15以及控制電線I等。關(guān)節(jié)球10的通孔25和關(guān)節(jié)墊片6、7、8的中間通孔20相通，用來通過控制電線
I。三對具有記憶性的TiNi形狀記憶合金絲11是驅(qū)動源，其中兩對為主動絲，另外一對為被動絲，在三對驅(qū)動絲協(xié)調(diào)控制下可實現(xiàn)腕關(guān)節(jié)兩個自由度的各種位姿；三對具有超彈性的TiNi形狀記憶合金絲9起到對末端墊片6、中間墊片7和關(guān)節(jié)球10預(yù)緊的作用，使關(guān)節(jié)球10與關(guān)節(jié)墊片的凹球面19緊密接觸，并保證末端墊片6和中間墊片7的轉(zhuǎn)動一致。如圖6a、6b所示，連接套4的兩個導(dǎo)向孔21是張開驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲15反方向拉動連桿13的導(dǎo)向通道。腕式機(jī)構(gòu)3的三對預(yù)緊TiNi形狀記憶合金絲9穿過連接套4的三對斜通孔22并固定，將腕式機(jī)構(gòu)3和連接套4緊緊連接在一塊。擋塊23卡住分離鉗5的凹槽，起固定連接作用。從而連接套4將腕式機(jī)構(gòu)3和分離鉗5連成一體。如圖7所示，操作桿2為帶有很多穿絲走線的通孔細(xì)長桿，采用高強(qiáng)度的輕質(zhì)醫(yī)用工程塑料制作，絕緣性且具有很好的耐腐蝕性，中間通孔24用來通過電線且有利于散熱。本發(fā)明的形狀記憶合金驅(qū)動的微創(chuàng)手術(shù)腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，TiNi形狀記憶合金絲作為微型驅(qū)動器，可以提供較大的驅(qū)動力，同時簡化了結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的微型化和輕質(zhì)化。而且TiNi形狀記憶合金絲還具有傳感器的反饋作用，可以有效的控制分離鉗5的加持力大小和張開幅度以及腕式機(jī)構(gòu)3的彎曲幅度，并通過控制系進(jìn)行實時反饋控制。在單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)過程中，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人夾持操作桿2的末端將該執(zhí)行機(jī)構(gòu)送往病灶區(qū)完成位置定位，控制系統(tǒng)通過對腕式機(jī)構(gòu)3的三對驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲11協(xié)同控制，實現(xiàn)手術(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在手術(shù)區(qū)域小范圍的位置和姿態(tài)定位，通過對分離鉗5的夾持驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲14和張開驅(qū)動TiNi形狀記憶合金絲15控制，實現(xiàn)分離鉗5的張合的自由度，從而完成人體腹腔內(nèi)組織器官的手術(shù)分離。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括分離鉗、連接套、腕式機(jī)構(gòu)、操作桿，所述腕式機(jī)構(gòu)包括依次布置的末端墊片、第一關(guān)節(jié)球、中間墊片、第二關(guān)節(jié)球、固定墊片，所述末端墊片與固定墊片之間連接有多對預(yù)緊絲，所述末端墊片通過所述連接套與所述分離鉗連接，所述底部墊片與所述操作桿連接； 所述末端墊片與固定墊片之間連接有至少兩對驅(qū)動絲，用于實現(xiàn)所述腕式機(jī)構(gòu)的兩個彎曲自由度； 所述分離鉗連接有至少一對驅(qū)動絲，用于實現(xiàn)所述分離鉗的開合自由度； 所述驅(qū)動絲和預(yù)緊絲均為TiNi形狀記憶合金絲，所述驅(qū)動絲通過控制電線與控制系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述分離鉗的后端連接有四桿機(jī)構(gòu)和連桿，所述連桿連接有一對夾持驅(qū)動絲和一對張開驅(qū)動絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述腕式機(jī)構(gòu)包括三對預(yù)緊絲和三對驅(qū)動絲。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述末端墊片、中間墊片和固定墊片的外圈設(shè)有三對小孔，用于穿過三對驅(qū)動絲，內(nèi)圈設(shè)有三對小孔，用于穿過三對預(yù)緊絲，還另外設(shè)有三對小孔，用來穿過所述分離鉗的驅(qū)動絲和控制電線。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項所述的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述末端墊片、第一關(guān)節(jié)球、中間墊片、第二關(guān)節(jié)球和固定墊片的中部設(shè)有相通的通孔，用來穿過所述控制電線。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項所述的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述連接套設(shè)有兩個導(dǎo)向孔和三對斜孔，所述兩個導(dǎo)向孔用于穿過所述分離鉗的驅(qū)動絲，所述三對斜孔用于穿過并固定所述腕式機(jī)構(gòu)的預(yù)緊絲。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項所述的三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述操作桿為帶有中間通孔和多個邊緣通孔的細(xì)長桿，所述中間通孔用于穿過所述控制電線和有利于散熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三根形狀記憶合金絲驅(qū)動的腕式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括分離鉗、連接套、腕式機(jī)構(gòu)、操作桿，腕式機(jī)構(gòu)包括末端墊片、第一關(guān)節(jié)球、中間墊片、第二關(guān)節(jié)球、固定墊片，末端墊片通過連接套與分離鉗連接，底部墊片與操作桿連接；末端墊片與固定墊片之間連接有多對預(yù)緊絲和至少兩對驅(qū)動絲，分離鉗連接有至少一對驅(qū)動絲。驅(qū)動絲和預(yù)緊絲均為TiNi形狀記憶合金絲，通過電流加熱形狀記憶合金(SMA)絲驅(qū)動，解決了現(xiàn)有手術(shù)器械的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸和重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作空間和靈活性不夠等問題。
文檔編號A61B17/94GK102895025SQ201210329948
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者劉達(dá), 史震云, 馬晨 申請人:北京航空航天大學(xué)