本發(fā)明屬于多自由度微創(chuàng)手術(shù)操作臂領(lǐng)域，具體涉及一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂及制作方法。

背景技術(shù)：

隨著科學技術(shù)發(fā)展和人們對醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量要求的日益增長，微創(chuàng)手術(shù)作為臨床治療新模式正逐步獲得廣泛應(yīng)用。微創(chuàng)手術(shù)相對于傳統(tǒng)開放式手術(shù)具有創(chuàng)口小、出血少、疼痛輕、術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點，已經(jīng)成為醫(yī)療手術(shù)的主流方式。未來微創(chuàng)手術(shù)向著自然腔道和傷口更少、更小的方向發(fā)展。

目前微創(chuàng)手術(shù)操作臂多是直臂，具有較高的結(jié)構(gòu)剛性。然而，傳統(tǒng)機械式結(jié)構(gòu)使得這類手術(shù)臂的運動自由度少，即使通過多機械關(guān)節(jié)組合來實現(xiàn)多自由度，也會由于剛度不足帶來操作力難以施加到末端工具上、整體靈活度不高、運動空間不足等問題，這些問題直接導致了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)需要多至4到5個創(chuàng)口。同時，過多的機械結(jié)構(gòu)體裝配形成許多縫隙，易成為細菌和病垢的藏匿區(qū)，即使采用滅菌措施也很難徹底消毒。

因此，探索新的驅(qū)動和剛度調(diào)控機構(gòu)是未來的發(fā)展方向，如何制造出既有多自由度，又具有剛度可調(diào)性和生物安全性的微創(chuàng)手術(shù)操作臂是研究的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提出一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂及制作方法，該手術(shù)操作臂具有高度靈活的運動能力和剛度可變的特性，并且體積小、質(zhì)量輕，對人體剛性損傷少，氣路更少易于控制。

為了達到上述目的，一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂，包括若干節(jié)相同的氣動驅(qū)動器單元連接而成，氣動驅(qū)動器單元包括圓柱型驅(qū)動器，驅(qū)動器兩端連接有基座，驅(qū)動器包括外部的剛度調(diào)節(jié)層，剛度調(diào)節(jié)層內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動層，驅(qū)動層包括具有通孔的圓環(huán)柱形硅橡膠層，硅橡膠層上開設(shè)有若干腔體，硅橡膠層內(nèi)表面覆蓋有PDMS層，硅橡膠層外表面覆蓋有雙螺旋尼龍纖維，基座上設(shè)置有與腔體相對應(yīng)的氣孔，以及與剛度調(diào)節(jié)層相對應(yīng)的抽真空口。

所述剛度調(diào)節(jié)層包括在交錯固定在驅(qū)動層外壁上的環(huán)狀尼龍纖維束，環(huán)狀尼龍纖維束外側(cè)設(shè)置有硅橡膠薄膜，硅橡膠薄膜兩端分別與兩個基座連接，驅(qū)動層外壁與硅橡膠薄膜內(nèi)壁之間構(gòu)成密閉層，密封層連接抽真空口。

所述氣孔上設(shè)置有密封筋。

所述腔體為三個，等角度設(shè)置在硅橡膠層內(nèi)。

一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂的制作方法，包括以下步驟：

步驟一，根據(jù)所需尺寸，選取模具，模具包括中模、圓柱、薄壁件、底座、內(nèi)圓柱和外模；

步驟二，將中模固定在底座上，將三個薄壁件放置在中模內(nèi)部，圓柱放置在三個薄壁件內(nèi)，澆鑄液體硅橡膠后，置于真空干燥箱中固化；

步驟三，脫模后，在通孔中插入內(nèi)圓柱，將PDMS的主劑與固化劑按質(zhì)量比10:1均勻混合后倒入內(nèi)圓柱與硅橡膠層間，置于真空干燥箱中固化；

步驟四，脫模后，將尼龍纖維按雙螺旋的方式纏繞在硅橡膠層的外表面；

步驟五，將纏繞好尼龍纖維的驅(qū)動層放在外模內(nèi)，在縫隙中填充硅橡膠后，置于真空干燥箱中固化，脫模后通過粘接劑將基座固定在驅(qū)動層上，使氣孔密封腔體；

步驟六，將環(huán)狀尼龍纖維束自上而下交錯地粘貼在連接基座的驅(qū)動層外壁上，再用粘接劑將硅橡膠薄膜粘貼在兩端基座上，形成對剛度調(diào)節(jié)層的封裝，即完成氣動驅(qū)動器單元。

所述步驟六中，環(huán)狀尼龍纖維束的制作過程如下，將尼龍纖維平行排布，用粘接劑將尼龍纖維粘接成纖維束，將纖維束卷成環(huán)狀尼龍纖維束。

所述步驟二中，液體硅橡膠采用Dragon Skin 30，液體硅橡膠的A、B組分按體積比1:1均勻混合。

所述步驟三中，PDMS采用Dow Corning Sylgard 184。

所述步驟五中的硅橡膠和步驟六中的橡膠薄膜均采用A、B組分體積比1：1配置的Ecoflex0020。

所述粘接劑采用Sil-Poxy。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的裝置通過若干節(jié)相同的氣動驅(qū)動器單元連接而成，在使用時能夠改變所述驅(qū)動器的節(jié)數(shù)，得到不同長度的操作臂，以適應(yīng)不同微創(chuàng)手術(shù)背景。本裝置的氣動驅(qū)動器單元無機械結(jié)合面，采用整體封裝，無外露機械結(jié)構(gòu)體，為生物安全的抗菌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新思路，為醫(yī)療器械的多頻次低成本使用提供安全保證。制造操作臂所用的材料都是輕質(zhì)柔性材料，與柔軟的人體組織相適應(yīng)，能極大程度地減小剛性損傷。本裝置具有主動調(diào)控能力，靈活性好，運動范圍大，且尺寸小，適用于單孔微創(chuàng)手術(shù)，有效減少創(chuàng)口數(shù)量及尺寸。

進一步的，本發(fā)明的剛度調(diào)節(jié)層以纖維阻塞原理為基礎(chǔ)，利用尼龍纖維材料實現(xiàn)了傳統(tǒng)機械臂桿結(jié)構(gòu)難以做到的剛度調(diào)節(jié)功能。

本發(fā)明的制作方法能夠根據(jù)不同需求選擇不同的模具，通過澆鑄和固化制作氣動驅(qū)動器單元的半成品，再在半成品表面纏繞尼龍纖維，本方法提出了復(fù)合材料驅(qū)動層方案，對硅橡膠進行了各向異性改造，實現(xiàn)無機械關(guān)節(jié)的多自由度運動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元的示意圖；

圖2為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元的裝配示意圖；

圖3為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元正視圖；

圖4為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元的截面圖；

圖5為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元中驅(qū)動層示意圖；

圖6為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元中驅(qū)動層透視裝配示意圖；

圖7為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元中驅(qū)動層的正視圖；

圖8為本發(fā)明氣動驅(qū)動器單元中驅(qū)動層的截面圖；

圖9為本發(fā)明基座的透視示意圖；

圖10為本發(fā)明未封裝氣動驅(qū)動器單元的示意圖；

圖11為本發(fā)明所使用模具示意圖；

圖12為制造氣動驅(qū)動器單元過程中纏繞徑向束縛纖維示意圖；

圖13為制造氣動驅(qū)動器單元過程中粘接基座示意圖；

圖14為本發(fā)明制造環(huán)狀尼龍纖維束的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

參見圖1至14，一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂，包括若干節(jié)相同的氣動驅(qū)動器單元連接而成，氣動驅(qū)動器單元包括圓柱型驅(qū)動器，驅(qū)動器兩端連接有基座7，驅(qū)動器包括外部的剛度調(diào)節(jié)層2，剛度調(diào)節(jié)層2內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動層1，驅(qū)動層1包括具有通孔10的圓環(huán)柱形硅橡膠層3，硅橡膠層3上開設(shè)有若干腔體4，硅橡膠層3內(nèi)表面覆蓋有PDMS層5，硅橡膠層3外表面覆蓋有雙螺旋尼龍纖維6，基座7上設(shè)置有與腔體4相對應(yīng)的氣孔8，以及與剛度調(diào)節(jié)層2相對應(yīng)的抽真空口13，氣孔8上設(shè)置有密封筋9。

剛度調(diào)節(jié)層2包括在交錯固定在驅(qū)動層1外壁上的環(huán)狀尼龍纖維束11，環(huán)狀尼龍纖維束11外側(cè)設(shè)置有硅橡膠薄膜12，硅橡膠薄膜12兩端分別與兩個基座7連接，驅(qū)動層1外壁與硅橡膠薄膜12內(nèi)壁之間構(gòu)成密閉層，密封層連接抽真空口13。

優(yōu)選的，腔體4為三個，等角度設(shè)置在硅橡膠層3內(nèi)。

一種多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂的制作方法，包括以下步驟：

步驟一，根據(jù)所需尺寸，選取模具，模具包括中模14、圓柱15、薄壁件16、底座17、內(nèi)圓柱18和外模19，模具在商業(yè)三維造型軟件Catia(Dassault System)中設(shè)計，再將數(shù)據(jù)導入3D打印機(XJRP-SPS600B)中，激光頭在機械臂帶動下對液態(tài)光敏樹脂(DSM Somos14120)逐層掃描，最后得到實體樹脂模具；

步驟二，中模14的內(nèi)徑為19mm，圓柱15的直徑為12mm，將中模14固定在底座17上，將三個薄壁件16放置在中模14內(nèi)部，圓柱15放置在三個薄壁件16內(nèi)，澆鑄液體硅橡膠后，置于真空干燥箱中，在50℃下烘烤45分鐘固化；

步驟三，脫模后，在通孔10中插入內(nèi)圓柱18，內(nèi)圓柱18的直徑為10mm，將PDMS的主劑與固化劑按質(zhì)量比10:1均勻混合后倒入內(nèi)圓柱18與硅橡膠層3間，置于真空干燥箱中，在50℃下烘烤3小時固化；

步驟四，脫模后，將直徑為0.33mm的尼龍纖維6按雙螺旋的方式纏繞在硅橡膠層3的外表面；

步驟五，將纏繞好尼龍纖維6的驅(qū)動層放在外模19內(nèi)，外模內(nèi)徑為21mm，在縫隙中填充硅橡膠后，置于真空干燥箱中，在50℃下烘烤1.5小時固化，脫模后通過粘接劑20將基座7固定在驅(qū)動層1上，使氣孔8密封腔體4；

步驟六，將尼龍纖維21平行排布，用粘接劑20將尼龍纖維21粘接成“梳子”狀纖維束，將“梳子”狀纖維束卷成環(huán)狀尼龍纖維束11；

步驟七，將環(huán)狀尼龍纖維束11自上而下交錯地粘貼在連接基座7的驅(qū)動層1外壁上，再用粘接劑20將硅橡膠薄膜12粘貼在兩端基座7上，形成對剛度調(diào)節(jié)層2的封裝，即完成氣動驅(qū)動器單元。

優(yōu)選的，步驟二中，液體硅橡膠采用Dragon Skin 30，液體硅橡膠的A、B組分按體積比1:1均勻混合。步驟三中，PDMS采用Dow Corning Sylgard 184。步驟五中的硅橡膠和步驟六中的橡膠薄膜12均采用A、B組分體積比1：1配制的Ecoflex 0020。粘接劑20采用Sil-Poxy。

多自由度剛度可變氣動手術(shù)操作臂由一系列尺寸、結(jié)構(gòu)和功能完全相同的氣動驅(qū)動器單元連接而成，每節(jié)驅(qū)動器都能實現(xiàn)多自由度彎曲和剛度調(diào)控功能。驅(qū)動器具有雙層同心管狀的總體結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動層1和剛度調(diào)節(jié)層2組成，通過增加驅(qū)動層1內(nèi)部腔體4內(nèi)氣壓來實現(xiàn)指定方向彎曲；剛度調(diào)節(jié)功能則是通過抽真空的方式實現(xiàn)。

驅(qū)動層1中，在初始狀態(tài)，硅橡膠層3中的腔體4通過基座7上的氣孔8與外界聯(lián)通，腔體4內(nèi)氣壓與大氣壓相同，因此不產(chǎn)生變形；在驅(qū)動過程中，高壓氣體通過基座7上的氣孔8通入腔體4，硅橡膠材料具有各向同性且不可壓縮的特質(zhì)，剛度小處更易膨脹，由于硅橡膠層3壁厚小，故通入氣體的腔體4會沿徑向膨脹以及沿軸向伸長，由此產(chǎn)生彎曲變形。所述驅(qū)動層1中的PDMS材料由于硬度大、彈性差，復(fù)合在硅橡膠層3內(nèi)壁上，能有效阻止驅(qū)動時腔體4向內(nèi)部膨脹，使驅(qū)動器的中心圓形通孔10保持穩(wěn)定，在驅(qū)動變形過程中不干擾手術(shù)器械。所述復(fù)合在驅(qū)動層1外壁上的雙螺旋尼龍纖維6用于束縛腔體4向外膨脹，單向螺旋纏繞會造成驅(qū)動過程中驅(qū)動器的扭曲，雙向的螺旋纏繞能使產(chǎn)生的扭曲相互抵消。通過PDMS材料和尼龍纖維材料對硅橡膠層3的各向異性改造，能保證在驅(qū)動過程中，硅橡膠層3內(nèi)的腔體4不沿徑向膨脹，只沿軸向伸長。所述由硅橡膠材料、PDMS材料和尼龍纖維材料復(fù)合而成的管狀驅(qū)動層1，能很好地實現(xiàn)多自由度彎曲變形，在驅(qū)動過程中，驅(qū)動層1徑向尺寸保持穩(wěn)定。通過選擇性地向不同腔體4通入不同氣壓的氣體，根據(jù)腔體4及氣壓大小的搭配，驅(qū)動層1能夠完成各個方向、連續(xù)角度的彎曲變形。

剛度調(diào)節(jié)層2通過抽真空的方式調(diào)節(jié)剛度。當剛度調(diào)節(jié)層2與外界大氣相連通時，尼龍纖維束11間的摩擦力很小，驅(qū)動器處于“自由變形”或“軟”狀態(tài)；當對剛度調(diào)節(jié)層2進行抽真空操作時，外界大氣壓迅速將尼龍纖維束11緊緊壓在一起，形成纖維阻塞，此時纖維間的摩擦力大大提高，使得內(nèi)部的驅(qū)動層1無法沿軸向伸長或縮短，從而實現(xiàn)驅(qū)動器的“鎖定”或“硬”狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)所述剛度調(diào)節(jié)層2內(nèi)的真空度，可以連續(xù)地控制驅(qū)動器的剛度變化。

由驅(qū)動層1和剛度調(diào)節(jié)層2組成的驅(qū)動器，能實現(xiàn)多自由度彎曲和剛度調(diào)控功能。在使用過程中，將多節(jié)所述驅(qū)動器簡單串接成操作臂，可以選擇性地驅(qū)動某節(jié)驅(qū)動器往某方向彎曲，同時也可以選擇性地調(diào)控各節(jié)驅(qū)動器的剛度，從而實現(xiàn)操作臂整體的多自由度運動和剛度調(diào)節(jié)。