一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂及制作方法技術

本發明專利技術公開了一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂及制作方法，包括若干節相同的氣動驅動器單元連接而成。氣動驅動器單元包括圓柱型驅動器，驅動器兩端連接有基座，驅動器包括外部的剛度調節層，剛度調節層內部設置有驅動層。驅動層包括具有通孔的圓環柱形硅橡膠層，硅橡膠層上開設有若干腔體，硅橡膠層內表面覆蓋有PDMS層，硅橡膠層外表面覆蓋有雙螺旋尼龍纖維。基座上設置有與腔體相對應的氣孔，以及與剛度調節層相對應的抽真空口。所提出的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、質量輕，對人體剛性損傷少，氣路更少易于控制。

Multi freedom degree stiffness variable pneumatic operation arm and manufacturing method thereof

The invention discloses a multi degree of freedom variable pneumatic surgical operation arm and a manufacturing method thereof, comprising a plurality of same pneumatic actuator units connected together. The pneumatic actuator unit comprises a cylindrical type driver, wherein both ends of the driver are connected with a base, and the driver comprises an external rigidity regulating layer, and a driving layer is arranged inside the rigidity adjusting layer. The driving layer comprises a ring shaped columnar silicon rubber layer with a through hole, a plurality of cavity bodies are arranged on the silicone rubber layer, and the inner surface of the silicone rubber layer is covered with a PDMS layer, and the outer surface of the silicone rubber layer is covered with double spiral nylon fibers. The base is provided with a hole corresponding to the cavity, and the stiffness adjustment layer corresponding to the vacuum pumping. The proposed manipulator has the characteristics of high flexibility and variable stiffness, small size, light weight, less damage to the human body, less gas path and easy control.

【技術實現步驟摘要】
一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂及制作方法
本專利技術屬于多自由度微創手術操作臂領域，具體涉及一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂及制作方法。
技術介紹
隨著科學技術發展和人們對醫療服務質量要求的日益增長，微創手術作為臨床治療新模式正逐步獲得廣泛應用。微創手術相對于傳統開放式手術具有創口小、出血少、疼痛輕、術后恢復快等優點，已經成為醫療手術的主流方式。未來微創手術向著自然腔道和傷口更少、更小的方向發展。目前微創手術操作臂多是直臂，具有較高的結構剛性。然而，傳統機械式結構使得這類手術臂的運動自由度少，即使通過多機械關節組合來實現多自由度，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微創手術需要多至4到5個創口。同時，過多的機械結構體裝配形成許多縫隙，易成為細菌和病垢的藏匿區，即使采用滅菌措施也很難徹底消毒。因此，探索新的驅動和剛度調控機構是未來的發展方向，如何制造出既有多自由度，又具有剛度可調性和生物安全性的微創手術操作臂是研究的挑戰。
技術實現思路
本專利技術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操作臂及制作方法，該手術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操作臂，包括若干節相同的氣動驅動器單元連接而成，氣動驅動器單元包括圓柱型驅動器，驅動器兩端連接有基座，驅動器包括外部的剛度調節層，剛度調節層內部設置有驅動層，驅動層包括具有通孔的圓環柱形硅橡膠層，硅橡膠層上開設有若干腔體，硅橡膠層內表面覆蓋有PDMS層，硅橡膠層外表面覆蓋有雙螺旋尼龍纖維，基座上設置有與腔體相對應的氣孔，以及與剛度調節層相對應的抽真空口。所述剛度調節層包括在交錯固定在驅動層外壁上的環狀尼龍纖維束，環狀尼龍纖維束外側設置有硅橡膠薄膜，硅橡膠薄膜兩端分別與兩個基座連接，驅動層外壁與硅橡膠薄膜內壁之間構成密閉層，密封層連接抽真空口。所述氣孔上設置有密封筋。所述腔體為三個，等角度設置在硅橡膠層內。一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂的制作方法，包括以下步驟：步驟一，根據所需尺寸，選取模具，模具包括中模、圓柱、薄壁件、底座、內圓柱和外模；步驟二，將中模固定在底座上，將三個薄壁件放置在中模內部，圓柱放置在三個薄壁件內，澆鑄液體硅橡膠后，置于真空干燥箱中固化；步驟三，脫模后，在通孔中插入內圓柱，將PDMS的主劑與固化劑按質量比10:1均勻混合后倒入內圓柱與硅橡膠層間，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動層放在外模內，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動層上，使氣孔密封腔體；步驟六，將環狀尼龍纖維束自上而下交錯地粘貼在連接基座的驅動層外壁上，再用粘接劑將硅橡膠薄膜粘貼在兩端基座上，形成對剛度調節層的封裝，即完成氣動驅動器單元。所述步驟六中，環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，將纖維束卷成環狀尼龍纖維束。所述步驟二中，液體硅橡膠采用DragonSkin30，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DowCorningSylgard184。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。與現有技術相比，本專利技術的裝置通過若干節相同的氣動驅動器單元連接而成，在使用時能夠改變所述驅動器的節數，得到不同長度的操作臂，以適應不同微創手術背景。本裝置的氣動驅動器單元無機械結合面，采用整體封裝，無外露機械結構體，為生物安全的抗菌結構設計提供了新思路，為醫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柔性材料，與柔軟的人體組織相適應，能極大程度地減小剛性損傷。本裝置具有主動調控能力，靈活性好，運動范圍大，且尺寸小，適用于單孔微創手術，有效減少創口數量及尺寸。進一步的，本專利技術的剛度調節層以纖維阻塞原理為基礎，利用尼龍纖維材料實現了傳統機械臂桿結構難以做到的剛度調節功能。本專利技術的制作方法能夠根據不同需求選擇不同的模具，通過澆鑄和固化制作氣動驅動器單元的半成品，再在半成品表面纏繞尼龍纖維，本方法提出了復合材料驅動層方案，對硅橡膠進行了各向異性改造，實現無機械關節的多自由度運動。附圖說明圖1為本專利技術氣動驅動器單元的示意圖；圖2為本專利技術氣動驅動器單元的裝配示意圖；圖3為本專利技術氣動驅動器單元正視圖；圖4為本專利技術氣動驅動器單元的截面圖；圖5為本專利技術氣動驅動器單元中驅動層示意圖；圖6為本專利技術氣動驅動器單元中驅動層透視裝配示意圖；圖7為本專利技術氣動驅動器單元中驅動層的正視圖；圖8為本專利技術氣動驅動器單元中驅動層的截面圖；圖9為本專利技術基座的透視示意圖；圖10為本專利技術未封裝氣動驅動器單元的示意圖；圖11為本專利技術所使用模具示意圖；圖12為制造氣動驅動器單元過程中纏繞徑向束縛纖維示意圖；圖13為制造氣動驅動器單元過程中粘接基座示意圖；圖14為本專利技術制造環狀尼龍纖維束的示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。參見圖1至14，一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂，包括若干節相同的氣動驅動器單元連接而成，氣動驅動器單元包括圓柱型驅動器，驅動器兩端連接有基座7，驅動器包括外部的剛度調節層2，剛度調節層2內部設置有驅動層1，驅動層1包括具有通孔10的圓環柱形硅橡膠層3，硅橡膠層3上開設有若干腔體4，硅橡膠層3內表面覆蓋有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上設置有與腔體4相對應的氣孔8，以及與剛度調節層2相對應的抽真空口13，氣孔8上設置有密封筋9。剛度調節層2包括在交錯固定在驅動層1外壁上的環狀尼龍纖維束11，環狀尼龍纖維束11外側設置有硅橡膠薄膜12，硅橡膠薄膜12兩端分別與兩個基座7連接，驅動層1外壁與硅橡膠薄膜12內壁之間構成密閉層，密封層連接抽真空口13。優選的，腔體4為三個，等角度設置在硅橡膠層3內。一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂的制作方法，包括以下步驟：步驟一，根據所需尺寸，選取模具，模具包括中模14、圓柱15、薄壁件16、底座17、內圓柱18和外模19，模具在商業三維造型軟件Catia(DassaultSystem)中設計，再將數據導入3D打印機(XJRP-SPS600B)中，激光頭在機械臂帶動下對液態光敏樹脂(DSMSomos14120)逐層掃描，最后得到實體樹脂模具；步驟二，中模14的內徑為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內部，圓柱15放置在三個薄壁件16內，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中插入內圓柱18，內圓柱18的直徑為10mm，將PDMS的主劑與固化劑按質量比10:1均勻混合后倒入內圓柱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；步驟五本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂，其特征在于，包括若干節相同的氣動驅動器單元連接而成，氣動驅動器單元包括圓柱型驅動器，驅動器兩端連接有基座(7)，驅動器包括外部的剛度調節層(2)，剛度調節層(2)內部設置有驅動層(1)，驅動層(1)包括具有通孔(10)的圓環柱形硅橡膠層(3)，硅橡膠層(3)上開設有若干腔體(4)，硅橡膠層(3)內表面覆蓋有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)上設置有與腔體(4)相對應的氣孔(8)，以及與剛度調節層(2)相對應的抽真空口(13)。

【技術特征摘要】
1.一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂，其特征在于，包括若干節相同的氣動驅動器單元連接而成，氣動驅動器單元包括圓柱型驅動器，驅動器兩端連接有基座(7)，驅動器包括外部的剛度調節層(2)，剛度調節層(2)內部設置有驅動層(1)，驅動層(1)包括具有通孔(10)的圓環柱形硅橡膠層(3)，硅橡膠層(3)上開設有若干腔體(4)，硅橡膠層(3)內表面覆蓋有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)上設置有與腔體(4)相對應的氣孔(8)，以及與剛度調節層(2)相對應的抽真空口(13)。2.根據權利要求1所述的一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂，其特征在于，所述剛度調節層(2)包括在交錯固定在驅動層(1)外壁上的環狀尼龍纖維束(11)，環狀尼龍纖維束(11)外側設置有硅橡膠薄膜(12)，硅橡膠薄膜(12)兩端分別與兩個基座(7)連接，驅動層(1)外壁與硅橡膠薄膜(12)內壁之間構成密閉層，密封層連接抽真空口(13)。3.根據權利要求1所述的一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂，其特征在于，所述氣孔(8)上設置有密封筋(9)。4.根據權利要求1所述的一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂，其特征在于，所述腔體(4)為三個，等角度設置在硅橡膠層(3)內。5.權利要求1所述的一種多自由度剛度可變氣動手術操作臂的制作方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，根據所需尺寸，選取模具，模具包括中模(14)、圓柱(15)、薄壁件(16)、底座(17)、內圓柱(18)和外模(19)；步驟二，將中模(14)固定在底座(17)上，將三個薄壁件(16)放置在中模(14)內部，圓柱(15)放置在三個薄壁件(16)內，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(1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李滌塵，陳煜宇，羅盟，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61