CN113288440B - 一种基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人，包括机械臂及末端执行器，末端执行器包括连续体机构、手爪驱动机构、单自由度驱动机构、双自由度驱动机构，连续体机构、手爪驱动机构、单自由度驱动机构、双自由度驱动机构均设置在架体上，架体与机械臂相连。由上述技术方案可知，本发明具有结构紧凑、灵活度高、柔顺性强、控制精度高的优点，可针对人体的指定部位完成复杂的手术操作。

Description

一种基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人。

背景技术

微创手术机器人虽然已经发展几十年，但仍然存在很多问题需要解决，其中主要的难点在于末端柔性关节的结构设计，多段柔性关节串联的布置方式及解耦方法和柔索驱动的穿线方法。微创手术机器人末端的柔性关节主要有三种实现方式，离散型关节、连续型关节和同心管式关节。离散型关节的刚度高，但是灵活度差，并且由于加工工艺的限制无法做到很小的尺寸；同心管式关节可以做到极小的尺寸构型、但是由于其结构特殊使得驱动和控制方式较为困难；而连续型柔性关节具备灵活度高、尺寸小、驱动方式简单等特点，被广泛的用于微创手术器械中。连续型关节中又分为切口式关节、骨架式关节。骨架式关节由中间的弹性骨架和安装在上面的圆盘构成，弹性骨架起支撑作用，圆盘安装驱动丝。虽然骨架式连续体具有多个自由度，但是其轴向刚度差；而切口式连续体就很好的解决了这个问题，使得连续体机构在具有很好的灵活度时，也具有一定的刚度。

专利公开号为CN201811220895.4的专利公开了一种耳鼻颅底微创手术机器人及其操作方法，该专利虽然结构紧凑，但前端的关节采用离散型的机构，自由度少，灵活度低。专利公开号CN201610797612.7的专利公开了一种采用约束结构骨的柔性手术工具系统，该专利虽然具有多个自由度，但是内部的驱动线导向采用导管的方式导向，这会大大增加驱动线的摩擦力，使得控制精度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人，该手术机器人解决了现有手术器械灵活度低、控制精度差的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括机械臂及末端执行器，其特征在于：所述的末端执行器包括由单自由度连续体、双自由度连续体及手爪组成的连续体机构，还包括用于驱动手爪张开或闭合的手爪驱动机构、驱动单自由度连续体实现俯仰偏转的单自由度驱动机构、驱动双自由度连续体实现俯仰及左右偏转的双自由度驱动机构，所述的连续体机构、手爪驱动机构、单自由度驱动机构、双自由度驱动机构均设置在架体上，所述的架体与机械臂相连；

所述的单自由度驱动机构包括第一柔索及第一直线电机，第一直线电机对第一柔索进行牵引以实现单自由度连续体俯仰角度的偏转；所述双自由度驱动机构包括第二柔索、第三柔索、第二直线电机、第三直线电机，第二直线电机对第二柔索进行牵引以实现双自由度连续体俯仰角度的偏转，第三直线电机对第三柔索进行牵引以实现双自由度连续体左右角度的偏转，所述的手爪驱动机构包括第四柔索及第四直线电机，第四直线电机对第四柔索进行牵引以实现手爪的闭合，第四柔索复位时，手爪依靠自身弹性张开；

所述的架体包括依次布置且为同心结构的第一盘体、第二盘体、第三盘体、第四盘体和第五盘体，所述的第五盘体上设有与连续体机构相连的连杆，所述的连杆为空心杆，所述的架体还包括用于包裹第一盘体、第二盘体、第三盘体、第四盘体、第五盘体的壳体以及用于连接壳体与机械臂的支撑架；

所述的手爪包括手爪连接座与爪体，所述的手爪连接座与双自由度连续体的端部插接固定，所述的爪体由弹性材料制成，包括三组整体呈V型的脚爪，三组脚爪的一端均与手爪连接座固定，三组脚爪的另一端均与连接件相连，所述的连接件与第一柔索相连；

所述的手爪驱动机构包括固定在第一盘体上的第四直线电机、与第四直线电机输出端相连的柔索固定件、连接手爪与柔索固定件的第四柔索以及与第四柔索相配合的第四导向轮组，所述的第四导向轮组包括设置在第二盘体上的第二十二导向轮及第二十三导向轮，所述第四柔索的一端与柔索固定件相连，第四柔索的另一端依次绕经第二十三导向轮、第二十二导向轮后，再依次穿过连杆的内孔、连续体机构的内孔，最后与连接件相固定；

所述的单自由度驱动机构包括固定在第四盘体上的第一直线电机、与第一直线电机输出端相连的第一柔索牵引件、第一柔索、与第一柔索相配合的第一导向轮组以及第一预紧机构，所述的第一导向轮组包括固定在第五盘体上的第一导向轮及第二导向轮，还包括固定在第二盘体上的第三导向轮、第四导向轮、第五导向轮以及固定在第三盘体上的第六导向轮、第七导向轮，所述的第一预紧机构包括固定在第一盘体上的第一底座、与第一底座形成滑动配合的第一滑块、与第一滑块相连的第一力传感器、与第一力传感器相连的第一滑轮支架，所述的第五导向轮固定在第一滑轮支架上；

所述的第一柔索为两段式结构，包括柔索一和柔索二，其中：柔索一的一端与第一柔索牵引件的第一固定点连接，柔索一的另一端依次绕经第一导向轮、第二导向轮后，再依次穿过连杆的内孔、单自由度连续体上的第一通孔，最后与单自由度连续体的端部固定；柔索二的一端与第一柔索牵引件的第二固定点连接，柔索二的另一端依次绕经第三导向轮、第四导向轮、第五导向轮、第六导向轮、第七导向轮后，再依次穿过连杆的内孔、单自由度连续体上的第二通孔，最后与单自由度连续体的端部固定，所述的柔索一、柔索二与第一柔索牵引件形成闭环结构；

所述的双自由度驱动机构包括控制双自由度连续体实现俯仰偏转的第二直线电机、与第二直线电机输出端相连的第二柔索牵引件、第二柔索、与第二柔索相配合的第二导向轮组以及第二预紧机构，所述的第二直线电机固定在第四盘体上，所述的第二导向轮组包括固定在第五盘体上的第八导向轮和第九导向轮，还包括固定在第二盘体上的第十导向轮、第十一导向轮、第十二导向轮以及固定在第三盘体上的第十三导向轮、第十四导向轮，所述的第二预紧机构包括固定在第一盘体上的第二底座、与第二底座形成滑动配合的第二滑块、与第二滑块相连的第二力传感器、与第二力传感器相连的第二滑轮支架，所述的第十二导向轮固定在第二滑轮支架上；

所述的第二柔索为两段式结构，包括柔索三和柔索四，其中：柔索三的一端与第二柔索牵引件的第一固定点连接，柔索三的另一端依次绕经第八导向轮、第九导向轮后，再依次穿过连杆的内孔、单自由度连续体的内孔、中间连接件的第一孔、双自由度连续体的第三通孔，最后与双自由度连续体的端部固定；柔索四的一端与第二柔索牵引件上的第二固定点连接，柔索四的另一端依次绕经第十导向轮、第十一导向轮、第十二导向轮、第十三导向轮、第十四导向轮后，再依次穿过连杆的内孔、单自由度连续体的内孔、中间连接件的第三孔、双自由度连续体的第五通孔，最后与双自由度连续体的端部固定，所述的柔索三、柔索四与第二柔索牵引件形成闭环结构；

所述的双自由度驱动机构还包括控制双自由度连续体实现左右偏转的第三直线电机、与第三直线电机输出端相连的第三柔索牵引件、第三柔索、与第三柔索相配合的第三导向轮组以及第三预紧机构，所述的第三直线电机固定在第四盘体上，所述的第三导向轮组包括固定在第五盘体上的第十五导向轮和第十六导向轮，还包括固定在第二盘体上的第十七导向轮、第十八导向轮、第十九导向轮以及固定在第三盘体上的第二十导向轮、第二十一导向轮，所述的第三预紧机构包括固定在第一盘体上的第三底座、与第三底座形成滑动配合的第三滑块、与第三滑块相连的第三力传感器、与第三力传感器相连的第三滑轮支架，所述的第十九导向轮固定在第三滑轮支架上；

所述的第三柔索为两段式结构，包括柔索五和柔索六，其中：柔索五的一端与第三柔索牵引件的第一固定点连接，柔索五的另一端依次绕经第十五导向轮、第十六导向轮后，再依次穿过连杆的内孔、单自由度连续体的内孔、中间连接件的第二孔、双自由度连续体的第四通孔后与双自由度连续体的端部固定；柔索六的一端与第三柔索牵引件上的第二固定点连接，柔索六的另一端依次绕经第十七导向轮、第十八导向轮、第十九导向轮、第二十导向轮、第二十一导向轮后，再依次穿过连杆的内孔、单自由度连续体的内孔、中间连接件的第四孔、双自由度连续体的第六通孔，最后与双自由度连续体的端部固定，所述的柔索五、柔索六与第三柔索牵引件形成闭环结构。

所述的单自由度连续体为尼龙材料制成的切口式连续体，整体为管状结构，所述单自由度连续体的管壁沿其长度方向依次交错布置有第一切口及第二切口，所述的第一切口与第二切口间隔180°布置，所述的第一切口及第二切口均为垂直于管壁方向开设且均贯通管外壁和管内壁的三角形切口，所述单自由度连续体的管壁上还设有沿管壁长度方向贯穿设置的第一通孔和第二通孔，所述的第一通孔及第二通孔对称布置；

所述的双自由度连续体均为尼龙材料制成的切口式连续体，整体为管状结构，所述双自由度连续体的管壁沿其长度方向依次交错布置有第三切口、第四切口、第五切口及第六切口，所述的第三切口、第四切口、第五切口及第六切口间隔90°布置，所述的第三切口、第四切口、第五切口及第六切口均为垂直于管壁方向开设且均贯通管外壁和管内壁的三角形切口，所述双自由度连续体的管壁上还设有沿管壁长度方向贯穿设置的第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔，所述的第三通孔与第五通孔对称设置，第四通孔与第六通孔对称设置，且第三通孔与第四通孔之间间隔90°；

所述的单自由度连续体与双自由度连续体通过中间连接件串联；且双自由度连续体的直径小于单自由度连续体的直径，所述的中间连接件为中空管状结构，且中间连接件上设有与第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔位置相吻合的第一孔、第二孔、第三孔、第四孔。

所述第五盘体的左侧盘面固定有第一导向轮、第二导向轮、第八导向轮、第九导向轮、第十五导向轮和第十六导向轮，其中：第一导向轮、第八导向轮、第十五导向轮沿第五盘体的周向均匀固定在中心点的外围，第二导向轮、第九导向轮、第十六导向轮沿第五盘体的周向均匀固定在中心点的内围；

所述第四盘体的左侧盘面均匀固定有第一直线电机、第二直线电机、第三直线电机，所述第一直线电机的输出端与第一柔索牵引件相连，所述第二直线电机的输出端与第二柔索牵引件相连，所述第三直线电机的输出端与第三柔索牵引件相连，所述的第一柔索牵引件、第二柔索牵引件以及第三柔索牵引件均位于第四盘体与第五盘体之间，且第一柔索牵引件、第二柔索牵引件以及第三柔索牵引件上分别设有两个柔索固定点；

所述第三盘体的左侧盘面固定有第六导向轮、第七导向轮、第十三导向轮、第十四导向轮、第二十导向轮、第二十一导向轮，其中：第六导向轮、第十三导向轮、第二十导向轮沿第三盘体的周向均匀固定在中心点的外围，第七导向轮、第十四导向轮、第二十一导向轮沿第三盘体的周向均匀固定在中心点的内围；

所述第一盘体的左侧盘面固定有第四直线电机，所述第一盘体的右侧盘面均匀固定有第一预紧机构、第二预紧机构和第三预紧机构，所述第二盘体的右侧盘面固定有第二十二导向轮、第二十三导向轮，所述的第二十二导向轮位于第二盘体的中心处，所述的第二十三导向轮位于第二十二导向轮的旁侧；所述第二盘体的左侧盘面上固定有第三导向轮、第四导向轮、第五导向轮、第十导向轮、第十一导向轮、第十二导向轮、第十七导向轮、第十八导向轮、第十九导向轮。

由上述技术方案可知，本发明通过第一直线电机牵引第一柔索移动，使单自由度连续体可以实现俯仰角度的偏转；通过第二直线电机牵引第二柔索、第三直线电机牵引第三柔索移动，使双自由度连续体可以实现俯仰角度和左右角度的偏转，连续体机构的弯曲可以使末端的手爪获得相应的位姿，且一个自由度仅由一个直线电机控制。本发明具有结构紧凑、灵活度高、柔顺性强、控制精度高的优点，可针对人体的指定部位完成复杂的手术操作。

附图说明

图1是本发明末端执行器的整体结构示意图；

图2是本发明末端执行器的分解结构示意图；

图3是本发明架体的分解结构示意图；

图4是图3的A部放大图；

图5是图3的B部放大图；

图6是本发明的末端执行器去除架体后的内部结构示意图；

图7是本发明单自由度驱动机构的结构示意图；

图8是本发明双自由度驱动机构的结构示意图；

图9是本发明连续体机构的结构示意图；

图10是图9的C部放大图；

图11是本发明手爪的结构示意图；

图12是本发明手爪驱动机构的结构示意图；

图13是本发明第一盘体的结构示意图；

图14是本发明第五盘体的结构示意图；

图15是本发明第二盘体的结构示意图；

图16是本发明的使用状态图一；

图17是本发明的使用状态图二；

图18是本发明的使用状态图三。

上述附图中的标记为：连续体机构1、单自由度连续体11、第一切口111、第二切口112、第一通孔113、第二通孔114、双自由度连续体12、第三切口121、第四切口122、第五切口123、第六切口124、手爪13、手爪连接座131、爪体132、连接件133、中间连接件14、第四柔索21、第四直线电机22、柔索固定件23、第二十二导向轮241、第二十三导向轮242、柔索一311、柔索二312、第一直线电机32、第一柔索牵引件33、第一导向轮341、第二导向轮342、第三导向轮343、第四导向轮344、第五导向轮345、第六导向轮346、第七导向轮347、第一预紧机构35、第一底座351、第一滑块352、第一力传感器353、第一滑轮支架354、柔索三411、柔索四412、第二直线电机42、第二柔索牵引件43、第八导向轮441、第九导向轮442、第十导向轮443、第十一导向轮444、第十二导向轮445、第十三导向轮446、第十四导向轮447、第二预紧机构45、柔索五461、柔索六462、第三直线电机47、第三柔索牵引件48、第十五导向轮491、第十六导向轮492、第十七导向轮493、第十八导向轮494、第十九导向轮495、第二十导向轮496、第二十一导向轮497、第三预紧机构50、架体5、第一盘体51、第二盘体52、第三盘体53、第四盘体54、第五盘体55、连杆56、壳体57、支撑架58、末端执行器100、机械臂200。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、图2、图6所示的一种基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人，包括机械臂200及末端执行器100，末端执行器100包括由单自由度连续体11、双自由度连续体12及手爪13组成的连续体机构1，还包括用于驱动手爪13张开或闭合的手爪驱动机构、驱动单自由度连续体11实现俯仰偏转的单自由度驱动机构、驱动双自由度连续体12实现俯仰及左右偏转的双自由度驱动机构，连续体机构1、手爪驱动机构、单自由度驱动机构、双自由度驱动机构均设置在架体5上，架体5与机械臂200相连。手爪驱动机构、单自由度驱动机构、双自由度驱动机构均分别通过直线电机牵引柔索来驱动连续体机构1运动，连续体机构1通过自身的弯曲运动，使手爪13到达指定位姿，如图16、图17、图18所示。

进一步的，如图4所示，单自由度连续体11为尼龙材料制成的切口式连续体，整体为管状结构，单自由度连续体11的管壁沿其长度方向依次交错布置有第一切口111及第二切口112，第一切口111与第二切口112间隔180°布置，第一切口111及第二切口112均为垂直于管壁方向开设且均贯通管外壁和管内壁的三角形切口，单自由度连续体11的管壁上还设有沿管壁长度方向贯穿设置的第一通孔113和第二通孔114，第一通孔113及第二通孔114对称布置。

如图5所示，双自由度连续体12均为尼龙材料制成的切口式连续体，整体为管状结构，双自由度连续体12的管壁沿其长度方向依次交错布置有第三切口121、第四切口122、第五切口123及第六切口124，第三切口121、第四切口122、第五切口123及第六切口124间隔90°布置，第三切口121、第四切口122、第五切口123及第六切口124均为垂直于管壁方向开设且均贯通管外壁和管内壁的三角形切口，双自由度连续体12的管壁上还设有沿管壁长度方向贯穿设置的第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔，第三通孔与第五通孔对称设置，第四通孔与第六通孔对称设置，且第三通孔与第四通孔之间间隔90°。

如图9所示，单自由度连续体11与双自由度连续体12通过中间连接件14串联；且双自由度连续体12的直径小于单自由度连续体11的直径，中间连接件14为中空管状结构，且中间连接件14上设有与第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔位置相吻合的第一孔、第二孔、第三孔、第四孔。

进一步的，如图7、图10所示，单自由度驱动机构包括第一柔索及第一直线电机32，第一直线电机32对第一柔索进行牵引以实现单自由度连续体11俯仰角度的偏转。

具体的，单自由度驱动机构包括固定在第四盘体54上的第一直线电机32、与第一直线电机32输出端相连的第一柔索牵引件33、第一柔索、与第一柔索相配合的第一导向轮组以及第一预紧机构35。

第一导向轮组包括固定在第五盘体55上的第一导向轮341及第二导向轮342，还包括固定在第二盘体52上的第三导向轮343、第四导向轮344、第五导向轮345以及固定在第三盘体53上的第六导向轮346、第七导向轮347。第一导向轮组主要起第一柔索的导向作用，且可以极大地减小传动过程中的摩擦力。

第一预紧机构35包括固定在第一盘体51上的第一底座351、与第一底座351形成滑动配合的第一滑块352、与第一滑块352相连的第一力传感器353、与第一力传感器相连353的第一滑轮支架354，第五导向轮345固定在第一滑轮支架354上。第一预紧机构35主要通过自身的相对滑动来拉紧第一柔索，给第一柔索提供一个初始预紧力，使第一柔索处于张紧状态。

第一柔索为两段式结构，包括柔索一311和柔索二312，其中：柔索一311的一端与第一柔索牵引件33的第一固定点连接，柔索一311的另一端依次绕经第一导向轮341、第二导向轮342后，再依次穿过连杆56的内孔、单自由度连续体11上的第一通孔113，最后与单自由度连续体11的端部固定；柔索二312的一端与第一柔索牵引件33的第二固定点连接，柔索二312的另一端依次绕经第三导向轮343、第四导向轮344、第五导向轮345、第六导向轮346、第七导向轮347后，再依次穿过连杆56的内孔、单自由度连续体11上的第二通孔114，最后与单自由度连续体11的端部固定，柔索一311、柔索二312与第一柔索牵引件33形成闭环结构。

单自由度连续体的动作原理：

第一直线电机32的伸缩带动第一柔索牵引件33移动，这时柔索一311和柔索二312中的一根涨紧，一根松弛，单自由度连续体11向一边弯曲，整体形成闭环驱动。

进一步的，如图8、图10所示，双自由度驱动机构包括第二柔索、第三柔索、第二直线电机42、第三直线电机47，第二直线电机42对第二柔索进行牵引以实现双自由度连续体12俯仰角度的偏转，第三直线电机47对第三柔索进行牵引以实现双自由度连续体12左右角度的偏转。

第二柔索为两段式结构，包括柔索三411和柔索四412，其中：柔索三411的一端与第二柔索牵引件43的第一固定点连接，柔索三411的另一端依次绕经第八导向轮441、第九导向轮442后，再依次穿过连杆56的内孔、单自由度连续体11的内孔、中间连接件14的第一孔、双自由度连续体12的第三通孔，最后与双自由度连续体12的端部固定；柔索四412的一端与第二柔索牵引件43上的第二固定点连接，柔索四412的另一端依次绕经第十导向轮443、第十一导向轮444、第十二导向轮445、第十三导向轮446、第十四导向轮447后，再依次穿过连杆56的内孔、单自由度连续体11的内孔、中间连接件14的第三孔、双自由度连续体11的第五通孔，最后与双自由度连续体12的端部固定，柔索三411、柔索四412与第二柔索牵引件43形成闭环结构。

具体的，双自由度驱动机构包括控制双自由度连续体12实现俯仰偏转的第二直线电机42、与第二直线电机42输出端相连的第二柔索牵引件43、第二柔索、与第二柔索相配合的第二导向轮组以及第二预紧机构45，第二直线电机42固定在第四盘体54上。

第二导向轮组包括固定在第五盘体55上的第八导向轮441和第九导向轮442，还包括固定在第二盘体52上的第十导向轮443、第十一导向轮444、第十二导向轮445以及固定在第三盘体53上的第十三导向轮446、第十四导向轮447。

第二预紧机构45包括固定在第一盘体51上的第二底座、与第二底座形成滑动配合的第二滑块、与第二滑块相连的第二力传感器、与第二力传感器相连的第二滑轮支架，第十二导向轮445固定在第二滑轮支架上。

具体的，双自由度驱动机构还包括控制双自由度连续体12实现左右偏转的第三直线电机47、与第三直线电机输出端相连的第三柔索牵引件48、第三柔索、与第三柔索相配合的第三导向轮组以及第三预紧机构50，第三直线电机47固定在第四盘体54上。

第三导向轮组包括固定在第五盘体55上的第十五导向轮491和第十六导向轮492，还包括固定在第二盘体52上的第十七导向轮493、第十八导向轮494、第十九导向轮495以及固定在第三盘体53上的第二十导向轮496、第二十一导向轮497。

第三预紧机构50包括固定在第一盘体51上的第三底座、与第三底座形成滑动配合的第三滑块、与第三滑块相连的第三力传感器、与第三力传感器相连的第三滑轮支架，第十九导向轮495固定在第三滑轮支架上。第三预紧机构50与第二预紧机构45、第一预紧机构35的结构相同，作用相同，在此不再赘述。

第三柔索为两段式结构，包括柔索五461和柔索六462，其中：柔索五461的一端与第三柔索牵引件48的第一固定点连接，柔索五461的另一端依次绕经第十五导向轮491、第十六导向轮492后，再依次穿过连杆56的内孔、单自由度连续体11的内孔、中间连接件14的第二孔、双自由度连续体12的第四通孔后与双自由度连续体12的端部固定；柔索六462的一端与第三柔索牵引件48上的第二固定点连接，柔索六462的另一端依次绕经第十七导向轮493、第十八导向轮494、第十九导向轮495、第二十导向轮496、第二十一导向轮497后，再依次穿过连杆56的内孔、单自由度连续体11的内孔、中间连接件14的第四孔、双自由度连续体12的第六通孔，最后与双自由度连续体12的端部固定，柔索五461、柔索六462与第三柔索牵引件48形成闭环结构。

双自由度连续体的动作原理与单自由度连续体的动作原理相同，只不过双自由度连续体由两组电机分别驱动形成二个方向的弯曲运动。

进一步的，手爪驱动机构包括第四柔索21及第四直线电机22，第四直线电机22对第四柔索21进行牵引以实现手爪13的闭合，第四柔索21复位时，手爪13依靠自身弹性张开。

具体的，如图11所示，手爪13包括手爪连接座131与爪体132，手爪连接座131与双自由度连续体12的端部插接固定，爪体132由弹性材料制成，包括三组整体呈V型的脚爪，三组脚爪的一端均与手爪连接座131固定，三组脚爪的另一端均与连接件133相连，连接件133与第四柔索21相连。

如图12所示，手爪驱动机构包括固定在第一盘体51上的第四直线电机22、与第四直线电机22输出端相连的柔索固定件23、连接手爪13与柔索固定件23的第四柔索21以及与第四柔索21相配合的第四导向轮组，第四导向轮组包括设置在第二盘体52上的第二十二导向轮241及第二十三导向轮242，第四柔索21的一端与柔索固定件23相连，第四柔索21的另一端依次绕经第二十三导向轮242、第二十二导向轮241后，再依次穿过连杆56的内孔、连续体机构1的内孔，最后与连接件133相固定。

手爪开合的工作原理：

1、手爪闭合：第四直线电机22动作，驱使与之相连的柔索固定件23向远离手爪的方向运动，这时第四柔索21同步运动，并带动与第四柔索21相连的连接件133运动，使爪体132闭合。

2、手爪张开：第四柔索21复位，爪体132由于自身的弹性张开。

进一步的，如图3所示，架体5包括依次布置且为同心结构的第一盘体51、第二盘体52、第三盘体53、第四盘体54和第五盘体55，第五盘体55上设有与连续体机构1相连的连杆56，连杆56为空心杆，架体5还包括用于包裹第一盘体51、第二盘体52、第三盘体53、第四盘体54、第五盘体55的壳体57以及用于连接壳体57与机械臂200的支撑架58。

具体的，第五盘体55的左侧盘面固定有第一导向轮341、第二导向轮342、第八导向轮441、第九导向轮442、第十五导向轮491和第十六导向轮492，其中：第一导向轮341、第八导向轮441、第十五导向轮491沿第五盘体55的周向均匀固定在中心点的外围，第二导向轮342、第九导向轮442、第十六导向轮492沿第五盘体55的周向均匀固定在中心点的内围。

第四盘体54的左侧盘面均匀固定有第一直线电机32、第二直线电机42、第三直线电机47，第一直线电机32的输出端与第一柔索牵引件33相连，第二直线电机42的输出端与第二柔索牵引件43相连，第三直线电机47的输出端与第三柔索牵引件48相连，第一柔索牵引件33、第二柔索牵引件43以及第三柔索牵引件48均位于第四盘体54与第五盘体55之间，且第一柔索牵引件33、第二柔索牵引件43以及第三柔索牵引件48上分别设有两个柔索固定点。

第三盘体53的左侧盘面固定有第六导向轮346、第七导向轮347、第十三导向轮446、第十四导向轮447、第二十导向轮496、第二十一导向轮497，其中：第六导向轮346、第十三导向轮446、第二十导向轮496沿第三盘体53的周向均匀固定在中心点的外围，第七导向轮347、第十四导向轮447、第二十一导向轮497沿第三盘体53的周向均匀固定在中心点的内围。

第一盘体51的左侧盘面固定有第四直线电机22，第一盘体51的右侧盘面均匀固定有第一预紧机构35、第二预紧机构45和第三预紧机构50，第二盘体52的右侧盘面固定有第二十二导向轮241、第二十三导向轮242，第二十二导向轮241位于第二盘体52的中心处，第二十三导向轮242位于第二十二导向轮241的旁侧；第二盘体52的左侧盘面上固定有第三导向轮343、第四导向轮344、第五导向轮345、第十导向轮443、第十一导向轮444、第十二导向轮445、第十七导向轮493、第十八导向轮494、第十九导向轮495。

本发明的有益效果为：

1、本发明的连续体机构采用单自由度连续体和双自由度连续体串联布置的方式，这样的布置方式使得末端执行机构具有三个自由度，提高了手术机器人的灵活度和工作空间。

2、本发明采用的是直线电机闭环驱动的方式，可以实现一个自由度运动仅由一台直线电机控制实现。该驱动方式不仅减少了直线电机的使用数量，而且避免使用了旋转电机加滚珠丝杠等复杂结构，具有结构简单、紧凑的优点。

3、本发明末端的手爪由弹性材料加工而成，无需回弹机构，只通过柔索牵引即可实现张开与闭合。

4、本发明的各导向轮组均采用了V型槽轴承，极大的降低了驱动系统的摩擦力，使本发明具有很好的控制精度。

5、本发明的连续体机构采用了切口式连续体结构，这种结构可以使得连续体在具有良好柔性的同时，也具有一定的刚度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人，包括机械臂(200)及末端执行器(100)，其特征在于：所述的末端执行器(100)包括由单自由度连续体(11)、双自由度连续体(12)及手爪(13)组成的连续体机构(1)，还包括用于驱动手爪(13)张开或闭合的手爪驱动机构、驱动单自由度连续体(11)实现俯仰偏转的单自由度驱动机构、驱动双自由度连续体(12)实现俯仰及左右偏转的双自由度驱动机构，所述的连续体机构(1)、手爪驱动机构、单自由度驱动机构、双自由度驱动机构均设置在架体(5)上，所述的架体(5)与机械臂(200)相连；

所述的单自由度驱动机构包括第一柔索及第一直线电机(32)，第一直线电机(32)对第一柔索进行牵引以实现单自由度连续体(11)俯仰角度的偏转；所述双自由度驱动机构包括第二柔索、第三柔索、第二直线电机(42)、第三直线电机(47)，第二直线电机(42)对第二柔索进行牵引以实现双自由度连续体(12)俯仰角度的偏转，第三直线电机(47)对第三柔索进行牵引以实现双自由度连续体(12)左右角度的偏转，所述的手爪驱动机构包括第四柔索(21)及第四直线电机(22)，第四直线电机(22)对第四柔索(21)进行牵引以实现手爪(13)的闭合，第四柔索(21)复位时，手爪(13)依靠自身弹性张开；

所述的架体(5)包括依次布置且为同心结构的第一盘体(51)、第二盘体(52)、第三盘体(53)、第四盘体(54)和第五盘体(55)，所述的第五盘体(55)上设有与连续体机构(1)相连的连杆(56)，所述的连杆(56)为空心杆，所述的架体(5)还包括用于包裹第一盘体(51)、第二盘体(52)、第三盘体(53)、第四盘体(54)、第五盘体(55)的壳体(57)以及用于连接壳体(57)与机械臂(200)的支撑架(58)；

所述的手爪(13)包括手爪连接座(131)与爪体(132)，所述的手爪连接座(131)与双自由度连续体(12)的端部插接固定，所述的爪体(132)由弹性材料制成，包括三组整体呈V型的脚爪，三组脚爪的一端均与手爪连接座(131)固定，三组脚爪的另一端均与连接件(133)相连，所述的连接件(133)与第四柔索(21)相连；

所述的手爪驱动机构包括固定在第一盘体(51)上的第四直线电机(22)、与第四直线电机(22)输出端相连的柔索固定件(23)、连接手爪(13)与柔索固定件(23)的第四柔索(21)以及与第四柔索(21)相配合的第四导向轮组，所述的第四导向轮组包括设置在第二盘体(52)上的第二十二导向轮(241)及第二十三导向轮(242)，所述第四柔索(21)的一端与柔索固定件(23)相连，第四柔索(21)的另一端依次绕经第二十三导向轮(242)、第二十二导向轮(241)后，再依次穿过连杆(56)的内孔、连续体机构(1)的内孔，最后与连接件(133)相固定；

所述的单自由度驱动机构包括固定在第四盘体(54)上的第一直线电机(32)、与第一直线电机(32)输出端相连的第一柔索牵引件(33)、第一柔索、与第一柔索相配合的第一导向轮组以及第一预紧机构(35)，所述的第一导向轮组包括固定在第五盘体(55)上的第一导向轮(341)及第二导向轮(342)，还包括固定在第二盘体(52)上的第三导向轮(343)、第四导向轮(344)、第五导向轮(345)以及固定在第三盘体(53)上的第六导向轮(346)、第七导向轮(347)，所述的第一预紧机构(35)包括固定在第一盘体(51)上的第一底座(351)、与第一底座(351)形成滑动配合的第一滑块(352)、与第一滑块(352)相连的第一力传感器(353)、与第一力传感器(353) 相连的第一滑轮支架(354)，所述的第五导向轮(345)固定在第一滑轮支架(354)上；

所述的第一柔索为两段式结构，包括柔索一(311)和柔索二(312)，其中：柔索一(311)的一端与第一柔索牵引件(33)的第一固定点连接，柔索一(311)的另一端依次绕经第一导向轮(341)、第二导向轮(342)后，再依次穿过连杆(56)的内孔、单自由度连续体(11)上的第一通孔(113)，最后与单自由度连续体(11)的端部固定；柔索二(312)的一端与第一柔索牵引件(33)的第二固定点连接，柔索二(312)的另一端依次绕经第三导向轮(343)、第四导向轮(344)、第五导向轮(345)、第六导向轮(346)、第七导向轮(347)后，再依次穿过连杆(56)的内孔、单自由度连续体(11)上的第二通孔(114)，最后与单自由度连续体(11)的端部固定，所述的柔索一(311)、柔索二(312)与第一柔索牵引件(33)形成闭环结构；

所述的双自由度驱动机构包括控制双自由度连续体(12)实现俯仰偏转的第二直线电机(42)、与第二直线电机(42)输出端相连的第二柔索牵引件(43)、第二柔索、与第二柔索相配合的第二导向轮组以及第二预紧机构(45)，所述的第二直线电机(42)固定在第四盘体(54)上，所述的第二导向轮组包括固定在第五盘体(55)上的第八导向轮(441)和第九导向轮(442)，还包括固定在第二盘体(52)上的第十导向轮(443)、第十一导向轮(444)、第十二导向轮(445)以及固定在第三盘体(53)上的第十三导向轮(446)、第十四导向轮(447)，所述的第二预紧机构(45)包括固定在第一盘体(51)上的第二底座、与第二底座形成滑动配合的第二滑块、与第二滑块相连的第二力传感器、与第二力传感器相连的第二滑轮支架，所述的第十二导向轮(445)固定在第二滑轮支架上；

所述的第二柔索为两段式结构，包括柔索三(411)和柔索四(412)，其中：柔索三(411)的一端与第二柔索牵引件(43)的第一固定点连接，柔索三(411)的另一端依次绕经第八导向轮(441)、第九导向轮(442)后，再依次穿过连杆(56)的内孔、单自由度连续体(11)的内孔、中间连接件(14)的第一孔、双自由度连续体(12)的第三通孔，最后与双自由度连续体(12)的端部固定；柔索四(412)的一端与第二柔索牵引件(43)上的第二固定点连接，柔索四(412)的另一端依次绕经第十导向轮(443)、第十一导向轮(444)、第十二导向轮(445)、第十三导向轮(446)、第十四导向轮(447)后，再依次穿过连杆(56)的内孔、单自由度连续体(11)的内孔、中间连接件(14)的第三孔、双自由度连续体(11)的第五通孔，最后与双自由度连续体(12)的端部固定，所述的柔索三(411)、柔索四(412)与第二柔索牵引件(43)形成闭环结构；

所述的双自由度驱动机构还包括控制双自由度连续体(12)实现左右偏转的第三直线电机(47)、与第三直线电机输出端相连的第三柔索牵引件(48)、第三柔索、与第三柔索相配合的第三导向轮组以及第三预紧机构(50)，所述的第三直线电机(47)固定在第四盘体(54)上，所述的第三导向轮组包括固定在第五盘体(55)上的第十五导向轮(491)和第十六导向轮(492)，还包括固定在第二盘体(52)上的第十七导向轮(493)、第十八导向轮(494)、第十九导向轮(495)以及固定在第三盘体(53)上的第二十导向轮(496)、第二十一导向轮(497)，所述的第三预紧机构(50)包括固定在第一盘体(51)上的第三底座、与第三底座形成滑动配合的第三滑块、与第三滑块相连的第三力传感器、与第三力传感器相连的第三滑轮支架，所述的第十九导向轮(495)固定在第三滑轮支架上；

所述的第三柔索为两段式结构，包括柔索五(461)和柔索六(462)，其中：柔索五(461)的一端与第三柔索牵引件(48)的第一固定点连接，柔索五(461)的另一端依次绕经第十五导向轮(491)、第十六导向轮(492)后，再依次穿过连杆(56)的内孔、单自由度连续体(11)的内孔、中间连接件(14)的第二孔、双自由度连续体(12)的第四通孔后与双自由度连续体(12)的端部固定；柔索六(462)的一端与第三柔索牵引件(48)上的第二固定点连接，柔索六(462)的另一端依次绕经第十七导向轮(493)、第十八导向轮(494)、第十九导向轮(495)、第二十导向轮(496)、第二十一导向轮(497)后，再依次穿过连杆(56)的内孔、单自由度连续体(11)的内孔、中间连接件(14)的第四孔、双自由度连续体(12)的第六通孔，最后与双自由度连续体(12)的端部固定，所述的柔索五(461)、柔索六(462)与第三柔索牵引件(48)形成闭环结构。

2.根据权利要求1所述的基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人，其特征在于：所述的单自由度连续体(11)为尼龙材料制成的切口式连续体，整体为管状结构，所述单自由度连续体(11)的管壁沿其长度方向依次交错布置有第一切口(111)及第二切口(112)，所述的第一切口(111)与第二切口(112)间隔180°布置，所述的第一切口(111)及第二切口(112)均为垂直于管壁方向开设且均贯通管外壁和管内壁的三角形切口，所述单自由度连续体(11)的管壁上还设有沿管壁长度方向贯穿设置的第一通孔(113)和第二通孔(114)，所述的第一通孔(113)及第二通孔(114)对称布置；

所述的双自由度连续体(12)均为尼龙材料制成的切口式连续体，整体为管状结构，所述双自由度连续体(12)的管壁沿其长度方向依次交错布置有第三切口(121)、第四切口(122)、第五切口(123)及第六切口(124)，所述的第三切口(121)、第四切口(122)、第五切口(123)及第六切口(124)间隔90°布置，所述的第三切口(121)、第四切口(122)、第五切口(123)及第六切口(124)均为垂直于管壁方向开设且均贯通管外壁和管内壁的三角形切口，所述双自由度连续体(12)的管壁上还设有沿管壁长度方向贯穿设置的第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔，所述的第三通孔与第五通孔对称设置，第四通孔与第六通孔对称设置，且第三通孔与第四通孔之间间隔90°；

所述的单自由度连续体(11)与双自由度连续体(12)通过中间连接件(14)串联；且双自由度连续体(12)的直径小于单自由度连续体(11)的直径，所述的中间连接件(14)为中空管状结构，且中间连接件(14)上设有与第三通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔位置相吻合的第一孔、第二孔、第三孔、第四孔。

3.根据权利要求1所述的基于多分段连续体串联结构的微创介入手术机器人，其特征在于：所述第五盘体(55)的左侧盘面固定有第一导向轮(341)、第二导向轮(342)、第八导向轮(441)、第九导向轮(442)、第十五导向轮(491)和第十六导向轮(492)，其中：第一导向轮(341)、第八导向轮(441)、第十五导向轮(491)沿第五盘体(55)的周向均匀固定在中心点的外围，第二导向轮(342)、第九导向轮(442)、第十六导向轮(492)沿第五盘体(55)的周向均匀固定在中心点的内围；

所述第四盘体(54)的左侧盘面均匀固定有第一直线电机(32)、第二直线电机(42)、第三直线电机(47)，所述第一直线电机(32)的输出端与第一柔索牵引件(33)相连，所述第二直线电机(42)的输出端与第二柔索牵引件(43)相连，所述第三直线电机(47)的输出端与第三柔索牵引件(48)相连，所述的第一柔索牵引件(33)、第二柔索牵引件(43)以及第三柔索牵引件(48)均位于第四盘体(54)与第五盘体(55)之间，且第一柔索牵引件(33)、第二柔索牵引件(43)以及第三柔索牵引件(48)上分别设有两个柔索固定点；

所述第三盘体(53)的左侧盘面固定有第六导向轮(346)、第七导向轮(347)、第十三导向轮(446)、第十四导向轮(447)、第二十导向轮(496)、第二十一导向轮(497)，其中：第六导向轮(346)、第十三导向轮(446)、第二十导向轮(496)沿第三盘体(53)的周向均匀固定在中心点的外围，第七导向轮(347)、第十四导向轮(447)、第二十一导向轮(497)沿第三盘体(53)的周向均匀固定在中心点的内围；

所述第一盘体(51)的左侧盘面固定有第四直线电机(22)，所述第一盘体(51)的右侧盘面均匀固定有第一预紧机构(35)、第二预紧机构(45)和第三预紧机构(50)，所述第二盘体(52)的右侧盘面固定有第二十二导向轮(241)、第二十三导向轮(242)，所述的第二十二导向轮(241)位于第二盘体(52)的中心处，所述的第二十三导向轮(242)位于第二十二导向轮(241)的旁侧；所述第二盘体(52)的左侧盘面上固定有第三导向轮(343)、第四导向轮(344)、第五导向轮(345)、第十导向轮(443)、第十一导向轮(444)、第十二导向轮(445)、第十七导向轮(493)、第十八导向轮(494)、第十九导向轮(495)。

Images