混合驅(qū)動的柔性微創(chuàng)手術(shù)操作臂及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微創(chuàng)手術(shù)器械及制造，特別涉及一種用智能材料(介電彈性體DE)制備驅(qū)動器單元并結(jié)合以Jamming(阻塞)原理設(shè)計的剛度調(diào)節(jié)外套的組裝方法來制造的微創(chuàng)手術(shù)操作器具。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人們對醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量要求日益增長，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的方向發(fā)展，這一發(fā)展趨勢對微創(chuàng)手術(shù)器械提出了更高的要求。要求器械具有多自由度的柔性驅(qū)動功能，能夠保證操作精確，具有安全可靠的機械穩(wěn)定性和對生命組織接觸無損傷性以及優(yōu)良的生物抗菌性。
[0003]多自由度操作臂是微創(chuàng)技術(shù)未來發(fā)展的研究難點，目前操作臂研究圍繞機械傳動與驅(qū)動的傳遞方式展開，主要特點是直臂加關(guān)節(jié)來實現(xiàn)分段彎曲和操作功能。目前商業(yè)化微創(chuàng)手術(shù)器械中最為先進的是Intuitive Surgical公司的Da Vinci手術(shù)機器人，該公司申請了多項關(guān)于多自由度手術(shù)臂的專利(W0 2007146987 A3和TO 2007120952 A3)。
[0004]到目前為止，關(guān)于柔性智能手術(shù)操作臂的研究已引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，天津大學(xué)發(fā)明了一種輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的主從一體式機械臂并對傳統(tǒng)的機械臂結(jié)構(gòu)布置方案進行了改進(文獻號:CN101889900B和CN 102973317A);哈爾濱工業(yè)大學(xué)(文獻號:CN102973317A)基于齒輪嚙合及絲杠傳動等機械原理，設(shè)計了一款多自由度微創(chuàng)外科手術(shù)操作臂。這款操作臂在多個電機驅(qū)動下可實現(xiàn)穩(wěn)定的多自由度操作。雖然上述結(jié)構(gòu)在一定的程度上實現(xiàn)了手術(shù)臂多自由度的要求，但大多是以多機械關(guān)節(jié)，拉線電機等形式實現(xiàn)的。由于過多的機械結(jié)構(gòu)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。同時，剛性機械關(guān)節(jié)的剛度與人體組織的剛度相距甚大，容易對人體造成傷害。
[0005]新型智能材料-DE (介電彈性體)的出現(xiàn)，為微創(chuàng)手術(shù)操作臂的全柔性多自由度驅(qū)動提供了一種全新設(shè)計思路。這種材料在外加電激勵下可產(chǎn)生大變形，當激勵撤除后，它又能恢復(fù)到原始的形狀尺寸；此外，該材料在外力作用下發(fā)生形變，在一定條件下能產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。相對于傳統(tǒng)智能材料，DE具有質(zhì)量輕、運動靈活、能耗低、易于成形以及經(jīng)受大變形而不易疲勞損傷等突出優(yōu)點，從而使其迅速成為智能材料領(lǐng)域的一個研究熱點。作為驅(qū)動器已應(yīng)用于仿生爬行機器人、柔性抓取手，人工肌肉等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對【背景技術(shù)】中所提到的手術(shù)臂剛度大、多機械關(guān)節(jié)等不足，并結(jié)合DE材料及纖維Jamming結(jié)構(gòu)最新技術(shù)成果，本發(fā)明的目的在于提供一種接近全柔性、剛度可調(diào)節(jié)且可實現(xiàn)多自由度蛇形變形的微創(chuàng)手術(shù)操作器械。
[0007]為了達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0008]一種混合驅(qū)動的柔性微創(chuàng)手術(shù)操作臂，其特征在于，包括至少兩節(jié)相互密封連接的DE圓柱驅(qū)動器單元，其外周設(shè)有剛度調(diào)節(jié)層和封裝外套，其中，DE圓柱驅(qū)動器單元包括一個驅(qū)動器骨架和一個卷繞在該骨架外周的柔性驅(qū)動層，該柔性驅(qū)動層外周再設(shè)置一絕緣封裝層；所述驅(qū)動器骨架由一根空心的硅橡膠管連接兩端的基座組成；所述柔性驅(qū)動層由兩層DE薄膜夾一層纖維組成，該纖維沿周向環(huán)繞、沿軸向平行排列，所述柔性驅(qū)動層里面設(shè)有沿周向均布的多個碳膏電極，各碳膏電極由導(dǎo)線從碳膏電極間的空白區(qū)域引出，匯聚至組裝好的手術(shù)操作臂一端的控制電路中；所述基座均帶有可通過支撐氣體和提供組織取樣的孔道，其中，取樣孔道與硅橡膠管連通；支撐氣體孔道與本節(jié)DE圓柱驅(qū)動器單元中的腔體連通。
[0009]上述混合驅(qū)動的柔性微創(chuàng)手術(shù)操作臂的制備方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0010](1)在一根硅橡膠管兩端裝配基座形成驅(qū)動器骨架，每個基座均帶有可通過支撐氣體和提供組織取樣的孔道；
[0011](2)制備單節(jié)DE圓柱驅(qū)動器單元:
[0012]a、對介電彈性體DE進行等雙軸拉伸成矩形薄膜，然后沿矩形長度排列纖維，纖維間相互平行；將另一張等雙軸拉伸的DE矩形薄膜與之粘接，實現(xiàn)兩層薄膜夾一層纖維的柔性驅(qū)動層；
[0013]b、在柔性驅(qū)動層表面涂覆碳膏電極，其圖形在柔性驅(qū)動層長度方向上多等分均勻排列，各碳膏電極上打印導(dǎo)線，并從電極間的空白區(qū)域引出，最后將涂覆好碳膏電極的柔性驅(qū)動層卷繞在基座與硅橡膠管所構(gòu)成的驅(qū)動器骨架外側(cè)，其中取樣孔與硅橡膠管連通，支撐氣體孔與本節(jié)DE圓柱驅(qū)動器單元的腔體連通；
[0014](3)將至少兩節(jié)步驟(2)所得單節(jié)DE圓柱驅(qū)動器單元相互粘接在一起，并在柔性驅(qū)動層外周涂覆一層絕緣層構(gòu)成微創(chuàng)手術(shù)操作臂連接體；
[0015](4)在步驟(3)微創(chuàng)手術(shù)操作臂連接體的外周設(shè)置剛度調(diào)節(jié)外套，兩端套上密封卡箍；
[0016](5)在剛度調(diào)節(jié)外套外周套上封裝外套，兩端用密封扎帶將封裝外套緊固。
[0017]上述方案中，所述剛度調(diào)節(jié)層由多個尼龍纖維環(huán)簾自下而上錯層粘接在手術(shù)操作臂DE圓柱驅(qū)動器單元的絕緣封裝層上，所述每個尼龍纖維環(huán)簾是用一條膠帶將尼龍纖維粘接成“梳子”狀，并按DE圓柱驅(qū)動器單元的外徑卷繞而成。
[0018]所述封裝外套為Ecoflex0030娃橡膠套，A, B組分的調(diào)配為1: 1，其中加入納米銅離子，攪拌均勻并倒入模具中，在室溫下固化后脫膜制成。
[0019]所述碳膏電極沿柔性驅(qū)動層里面周向均布四個，每個碳膏電極所占DE圓柱驅(qū)動器單元的圓心角度為80°。
[0020]本發(fā)明手術(shù)操作臂主要通過氣-電混合驅(qū)動的形式實現(xiàn)多自由度變形。施加電壓前整體結(jié)構(gòu)依靠氣體進行支撐，實現(xiàn)穩(wěn)定的“直桿”狀態(tài)。而剛度調(diào)功能則是通過抽真空的方式實現(xiàn)。當剛度調(diào)節(jié)外套內(nèi)部氣室與外界大氣壓想通時，尼龍纖維間的摩擦力很小，手術(shù)臂處于自由變形態(tài)或“軟”狀態(tài)；當對剛度調(diào)節(jié)外套內(nèi)氣室進行抽真操作時，外界大氣迅速壓將尼龍纖維緊緊的壓在一起，從而纖維間的摩擦力也大大的提高，使得手術(shù)臂在圓柱形母線方向無法伸長或縮短，從而實現(xiàn)變形的“鎖定”或者“硬”狀態(tài)。在實際手術(shù)過程中，為了手術(shù)臂能夠穩(wěn)定的進入人體腹腔，首先利用真空栗對剛度調(diào)節(jié)外套施加負壓，在外界大氣壓下，尼龍纖維間的摩擦力迅速增加，手術(shù)臂的剛度則迅速提高，成為穩(wěn)定的直桿狀。當手術(shù)臂順利進入人體腹腔或自然腔道后，需要調(diào)節(jié)姿態(tài)時，斷開真空栗與剛度調(diào)節(jié)外套的連接，這時手術(shù)臂的剛度迅速下降。當剛度降低到一定程度時，對DE驅(qū)動單元加載電壓，控制單節(jié)DE驅(qū)動器的兩對電極，此時柔性驅(qū)動器內(nèi)氣壓和電場同時做功，可實現(xiàn)空間彎曲變形。通過合理控制每個電極的所加載的電壓載荷大小便可實現(xiàn)單節(jié)驅(qū)動空間多角度彎曲變形。經(jīng)過多節(jié)驅(qū)動單元的變形疊加，手術(shù)操作臂末端工作區(qū)則可繞過人體重要器官或沿人體內(nèi)復(fù)雜腔道到達病變位置進行手術(shù)操作。當手術(shù)臂末端到達病變位置時，為了保障操作過程的穩(wěn)定，再次將剛度調(diào)節(jié)外套與真空栗相連接，快速提升手術(shù)臂的整體剛度，使手術(shù)操作者能夠穩(wěn)定、安全的實施手術(shù)。當手術(shù)操作結(jié)束后，再次將剛度調(diào)節(jié)外套單元與外界大氣壓接通，降低手術(shù)臂的剛度，以保障手術(shù)臂安全撤出人體。
[0021]本發(fā)明使用硅橡膠及DE材料，這些材料都具有良好的生物兼容性，不會對人體帶來不良影響。采用納米銅離子封裝殺菌，避免引起的人體感染，降低病人的痛苦。
【附圖說明】
[0022]圖1?圖4為本發(fā)明手術(shù)操作臂所涉及的基座結(jié)構(gòu)圖。其中；圖1為頂部基座；圖2為中部基座(上)；圖3為中部基座(下)；圖4為底部基座。每圖中的b圖均為a圖的剖視圖。
[0023]圖5為手術(shù)操作臂基座與硅橡膠管組裝圖。
[0024]圖6為手術(shù)操作臂的單節(jié)臂制備工藝圖。
[0025]圖7為手術(shù)操作臂單節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖。其中b圖為a圖的剖視圖。
[0026]圖8為手術(shù)操作臂整體組裝圖。
[0027]圖9為尼龍纖維粘接成束。
[0028]圖10為尼龍纖維束成環(huán)