一种基于巨电流变液驱动的变刚度关节及应用

技术领域

本发明属于手术机器人技术领域，具体涉及一种基于巨电流变液驱动的变刚度关节及应用。

背景技术

微创手术，也称为腔镜手术或内窥镜手术，是一种通过小切口或自然孔道进入体内进行手术的方法，与传统外科手术需大面积切开的方式相比，微创手术其优点在于减少创伤、恢复时间和并发症，提高患者的术后生活质量等。因此微创手术也成为被广泛接受与应用的手术方式。

机器人辅助微创手术是一项新兴技术，它结合了机器人技术和微创手术原则。外科医生可以使用遥控装置操作机器人，实现高度精确的操作。这种技术可以在一些复杂手术中提供更大的稳定性和精确性。

由于手术依靠于长杆机械臂进行操作，因此对于手术机械臂关节自由度有着较高的要求，同时在不同的手术情形下需要关节提供不同的刚度以完成手术。但目前投入使用的手术机器人仍在这些方面存有一定问题。1.运动耦合，这会使得不同关节在运动时会相互影响，并最终影响器械精度。2.控制迟滞，这会使得器械在控制时无法及时到位，延长手术时间并降低控制效率。3.磨损较大，这使得器械的各项性能极易降低，无法实现长时间使用。4.控制复杂，由于上述问题的存在以及一些多物理场耦合控制在器械关节中的应用，最终会使得器械在控制时需要更多计算以补齐误差和多种控制方法共同作用。此外，一些器械还存在耗能高、零件复杂和需要散热等情况，也均会使得手术器械变得更加复杂而难以操作。

巨电流变液(GRF)是由介电颗粒均匀悬浮在非导电的连续相中的一类胶体，当对GRF施加一定强度的电场时，其流变性能会立刻发生改变，由液体变为类固体态，当撤消电场时，又立即恢复成原来的液体。在电场中巨电流变液具有以下几个特点：(1)在液体和类固体之间快速转换，即在静态或低剪切速率下表观粘度可发生很大变化，具有固体属性的抗剪切能力；(2)液固之间的转换是可逆的；(3)液固之间的转换是可控的，只需对电场信号予以控制；(4)表观粘度的改变是随着电场强度的变化而连续变化的；(5)液固之间的转换、表观粘度的改变可以在毫秒之内完成，响应速度极高；(6)控制相变的能量极低。

现有技术中也存在利用巨电流变液随电场变化刚度变化的特点实现关节转动的尝试。比如中国专利CN202010774693.5中公开了一种利用巨流变液实现分段弯曲的软体。其采用巨电流变液来实现软体分段变刚度的调节，具体是通过与波纹管并行设置的多个变刚度层的刚度调节实现手指刚度的调节，但多个变刚度的同时调节非常复杂，并且也无法进行准确的弯度控制。

发明内容

本发明提供了一种基于巨电流变液驱动的变刚度关节及应用，用以解决目前器械关节控制复杂、准确度低、体积庞大等问题的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述基于巨电流变液驱动的变刚度关节，其包括前接头、与前接头固定连接的关节转动机构、驱动关节转动机构运动的液压致动机构、向液压致动机构内供液的流体输送系统、设置在液压致动机构和流体输送系统之间的巨电流变液控制阀、设置巨电流变液控制阀底部的后接头，以及通过流体输送系统经巨电流变液控制阀导入液压致动机构的巨电流变液；

所述巨电流变液控制阀包括夹层式阀体、设置在阀体内的隔膜、位于隔膜两外侧面对应位置的正电极板和负电极板，以及开设在隔膜上的流体通道，所述流体通道一端与流体输送系统相通，另一端与液压致动机构相通，所述流体通道至少部分位于正电极板和负电极板之间。

本申请基于巨电流变液驱动的变刚度手术器械关节其具有变刚度的功能，医师可以根据不同的手术情形调节流体腔电极之间电场强度来控制电流变液的粘度，控制该流体腔的阻塞与流通，从而实现可以用于微创手术器械的微型电流变液控制阀，进而控制手术器械关节的刚度。另外，巨电流变液通入液压致动机构作为液压驱动动力，然后进一步驱动转动机构，从而达到手术中手术器械末端执行机构所需的角度要求。整体控制方法简单，结构紧凑。

巨电流变液控制阀运用了夹层设计的方式来进行设计与制造，因巨电流变液控制阀对极板平行排布有着极高的要求，一旦有一电极一部分发生偏移，电流变液控制阀内即将被电流击穿，为了保证两极板的平行条件，在夹层内部植入隔膜作为间隔，利用隔膜来保持两极板之间的精确间隙。

可选地，所述阀体的材质为聚四氟乙烯，所述隔膜为VHB双面胶膜。

可选地，所述VHB双面胶膜选自VHB4905和/或VHB4910。

聚四氟乙烯具有自洁性，安全性，并且两电极(铜制胶条)分别粘贴在聚四氟乙烯阀体的夹层内壁可以保证极板平行度要求。而3M公司的VHB双面胶膜有着很强的绝缘性和不可压缩性，同时其又可以与聚四氟乙烯的粘结性比较强，可作为很好地腔室流体间隙的间隔物，保证两极板之间的起到了很好的密封作用。

可选地，所述夹板式阀体包括第一阀体、第二阀体、第一阀体和第二阀体之间的阀体夹层、设置在第一阀体或第二阀体上的入液通道、与所述液压致动机构连接的密封块、设置在密封块中出液通道，以及穿过第一阀体和第二阀体将两者固定连接的若干螺栓，所述第一阀体和第二阀体拼合后形成所述阀体夹层，所述正电极板、负电极板、隔膜和流体通道位于阀体夹层内，所述入液通道用于导通所述流体通道和流体输送系统，所述出液通道用于导通所述流体通道和液压致动机构。

可选地，所述第一阀体包括第一半部和从第一半部表面向第二阀体向凸出的凸块；所述第二阀体包括与所述第一半部拼合的第二半部，已经设置在第二半部上与凸块相配合的凹槽，所述凸块嵌入凹槽内形成阀体夹层，所述正电极板和负电极板分别贴附在凸块和凹槽的表面，所述隔膜一面贴附在凸块表面，另一面贴附在凹槽的表面。

可选地，所述关节转动机构包括关节腔、固定在关节腔上的转轴、设置在转轴上转动连接的齿轮和与齿轮啮合的沿液压致动机构运动方向延伸的齿条，随着齿条线性运动，与齿条啮合的齿轮转动，所述前接头固定在齿轮上随齿轮转动相对转轴转动。

可选地，所述密封块与液压致动机构通过螺纹连接。

可选地，所述液压致动机构包括液压筒、设置在液压筒内将其隔断为两个区域的活塞、位于活塞下区域的流体腔、位于活塞上区域的空气腔，以及位于空气腔内卡设在活塞及液压筒顶部之间的拮抗弹簧，所述流体腔与巨电流变液控制阀的流体通道导通，随着液体流入流体腔，推动活塞沿液压筒内壁向空气腔运动，为关节转动机构提供动力。

可选地，所述活塞上设有固定拮抗弹簧的弹簧座。

可选地，所述活塞与液压筒内壁之间设有至少一圈密封圈。

可选地，所述夹层式阀体与液压筒相接面设有密封结构。

可选地，所述流体输送系统包括储液罐、将储液罐中液体接入流体通道的输液管，以及将储液罐中液体向流体通道导入或抽出的液体泵。

本发明还提供一种腹腔镜手术机械臂，其包括基座、从基座延伸出的臂、设置在臂最远端的手腕、手腕上装配的导向杆，以及通过关节组设置在导向杆最远端的执行器，所述关节组包括至少一个上述基于巨电流变液驱动的变刚度关节，当包括两个以上基于巨电流变液驱动的变刚度关节时，一基于巨电流变液驱动的变刚度关节的前接头与另一基于巨电流变液驱动的变刚度关节的后接头卡接。

可选地，所述前接头包括圆盘状托盘和设置在托盘上的若干卡扣，所述后接头包括设置在夹层式阀体底部的底盘和开设在底盘上的卡槽，两基于巨电流变液驱动的变刚度关节通过卡扣嵌入卡槽内实现固定连接。

本申请中的变刚度关节为串联连接，每个变刚度关节通过独立的流体输送系统提供转动动力，通过操控一个或多个目标变刚度关节中的巨电流变液控制阀，可提高系统整体的集成度，实现该变刚度手术器械关节的多自由度调节。

本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优势：

(1)可实现对关节刚度的人为控制，同时拥有多个服从驱动单元，拥有较高的自由度，操作更为灵活；

(2)相较于传统的机械阀结构更为简洁，维护成本较低；

(3)每个变刚度关节可独立转动，关节与关节间耦合性较好，减少了关节间的干扰和冲突，从而提高整个机械系统的性能和可靠性。

附图说明

图1是本发明所述腹腔镜手术机械臂一具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明所述基于巨电流变液驱动的变刚度关节一具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明所述两个基于巨电流变液驱动的变刚度关节串联一具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明所述基于巨电流变液驱动的变刚度关节一具体实施方式的局部剖外形示意图；

图5是本发明所述基于巨电流变液驱动的变刚度关节一具体实施方式的剖视图；

图6是本发明所述阀体一具体实施方式的剖视图。

图中所示：

1-基座、2-臂、3-手腕、4-导向杆、5-关节组、6-执行器；

10-前接头、11-托盘、12-卡扣；

20-关节转动机构、21-关节腔、22-转轴、23-齿轮、24-齿条；

30-液压致动机构、31-液压筒、32-活塞、33-流体腔、34-空气腔、35-拮抗弹簧、36-弹簧座、37-密封圈；

40-流体输送系统、41-储液罐、42-输液管、43-液体泵；

50-巨电流变液控制阀、51-夹层式阀体、511-第一阀体、5111-第一半部、5112-凸块、512-第二阀体、5121-第二半部、5122-凹槽、513-入液通道、514-螺纹、515-密封块、516-出液通道、52-隔膜、53-正电极板、54-负电极板、55-流体通道；

60-后接头、61-底盘、62-卡槽；70-密封结构。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合实施例阐述所述基于巨电流变液驱动的变刚度关节及应用，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，所述腹腔镜手术机械臂包括基座1、从基座1延伸出的臂2、设置在臂2最远端的手腕3、手腕3上装配的导向杆4，以及通过关节组5设置在导向杆4最远端的执行器6，所述关节组50包括至少一个上述基于巨电流变液驱动的变刚度关节，本实施例中包括多个基于巨电流变液驱动的变刚度关节。

其中所述臂2包括具有多个关节，执行器6可以是用于执行手术操作的电烧灼器、钳夹器、吻合器、超声刀等器械，也可以是获取影像的图像装置(例如内窥镜)或者其他外科工具。

如图2所示，所述基于巨电流变液驱动的变刚度关节，其包括前接头10、与前接头10固定连接的关节转动机构20、驱动关节转动机构20运动的液压致动机构30、向液压致动机构30内供液的流体输送系统40、设置在液压致动机构30和流体输送系统40之间的巨电流变液控制阀50、设置巨电流变液控制阀50底部的后接头60，以及通过流体输送系统40经巨电流变液控制阀50导入液压致动机构30的巨电流变液(图中未示)；其中巨电流变液的固含量约15％。

如图3所示，所述前接头10包括圆盘状托盘11和设置在托盘11上的若干卡扣12，所述后接头60包括底盘61和开设在底盘61上的卡槽62，两基于巨电流变液驱动的变刚度关节通过卡扣11嵌入卡槽62实现固定连接。继续参见图2，本实施例中4个卡扣11均布在托盘11一周上，卡槽62可以是与卡扣11一一对应的多个卡槽62，也可以在卡扣11所在圆周对应位置处开设的一周卡槽62。继续参见图3，一基于巨电流变液驱动的变刚度关节的前接头10与另一基于巨电流变液驱动的变刚度关节的后接头60卡接实现了两变刚性关节的串联。

如图4和5所示，所述关节转动机构20包括关节腔21、固定在关节腔21上的转轴22、设置在转轴22上转动连接的齿轮23和与齿轮23啮合的齿条24，随着齿条24上下线性运动，与齿条24啮合的齿轮23随之转动，本实施例中所述前接头10与齿轮23一体成型，因此也就发生了转动。本实施例中关节腔21在前接头10运动轨迹处设有避位口，通过调整齿条24和齿轮23之间拟合行程，可以实现前接头10的转动角度从-90°到+90°，一般控制在-30°到+90°。

继续参见图4和图5，所述液压致动机构30包括液压筒31、设置在液压筒内31将其隔断为两个区域的活塞32、位于活塞32下区域的流体腔33、位于活塞32上区域的空气腔34，以及位于空气腔34内卡设在活塞32及液压筒31顶部之间的拮抗弹簧35，所述活塞32上设有固定拮抗弹簧35的弹簧座36，所述活塞32与液压筒31内壁之间设有两圈密封圈37。

继续参见图4，所述流体输送系统40包括储液罐41、将储液罐41中液体接入流体通道的输液管42，以及将储液罐41中液体向流体通道导入或抽出的液体泵43。

如图3和6所示，所述巨电流变液控制阀50包括夹层式阀体51、设置在阀体51内的隔膜52、位于隔膜52两外侧面对应位置的正电极板53和负电极板54，以及开设在隔膜52上的流体通道55。

继续参见图3、4、5和6，所述夹板式阀体51包括第一阀体511、第二阀体512、第一阀体511和第二阀体512之间的阀体夹层、设置在第一阀体511上的入液通道513、与所述液压筒31通过螺纹514固定连接的密封块515、设置在密封块515中出液通道516，以及穿过第一阀体511和第二阀体512将两者固定连接的若干螺栓(图中未示)，本实施例中，由于后接头的底盘61与第一阀体511是一体成型的，入液通道513开设在了第一阀体511的侧壁，也就是说为了设计方便，入液通道513只要能够通入流体通道55的方式都可以，本实施例中密封块515与第二阀体512是一体成型的，为了保证流体不泄露，密封块515伸入到液压筒31内并通过螺纹固定，另外，所述两半阀体与液压筒31相接面设有密封结构70，本实施例中具体为在阀体表面开设凹槽，在液压筒表面也开设对应的凹槽，通过弹性圈填充凹槽内实现两者的密封。

所述阀体51的材质为聚四氟乙烯，所述隔膜为VHB双面胶膜，根据高度不同，所述VHB双面胶膜选自VHB4905和/或VHB4910。

继续参见图3和图6，本实施例中阀体51的具体结构为所述第一阀体511包括第一半部5111和从第一半部511表面向第二阀体512向凸出的凸块5112；所述第二阀体512包括与所述第一半部511拼合的第二半部5121，已经设置在第二半部5121上与凸块相配合的凹槽5122，所述凸块5112嵌入凹槽5122内形成阀体夹层，所述正电极板53和负电极板54分别贴附在凸块5112和凹槽5122的表面，所述隔膜52一面贴附在凸块5112表面，另一面贴附在凹槽5122的表面。

在阀体内流体出入口各有一个螺纹孔以兼容推入式管接头组件，用于连接管道(外径2mm，内径1mm)将流体导入内部流体腔33。图中阀体上设有12个3mm的通孔以容纳Delrin螺栓，当拧紧螺母时施加的扭矩相同，以确保每个螺栓上施加相等的应力，这有助于在所述巨电流变液控制阀50的流体通道55形成均匀的流体间隙。外壳使用钢制材料同时采用CNC加工方式，提高整体精度，钢制材料生物相容性好，同时由于其结构简洁的特点，也便于杀菌消毒。

本实施例所述基于巨电流变液驱动的变刚度关节的参数指标如表1所示：

表1

所述机械臂的工作过程简述如下：

导入体内后，控制每个变刚度关节进行独立转动，具体为控制液体泵43，流体可从储液罐41导入流体腔33或者从流体腔33抽回到储液罐41中，随着流体腔33中流体体积变化，活塞32随之上顶或下落，从而带动齿条24移动，与其啮合的齿轮23将发生转动，使整体进行连续传动。最终达到手术中末端执行器所需的角度要求。

一旦手术器械关节达到手术医师所需的角度，激活所述巨电流变液控制阀50，两电极提供可调控的电场，使单位时间内流过腔体的电流变液粘度发生改变。但为了保持相关关节的形态，由末端的执行器6负载引起的从动系统输入力不应超过所述巨电流变液控制阀50所提供的阻力，否则会即失效，就此可以计算出关节刚度变化范围，也就是执行器负载范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。