小尺度多腔道内窥镜连续体机械臂结构及制造方法

技术领域

本发明涉及连续体手术机器人领域，具体地，涉及小尺度多腔道内窥镜连续体机械臂结构及制造方法。

背景技术

目前，随着微创手术的发展，柔性内窥镜连续体机械臂在医疗器械领域得到越来越广泛的应用，尤其在人体腔道介入和脏器微创手术中，连续体机械臂凭借其结构微小紧凑、柔顺性高、灵活易控制等特性，相比于传统的刚性手术器械具备较大的优越性，能有效减少与人体内器官、组织的接触碰撞，减少对身体的伤害并精确定位病灶位置。

聚合物连续体机械臂在柔性手术机器人中尚比较少见，其通过在管状多腔聚合物的外壁上切除一定的材料，形成一个单一整体性的柔性器械。相比于传统铰链式蛇骨连续体机构(申请号为CN109895073A的中国专利，公开了“一种片弹簧驱动的连续体机器人；申请号为CN111230845B的中国专利，公开了“一种拉弯型连续体机器人单元及机器人”)，本专利提出的连续体机械臂可以通过单一材料一体化制造，并通过驱动丝的拉伸收缩来完成整体的弯曲和偏转，具备零部件数量少、装配过程简易、连续体机械臂内部弯曲摩擦小等优势。因此，挤出的连续体更适合用于制造小尺寸(3mm外径及以下)以及多个大内腔的手术器械，可以保证器械在人体腔道内有效弯曲偏转的同时，具备较大的内部腔道以通入探针和活检钳等其他检测工具。

目前的微创手术中往往需要柔性内窥镜连续体机械臂同时用多个手术器械对病灶区域进行手术操作，比如径向支气管超声探头和基于探头式的共聚焦显微内镜两种器械对病灶进行联合诊断，因此，在临床上使用双探头的内窥镜连续体机械臂具有较大的必要性。但是目前的内窥镜还没有在小直径的前提下(3mm)左右，实现多个大直径的内部腔道。这样的结构能实现上述的临床需求，因而这两方面的保证可以整体上提高医疗器械在病灶区域的操作、定位精度，从而提高手术过程的安全性和成功率。因此急需开发一种能同时保证双器械腔道，同时能提供多种感知能力的易于驱动和制造的小尺度多腔道的柔性内窥镜连续体机械臂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种小尺度多腔道内窥镜连续体机械臂结构及制造方法。

根据本发明提供的一种小尺度多腔道内窥镜连续体机械臂结构，包括近端运动传递段、远端柔性弯曲段、顶端座、相机和LED、光纤、电磁传感器以及驱动丝，顶端座连接于远端柔性弯曲段上，远端柔性弯曲段连接于近端运动传递段上，驱动丝固定于远端柔性弯曲段上，相机和LED、电磁传感器以及光纤固定在顶端座上；

远端柔性弯曲段通过拉动驱动丝实现弯曲，近端运动传递段将驱动丝的拉力传递给远端柔性弯曲段。

优选的，近端运动传递段内设有传感器通道、第一器械通道、驱动丝通道一以及第二器械通道，传感器通道内通过相机线和驱动丝，驱动丝通道一内分别通过光纤、电磁线以及驱动丝，第一器械通入第一器械通道中，第二器械通入第二器械通道中。

优选的，远端柔性弯曲段包括中间圆盘、槽型切口、弯曲微梁以及基座，弯曲微梁连接于基座上，基座连接近端运动传递段，弯曲微梁连接中间圆盘，中间圆盘上设有槽型切口；

当驱动丝长度收缩，中间圆盘在一侧靠紧，弯曲微梁弯曲。

优选的，槽型切口对称分布于远端柔性弯曲段两侧，远端柔性弯曲段的弯曲角度通过槽型切口尺寸进行调节。

优选的，驱动丝分别分布于弯曲微梁两侧，弯曲微梁位于远端柔性弯曲段中间位置。

优选的，顶端座包括器械通道二、电磁探头通道、光纤传感器通道、器械通道一以及相机通道，器械通道一与远端柔性弯曲段的器械通道三对齐连接，器械通道二与远端柔性弯曲段的器械通道四对齐连接，电磁传感器的探头连接于电磁探头通道内，光纤的传感器末端连接于光纤传感器通道内，相机和LED连接于相机通道内。

优选的，远端柔性弯曲段还包括器械通道三、光纤通道、驱动丝通道二、电磁线通道、器械通道四以及相机线通道，第一器械通入器械通道三中，光纤通过光纤通道，电磁线通入电磁线通道内，驱动丝通入驱动丝通道二内，第二器械通入器械通道四内，相机线通入相机线通道内。

优选的，外部驱动力拉动驱动丝时，驱动丝在驱动丝通道二内滑动，受力的一侧驱动丝相对于远端柔性弯曲段的长度缩短，另一侧驱动丝长度被伸长。

优选的，相机和LED分别与相机通道、相机线通道以及传感器通道间隙配合，光纤分别与光纤传感器通道、光纤通道以及驱动丝通道一间隙配合，第一器械分别与器械一通道、器械通道三以及第一器械通道间隙配合，第二器械分别与器械二通道、器械通道四以及第二器械通道间隙配合，电磁传感器分别与电磁探头通道、电磁线通道以及传感器通道间隙配合，驱动丝分别与驱动丝通道二以及驱动丝通道一间隙配合。

一种小尺度多腔道内窥镜连续体机械臂结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、放置在挤出主机里的毫米级别的聚合物颗粒通过加热吹气到模具，模具挤出特定尺寸截面的管状聚合物；

S2、然后经过冷却水槽对热塑性管状聚合物进行冷却，由牵引机牵引冷却后的挤出管状物，最后对其进行切断；

S3、通过CNC切槽对远端柔性弯曲段铣削加工或者激光切割，去除多余的材料，形成槽型切口；

S4、将相机和LED、光纤、第一器械、第二器械、电磁传感器以及驱动丝分别间隙配合于近端运动传递段、远端柔性弯曲段以及顶端座中。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明通过挤出成型与机械加工或激光加工方式制造连续体机械臂，形成一个一体化的整体性的柔性连续体机械臂，相比于需要装配而成的连续体机械臂结构具有部件数量少，装配过程简单，内部弯曲产生的摩擦小等优点；

(2)本发明挤出成型制造的连续体机械臂结构能够解决在小直径的基础上实现大的内部腔道的技术难题，因为挤出成型能够实现多个独立腔道保持极其薄的壁厚，每个独立腔道只有一层壁厚，因此减小了连续体机械臂结构的外径尺寸，同时实现多个尽可能大的内部腔道；

(3)本发明在提供两个器械腔道的基础上，该连续体机械臂结构还集成有感知能力，通过在剩下的腔道里放置形状传感器和电磁定位传感器，可以解决重建绝对形状的难题，这样柔性内窥镜在人体解剖腔道的实时的绝对形状便可以重建出来；

(4)本发明通过调整切槽的尺寸和形状，可以对连续体机械臂结构的柔性和刚度进行优化设计，进而能够保证连续体机械臂结构具有足够大的角度还能具有较大的刚度；

(5)本发明通过推导连续体机械臂结构单节的静力学模型，再通过坐标变换，求得整个连续体机械臂结构末端的位置和姿态；

(6)本发明能够实现两个手术器械同时操作，实现器械之间的协作与配合，能够提高手术效率，同时多个腔道能够提供形状感知与电磁导航能力，提高手术操作的精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的运动传递段结构装配对比图；

图3为本发明的柔性弯曲段结构示意图；

图4为本发明的柔性弯曲段结构正视图；

图5为本发明的柔性弯曲段结构侧视图；

图6为本发明的顶端座的结构装配对比图；

图7为本发明的柔性弯曲段、顶端座、驱动丝以及传感器的装配结构爆炸图；

图8为本发明的装配完成后远端柔性弯曲段的截面示意图；

图9为本发明的远端柔性弯曲段的截面示意图；

图10为本发明的制备方法流程图。

图中标号：

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具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种多腔道感知集成柔性内窥镜连续体机械臂结构，如图1-9，包括近端运动传递段1，远端柔性弯曲段2，顶端座3，相机4，光纤5，第一器械6，第二器械7，电磁传感器8和驱动丝9.其中近端运动传递段1和远端柔性弯曲段2通过薄壁不锈钢管连接，顶端座3连接在远端柔性弯曲段2上，通过医学胶水固定。其余部件均通过远端柔性弯曲段2和近端运动传递段1的内部孔道，通过拉动驱动丝9可实现远端柔性弯曲段2的弯曲运动，第一器械6和第二器械7可伸入近端运动传递段1，远端柔性弯曲段2以及顶端座3中各自的器械通道到达病变部位，实现器械之间的协作进行手术操作。其中近端运动传递段1里面的腱鞘结构实现将驱动丝的拉力传递到远端柔性弯曲段2，在近端运动传递段1弯曲的状态的下仍然保持不变的线长，远端柔性弯曲段2是一个连续体机械臂，其结构的顺应性和柔性实现其在内部解剖腔道中的安全交互。顶端座3提供传感器的固定空间，包括相机4，光纤5和电磁传感器探头8。其中相机4用于提供内窥镜的照明和视频图像，光纤5是一根形状传感器，用于获得内窥镜在解剖结构内实时的形状信息，电磁传感器探头8用于获得内窥镜头端的实时的位置和姿态信息。驱动丝9采用直径0.2mm的不锈钢丝进行传递，保证其承受较大拉力的同时具有较小的延伸性能。

近端运动传递段1包括四个内部腔道：传感器通道101，第一器械通道102，驱动丝通道103，第二器械通道104。近端运动传递段1通过热塑性聚氨酯挤出成型保持其具有较高的柔性，采用挤出成型制造方式的优点是在聚氨酯材料柔性的基础上，可以最大化内部腔道的空间，顺利通过传感器线缆。其中传感器通道101通过相机线105、驱动丝9；驱动丝通道103通过光纤5，驱动丝9和电磁线8。第一器械通道102通过第一器械6，第二器械通道104通过第二器械7。近端运动传递段1在弯曲过程中属于被动弯曲，挤出成型的一体化加工方式在保证较好柔性的同时，也能够提供两个器械的独立通道，不需要使用额外的钳道管提供独立通道，进一步减小近端运动传递段1的直径。

远端柔性弯曲段2是通过挤出成型结合CNC铣削加工而成，在挤出过程中通过调节模具保证远端柔性弯曲段2截面的圆度。最后为了减小挤出多腔管的刚度，将挤出后的聚丙烯管放到数控机床上进行铣削加工，槽型切口202是通过铣削加工去除后留下的切口，中间圆盘201是对多腔管进行铣削加工后剩下的材料，在远端柔性弯曲段2弯曲过程中，中间圆盘201保持不变形，只有弯曲微梁203发生弯曲，该弯曲微梁处于远端柔性弯曲段2的中间位置，通过数控机床对前述的挤出多腔塑料管进行材料去除，槽型切口202是对称布置在远端柔性弯曲段2的两侧，通过设计槽型切口的尺寸可以改变单个弯曲关节的弯曲角度，具体的切槽尺寸参数可以根据需求进行设定。从而实现对整个远端柔性弯曲段2弯曲角度的调节。基座204用于与近端运动传递段1进行连接，本专利采用超薄不锈钢管对其进行连接。

顶端座3是通过3D打印方式进行加工，可实现微米级别的加工精度，在顶端座3的结构上具体包括：第二器械通道301，电磁探头通道302，光纤传感器通道303，第一器械通道304，以及相机镜头通道305。顶端座3的作用是用于固定上述传感器，因此顶端座3上提供了上述传感器的通道，为了尽可能较小的壁厚，采用能够打印微米级别结构特征的打印机对顶端座3进行加工。第二器械通道301，第一器械通道304用于与前述远端柔性弯曲段2的第二器械通道209，第一器械通道205进行对齐安装。电磁传感器探头安装在电磁探头通道302，光纤传感器末端安装在光纤传感器通道303，相机镜头以及LED灯安装在相机镜头通道305里面。

远端柔性弯曲段2与顶端座3装配后，其中相机线105，驱动丝9，电磁线8，以及光纤5布置在相应的内部通道里。具体的，驱动柔性内窥镜连续体机械臂的驱动丝9为不锈钢丝，由于其较高的弹性模量以及低延伸性，在驱动力较大时也能保证较高的精度；

具体的，当柔性内窥镜连续体机械臂基座固定，用外部驱动力拉动驱动丝9时，驱动丝会在驱动丝通道207内部进行滑动；由于该远端柔性弯曲段2可以向左右两个方向分别弯曲，因此设有两条各自独立的驱动丝9分布在弯曲微梁203的两侧；当外力施加在驱动丝9上时，受力的驱动丝相对于远端柔性弯曲段2的长度缩短，柔性内窥镜向受力一侧弯曲，而另一侧的驱动丝对应地处于松弛状态，长度被动伸长；对于每个骨架的弯曲关节来说，当驱动丝长度收缩，连接微梁的上下两端的中间圆盘则在一侧靠紧，微梁产生弯曲，从而实现内窥镜连续体机械臂整体的偏转。

远端柔性弯曲段2在装配完成后的截面图如图8所示，的传感器电缆、驱动丝以及器械与相应的通道均呈间隙配合，保证其能顺滑穿过相应孔道，减少装配难度。远端柔性弯曲段2的截面如图9所示，相比于常规的实现多独立通道的柔性内窥镜具有空间利用率高，占用体积小等优点。

更为具体的，本发明的目的是针对现有内窥镜存在的技术缺陷(无法在较小直径的基础上实现多个大直径的内部腔道)提供一种小尺度多腔道内窥镜连续体机械臂结构、传感与制造工艺。该连续体机械臂结合挤出与机械加工(激光加工)多种加工工艺，以实现能够提供双器械腔道的兼具柔性与韧性的一体式内窥镜连续体机械臂，通过挤出工艺可以实现多个超薄壁厚的内部腔道，通过在腔道里配置传感器与驱动丝，便可实现感知集成的柔性内窥镜连续体机械臂，通过传感器获得的形状或位置信息用于提供机器人手术中的反馈来提高操作精度。

为了实现在较小外径的前提下，实现多个大的内部腔道，本专利设计的内窥镜连续体机械臂的远端柔性弯曲段采用挤出制造工艺，保证其实现超薄壁厚，尽可能减少连续体机械臂的外径；同时，为了提高连续体机械臂弯曲韧性，在挤出过程中采用热塑性聚合物(聚丙烯颗粒，SEBS，聚碳酸酯等)作为挤出母料，为了提高连续体机械臂的弯曲柔性，在挤出完成后可采用机械加工(CNC铣削)或激光切割(紫外纳秒、皮秒、飞秒激光)等方式对挤出的多腔管进行切槽去除材料，最终实现一体化的兼具柔性与韧性的小直径多腔道感知集成的内窥镜连续体机械臂。同时为了实现近端运动传递段在较少外径的基础上，尽可能提高其内部腔道的空间，近端运动传递段也采用挤出工艺制造而成，为了使被动的近端运动传递段柔性较高，采用热塑性材料(如：聚氨酯，聚碳酸酯等)作为挤出母料。本专利设计的内窥镜连续体机械臂解决了整体的较小外径与腔道较大内镜之间的矛盾，而且在较小外径的基础上，能够挤出多个超薄壁厚的内部腔道，用于内窥镜连续体机械臂的感知与驱动。相比于其他的内窥镜连续体机械臂，本专利提出的多腔道感知集成柔性内窥镜连续体机械臂能够实现两个手术器械同时操作，实现器械之间的协作与配合，能够提高手术效率，同时多个腔道能够提供形状感知与电磁导航能力，提高手术操作的精度。

实施例2

本发明还提供了一种小尺度多腔道内窥镜连续体机械臂结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、放置在挤出主机401里的毫米级别的聚合物颗粒通过加热吹气到模具402，模具402挤出特定尺寸截面的管状聚合物；

S2、然后经过冷却水槽403对热塑性管状聚合物进行冷却，由牵引机404牵引冷却后的挤出管状物，最后对其进行切断；

S3、通过CNC切槽405对远端柔性弯曲段2铣削加工或者激光切割，去除多余的材料，形成槽型切口202；

S4、将相机和LED4、光纤5、第一器械6、第二器械7、电磁传感器8以及驱动丝9分别间隙配合于近端运动传递段1、远端柔性弯曲段2以及顶端座3中。

更为具体的，近端运动传递段1和远端柔性弯曲段2的加工方式如图10所示。该加工方式能够实现跨尺寸的一体化成型加工工艺。由放置在挤出主机401里的毫米级别的聚合物颗粒通过加热吹气到模具402，该模具402能够挤出特定尺寸截面的管状聚合物，然后经过冷却水槽403对热塑性管状物进行冷却，由牵引机404牵引冷却后的挤出管状物，最后对其进行切断。在挤出过程中选择挤出材料根据需要进行选择，优选的，选择聚丙烯材料挤出近端运动传递段1，为了增加其弯曲顺应性，对其进行CNC切槽405铣削或者激光加工，去除多余的材料，形成槽型切口202。对其进行材料去除时，切槽的参数可根据需要设定。本发明能够实现小尺度多腔道连续体机械臂的跨尺度制造方法(长度与截面直径之比超过300)。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。