本發明涉及微創手術多自由度手術臂技術領域，特別涉及一種多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂。

背景技術：

微創手術具有出血少、傷口小、預后好、麻醉風險降低、疼痛輕等優點，越來越受到臨床醫務人員的青睞，微創手術治療方式的改進也就成為了無法避免的科學問題。穩定性好、對接觸組織的低損傷或無損傷及良好的生物抗菌性等都成了熱門的研究課題。相較傳統的手術方式，Intuitive Surgical公司的Da Vinci手術機器人作為目前國際上已經多次應用于臨床并被引進國內的機器人而尤為知名。而該公司也先后申請了有關多自由度手術臂的專利(WO 2007146987 A3和WO 2007120952 A3)。

雖然DaVinci機器人已有相較傳統人工手術操作有極大的進步，可是因剛性的操作器件而引起的固有操作缺陷依然有待提升。而截至目前，國內據教育柔性手術操作臂研究的學者也在增加，天津大學相關科研團隊發明了一種微創外科手術的主從一體式機械臂并對傳統機械臂結構進行了改進(公開號：CN101889900B和CN 102973317A)；哈爾濱工業大學(公開號：CN102973317A)基于齒輪嚙合及絲杠傳動等機械原理，設計了一款多自由度微創外科手術操作臂。雖然上述結構在一定的程度上實現了手術臂多自由度的要求，但大多是以多機械關節，拉線電機等形式實現的。由于過多的機械結構裝配形成許多縫隙，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。同時，剛性機械關節的剛度又容易對人體造成傷害。

西安交通大學發明了相應的基于DE材料電氣混合驅動及氣驅動的多自由度手術操作臂(申請號：2015106704243和2015106713492)，為微創手術操作臂的柔性多自由度發展提供了一個新的思路。DE材料因其輕質量、較低的能耗、易于改性、能經受較大變形等優點成為了該領域的研究熱點，并且被廣泛應用。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂，具有質量輕、能耗低、能產生較大及復雜變形，對人體剛性損傷更少、氣路更少，更易控制形狀及剛度保持等優點。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂，包括上下兩端的大基座22，中心尼龍線13穿過中間的平行排布的多個薄片21并固定在兩端的大基座22上形成驅動骨架，三個以上的用于驅動整體彎曲的小氣動臂對稱分布粘結固定在沿平行于中心尼龍線13方向驅動骨架的外周上，小氣動臂的外周環繞有第一復合薄膜23，環繞后的第一復合薄膜23的外壁自上而下交錯粘貼著可通過調節真空進行剛度調節的環狀第二尼龍纖維15，環繞在大基座22外側的第一復合薄膜23的外壁處固定密封卡箍，密封卡箍外側固定有用密封扎帶20封裝的封裝外套19，封裝外套19及第一復合薄膜23外壁間構成密閉腔體，該密閉腔體設有抽真空口18。

所述的小氣動臂是由第二復合薄膜24卷繞在小頂部基座1和小底部基座2上形成的密封腔體，該密封腔體設有驅動氣體入口孔3。

所述的小頂部基座1和小底部基座2且均帶有可通入驅動氣體的驅動氣體入口孔3，小頂部基座1的驅動氣體入口孔3連接處設有密封筋4，小頂部基座1的驅動氣體入口孔3為通孔，小底部基座2的驅動氣體入口孔3為半截孔，小頂部基座1和小底部基座2采用3D打印制造。

所述的第一復合薄膜23和第二復合薄膜24是將通過對介電彈性體DE材料進行單向預拉伸而形成的矩形薄膜6內夾平行分布的第一尼龍纖維7形成三明治結構。

所述的薄片21中心設有中心孔10，四周設有單根氣動臂固定槽9，薄片21上還設有可提供組織取樣的取樣孔8；大基座22中心設有固定環11，四周設有單根氣動臂固定槽9，大基座22上還設有可提供組織取樣的取樣孔8，中心尼龍線13穿過中心孔10固定在大基座22上的固定環11上。

所述的封裝外套19為Ecoflex0030硅橡膠套，A,B組分的調配為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。

一種多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂的制備方法，包括以下步驟：

1)用細圓柱狀鋼條5通過驅動氣體入口孔3將小頂部基座1和小底部基座2連接，形成單根小氣動臂的骨架；

2)制備單根小氣動臂：

2.1)對介電彈性體DE進行沿長度方向單向預拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形長度排列第一尼龍纖維7，第一尼龍纖維7之間相互平行；將另一張拉伸后的矩形薄膜6與之粘接，形成三明治結構的第二復合薄膜24；

2.2)將第二復合薄膜24卷繞在單根小氣動臂骨架外側；

2.3)抽掉細圓柱狀鋼條5，驅動氣體與單根小氣動臂的內部腔體通過小頂部基座1的驅動氣體入口孔3連通；

3)用兩根粗柱狀鋼條12通過取樣孔8依次連接2個大基座22及若干薄片21，使2個大基座22分位于柱體兩端，在薄片21的中心孔10穿過一根中心尼龍線13，中心尼龍線13兩端固定在2個大基座22的固定環11上，形成驅動骨架；

4)將步驟2)所得多個單根小氣動臂沿步驟3)所得驅動骨架上的單根氣動臂固定槽9分別粘接于驅動骨架外側，形成內驅動結構；

5)制備驅動單元：

5.1)對介電彈性體DE進行沿長度方向單向預拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形長度排列第一尼龍纖維7，第一尼龍纖維7之間相互平行；將另一張拉伸后的矩形薄膜6與之粘接，形成三明治結構的第一復合薄膜23；

5.2)將第一復合薄膜23卷繞在內驅動結構外側；

5.3)抽掉粗圓柱狀鋼條12，使大基座22與薄片21上對應取樣孔8相通，得到驅動單元；

6)在驅動單元外周自下而上錯層環繞粘接多個由第二尼龍纖維15組成的尼龍纖維束，再于兩端套上密封卡箍；

7)在第二尼龍纖維束15及密封卡箍外周套上封裝外套19，封裝外套19兩端用密封扎帶20將封裝外套19緊固。

所述的尼龍纖維束是用一條膠帶14將第二尼龍纖維15粘接成“梳子”狀，并按驅動單元的外徑卷繞而成。

本發明的有益效果為：

(1)借助中心尼龍線13對于手術操作臂整體沿長度方向上伸長的自由度的約束。

(2)借助通過對于每個小氣動臂周向環繞多根尼龍纖維從而改變DE材料的各向異性而實現單根小氣動臂在增大內部氣壓下產生變形時的徑向自由度約束。

(3)借助大基座22及若干薄片21結構進行中心尼龍線13及小氣動臂的定位，以上結合可實現整體臂體實現所需的方向的彎曲。

(4)結合尼龍纖維在真空狀態下的由“軟”變“硬”的特性實現在驅動后在指定位置的剛度及形態保持。

(5)可將所得單節多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂進行多節的結構拼裝，將每個小氣動臂氣路進行簡單對應串聯，每節尼龍纖維進行單獨作用，可實現較大長度在空間內的彎曲變形及實現復雜彎曲形狀。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖，其中圖1b為圖1a剖視圖。

圖2為小頂部基座1的示意圖，其中圖2b為圖2a的剖視圖。

圖3為小底部基座2的示意圖，其中圖3b為圖3a的剖視圖。

圖4為通過細圓柱鋼條5連接小頂部基座1與小底部基座2而成單根小氣動臂的骨架。

圖5為復合薄膜24或復合薄膜23的示意圖，圖5a為俯視圖，圖5b為圖5a的A-A面剖視。

圖6為抽掉細圓柱鋼條5之后的單根小氣動臂結構圖。

圖7為輔助固定單根氣動臂的薄片21結構圖。

圖8為大基座22結構圖。

圖9為通過粗圓柱體12連接兩個大基座22及數個薄片21而成的驅動骨架。

圖10為將四根單根氣動臂固定在骨架上得到的內驅動結構，其中圖10b為圖10a剖視圖。

圖11為將第一復合薄膜23纏繞在內驅動結構的外層圖。

圖12為抽掉兩根粗圓柱鋼條12的示意圖。

圖13為單節驅動單元結構圖，其中圖13b為圖13a剖視圖。

圖14為尼龍纖維粘接成束示意圖。

圖15為氣動驅動臂與剛度調節外套組裝圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。

參照圖1，一種多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂，包括上下兩端的大基座22，中心尼龍線13穿過中間的平行排布的多個薄片21并固定在兩端的大基座22上形成驅動骨架，四個用于驅動整體彎曲的小氣動臂對稱分布粘結固定在沿平行于中心尼龍線13方向的驅動骨架的外周上，四個小氣動臂的外周環繞有第一復合薄膜23，環繞后的第一復合薄膜23的外壁自上而下交錯粘貼著可通過調節真空進行剛度調節的環狀尼龍纖維15，環繞在大基座22外側的第一復合薄膜23的外壁處固定有一個第一密封卡箍16和三個第二密封卡箍17，密封卡箍外側固定有用密封扎帶20封裝的封裝外套19，封裝外套19及第一復合薄膜23外壁間構成密閉腔體，該密閉腔體設有抽真空口18。

所述的小氣動臂是由第二復合薄膜24卷繞在小頂部基座1和小底部基座2上形成的密封腔體，該密封腔體設有驅動氣體入口孔3。

參照圖2和圖3，所述的小頂部基座1和小底部基座2且均帶有可通入驅動氣體的驅動氣體入口孔3，小頂部基座1的驅動氣體入口孔3連接處設有有助于密封的密封筋4，小頂部基座1的驅動氣體入口孔3為通孔，小底部基座2的驅動氣體入口孔3為半截孔，小頂部基座1和小底部基座2采用3D打印制造。

參照圖4，借助細圓柱鋼條5連接小頂部基座1和小底部基座2，形成單根小氣動臂的骨架。

參照圖5，所述的第一復合薄膜23和第二復合薄膜24是將通過對介電彈性體DE材料進行單向預拉伸而形成的矩形薄膜6內夾平行分布的第一尼龍纖維7形成三明治結構。

參照圖6，將第二復合薄膜24纏繞在圖4中單根小氣動臂的骨架上的小頂部基座1及小底部基座2的外周，然后抽掉中心的細圓柱鋼條5，實現單根小氣動臂的制備。

參照圖7、圖8，圖7和圖8分別為用于在四個方向固定單根小氣動臂所需的薄片21及大基座22，薄片21中心設有中心孔10，四周設有單根氣動臂固定槽9，薄片21上還設有可提供組織取樣的取樣孔8；大基座22中心設有固定環11，四周設有單根氣動臂固定槽9，大基座22上還設有可提供組織取樣的取樣孔8。參照圖9，兩根粗圓柱體鋼條12通過取樣孔8連接兩個大基座22及數個薄片21可形成取得骨架，大基座22和薄片21上均有可用來在四個方向上配合粘接固定單根氣動臂固定槽9，中心尼龍線13穿過中心孔10固定在大基座22上的固定環11上，以盡量保證在操作臂整體彎曲時中心線方向無明顯伸長，實現操作臂軸向伸長自由度的約束。

所述的封裝外套19為Ecoflex0030硅橡膠套，A,B組分的調配為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。

參照圖10，將四根小氣動臂依次粘接固定在骨架薄片21及大基座22外側的固定槽9上，形成內驅動結構。

參照圖11、圖12、圖13，將第一復合薄膜23纏繞在圖10中的內驅動結構的外層，而后抽掉兩根粗圓柱鋼條12，得到驅動單元。

參照圖14，用膠帶14將第二尼龍纖維15粘接成“梳子”狀，形成尼龍纖維束。

參照圖15，將多個圖14中的尼龍纖維束自上而下分層交錯環繞粘接在手術操作臂柔性驅動層外周，而后在兩個大基座22外周的第一復合薄膜23上分別套上一個第一密封卡箍16和三個第二密封卡箍17；將封裝外套19套在第一復合薄膜23最外側，并利用兩端處于第一密封卡箍16、三個第二密封卡箍17的槽相對應位置的密封扎帶20將封裝外套19緊固，得到多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂，如圖1所示，抽真空口18外接抽真空設備。

所述的封裝外套19采用Ecoflex0030硅膠制備：A、B組分的調配為1:1，并加入納米銅離子攪拌均勻并倒入模具中，在室溫下固化24小時即脫膜成形。

本發明的工作原理為：

多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂通過增加單側內部腔體內氣壓來實現指定方向的彎曲，從而達到多自由度變形驅動；剛度調功能則是通過抽真空的方式實現，當剛度調節封裝外套19內部氣室與外界大氣壓想通時，尼龍纖維間的摩擦力很小，多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂處于自由變形態或“軟”狀態；當對剛度調節封裝外套19內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，使得多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂在圓柱形母線方向無法伸長或縮短，從而實現變形的“鎖定”或者“硬”狀態。

應用時，首先利用真空泵通過抽真空口18對第一復合薄膜23外壁及封裝外套19形成的封閉腔體抽真空，從而施加負壓，在外界大氣壓下，第二尼龍纖維15間的摩擦力迅速增加，多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂的整體剛度則迅速提高，成為穩定的直桿狀。當多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂順利進入人體腹腔或自然腔道后，需要調節姿態實現單節彎曲時，一定程度提高第一復合薄膜23外壁與封裝外套19形成的封閉腔體內真空度，同時增大欲彎曲方向對側相應的由第二復合薄膜24包裹在小頂部基座1及小底部基座2外周形成的小氣動臂腔體內的氣壓，使該側的小氣動臂伸長，此時由于排布在中心的兩個大基座22和若干個薄片21對小氣動臂通過單根氣動臂固定槽9的限位及中心尼龍線13對整體結構沿中心線方向伸長自由度的約束，從而表現為整體方向上的對側彎曲變形，通過相較大氣壓下的內部合理的正氣壓及外部合理的真空度配合，可使得多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂穩定地完成預期地運動變形效果。

如果將多個多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂做以簡單地串聯連接，便能實現較長地多節多自由度剛度可調氣動柔性微創手術操作臂，在較為復雜地腸道及腹腔手術中，能夠更加靈活地依靠兩部分氣動配合實現安全手術。

一種多自由度剛度可調氣動柔性手術操作臂的制備方法，包括以下步驟：

1)用細圓柱狀鋼條5通過驅動氣體入口孔3將小頂部基座1和小底部基座2連接，形成單根小氣動臂的骨架，如圖4所示；

2)制備單根小氣動臂：

2.1)對介電彈性體DE進行沿長度方向單向預拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形長度排列第一尼龍纖維7，第一尼龍纖維7之間相互平行；將另一張拉伸后的矩形薄膜6與之粘接，形成三明治結構的第二復合薄膜24，如圖5所示；

2.2)將第二復合薄膜24卷繞在單根小氣動臂的骨架外側；

2.3)抽掉細圓柱狀鋼條5，驅動氣體與單根小氣動臂的內部腔體通過小頂部基座1的驅動氣體入口孔3連通，如圖6所示；

3)用兩根粗柱狀鋼條12通過取樣孔8依次連接2個大基座22及若干薄片21，使2個大基座22分位于柱體兩端，在薄片21的中心孔10穿過一根中心尼龍線13，中心尼龍線13兩端固定在2個大基座22的固定環11上，形成驅動骨架，如圖9所示；

4)將步驟2)所得多個單根小氣動臂沿步驟3)所得驅動骨架上的單根氣動臂固定槽9分別粘接于驅動骨架外側，形成內驅動結構，如圖10所示；

5)制備驅動單元：

5.1)對介電彈性體DE進行沿長度方向單向預拉伸成矩形薄膜6，然后沿矩形長度排列第一尼龍纖維7，第一尼龍纖維7之間相互平行；將另一張拉伸后的矩形薄膜6與之粘接，形成三明治結構的第一復合薄膜23，如圖5所示；

5.2)將第一復合薄膜23卷繞在內驅動結構外側，如圖11所示；

5.3)抽掉粗圓柱狀鋼條12，使大基座22與薄片21上對應取樣孔8相通，得到驅動單元，如圖12、圖13所示；

6)在驅動單元外周自下而上錯層環繞粘接多個由第二尼龍纖維15組成的尼龍纖維束，再于兩端套上一個第一密封卡箍16和三個第二密封卡箍17，如圖15所示；

7)在第二尼龍纖維束15及第一密封卡箍16、第二密封卡箍17外周套上封裝外套19，封裝外套19兩端用密封扎帶20將封裝外套19緊固，如圖1所示。

參照圖14，所述的尼龍纖維束是用一條膠帶14將第二尼龍纖維15粘接成“梳子”狀，并按驅動單元的外徑卷繞而成。