一种基于de驱动器的微创手术操作臂结构的制作方法[0002]随着社会的发展，人们对医疗服务质量的要求日益提高，创口小、疼痛轻、恢复快、住院时间短、出血少的微创手术越来越受到患者和医生的青睐。现有的微创手术臂主要有两种结构:以达芬奇系统为代表的刚性直杆手术臂和以NOTES (Yeung, Baldwin PoMan, and Terence Gourlay.〃A technical review of flexible endoscopic multitaskingplatforms."International Journal of Surgeryl0.7 (2012): 345-354.)为代表的柔性手术臂。刚性直杆手术臂采用纯机械结构，刚性好，末端输出力大，但是灵活性差，无法实现弯曲等一系列复杂运动，手术及设备维护费用也相对较高。NOTES使用软式内镜经自然腔道进入腹腔、胸腔等各种体腔，进行各种内镜下操作。但是柔性手术臂不能主动弯曲变形，仅靠自然腔道的束缚实现弯曲，结构刚度差，控制精度差；驱动方式为伺服电机牵引绳索，存在摩擦、松弛等缺点。未来微创手术朝着经自然腔道和伤口更少的方向发展，这就要求手术臂具有较大的空间自由度，结构稳定性和操作精度等。以上两种结构都不能满足以上要求。[0003]作为电场型EAP (electroactive polymer)的代表，DE(dielectric elastomer)材料具有质量轻，价格便 宜，制备方便，响应迅速，机械输出大等优点，是一种极具发展潜力的人工肌肉。这种材料是由一层聚丙烯酸酯或硅胶和涂抹在上下表面的两层柔性电极组成。当对D材料E施加一定的电压(通常为几MV/m到几百MV/m)时，上下电极表面上将分别积累大量的异种电荷，异种电荷间产生相互吸引力，即麦克斯韦应力，由于材料的不可压缩性，DE材料会迅速向着垂直于电场方向扩张，产生较大的变形应力。研究表明，对DE材料进行预拉伸，将会促进DE材料的变形性能，最大可产生380%的应变，可以用来做驱动部件。卸载电压后，利用预拉伸后的回弹特性，DE材料将产生较大的回弹应力，驱使使变形结构恢复原位。利用DE材料这种特性，结合机械铰链，可以实现空间运动的手术操作臂结构。[0004]这种结构采用DE驱动器直接驱动铰链，而不经过其他传动装置，既提高了驱动效率、可靠性，避免了绳索牵引方式存在的问题；同时，又能够满足经自然腔道的微创手术的医学要求，可以实现主动弯曲变形。另外，基于DE材料的电致动特性，结构整体具有驱动性能；通过控制加载电压，可以控制DE材料的变形，进而控制结构的弯曲变形大小。
[0005]本发明的目的在于针对现有微创手术操作臂的缺点和局限，提供了一种基于DE驱动器的微创手术操作臂结构，其利用树脂材料3D打印结构作为手术臂主体结构，DE作为驱动材料制造的微创手术操作臂结构，能够实现空间多自由度弯曲变形。[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:[0007]一种基于DE驱动器的微创手术操作臂结构，包括两个基座、若干个连杆、若干个连接环、若干DE驱动器和若干转轴；其中，两个基座之间连接有若干个连杆，基座与连杆、连杆与连杆之间通过若干个连接环以及设置在连接环周向的若干转轴相连接，且连接环与基座、连接环与连杆之间连接有若干个DE驱动器，该DE驱动器采用柔性生物兼容性介电弹性体材料制成。
[0008]本发明进一步改进在于:基座包括基座圆台、对称设置于其端面上的一组基座支架以及对称设置于基座圆台周向上的两个基座凸台，且两个基座支架的对称线与两个基座凸台垂直，基座支架的伸出端开设有基座轴孔，基座圆台的中心开设有基座通孔；
[0009]连杆包括连杆圆台，连 杆圆台的两个端面上均对称设置有一组连杆支架，且两组连杆支架的的对称面夹角为90度，连杆圆台的周向上均匀设置有4个连杆凸台，且4个连杆凸台的对称线与两组连杆支架的对称线重合，连杆支架的伸出端开设有连杆轴孔，连杆圆台的中心开设有连杆通孔；
[0010]连接环为圆角方形环，其周向上均匀设置有4个连接环轴孔；
[0011]DE驱动器包括DE材料层、两组T型双色板、迈拉绝缘板、第一铜箔电极和第二铜箔电极；其中，T型双色板设有T型双色板孔，两组T型双色板分别固定在DE材料层的两端，第一铜箔电极和第二铜箔电极分别粘贴在DE材料层的两侧，迈拉绝缘板设置在DE材料层中间位置的周向上；
[0012]其中，基座与连杆通过转轴将基座轴孔、连杆轴孔及连接环轴孔相连接；连杆与连杆之间通过转轴将连杆轴孔及连接环轴孔相连接；连接环与基座之间的DE驱动器通过T型双色板孔、基座凸台及连接环上的转轴相连接；连接环与连杆之间的DE驱动器通过T型双色板孔、连杆凸台(203)及连接环上的转轴相连接。
[0013]本发明进一步改进在于:DE材料层包括VHB4910材料层和涂抹于其两侧的导电碳膏，第一铜箔电极和第二铜箔电极分别粘贴在VHB4910材料层的两侧。
[0014]本发明进一步改进在于:迈拉绝缘板采用1000M0型迈拉绝缘板，其宽度为1.5mm。
[0015]本发明进一步改进在于:基座、连杆及连接环均由6000型光敏树脂通过3D打印或机械加工而成。
[0016]本发明进一步改进在于:转轴与基座轴孔及连杆轴孔之间为过盈配合，转轴与连接环轴孔之间为间隙配合。
[0017]本发明进一步改进在于:连接环的外表面与基座支架及连杆支架的内表面预留
0.1mm的装配间隙。
[0018]本发明进一步改进在于:转轴与T型双色板孔之间为间隙配合，T型双色板孔与基座凸台及T型双色板孔与连杆凸台之间为过盈配合。
[0019]本发明进一步改进在于:第一铜箔电极和第二铜箔电极粘贴在DE材料层的一端均为半圆形，且第一铜箔电极和第二铜箔电极均为宽度为2mm的铜箔电极长条。
[0020]本发明进一步改进在于:基座圆台与连接环以及连接环与连杆圆台之间各设有一对DE驱动器,相邻一对DE驱动器之间旋转90度布置。
[0021]与现有技术相比，本发明的技术效果是:
[0022]1、本发明每个平面铰链的运动都是相对独立的，通过对该铰链旋转方向上一对DE驱动器的控制，可以实现结构的空间弯曲变形；2、通过对DE驱动器施加不同大小的电压，可以实现铰链不同的旋转角度；3、采用DE驱动器直接驱动的方式，具有较高的机械效率和控制精度。



[0023]图1为本发明基于DE驱动器的微创手术操作臂结构的结构三维图；
[0024]图2为本发明基座的等轴测图；
[0025]图3为本发明连杆的等轴测图；
[0026]图4为本发明连接环的等轴测图；
[0027]图5为本发明DE驱动器的整体结构图，包括三维图5 Ca)和截面示意图5 (b)；
[0028]图6为本发明转轴、T型双色板、连接环、连杆(基座)之间的装配关系图。
[0029]其中:1、基座；2、连杆；3、连接环；4、转轴；5、DE驱动器;101、基座圆台;102、基座支架；103、基座凸台；104、基座通孔；105、基座轴孔；201、连杆圆台；202、连杆支架；203、连杆凸台；204、连杆通孔；205、连杆轴孔；301、连接环轴孔；501、DE材料层；502、T型双色板；503、迈拉绝缘板；504、第一铜箔电极；505、第二铜箔电极；506、导电碳膏；507、VHB4910材料层；508、T型双色板孔。

[0030]以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0031]参见图1至图6，本发明是一种基于DE驱动器的微创手术操作臂结构，包括两个基座1、若干个连杆2、若干个连接环3、若干DE驱动器5和若干转轴4。其中，两个基座I之间连接有若干个连杆2，基座I与连杆2、连杆2与连杆2之间通过若干个连接环3以及设置在连接环周向的若干转轴4相连接，且连接环3与基座1、连接环3与连杆2之间连接有若干个DE驱动器5，该DE驱动器5采用柔性生物兼容性介电弹性体材料制成。
[0032]进一步地，参见图2，基座I包括基座圆台101、对称设置于其端面上的一组基座支架102以及对称设置于基座圆台101周向上的两个基座凸台103，且两个基座支架102的对称线与两个基座凸台103垂直，基座支架102的伸出端开设有基座轴孔105，基座圆台101的中心开设有基座通孔104，其为手术臂头部的刀具、照明、成像系统，以及DE驱动器5的引线提供通道。
[0033]参见图3，连杆2包括连杆圆台201，连杆圆台201的两个端面上均对称设置有一组连杆支架202，且两组连杆支架202的的对称面夹角为90度，连杆圆台201的周向上均匀设置有4个连杆凸台203，且4个连杆凸台203的对称线与两组连杆支架202的对称线重合，连杆支架202的伸出端开设有连杆轴孔205，连杆圆台201的中心开设有连杆通孔204，其为手术臂头部的刀具、照明、成像系统，以及DE驱动器5的引线提供通道。需要说明的是，基座圆台101与连接环3以及连接环3与连杆圆台201之间各设有一对DE驱动器5，相邻一对DE驱动器5之间旋转90度布置。
[0034]参见图4，连接环3为圆角方形环，其周向上均匀设置有4个连接环轴孔301。
[0035]参见图5a和5b，DE驱动器5包括DE材料层501、两组T型双色板502、迈拉绝缘板503、第一铜箔电极504和第二铜箔电极505 ;其中，T型双色板502设有T型双色板孔508，两组T型双色板502分别固定在DE材料层501的两端，第一铜箔电极504和第二铜箔电极505分别粘贴在DE材料层501的两侧，迈拉绝缘板503设置在DE材料层501中间位置的周向上。
[0036]参见图6，其中，基座I与连杆2通过转轴4将基座轴孔105、连杆轴孔205及连接环轴孔301相连接；连杆2与连杆2之间通过转轴4将连杆轴孔205及连接环轴孔301相连接；连接环3与基座I之间的DE驱动器5通过T型双色板孔508、基座凸台103及连接环3上的转轴4相连接；连接环3与连杆2之间的DE驱动器5通过T型双色板孔508、连杆凸台203及连接环3上的转轴4相连接。其中，转轴4与基座轴孔105及连杆轴孔205之间为过盈配合，转轴4与连接环轴孔301之间为间隙配合，保证关节转动的灵活性；连接环3的外表面与基座支架102及连杆支架202的内表面预留0.1mm的装配间隙，从而使连接环3可以绕转轴4转动；转轴4与T型双色板孔508之间为间隙配合，保证关节转动的灵活性；T型双色板孔508与基座凸台103及T型双色板孔508与连杆凸台203之间为过盈配合，保证了 DE驱动器装配的牢固性。
[0037]上述DE材料层501包括VHB4910材料层507和涂抹于其两侧的导电碳膏506，由于VHB4910材料的自粘性，故本过程中不需要额外的粘结剂。第一铜箔电极504和第二铜箔电极505分别粘贴在VHB4910材料层507的两侧。迈拉绝缘板503采用1000Μ0型迈拉绝缘板。基座1、连杆2及连接环3均由6000型光敏树脂通过3D打印或机械加工而成，其中，选用6000型光敏树脂材料作为结构体材料，其具有较小的密度和较高的杨氏模量，加工的结构体能够承受一定的载荷。
[0038]第一铜箔电极504和第二铜箔电极505均为宽度为2mm的铜箔电极长条，其粘贴在DE材料层501的一端均为半圆形，将此半圆形的一端沿拉伸方向粘在VHB4910材料层507上，与后边涂抹的导电碳膏506相连，将铜箔头部剪成半圆形，是为了防止铜箔尖角划破VHB4910材料层507 ;粘贴另一端T型双色板，保证圆头电极露出一部分，但露出部分不宜过长，因为电极会 限制DE材料层501的变形；涂抹导电碳膏506，保证导电碳膏506与圆头电极接触良好。迈拉绝缘板503的宽度为1.5mm。将若干1.5mm宽的迈拉板绝缘板503沿平行T型双色板502方向等间距粘贴于VHB4910材料层507上，防止预拉伸的VHB4910材料层507在迈拉板绝缘板503方向上的回弹。
[0039]其制备工艺如下:对VHB4910材料层507进行双轴预拉伸，沿拉伸方向放置一组T型双色板502于VHB4910材料层507上；裁剪宽度为2mm的铜箔电极长条，将其中一头裁剪成半圆形，将此半圆形的一端沿拉伸方向粘在VHB4910材料层507上；粘贴另一端T型双色板502，保证圆头电极露出一部分；沿拉伸方向涂一贯穿导电碳膏506，保证同一面各部分电极的联通；将若干1.5mm宽的迈拉绝缘板503细条沿平行T型双色板502方向等间距粘贴于VHB4910材料层上，防止VHB4910材料层的缩颈；最后完成电极的整体涂抹。另一面的制备工艺与此面完全相同。
[0040]预拉伸倍数对DE驱动器5的机械输出有很大的影响，根据具体应用，可以选择不同的拉伸倍数；为了获得大的输出力，可以采用多层DE驱动器5堆栈的结构；本发明中采用单层DE驱动器5的等双轴3X3倍预拉伸。迈拉板绝缘板503的作用是抑制DE驱动器5径向变形，可以在垂直于径向的方向上获得更好的变形效果。
[0041]参考图1，为了对本发明基于DE驱动器的微创手术操作臂进一步了解，现对其工作原理做一说明:
[0042]基于DE驱动器的微创手术操作臂的结构是多个铰链结构的延拓，每一处的铰链结构相对独立，具有相同的工作原理，仅就基座处的铰链结构说明其工作原理。
[0043]每个平面铰链由一对DE驱动器5驱动。对于图1中结构，我们称左边的DE驱动器为I号驱动器，称右边的DE驱动器为2号驱动器。
[0044]对I号驱动器施加电压，在麦克斯韦应力下，连接环3会绕着转轴4向2号驱动器方向旋转一定角度，同时2号驱动器的回弹力会减小，最终到达一个新的力的平衡状态；改变I号驱动器上电压的大小，铰链的弯曲角度会随之变化；对与该铰链处于同一连接环3的另一个铰链结构进行驱动控制，可以实现一个关节处的空间弯曲；对结构上每对DE驱动器独立控制，可 以实现结构的空间蛇形弯曲变形。