面向微创手术器械臂的可变刚度机理综述

微创手术以体表小切口或人体腔道为入路,造成的组织创伤更小,代表着外科手术的最前沿。对于位置深远的病灶,需采用细长柔性器械来适应复杂的体腔环境。具有变刚度特性的手术器械臂,可实现柔性器械的刚柔并济,是保障术中人机交互安全、兼顾操作精度和力输出的关键。聚焦于微创手术器械臂领域,对变刚度机理进行综述,将其分类为：阻塞法、热响应材料法、形状锁合法、力对抗法、梁特征重构法以及混合法。根据对器械臂的性能要求,首先讨论、比较了各变刚度机理在刚化能力、响应时间、空间占用等方面上的性能。然后,综述了潜在的器械臂变刚度设计方法并分析其前景与挑战。最后,总结展望了该研究领域,指出发掘新型变刚度材料及基于仿生理念开展结构/功能一体化设计是本领域寻求突破的重点。     

基于厚板折纸理论的微创手术钳

微创手术操作器械,作为微创手术机器人的重要组成部分,其性能的优劣直接影响手术的质量。目前的微创手术器械大多是针对手术过程中的夹取、缝合等基本操作设计的,但由于它们通常是通过简单地将传统外科手术工具小型化获得的,造成现有微创器械普遍存在着机械效益低、磨损严重、运动不协调等问题。为了提高手术操作的高效性和稳定性,基于厚板折纸理论设计了一种专门用于微创手术的新型手术钳,分析与试验表明其可提供多于传统微创手术钳1.5倍的夹持力,并具有更大的张角和更好的运动协调性,同时增加了手术操作的灵活性。动物试验表明其夹持组织更加稳定可靠。     

广义Waterbomb折纸管的刚性折叠运动特性

对折叠模式的精确描述是折纸结构工程应用的前提，但现有的理论和方法无法全面地分析大多数折纸结构的刚性折叠过程。以广义Waterbomb折纸管为研究对象，基于球面机构运动学理论系统地分析了其折叠行为与运动协调条件，推导了折叠管刚性收缩和扭转运动的两套解析运动学方程。研究了各种几何设计参数对Waterbomb折纸管刚性折叠行为的影响，并讨论了该折纸结构折叠过程中的分岔行为与可能的物理干涉，及其引起的刚性折叠与结构形变的转化。此工作为基于广义Waterbomb折纸管的可编程超材料、可变形结构和机器人的设计与控制奠定了理论基础和设计依据，同时为复杂折纸结构的运动学分析提供了有效的手段。     

具有折展与变刚度特征的NOTES手术器械臂

自然腔道手术(Natural orifice transluminal endoscopic surgery,NOTES)具有恢复快、创伤小、疼痛轻等优点,在临床应用潜力巨大。为适应人体复杂腔道环境,NOTES中常采用长器械臂为手术工具提供通路及支撑。现有的器械臂往往尺寸较大且刚度低,不能满足NOTES的要求。提出一种可折展、变刚度的器械臂,采用编织结构作为骨架实现径向折展,同时借助包覆在编织结构交叉点处的热熔胶实现刚度调节。建立了器械臂的数学模型,得到了柔态和刚态下的刚度解析表达式。试验结果表明,通过加热及冷却热熔胶,器械臂可以实现刚柔两态转化,其刚度比接近20,并且转换时间小于30 s,同时可以实现约2倍的径向展开比。     

基于正六边形折纸的单自由度可展结构

可展结构在航空航天领域应用广泛,其性能的优劣直接决定航天任务的成败.随着各种空间设备向着大型化和复杂化方向发展,对性能优良的可展结构的需求与日俱增.为了设计具有高可控性、大收纳率的可展结构,从刚性折纸的角度出发,对一种已有折纸图案进行改进,设计出一种新型零厚度正六边形折纸.进一步结合桁架理论和厚板折纸理论分析并降低了其自由度,从而提高了该机构的可控性,并借助D-H法对其进行了运动学分析.考虑到实际工程中应用的空间设备多有一侧为平整的工作表面,通过采用新的机构对原有机构进行运动等效替换,使其具有一侧平整展开表面,最终得到了一种具有单自由度大折展比的可展结构设计方案.