一种基于软体驱动器的仿肺软体机器人肺部轮廓单向变形控制结构

本发明涉及仿生软体机器人，具体涉及一种基于软体驱动器的仿肺软体机器人肺部轮廓单向变形控制结构。

背景技术：

1、生物体软组织结构的研究推进了软体机器人的发展，其具有类生物体的组织结构，可以实现类生物体的弯曲、伸长卷曲等高柔顺、高冗余的复杂运动。肺部作为人体重要的呼吸器官，肺片在吸气和呼气时会进行相应的扩张和收缩，研究肺部在呼吸时的变形机理对治疗肺部相关的疾病和关注人类健康方面显得尤为重要。

2、肺癌是起源于肺部支气管黏膜或腺体的恶性肿瘤，发病率和死亡率增长最快，对人群健康和生命威胁最大的恶性肿瘤之一。近50年来许多国家都报道肺癌的发病率和死亡率均明显增高，现阶段肺部肿瘤预测的主流方法包括影像学检查、组织活检、血液标志物检测、基因检测和人工智能辅助检测等，医生会根据病情和临床需要，选择适合的预测方法进行肺部肿瘤的检测和诊断。放射性治疗对保护健康器官和破坏肿瘤的准确性要求很高，而位于膈肌附近的肿瘤在治疗过程中不断移动，大大增加了放射性治疗的难度，为了测量和最小化呼吸运动对于肺部变形的影响，需要一个可变形的肺部轮廓单向变形控制结构，来模拟呼吸时人体的肺部变形。

技术实现思路

1、为了模拟呼吸时人体的肺部变形，本发明提供了一种基于软体驱动器的仿肺软体机器人肺部轮廓单向变形控制结构，通过气动的驱动方式有效模拟肺部单向变形时的轮廓，由不同结构参数的多个此种驱动器构成完整的仿肺软体机器人，在能精确控制模型变形的基础上应用于肺部变形的变形预测以及对肺部肿瘤运动空间进行精准预测。

2、本发明采用以下具体技术方案：

3、一种基于软体驱动器的仿肺软体机器人肺部轮廓单向变形控制结构，该控制结构包括中心固定座、波纹管驱动器、pneu-net(pneumatic networks)软体驱动器、连接器以及气管；

4、在所述中心固定座的周向均匀分布有至少三个所述pneu-net软体驱动器；

5、沿所述中心固定座的周向，相邻的pneu-net软体驱动器之间通过所述连接器进行固定连接；

6、在每个所述连接器与所述中心固定座之间均固定连接有一个所述波纹管驱动器；所述波纹管驱动器均沿所述中心固定座的径向延伸；

7、所述气管包括与所述pneu-net软体驱动器一一对应连通的第一气管以及与所述波纹管驱动器一一对应连通的第二气管；

8、该控制结构通过向波纹管驱动器施加气压其表现出的径向伸缩特性和向pneu-net软体驱动器施加气压其表现出的弯曲特性分别模拟肺部的径向变形和肺部肺质的边界曲率。

9、更进一步地，所述pneu-net软体驱动器包括非延展层和多个弹性气腔结构；

10、多个所述弹性气腔结构串联且固定连接于所述非延展层背离所述中间固定座的一侧；

11、在所述非延展层朝向所述中间固定座的一侧中部设置有第一气孔；

12、所述第一气管粘接于所述非延展层，并与所述第一气孔对应连通。

13、更进一步地，多个所述弹性气腔结构具有不同的尺寸参数，用于在相同气压下实现变曲率的弯曲变形。

14、更进一步地，所述中心固定座为圆筒，周向均布有与所述波纹管驱动器一一对应的插接座，并在相邻的插接座之间设置有与所述pneu-net软体驱动器一一对应的通孔；

15、所述波纹管驱动器的内端固定安装于所述插接座内；

16、所述通孔中穿设有与所述pneu-net软体驱动器连接的第一气管。

17、更进一步地，所述波纹管驱动器为具有波纹结构的薄壳结构，并在内端设置有第二气孔；

18、所述第二气管的一端与内端粘接连接，并与所述第二气孔连通。

19、更进一步地，所述连接器在朝向所述中间固定座的一侧表面中部设置有用于安装所述波纹管驱动器的安装槽，并在所述安装槽的两侧对称设置有用于连接所述pneu-net软体驱动器的插接槽；

20、所述波纹管驱动器的外端插接于所述安装槽内；

21、所述pneu-net软体驱动器的端部插接于所述插接槽内。

22、更进一步地，所述连接器采用硅橡胶制成，用于保证在所述波纹管驱动器与所述pneu-net软体驱动器的耦合变形下连接处曲率的平滑过渡。

23、更进一步地，所述波纹管驱动器与所述中心固定座和所述连接器之间、以及所述pneu-net软体驱动器与所述连接器之间均采用粘接连接。

24、更进一步地，还包括气管固定圈；

25、所述气管固定圈为中间设置有穿孔的圆板状结构；

26、所述气管之间外壁彼此相切地穿过所述穿孔。

27、更进一步地，还包括与所述气管连通的气源。

28、有益效果：

29、本发明的肺部轮廓单向变形控制结构采用两种不同变形形式的驱动器进行耦合变形，包括具有径向伸缩特性的波纹管驱动器和周向弯曲特性的pneu-net软体驱动器，通过波纹管驱动器的径向伸缩特性模拟肺部的径向变形，并利用pneu-net软体驱动器的弯曲特性模拟肺部肺质的边界曲率；因此，上述肺部轮廓单向变形控制结构通过类人体组织的双驱动器软体结构能够模拟肺部呼吸时的单向变形机理，通过气动驱动的方式能够有效模拟肺部单向变形时的轮廓，在能精确控制模型变形的基础上应用于肺部变形的变形预测以及对肺部肿瘤运动空间进行精准预测，同时还能模拟其他类似的在驱动器变形范围内的形状或轮廓。

技术特征：

1.一种基于软体驱动器的仿肺软体机器人肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，包括中心固定座、波纹管驱动器、pneu-net软体驱动器、连接器以及气管；

2.如权利要求1所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，所述pneu-net软体驱动器包括非延展层和多个弹性气腔结构；

3.如权利要求2所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，多个所述弹性气腔结构具有不同的尺寸参数，用于在相同气压下实现变曲率的弯曲变形。

4.如权利要求1所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，所述中心固定座为圆筒，周向均布有与所述波纹管驱动器一一对应的插接座，并在相邻的插接座之间设置有与所述pneu-net软体驱动器一一对应的通孔；

5.如权利要求4所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，所述波纹管驱动器为具有波纹结构的薄壳结构，并在内端设置有第二气孔；

6.如权利要求5所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，所述连接器在朝向所述中间固定座的一侧表面中部设置有用于安装所述波纹管驱动器的安装槽，并在所述安装槽的两侧对称设置有用于连接所述pneu-net软体驱动器的插接槽；

7.如权利要求1-6任意一项所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，所述连接器采用硅橡胶制成，用于保证在所述波纹管驱动器与所述pneu-net软体驱动器的耦合变形下连接处曲率的平滑过渡。

8.如权利要求7所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，所述波纹管驱动器与所述中心固定座和所述连接器之间、以及所述pneu-net软体驱动器与所述连接器之间均采用粘接连接。

9.如权利要求1-6任意一项所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，还包括气管固定圈；

10.如权利要求1-6任一项所述的肺部轮廓单向变形控制结构，其特征在于，还包括与所述气管连通的气源。

技术总结
本发明公开了一种基于软体驱动器的仿肺软体机器人肺部轮廓单向变形控制结构，该控制结构在中心固定座的周向均匀分布有通过连接器进行连接的pneu‑net软体驱动器；在每个连接器与中心固定座之间均固定连接有一个波纹管驱动器；气管与pneu‑net软体驱动器和波纹管驱动器连通；控制结构通过向波纹管驱动器施加气压其表现出的径向伸缩特性和向pneu‑net软体驱动器施加气压其表现出的弯曲特性分别模拟肺部的径向变形和肺部肺质的边界曲率。上述控制结构通过气动的驱动方式有效模拟肺部单向变形时的轮廓，由多个不同结构参数的此种软体驱动器构成完整的仿肺软体机器人，在能精确控制模型变形的基础上应用于肺部变形的变形预测以及对肺部肿瘤运动空间进行精准预测。

技术研发人员：张来喜,孟文强,文伟韬,倪庚垚,赵杨昊宇,朱盛杰
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15