CN105286999B - 具有末端自转功能的微创手术器械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有末端自转功能的微创手术器械，它包括器械末端和器械盒，器械末端包括开合组件，开合组件包括左、右开合钳，左、右开合钳通过支撑轴转动安装在末端自转座上，末端自转座旋转的安装在偏转基座上，末端自转座与旋转驱动装置相连，偏转轮固定在偏转基座上，末端支撑的前端通过偏转轮的转轴转动的连接在偏转基座上连接长轴的前端与末端支撑固定相连，连接长轴的后端与器械盒的回转轴固定相连，在器械盒中设置有开合传动装置、末端自转传动装置、偏转传动装置以及回转传动装置。本装置采用新型四自由度布局形式，除具有较高的灵活性外，还可有效降低机器人缝合、打结等手术操作的难度。

Description

具有末端自转功能的微创手术器械

技术领域

本发明涉及一种微创手术器械，特别涉及一种微创手术机器人用的手术器械。

背景技术

微创手术是指医生利用腹、胸腔镜等现代医疗设备以及配套器械进行的手术操作，微创外科技术的衍生对推动人类发展和文明进步做出了重要贡献，已成为21世纪全球外科领域的主旋律。与开口手术相比，微创手术具有创伤小、出血少、恢复快等诸多优点，在临床手术中已得到了越来越广泛的应用。近年来，随着科学技术的发展以及医学需求的提高，用于辅助实现微创手术的微创手术机器人应运而生并得到了迅速发展，它是集图像系统、控制系统、机构系统等三大系统于一体的现代化医疗设备。微创机器人的出现克服了传统微创技术的许多缺点，具有安全可靠、操作灵活等优点，还具有实施远程微创手术的潜力。目前，微创机器人已在泌尿外科、心脏外科、普通外科、妇产科和儿科等领域得到推广应用。

在机器人辅助微创手术过程中，手术器械是唯一直接接触患者病变组织的执行机构，而机器人其它组成部分都是为配合器械运动而设计产生的，因此，对微创手术机器人而言，降低手术执行难度，提高可操作舒适性的根本方法就是开发一套好用实用的微创手术器械。现已问世的机器人手术器械多存在结构复杂、灵活性低等缺点，因此，提供一种灵活性高且简单适用的微创手术器械对于填补该领域的空白，并在降低微创医生的劳动强度，保证微创手术质量方面具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种灵活性高、结构简单、可操作性好的具有末端自转功能的微创手术器械。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的具有末端自转功能的微创手术器械，它包括器械末端和器械盒，所述的器械末端包括用以实现器械的开合自由度的开合组件，所述的开合组件包括左、右开合钳，所述的左、右开合钳通过支撑轴转动安装在末端自转座上，所述的末端自转座旋转的安装在偏转基座上，所述的末端自转座与偏转基座共轴线，所述的末端自转座与旋转驱动装置相连并且在旋转驱动装置的带动下转动以实现器械的末端自转自由度，偏转轮固定在偏转基座上，所述的偏转轮的转轴的轴线与偏转基座的轴线垂直设置，末端支撑的前端通过偏转轮的转轴转动的连接在偏转基座上以实现器械的偏转自由度，所述的转轴的轴线与末端自转座的回转轴线垂直，所述的支撑轴与转轴的轴线以及末端自转座的回转轴线均垂直，连接长轴的前端与末端支撑固定相连，连接长轴的后端与器械盒的回转轴固定相连，在所述的器械盒中设置有开合传动装置、末端自转传动装置、偏转传动装置以及回转传动装置，钢丝绳I一端与拉伸基座固定相连并且另一端穿过连接长轴的轴孔并经导向组件与开合传动装置相连，拉伸基座与左、右开合钳滑动连接，所述的拉伸基座与拉伸滑动轴固定连接，在所述的末端自转座的侧壁上沿回转轴线方向开设有导向槽，在左开合钳或者右开合钳上开有斜向槽，拉伸滑动轴一端插在导向槽和斜向槽内，所述的拉伸滑动轴能够在钢丝绳I的拉动下在导向槽和斜向槽内滑动以带动左、右开合钳开合，复力弹簧一端与拉伸基座连接并且另一端与末端自转座连接，所述的末端自转自由度传动装置与旋转驱动装置相连以向旋转驱动装置输出转动驱动力，钢丝绳IV利用中间结点固定并旋绕在偏转轮上，其两端通过连接长轴并经导向组件导向后旋绕并固定在偏转传动装置上,钢丝绳V的一端固定并正向旋绕在回转轴的丝槽中，另一端正向旋紧在回转传动装置的固丝机构上；钢丝绳VI的一端反向固定并旋绕在回转轴的丝槽中，另一端反向旋紧在回转传动装置的固丝机构上，所述的回转轴在回转传动装置的驱动下作回转运动实现器械的回转自由度。

与现有技术相比，本发明提供的具有末端自转功能的微创手术器械具有以下有益效果：

1.本发明的具有末端自转功能的微创手术器械面向机器人微创手术使用，可以填补在微创手术机器人领域无该类产品的空白。

2.本发明的具有末端自转功能的微创手术器械采用新型四自由度布局形式，除具有较高的灵活性外，还可有效降低机器人缝合、打结等手术操作的难度。

3.本发明的具有末端自转功能的微创手术器械开合机构引入复力弹簧，减少了传动丝的节点数量，有利于简化器械复杂程度和减小结构尺寸。

4.本发明的具有末端自转功能的微创手术器械采用远距离闭环钢丝绳传动形式，解决器械在狭小空间中有效传动的问题。

5.本发明的具有末端自转功能的微创手术器械面向腹腔镜领域的微创手术，可满足不同医院条件的要求，具有向其它医疗领域扩展的潜力。

附图说明

图1为本发明微创手术器械的整体结构示意图；

图2为本发明微创手术器械的器械末端结构示意图；

图3-1为本发明微创手术器械的开合组件结构示意图；

图3-2为本发明微创手术器械的开合组件传动示意图；

图4-1为本发明微创手术器械的末端自转结构示意图；

图4-2为本发明微创手术器械的末端自转传动示意图；

图5-1为本发明微创手术器械的末端自转结构另一种实现方式的结构示意图；

图5-2为本发明微创手术器械的末端自转结构另一种实现方式的传动示意图；

图6-1为本发明微创手术器械的末端自转结构另一种实现方式的结构示意图；

图6-2为本发明微创手术器械的末端自转结构另一种实现方式的传动示意图；

图7为本发明微创手术器械的偏转结构示意图；

图8为本发明微创手术器械的器械盒传动结构示意图；

图9为本发明微创手术器械丝传动原理示意图；

图10为本发明微创手术器械的手术操作示意图。

其中：

1-器械末端 2–器械盒 3–连接长轴

1-1-开合组件 1-2-末端自转座 1-3-偏转基座 1-4-导向轮

1-5-偏转轮 1-6-末端支撑

101-左开合钳 102-右开合钳 103-支撑轴 104-拉伸滑动轴

105-钢丝绳I 106-拉伸基座 107-复力弹簧 108-钢丝绳II

109-钢丝绳III 110-弧形销轴 111-钢丝绳IV 112-钢丝绳V

113–钢丝绳VI 114-腹腔体表 115-末端自转轴线 116-缝合针 117-组织切口

202–锥齿轮I 203–钢丝绳VI 204–传动轮

205–锥齿轮II 207–大导向轮 208–小导向轮

2-1-开合传动装置 2-2-末端自转传动装置 2-3-偏转传动装置 2-4-回转传动装置 2-5-回转轴 2-6-导向组件

K1-开合自由度 R2-末端自转自由度 R3-偏转自由度 R4-回转自由度

P1-拉伸闭合方向 P2-复力张开方向 T1-正向拉伸方向 T2-反向拉伸方向

S-沿轴线旋转运动

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明的具有末端自转功能的微创手术器械，它包括器械末端1和器械盒2，所述的器械末端包括用以实现器械的开合自由度K1的开合组件1-1，所述的开合组件包括左、右开合钳101、102，所述的左、右开合钳101、102通过支撑轴103转动安装在末端自转座1-2上，所述的末端自转座1-2旋转的安装在偏转基座1-3上，所述的末端自转座1-2与偏转基座1-3共轴线，所述的末端自转座1-2与旋转驱动装置相连并且在旋转驱动装置的带动下转动以实现器械的末端自转自由度R2，偏转轮1-5固定在偏转基座1-3上，所述的偏转轮1-5的转轴的轴线与偏转基座1-3的轴线垂直设置，末端支撑1-6的前端通过偏转轮1-5的转轴转动的连接在偏转基座1-3上以实现器械的偏转自由度R3，所述的转轴的轴线与末端自转座1-2的回转轴线垂直，所述的支撑轴与转轴的轴线以及末端自转座1-2的回转轴线均垂直，连接长轴3的前端与末端支撑1-6固定相连，连接长轴的后端与器械盒2的回转轴2-5固定相连，在所述的器械盒中设置有开合传动装置2-1、末端自转传动装置2-2、偏转传动装置2-3以及回转传动装置2-4，钢丝绳I105一端与拉伸基座106固定相连并且另一端穿过连接长轴的轴孔并经导向组件与开合传动装置相连，拉伸基座106与左、右开合钳滑动连接，所述的拉伸基座106与拉伸滑动轴104固定连接，在所述的末端自转座1-2的侧壁上沿回转轴线方向开设有导向槽，在左开合钳或者右开合钳上开有斜向槽，拉伸滑动轴104一端插在导向槽和斜向槽内，所述的拉伸滑动轴能够在钢丝绳I105的拉动下在导向槽和斜向槽内滑动以带动左、右开合钳101、102开合，复力弹簧107一端与拉伸基座106连接并且另一端与末端自转座1-2连接，所述的末端自转自由度传动装置与旋转驱动装置相连以向旋转驱动装置输出转动驱动力，钢丝绳IV111利用中间结点固定并旋绕在偏转轮1-5上，其两端通过连接长轴并经导向组件2-6导向后旋绕并固定在偏转传动装置2-3上,钢丝绳V112的一端固定并正向旋绕在回转轴2-5的丝槽中，另一端正向旋紧在回转传动装置2-4的固丝机构上；钢丝绳VI113的一端反向固定并旋绕在回转轴2-5的丝槽中，另一端反向旋紧在回转传动装置2-4的固丝机构上，所述的回转轴2-5在回转传动装置2-4的驱动下作回转运动实现器械的回转自由度R4。

所述的旋转驱动装置包括分别固定在所述的末端子转座1-2的后端轴径处的正、反向旋绕的钢丝绳II108、钢丝绳III109，旋向相反的钢丝绳II108、钢丝绳III109分别经导向轮1-4导向后旋绕张紧在固丝机构上，所述的固丝机构与末端自转传动装置2-2相连，所述的导向轮通过导向轮轴转动安装在偏转基座1-3上。

所述的旋转驱动装置包括装在所述的末端自转座1-2的后端轴径处的锥齿轮I202，所述的锥齿轮I与锥齿轮II205啮合配合，在所述的锥齿轮II205上固定有传动轮204，在所述的传动轮204上通过丝结固定有钢丝绳VI203，所述的钢丝绳VI203旋绕张紧在固丝机构上，所述的固丝机构与末端自转传动装置2-2相连，所述的传动轮通过传动轮轴转动安装在偏转基座1-3上。

所述的旋转驱动装置包括设置在末端自转座1-2的后端轴径处的直径不同的大、小轴段两部分，两根旋向相反的钢丝绳II108、钢丝绳III109分别正、反向旋绕在大、小轴段上，并分别经大导向轮207、小导向轮208导向后旋绕张紧在大、小固丝轮上，所述的大导向轮和小导向轮同轴线设置并且通过导向轮轴转动安装在偏转基座1-3上，所述的大、小固丝轮共同与末端自转传动装置2-2相连，所述的回转座的大、小轴段直径之比等于大、小导向轮的直径之比，也等于大、小固丝轮的直径之比。

下面再结合每一附图对本发明加以详细说明：

图1为本发明微创手术器械的整体结构示意图。此器械应用于微创手术机器人系统，其结构组成可以包括器械末端1、器械盒2、连接长轴3。所述的连接长轴3的前端与器械末端1的末端支撑固定相连，后端与器械盒2的回转轴固定相连，从而将器械末端1与器械盒2连接为一个整体结构。

图2为本发明微创手术器械的器械末端结构示意图。所述的器械末端1可以包括开合组件1-1、末端自转座1-2、偏转基座1-3、导向轮1-4、偏转轮1-5、末端支撑1-6。所述的开合组件1-1用以实现器械的开合自由度K1；所述的末端自转座旋转的安装在偏转基座上，并可实现器械的末端自转自由度R2；所述的偏转基座与末端支撑旋转的相连，并可实现器械的偏转自由度R3。自所述的器械末端1引出的各自由度的传动钢丝穿过所述的连接长轴3后引入到器械盒2中。

图3-1、3-2为本发明微创手术器械的开合组件结构、传动示意图。所述的开合组件1-1包括左开合钳101、右开合钳102、支撑轴103、拉伸滑动轴104、拉伸基座106以及复力弹簧107，所述的两开合钳通过支撑轴103安装在末端自转座105上，所述的拉伸基座106的底端与钢丝绳结点固定相连，所述的拉伸滑动轴104可沿末端自转座1-2侧壁上所开设的导向槽滑动，并推动两开合钳实现开合动作。当钢丝绳I105在驱动力作用下通过拉伸基座106带动拉伸滑动轴104沿拉伸闭合方向P1滑动，左、右开合钳101、102实现闭合动作；当钢丝绳I105反向松动，拉伸滑动轴104在复力弹簧107的作用下沿复力张开方向P2滑动，推动左、右开合钳101、102实现张开动作。

图4-1、4-2为本发明微创手术器械的末端自转结构、传动示意图。所述的末端自转座1-2旋转的安装在偏转基座1-3上，其上半部分与开合组件1-1相连，下半部分轴径处固定并分别正、反向旋绕两股钢丝绳II108、III109，钢丝绳经导向轮1-4导向后引入器械盒2中。电机正向驱动时，钢丝绳II108沿正向拉伸方向T1带动末端自转座1-2正向旋转；电机反向驱动时，钢丝绳III109沿反向拉伸方向带动末端自转座1-2反向旋转，这样，两根旋向相反的钢丝绳II108、III109组成了器械末端自转运动的闭环传动回路。

图5-1、5-2、图6-1、6-2分别为本发明微创手术器械的末端自转结构的另外两种实现方式。其中，图5所示的是基于锥齿轮传动的末端自转结构，锥齿轮I202利用方形轴孔固定安装在末端自转座I201上，钢丝绳VI203通过丝结与传动轮204固连，锥齿轮II205利用方形轴孔与传动轮204固连，所述的传动轮204的圆轴段插入末端支撑1-6的轴孔内。电机驱动时，钢丝绳VI203拉动传动轮204，并依次带动锥齿轮II205、锥齿轮I202、末端自转座I201旋转，从而实现R2运动；图6所示的是基于差动传动的末端自转结构，末端自转座II206的轴径处包含直径不同的大、小轴段两部分，钢丝绳II108、III109分别正、反向旋绕在两轴段上，分别经大导向轮207、小导向轮208导向后引入器械盒2中，并最终固定张紧在固丝轮组件的大、小固丝轮上。末端自转座II206的大、小轴段直径之比等于大、小导向轮的直径之比，也等于大、小固丝轮的直径之比，使两根旋向相反的钢丝绳II108、III109组成了末端自转运动的闭环差动回路，电机驱动时，末端自转座II206在两钢丝绳拉动下实现R2运动。

图7为本发明具有末端自转功能的微创手术器械的偏转结构示意图。所述的偏转轮1-5通过弧形销轴110与偏转基座1-3固定相连，所述的偏转轮1-5的销轴段插入偏转基座的轴孔中，偏转基座1-3与末端支撑1-6旋转的相连。钢丝绳IV111通过中间结点固定旋绕在偏转轮1-5上，其两端穿过连接长轴3后分别正、反向旋绕并张紧在偏转传动装置2-3上，从而组成闭环传动回路。当偏转传动装置2-3在电机驱动下实现转动时，钢丝绳IV111拉动偏转轮1-5转动，并进而带动偏转基座1-3实现偏转运动。

图8为本发明具有末端自转功能的微创手术器械的器械盒传动结构示意图。所述的器械盒可以包括开合传动装置2-1、末端自转传动装置2-2、偏转传动装置2-3、回转传动装置2-4、回转轴2-5、导向组件2-6。自器械末端1引出的实现开合、末端自转、偏转自由度的三组传动钢丝均经导向组件2-6导向后分别旋绕并张紧在开合传动装置2-1、末端自转传动装置2-2、偏转传动装置2-3的固丝机构上，所述的固丝机构可以采用专利ZL201110025933中的形式。钢丝绳V112的一端固定并正向旋绕在回转轴2-5的丝槽中，另一端正向旋紧在回转传动装置2-4的固丝机构上；钢丝绳VI113的一端反向固定并旋绕在回转轴2-5的丝槽中，另一端反向旋紧在回转传动装置2-4的固丝机构上，从而组成闭环传动回路，并实现器械回转自由度R4的传动结构。

图9为本发明具有末端自转功能的微创手术器械丝传动原理示意图。开合自由度K1丝传动结构：所述的开合组件1-1中的拉伸基座106固定钢丝绳105的一端，所述的钢丝绳105自末端自转座1-2的丝孔穿出后伸入器械盒2中，经导向组件2-6导向后固定并旋紧在开合传动装置2-1上。末端自转自由度R2丝传动结构：钢丝绳II108的一端固定并正向旋绕在所述的末端自转座1-2的轴径处，其另一端经导向轮1-4导向后伸入器械盒2中，经导向组件2-6导向后固定并正向旋紧在末端自转传动装置2-2上；同理，钢丝绳III109的一端固定并反向旋绕在末端自转座1-2的轴径处，其另一端经导向轮1-4导向后伸入器械盒2中，经导向组件2-6导向后固定并反向旋紧在末端自转传动装置2-2上。偏转自由度R3丝传动结构：所述的钢丝绳111利用中间结点固定并旋绕在偏转轮1-5上，其两端伸入器械盒2中，经导向组件2-6导向后分别正、反向旋绕并固定在偏转传动装置2-3上。回转传动结构：钢丝绳V112的一端固定并正向旋绕在回转轴2-5的丝槽中，另一端正向旋紧在回转传动装置2-4的固丝机构上；同理，钢丝绳VI113的一端反向固定并旋绕在回转轴2-5的丝槽中，另一端反向旋紧在回转传动装置2-4的固丝机构上，所述的回转轴2-5在回转传动装置2-4的驱动下作回转运动实现器械的回转自由度R4。

图10为本发明具有末端自转功能的微创手术器械的手术操作示意图。图中所示为医生操控机器人手术器械夹持缝合弯针116进行缝合操作的动作示意，先快速调整器械末端1的位置使其逐步靠近病变组织，随后调整姿态使末端自转轴线115与病变组织切口117走向平行，最后沿轴线旋转方向S转动末端自转关节，弯针沿圆弧方向完成穿针操作。图中114为腹腔体表，117为组织切口。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的只是本发明的实施方式之一，实际的结构也并不局限于此。如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.具有末端自转功能的微创手术器械，它包括器械末端和器械盒，其特征在于：所述的器械末端包括用以实现器械的开合自由度的开合组件，所述的开合组件包括左、右开合钳，所述的左、右开合钳通过支撑轴转动安装在末端自转座上，所述的末端自转座旋转的安装在偏转基座上，所述的末端自转座与偏转基座共轴线，所述的末端自转座与旋转驱动装置相连并且在旋转驱动装置的带动下转动以实现器械的末端自转自由度，偏转轮固定在偏转基座上，所述的偏转轮的转轴的轴线与偏转基座的轴线垂直设置，末端支撑的前端通过偏转轮的转轴转动的连接在偏转基座上以实现器械的偏转自由度，所述的转轴的轴线与末端自转座的回转轴线垂直，所述的支撑轴与转轴的轴线以及末端自转座的回转轴线均垂直，连接长轴的前端与末端支撑固定相连，连接长轴的后端与器械盒的回转轴固定相连，在所述的器械盒中设置有开合传动装置、末端自转传动装置、偏转传动装置以及回转传动装置，钢丝绳I一端与拉伸基座固定相连并且另一端穿过连接长轴的轴孔并经导向组件与开合传动装置相连，拉伸基座与左、右开合钳滑动连接，所述的拉伸基座与拉伸滑动轴固定连接，在所述的末端自转座的侧壁上沿回转轴线方向开设有导向槽，在左开合钳或者右开合钳上开有斜向槽，拉伸滑动轴一端插在导向槽和斜向槽内，所述的拉伸滑动轴能够在钢丝绳I的拉动下在导向槽和斜向槽内滑动以带动左、右开合钳开合，复力弹簧一端与拉伸基座连接并且另一端与末端自转座连接，末端自转自由度传动装置与旋转驱动装置相连以向旋转驱动装置输出转动驱动力，钢丝绳IV利用中间结点固定并旋绕在偏转轮上，其两端通过连接长轴并经导向组件导向后旋绕并固定在偏转传动装置上,钢丝绳V的一端固定并正向旋绕在回转轴的丝槽中，另一端正向旋紧在回转传动装置的固丝机构上；钢丝绳VI的一端反向固定并旋绕在回转轴的丝槽中，另一端反向旋紧在回转传动装置的固丝机构上，所述的回转轴在回转传动装置的驱动下作回转运动实现器械的回转自由度。

2.根据权利要求1所述的具有末端自转功能的微创手术器械，其特征在于：所述的旋转驱动装置包括分别固定在所述的末端自转座的后端轴径处的正、反向旋绕的钢丝绳II、钢丝绳III，旋向相反的钢丝绳II、钢丝绳III分别经导向轮导向后旋绕张紧在固丝机构上，所述的固丝机构与末端自转传动装置相连，所述的导向轮通过导向轮轴转动安装在偏转基座上。

3.根据权利要求1所述的具有末端自转功能的微创手术器械，其特征在于：所述的旋转驱动装置包括装在所述的末端自转座的后端轴径处的锥齿轮I，所述的锥齿轮I与锥齿轮II啮合配合，在所述的锥齿轮II上固定有传动轮，在所述的传动轮上通过丝结固定有钢丝绳VI，所述的钢丝绳VI旋绕张紧在固丝机构上，所述的固丝机构与末端自转传动装置相连，所述的传动轮通过传动轮轴转动安装在偏转基座上。

4.根据权利要求1所述的具有末端自转功能的微创手术器械，其特征在于：所述的旋转驱动装置包括设置在末端自转座的后端轴径处的直径不同的大、小轴段两部分，两根旋向相反的钢丝绳II、钢丝绳III分别正、反向旋绕在大、小轴段上，并分别经大导向轮、小导向轮导向后旋绕张紧在大、小固丝轮上，所述的大导向轮和小导向轮同轴线设置并且通过导向轮轴转动安装在偏转基座上，所述的大、小固丝轮共同与末端自转传动装置相连，所述的回转座的大、小轴段直径之比等于大、小导向轮的直径之比，也等于大、小固丝轮的直径之比。