CN106361386A - 一种模块化柔性手术工具系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，该系统包括柔性连续体结构、手术执行单元和驱动单元；柔性连续体结构包括顺序关联的远端结构体、中部连接体和近端结构体；驱动单元与近端结构体关联，手术执行单元中的手术执行器与远端结构体末端关联，当驱动单元中的结构骨驱动机构驱动近端结构体向任意方向弯转时，远端结构体相应地向相反的方向弯转，驱动单元中的手术执行器驱动机构可以驱动远端结构体末端的手术执行器，实现手术执行器的动作控制。本发明可经单一手术切口，较好地应用于单孔腔镜手术机器人系统，亦可应用于多孔腔镜手术机器人系统。

Description

一种模块化柔性手术工具系统

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种驱动输入前置的模块化柔性手术工具系统。

背景技术

多孔腹腔镜微创手术因其创口小、术后恢复快，已经在外科手术中占据了重要的地位。现有Intuitive Surgical公司(美国直觉外科公司)的da Vinci(达芬奇)手术机器人辅助医生完成多孔腹腔镜微创手术，取得了商业上的巨大成功。

微创术式在多孔腹腔镜手术之后又发展出单孔腹腔镜手术和经自然腔道的无创手术，它们对病人创伤更小、术后产出更高。但在单孔腹腔镜手术和经自然腔道的无创手术中，包括视觉照明模块和手术操作臂在内的所有手术器械均通过单一通道达到术部，这对手术器械的制备要求极为苛刻。现有手术器械的远端结构主要为多杆件的串联铰接，采用钢丝绳拉力驱动，使手术器械在铰接关节处实现弯转。由于钢丝绳须通过滑轮保持持续的张紧状态，这一驱动方式难以实现手术器械的进一步小型化，亦难以进一步提升器械的运动性能。

虽然Intuitive Surgical公司近期推出了da Vinci Single-Site(SS型达芬奇)手术机器人，其将原有的刚性手术器械改造为半刚性手术器械，并增加了预弯曲套管，一定程度上提升了手术器械的运动性能，但仍无法从根本上解决传统手术器械所面临的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种驱动输入前置的模块化柔性手术工具系统，该柔性手术工具系统可经单一手术切口，较好地应用于单孔腔镜手术机器人系统，亦可应用于多孔腔镜手术机器人系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种模块化柔性手术工具系统，包括主要由顺序关联的远端结构体、中部连接体和近端结构体组成的柔性连续体结构，所述远端结构体近端经所述中部连接体与所述近端结构体关联，远端为手术执行端；所述远端结构体由至少一个远端构节组成，每一所述远端构节包括远端固定盘和结构骨；所述近端结构体包括与所述远端构节数量相等的近端构节，每一所述近端构节包括近端固定盘、近端基座盘和结构骨，其特征在于，该系统还包括与所述柔性连续体结构关联的驱动单元，所述驱动单元包括：外套于所述近端固定盘上并相互关联的驱动构节固定盘，外套于所述近端基座盘上并相互关联的驱动构节基座板，连接于所述驱动构节固定盘和驱动构节基座板之间并外套于所述近端结构体上的驱动构节，固定于所述中部连接体外的结构骨驱动机构，以及中段从所述结构骨驱动机构穿过，两端分别穿过所述驱动构节基座板后并固定于所述驱动构节固定盘上的驱动构节结构骨，且所述结构骨驱动机构数量与所述驱动构节结构骨数量保持一致；所述结构骨驱动机构通过协同推拉所述驱动构节结构骨实现所述驱动构节向任意方向的弯转运动，从而实现所述近端结构体向相同方向的弯转运动，最终实现所述远端结构体向相反方向的弯转运动。

在一个优选的实施例中，所述中部连接体包括第一固定端板和第一结构骨引导通道，所述第一结构骨引导通道一端固定于所述第一固定端板上，另一端固定于所述近端基座盘上；所述远端构节上的结构骨与所述近端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，结构骨的一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端穿过所述第一结构骨引导通道后与所述远端固定盘紧固连接。

在一个优选的实施例中，所述驱动单元还包括：外套于所述第一固定端板上并相互关联的第二固定端板，一端与所述结构骨驱动机构固定连接，另一端与所述驱动构节基座板固定连接的第二结构骨引导通道，两根以上且一部分设置于所述驱动构节中的反馈结构骨，以及与所述反馈结构骨数量相等的电位计；其中，所述结构骨驱动机构固定在所述第二固定端板上，所述驱动构节结构骨两端分别从所述第二结构骨引导通道穿过；所述反馈结构骨两端分别固定在所述驱动构节固定盘和电位计中的滑块上，所述驱动构节的弯转运动将引起所述反馈结构骨位于所述驱动构节中的部分的长度变化，该长度变化将引起所述反馈结构骨对所述电位计中滑块的推拉，以使得该长度变化被所述电位计记录，并进一步获取所述驱动构节的绝对弯转形状。

在一个优选的实施例中，还包括手术执行单元，所述手术执行单元包括关联于所述远端结构体远端的手术执行器和布置于所述中部连接体内的手术执行器控线传动机构，所述手术执行器控线传动机构包括：通过支撑柱固定于所述近端基座盘上的引导块和间隔盘，贯穿所述引导块的中心孔，并能够在所述引导块的中心孔中前后运动的连接块，两端分别固定于所述第一固定端板和间隔盘上的控线引导通道，一端依次穿过所述控线引导通道和间隔盘的中心孔后固定于所述连接块上，另一端从所述中部连接体的第一固定端板中心穿过，伸入所述远端结构体中并与之一起延伸，最终末端固定于所述手术执行器上的手术执行器控线，以及固定于所述连接块上的第一磁铁。

在一个优选的实施例中，所述手术执行器驱动机构包括：用来与多自由度机械臂关联的连接框架，安装于所述连接框架上的电机固定板、支撑板和锥齿轮箱，安装于所述电机固定板上的手术执行器驱动电机，旋转设置于所述支撑板上的传动齿轮对，安装于所述锥齿轮箱上的滑槽外套，位于所述滑槽外套内且与所述锥齿轮箱的输出端同轴固定的螺杆，

通过螺纹配合于所述螺杆上的螺母，

间隔设置于所述滑槽外套内且能够前后滑动的两滑动块，

与其中一所述滑动块紧固连接的阻转滑块，

安装于另一所述滑动块末端的第二磁铁，以及

两端与两所述滑动块固定连接的弹簧；

其中，所述手术执行器驱动电机通过联轴器、传动齿轮对和锥齿轮箱驱动所述螺杆旋转，且所述传动齿轮对中的输入齿轮与所述联轴器同轴固定，输出齿轮与所述锥齿轮箱的输入端同轴固定；在所述阻转滑块的作用下，所述螺杆旋转驱动所述螺母和滑动块在所述滑槽外套的侧向槽导向下前后滑动；所述手术执行器驱动机构中的第二磁铁与所述手术执行器控线传动机构中的第一磁铁耦合传递推拉运动，从而实现所述手术执行器的运动控制；所述弹簧使所述螺母在有限滑动行程内对所述手术执行器控线输出稳定可控的推、拉力，防止所述手术执行器产生过大的咬合力。

在一个优选的实施例中，所述结构骨驱动机构包括：依次间隔设置并通过支撑柱连接成一体的两驱动支撑板和一电机固定板，安装于所述电机固定板的结构骨驱动电机，旋转设置于所述两驱动支撑板之间的传动齿轮组和滑轮组，通过联轴器与所述结构骨驱动电机相连的驱动齿轮，以及一端紧固连接于所述支撑柱上的结构骨引导通道；所述传动齿轮组和滑轮组分别构成若干滑轮齿轮组，每组中滑轮和齿轮同轴固定连接，各所述齿轮之间相互啮合；所述驱动构节结构骨经所述结构骨引导通道伸入各组所述滑轮齿轮组的滑轮之间，所述驱动齿轮与其中一组所述滑轮齿轮组中的齿轮啮合传递驱动力，所述传动齿轮组和滑轮组共同绕各自轴线转动，进而通过摩擦力实现对所述驱动构节结构骨的推拉。

在一个优选的实施例中，所述远端构节还包括波纹管和波纹管连接盘，多根所述远端构节的结构骨从若干节所述波纹管上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于所述远端固定盘上；除末节所述波纹管一端紧固连接于所述远端固定盘外，其余所述波纹管两端均紧固连接于所述波纹管连接盘上；每一节所述波纹管中还间隔分布多个控线间隔盘，所述手术执行器控线依次从各所述控线间隔盘中心穿过。

在一个优选的实施例中，所述远端构节还包括间隔分布于所述远端固定盘和中部连接体之间的多个远端间隔盘，多根所述远端构节的结构骨从各所述远端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于所述远端固定盘上；此外，所述手术执行器控线则依次从各所述远端间隔盘中心穿过；相似的，所述近端构节还包括间隔分布于所述近端固定盘和近端基座盘之间的多个近端间隔盘，多根所述近端构节的结构骨一端固定于所述近端固定盘上，另一端依次从各所述近端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过后与所述远端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨；相似的，所述驱动单元还包括多个间隔分布于所述驱动构节基座板和驱动构节固定盘之间的驱动构节间隔盘，所述驱动构节结构骨两端分别通过所述结构骨引导通道后依次穿过所述驱动构节基座板和驱动构节间隔盘，并分别固定于所述驱动构节固定盘上。

在一个优选的实施例中，该模块化柔性手术工具系统能够通过所述连接框架安装于多自由度机械臂的末端盘上，所述多自由度机械臂包含四个以上的关节，所述关节能够实现所述柔性手术工具系统以入腹点为不动点的整体侧向偏转和整体进给自由度，以及能够实现所述柔性手术工具系统绕自身轴线的整体旋转自由度。

在一个优选的实施例中，所述远端构节的结构骨和/或所述近端构节的结构骨为弹性细杆或细管，材料为镍钛合金或不锈钢；在使用多个所述远端构节或近端构节情况下，若前一所述远端构节或近端构节的结构骨使用弹性细管，则后一所述远端构节或近端构节的结构骨能够穿过该弹性细管，或直接穿过所述远端间隔盘或近端间隔盘上的结构骨通过孔；此外，对于每一所述远端构节或近端构节，其中的结构骨数量为三根以上。

在一个优选的实施例中，所述远端结构体的外部由内至外还依次包覆有柔性封皮和刚性预弯曲套管，所述套管穿过固定于皮肤切口处的鞘套，所述鞘套为单孔腔镜手术所需的器械提供通道，其中的通道为倾斜通道且不限制手术工具绕特定固定点的侧向旋转运动；或者，所述远端结构体的外部由内至外还依次包覆有柔性封皮和刚性直套管，所述套管穿过仅包含一个通道的鞘套，所述鞘套同样固定于皮肤切口处；此外，模块化柔性手术工具系统能够通过多自由度机械臂调节所述套管及其中所述远端结构体的指向和伸出鞘套的长度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用包括近端结构体、中部连接体和远端结构体的柔性连续体结构为主体，并配合以驱动单元，其中，驱动单元中的驱动构节与近端结构体关联。远端结构体通过中部连接体与近端结构体关联，驱动单元可使驱动构节连同近端结构体向任意方向弯转，同时使远端结构体相应地向相反方向弯转，因此可实现由远端结构体和封皮所构成的柔性手术臂的任意向弯转运动。2、本发明的近端结构体、中部连接体和远端结构体中结构骨的冗余布置(大于三根)，提高了器械的安全性、可靠性和负载能力。3、本发明的驱动单元包括滑轮组和紧贴于滑轮组表面的驱动构节结构骨，驱动构节结构骨在滑轮组中产生局部变形，因此，通过驱动滑轮组旋转即可以极紧凑的结构实现对驱动构节结构骨的推拉。4、本发明的手术执行器控线穿过远端结构体到达中部连接体，在中部连接体中设置有用于驱动手术执行器控线进行线性运动的手术执行器控线传动机构，手术执行器驱动单元可驱动其进行线性运动，实现对手术执行器的动作控制；手术执行器驱动单元中设置有弹性元件，防止在有限行程内对手术执行器控线施加过大的推拉力。5、本发明的驱动构节与近端结构体可快速连接，同时，手术执行器控线传动机构和手术执行器驱动单元可快速连接，优选地，该快速连接功能可采用磁铁；通过快速连接功能，由柔性连续体结构和手术执行器控线传动机构组成的柔性手术工具可从模块化柔性手术工具系统中快速拆卸或更换。6、本发明的电位计与驱动构节关联，可实时反馈驱动构节的姿态，在系统故障时，可辅助驱动构节回至初始姿态，因此，可使柔性手术臂回至初始姿态。7、本发明可与多自由度机械臂固定连接，在外套管为刚性预弯曲套管时，可应用于单孔腔镜手术；在外套管为刚性直套管时，可应用于多孔腔镜手术。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明采用应用于单孔腔镜手术鞘套的结构示意图；

图3A是本发明采用包含波纹管的远端结构体局部剖视图；

图3B是本发明波纹管的结构示意图；

图4是本发明采用应用于多孔腔镜手术鞘套的远端结构体的结构示意图；

图5是本发明近端结构体的结构示意图；

图6是本发明中部连接体的结构示意图；

图7是本发明驱动单元的结构示意图；

图8A是本发明结构骨驱动机构的结构示意图；

图8B是本发明结构骨驱动机构的局部示意图；

图9是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图。

图10是本发明连接于多自由度机械臂的实施示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1展示了根据本实施例提供的模块化柔性手术工具系统100，其包括柔性连续体结构10、手术执行单元20和驱动单元30。

柔性连续体结构10包括顺序关联的远端结构体11、中部连接体12和近端结构体13(如图2所示)。驱动单元30与近端结构体13关联，手术执行单元20中的手术执行器201与远端结构体11末端关联，当驱动单元30中的结构骨驱动机构310驱动近端结构体13向任意方向弯转时，远端结构体11相应地向相反的方向弯转，驱动单元30中的手术执行器驱动机构311可以驱动远端结构体11末端的手术执行器201，实现手术执行器201的动作控制。

如图2所示，远端结构体11为一端经中部连接体12与近端结构体13关联，另一端与手术执行器201关联的细长柔性结构。本发明提供了两种结构形式的远端结构体11，一种为采用包含波纹管112的远端结构体11，另一种为采用包含多个间隔分布的远端间隔盘115的远端结构体11，下面分别对这两种结构形式的远端结构体11进行说明。

如图3A和3B所示，采用包含波纹管112的远端结构体11由至少一个远端构节Ⅰ组成，每一远端构节Ⅰ包括远端固定盘111、波纹管112、波纹管连接盘113和结构骨114，多根结构骨114(本实施例为18根，但并不限于此)从若干节波纹管112(本实施例为2节，但并不限于此)上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于远端固定盘111上。除末节波纹管112一端紧固连接于远端固定盘111外，其余波纹管112两端均紧固连接于波纹管连接盘113上。波纹管112可向任意方向弯曲，其上的结构骨通过孔用于防止结构骨114受推时失稳。

如图4所示，采用包含多个间隔分布的远端间隔盘115的远端结构体11亦由至少一个远端构节Ⅰ组成，每一远端构节Ⅰ包括远端间隔盘115、远端固定盘116和结构骨117，若干远端间隔盘115间隔分布于远端固定盘116和中部连接体12之间，多根结构骨117从若干远端间隔盘115上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于远端固定盘116上，远端间隔盘115的作用为防止结构骨117受推时失稳。

如图5所示，近端结构体13与驱动单元30中的驱动构节301为内外相互嵌套的环状结构，其由至少一个近端构节II组成，且近端构节II数量始终与远端构节Ⅰ数量保持一致。每一近端构节II包括近端固定盘131、近端间隔盘132、结构骨133和近端基座盘134，且结构骨133数量始终与结构骨114或117数量保持一致。若干近端间隔盘132间隔分布于近端固定盘131和近端基座盘134之间，作用为防止结构骨133受推时失稳，近端构节II中的结构骨133与远端构节Ⅰ中的结构骨114或117一一对应地紧固连接或为同一根结构骨，多根结构骨133、114或117的一端固定于近端固定盘131上，另一端从近端间隔盘132上分布的结构骨通过孔中穿过，并经过中部连接体12的引导伸至远端结构体11中，穿过远端间隔盘115或波纹管112上分布的结构骨通过孔后，固定于远端固定盘116上。通过驱动近端固定盘131向任意方向弯转可以实现以一定比例关系驱动远端结构体11向相反方向弯转，该比例关系由结构骨133和结构骨114或117的分布半径共同决定。

在一个优选的实施例中，结构骨114或117和结构骨133可为弹性细杆或细管，材料可为镍钛合金或不锈钢等。在使用多个远端构节Ⅰ或近端构节II情况下，若前一远端构节Ⅰ或近端构节II的结构骨使用弹性细管，则后一远端构节Ⅰ或近端构节II的结构骨可穿过该弹性细管，或直接穿过远端间隔盘115或近端间隔盘132上的结构骨通过孔，这可在不改变近端结构体13内相对运动关系的同时实现进一步微型化。对于每一远端构节Ⅰ或近端构节II来说，其中的结构骨数量为三根以上。

如图6所示，中部连接体12包括固定端板121和结构骨引导通道122，结构骨引导通道122一端收成一束固定于固定端板121上，另一端固定于近端结构体13的近端基座盘134上，用于引导结构骨，保持其受推、拉力时形状不变，因此结构骨引导通道122数量应与结构骨数量相等。结构骨引导通道122可以采用如图6所示的套管结构，也可以采用其它任一种能够维持结构骨受推力、拉力时不变形的结构形式，如多腔结构等。

如图1、图4和图6所示，手术执行单元20包括关联于远端结构体11末端的手术执行器201和布置于中部连接体12内的手术执行器控线传动机构202。手术执行器控线传动机构202包括间隔盘203、引导块204、连接块205、磁铁206、手术执行器控线207和控线引导通道208。两间隔盘203和引导块204通过支撑柱固定于近端结构体13的近端基座盘134上，连接块205贯穿引导块204的中心孔，并可以在引导块204的中心孔中前后运动。控线引导通道208两端分别固定于固定端板121和间隔盘203上，手术执行器控线207一端穿过控线引导通道208后，再穿过间隔盘203的中心孔固定于连接块205上，间隔盘203的作用为防止手术执行器控线207受推失稳。手术执行器控线207另一端从中部连接体12的固定端板121中心穿过，伸入远端结构体11中并与之一起延伸，最终末端固定于手术执行器201上。磁铁206固定于连接块205上，通过推拉连接块205可实现对于手术执行器控线207的推拉，进而实现对机械式的手术执行器201(如手术钳等)的动作控制。本领域技术人员应该理解的是，手术执行器控线207同样可传递如电能、超声振动等能量至电外科式的手术执行器201(如电切刀、超声刀等)，以实施电外科手术。

在一个优选的实施例中，如图3A所示，当采用包含波纹管的远端结构体11时，每一节波纹管112中间隔分布多个控线间隔盘209，手术执行器控线207依次从各控线间隔盘209中心穿过，作用为防止手术执行器控线207受推时失稳。与采用波纹管的远端结构体11不同的是，当采用包含多个间隔分布的远端间隔盘115的远端结构体11时，防止手术执行器控线207受推失稳的结构为以间隔分布于远端结构体11中的远端间隔盘115，手术执行器控线207依次从各远端间隔盘115中心穿过。

如图7、图9所示，驱动单元30包括驱动构节301、驱动构节固定盘302、驱动构节间隔盘303、驱动构节基座板304、驱动构节结构骨305、结构骨引导通道306、反馈结构骨307、电位计308、固定端板309、结构骨驱动机构310和手术执行器驱动机构311。其中，驱动构节301为从驱动构节固定盘302至驱动构节基座板304的粗短环状结构，驱动构节301的构节数量及长度与近端结构体13中的近端构节II数量及长度保持一致。驱动构节301套在近端结构体13外，且驱动构节固定盘302外套在近端固定盘131上并可相互快速紧固连接；相似的，驱动构节基座板304外套在近端基座盘134上并可相互快速紧固连接。结构骨驱动机构310及电位计308固定在固定端板309上，固定端板309外套在固定端板121上并可相互快速紧固连接，结构骨驱动机构310数量与驱动构节结构骨305数量保持一致，电位计308的数量则与反馈结构骨307的数量保持一致。结构骨引导通道306一端与结构骨驱动机构310固定连接，另一端与驱动构节基座板304固定连接。驱动构节间隔盘303间隔分布于驱动构节基座板304和驱动构节固定盘302之间，驱动构节结构骨305中段从结构骨驱动机构310穿过，两端分别通过结构骨引导通道306后依次穿过驱动构节基座板304和驱动构节间隔盘303，并分别固定于驱动构节固定盘302上，每个驱动构节301中的驱动构节结构骨305数量须为两根以上(在本实施例中为两根)，驱动构节间隔盘303的作用为防止驱动构节结构骨305受推时失稳。结构骨驱动机构310通过协同推拉驱动构节结构骨305实现驱动构节301向任意方向的弯转运动，从而实现近端结构体13向相同方向的弯转运动，最终实现远端结构体11向相反方向的弯转运动。反馈结构骨307的一部分设置在驱动构节301中，且其在每一驱动构节301中的数量须为两根以上(优选为两根)，反馈结构骨307的数量须与电位计308保持一致，反馈结构骨307两端分别固定在驱动构节固定盘302和电位计308中的滑块上，驱动构节301的弯转运动将引起反馈结构骨307位于驱动构节301中的部分的长度变化，该长度变化将引起反馈结构骨307对电位计308中滑块的推拉，以使得该长度变化被电位计308记录。由于驱动构节301的长度可保持不变，全部反馈结构骨307在驱动构节301中的部分的长度组合将唯一确定驱动构节的弯转平面指向和在该弯转平面中的弯转角度，因此通过电位计308和反馈结构骨307可获取当前驱动构节301的绝对弯转形状，以实现进一步的对驱动构节的闭环控制。

如图8A、图8B所示，结构骨驱动机构310包括结构骨驱动电机3101、联轴器3102、驱动齿轮3103、传动齿轮组3104、滑轮组3105、驱动支撑板3106、电机固定板3107和支撑柱3108。其中，两驱动支撑板3106和一电机固定板3107依次间隔设置并通过支撑柱3108连接成一体，传动齿轮组3104和滑轮组3105旋转设置于两驱动支撑板3106之间，并分别构成若干滑轮齿轮组，每组中滑轮和齿轮固定连接，各齿轮之间相互啮合。驱动齿轮3103通过联轴器3102与结构骨驱动电机3101相连，驱动齿轮3103与其中一组滑轮齿轮组中的齿轮啮合传递驱动力，驱动齿轮组3104和滑轮组3105共同绕各自轴线转动，进而通过摩擦力实现对驱动构节结构骨305的推拉。结构骨引导通道306一端与支撑柱3108固定连接，驱动构节结构骨305经结构骨引导通道306伸入各组滑轮齿轮组的滑轮之间，并在滑轮的挤压作用下产生局部形变，由此在与滑轮的接触面上产生较大的摩擦力。需要说明的是，滑轮齿轮组的数量、尺寸以及位置分布可以根据驱动构节结构骨305运动所需驱动力的大小进行调整，以保证驱动构节结构骨305运动过程中不会相对滑轮组3105打滑。

如图1、图9所示，手术执行器驱动机构311包括连接框架3111、手术执行器驱动电机3112、电机固定板3113、联轴器3114、支撑板3115、传动齿轮对3116、锥齿轮箱3117、螺杆3118，螺母3119、滑动块3120、弹簧3121、阻转滑块3122、滑槽外套3123和磁铁3124。其中，电机固定板3113、支撑板3115和锥齿轮箱3117均固定在连接框架3111上，用于固定手术执行器驱动电机3112和支撑齿轮轴，传动齿轮对3116中的输入齿轮与联轴器3114同轴固定，传动齿轮对3116的输出齿轮与锥齿轮箱3117的输入端同轴固定。手术执行器驱动电机3112通过联轴器3114、传动齿轮对3116和锥齿轮箱3117实现螺杆3118的旋转。滑槽外套3123固定在锥齿轮箱3117上，螺杆3118位于滑槽外套3123内且与锥齿轮箱3117的输出端同轴固定，螺母3119与螺杆3118通过螺纹配合。滑动块3120为间隔设置的两个且可在滑槽外套3123内前后滑动，螺母3119通过阻转滑块3122与其中一滑动块3120固定连接，在阻转滑块3122的作用下，螺杆3118旋转驱动螺母3119和滑动块3120在滑槽外套3123的侧向槽导向下前后滑动。磁铁3124固定在另一滑动块3120末端，可与手术执行器控线传动机构202中的磁铁206耦合传递推拉运动，从而实现手术执行器201的运动控制。弹簧3121的两端分别与两滑动块3120固定连接，可使螺母3119在有限滑动行程内对手术执行器控线207输出稳定可控的推、拉力，并防止手术执行器201(如手术钳等)产生过大的咬合力。

图10展示了根据本发明提供的模块化柔性手术工具系统100连接于多自由度机械臂400的实施示意图，模块化柔性手术工具系统100通过连接框架3111安装固定在多自由度机械臂400末端盘上。其中，多自由度机械臂400包含六个旋转关节401-406，前五个旋转关节401-405可实现模块化柔性手术工具系统100以入腹点为不动点的整体侧向旋转和整体进给自由度，旋转关节406可实现模块化柔性手术工具系统100绕自身轴线的整体旋转自由度。因此，多自由度机械臂400可实现模块化柔性手术工具系统100的大范围运动，模块化柔性手术工具系统100可实现远端结构体11在病人体内的小范围精确灵活运动以及对手术执行器201的驱动。

在一个优选的实施例中，如图1所示，在远端结构体11的外部包覆有柔性的封皮40，封皮40可改善远端结构体11的外观和插入顺畅性。

在一个优选的实施例中，如图2所示，在远端结构体11的外部还包覆有刚性的外套管50，本实施例展示的外套管50为刚性预弯曲套管，外套管50穿过固定于皮肤切口处的鞘套60，该鞘套60为单孔腔镜手术所需的器械(一般为三个手术工具及一个成像照明工具)提供通道，其中的通道可为倾斜通道且不限制手术工具绕特定固定点(鞘套60中所述通道的轴线与皮肤切口的交点)的侧向旋转运动，使得模块化柔性手术工具系统100可施展单孔腔镜手术。

在另一个优选的实施例中，如图4所示，本实施例展示的外套管50为刚性直套管时，其可穿过仅包含一个通道的鞘套60，该鞘套60同样固定于皮肤切口处，配合多个鞘套60的多个模块化柔性手术工具系统100可用于施展多孔腔镜手术。需要说明的是，模块化柔性手术工具系统100可通过多自由度机械臂400调节外套管50及其中远端结构体11的指向和伸出鞘套60的长度，进一步提高远端结构体11的运动性能。

本领域技术人员应该理解的是，图4中展示的应用于多孔腔镜手术的单通道鞘套和图2中展示的应用于单孔腔镜手术的多通道鞘套为两个并列的实施例，本发明提供的两种结构形式的远端结构体11均可应用于上述两个实施例中。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (11)

1.一种模块化柔性手术工具系统，包括主要由顺序关联的远端结构体、中部连接体和近端结构体组成的柔性连续体结构，所述远端结构体近端经所述中部连接体与所述近端结构体关联，远端为手术执行端；所述远端结构体由至少一个远端构节组成，每一所述远端构节包括远端固定盘和结构骨；所述近端结构体包括与所述远端构节数量相等的近端构节，每一所述近端构节包括近端固定盘、近端基座盘和结构骨，其特征在于，该系统还包括与所述柔性连续体结构关联的驱动单元，所述驱动单元包括：

外套于所述近端固定盘上并相互关联的驱动构节固定盘，

外套于所述近端基座盘上并相互关联的驱动构节基座板，

连接于所述驱动构节固定盘和驱动构节基座板之间并外套于所述近端结构体上的驱动构节，

固定于所述中部连接体外的结构骨驱动机构，以及

中段从所述结构骨驱动机构穿过，两端分别穿过所述驱动构节基座板后并固定于所述驱动构节固定盘上的驱动构节结构骨，且所述结构骨驱动机构数量与所述驱动构节结构骨数量保持一致；

所述结构骨驱动机构通过协同推拉所述驱动构节结构骨实现所述驱动构节向任意方向的弯转运动，从而实现所述近端结构体向相同方向的弯转运动，最终实现所述远端结构体向相反方向的弯转运动。

2.如权利要求1所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述中部连接体包括第一固定端板和第一结构骨引导通道，所述第一结构骨引导通道一端固定于所述第一固定端板上，另一端固定于所述近端基座盘上；

所述远端构节上的结构骨与所述近端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，结构骨的一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端穿过所述第一结构骨引导通道后与所述远端固定盘紧固连接。

3.如权利要求2所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述驱动单元还包括：

外套于所述第一固定端板上并相互关联的第二固定端板，

一端与所述结构骨驱动机构固定连接，另一端与所述驱动构节基座板固定连接的第二结构骨引导通道，

两根以上且一部分设置于所述驱动构节中的反馈结构骨，以及

与所述反馈结构骨数量相等的电位计；

其中，所述结构骨驱动机构固定在所述第二固定端板上，所述驱动构节结构骨两端分别从所述第二结构骨引导通道穿过；所述反馈结构骨两端分别固定在所述驱动构节固定盘和电位计中的滑块上，所述驱动构节的弯转运动将引起所述反馈结构骨位于所述驱动构节中的部分的长度变化，该长度变化将引起所述反馈结构骨对所述电位计中滑块的推拉，以使得该长度变化被所述电位计记录，并进一步获取所述驱动构节的绝对弯转形状。

4.如权利要求2所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，还包括手术执行单元，所述手术执行单元包括关联于所述远端结构体远端的手术执行器和布置于所述中部连接体内的手术执行器控线传动机构，所述手术执行器控线传动机构包括：

通过支撑柱固定于所述近端基座盘上的引导块和间隔盘，

贯穿所述引导块的中心孔，并能够在所述引导块的中心孔中前后运动的连接块，

两端分别固定于所述第一固定端板和间隔盘上的控线引导通道，

一端依次穿过所述控线引导通道和间隔盘的中心孔后固定于所述连接块上，另一端从所述中部连接体的第一固定端板中心穿过，伸入所述远端结构体中并与之一起延伸，最终末端固定于所述手术执行器上的手术执行器控线，以及

固定于所述连接块上的第一磁铁。

5.如权利要求4所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述手术执行器驱动机构包括：

用来与多自由度机械臂关联的连接框架，

安装于所述连接框架上的电机固定板、支撑板和锥齿轮箱，

安装于所述电机固定板上的手术执行器驱动电机，

旋转设置于所述支撑板上的传动齿轮对，

安装于所述锥齿轮箱上的滑槽外套，

位于所述滑槽外套内且与所述锥齿轮箱的输出端同轴固定的螺杆，

通过螺纹配合于所述螺杆上的螺母，

间隔设置于所述滑槽外套内且能够前后滑动的两滑动块，

与其中一所述滑动块紧固连接的阻转滑块，

安装于另一所述滑动块末端的第二磁铁，以及

两端与两所述滑动块固定连接的弹簧；

其中，所述手术执行器驱动电机通过联轴器、传动齿轮对和锥齿轮箱驱动所述螺杆旋转，且所述传动齿轮对中的输入齿轮与所述联轴器同轴固定，输出齿轮与所述锥齿轮箱的输入端同轴固定；在所述阻转滑块的作用下，所述螺杆旋转驱动所述螺母和滑动块在所述滑槽外套的侧向槽导向下前后滑动；所述手术执行器驱动机构中的第二磁铁与所述手术执行器控线传动机构中的第一磁铁耦合传递推拉运动，从而实现所述手术执行器的运动控制；所述弹簧使所述螺母在有限滑动行程内对所述手术执行器控线输出稳定可控的推、拉力，防止所述手术执行器产生过大的咬合力。

6.如权利要求1所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述结构骨驱动机构包括：

依次间隔设置并通过支撑柱连接成一体的两驱动支撑板和一电机固定板，

安装于所述电机固定板的结构骨驱动电机，

旋转设置于所述两驱动支撑板之间的传动齿轮组和滑轮组，

通过联轴器与所述结构骨驱动电机相连的驱动齿轮，以及

一端紧固连接于所述支撑柱上的结构骨引导通道；

所述传动齿轮组和滑轮组分别构成若干滑轮齿轮组，每组中滑轮和齿轮同轴固定连接，各所述齿轮之间相互啮合；所述驱动构节结构骨经所述结构骨引导通道伸入各组所述滑轮齿轮组的滑轮之间，所述驱动齿轮与其中一组所述滑轮齿轮组中的齿轮啮合传递驱动力，所述传动齿轮组和滑轮组共同绕各自轴线转动，进而通过摩擦力实现对所述驱动构节结构骨的推拉。

7.如权利要求1到6任一项所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述远端构节还包括波纹管和波纹管连接盘，多根所述远端构节的结构骨从若干节所述波纹管上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于所述远端固定盘上；除末节所述波纹管一端紧固连接于所述远端固定盘外，其余所述波纹管两端均紧固连接于所述波纹管连接盘上；

每一节所述波纹管中还间隔分布多个控线间隔盘，所述手术执行器控线依次从各所述控线间隔盘中心穿过。

8.如权利要求1到6任一项所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述远端构节还包括间隔分布于所述远端固定盘和中部连接体之间的多个远端间隔盘，多根所述远端构节的结构骨从各所述远端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于所述远端固定盘上；此外，所述手术执行器控线则依次从各所述远端间隔盘中心穿过；

相似的，所述近端构节还包括间隔分布于所述近端固定盘和近端基座盘之间的多个近端间隔盘，多根所述近端构节的结构骨一端固定于所述近端固定盘上，另一端依次从各所述近端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过后与所述远端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨；

相似的，所述驱动单元还包括多个间隔分布于所述驱动构节基座板和驱动构节固定盘之间的驱动构节间隔盘，所述驱动构节结构骨两端分别通过所述结构骨引导通道后依次穿过所述驱动构节基座板和驱动构节间隔盘，并分别固定于所述驱动构节固定盘上。

9.如权利要求5所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，该模块化柔性手术工具系统能够通过所述连接框架安装于多自由度机械臂的末端盘上，所述多自由度机械臂包含四个以上的关节，所述关节能够实现所述柔性手术工具系统以入腹点为不动点的整体侧向偏转和整体进给自由度，以及能够实现所述柔性手术工具系统绕自身轴线的整体旋转自由度。

10.如权利要求8所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述远端构节的结构骨和/或所述近端构节的结构骨为弹性细杆或细管，材料为镍钛合金或不锈钢；在使用多个所述远端构节或近端构节情况下，若前一所述远端构节或近端构节的结构骨使用弹性细管，则后一所述远端构节或近端构节的结构骨能够穿过该弹性细管，或直接穿过所述远端间隔盘或近端间隔盘上的结构骨通过孔；此外，对于每一所述远端构节或近端构节，其中的结构骨数量为三根以上。

11.如权利要求1到6任一项所述的一种模块化柔性手术工具系统，其特征在于，所述远端结构体的外部由内至外还依次包覆有柔性封皮和刚性预弯曲套管，所述套管穿过固定于皮肤切口处的鞘套，所述鞘套为单孔腔镜手术所需的器械提供通道，其中的通道为倾斜通道且不限制手术工具绕特定固定点的侧向旋转运动；

或者，所述远端结构体的外部由内至外还依次包覆有柔性封皮和刚性直套管，所述套管穿过仅包含一个通道的鞘套，所述鞘套同样固定于皮肤切口处；

此外，模块化柔性手术工具系统能够通过多自由度机械臂调节所述套管及其中所述远端结构体的指向和伸出鞘套的长度。