CN106955161A - 手术机器人用蛇形关节、手术器械及内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术机器人用蛇形关节，包括至少一个关节接头对以及柔性结构，每个关节接头对的第一关节接头包括第一球面，第一球面上设置有第一啮合机构，每个关节接头对的第二关节接头包括第二球面，第二球面上设置有第二啮合机构，第一啮合机构和第二啮合机构相啮合，所述柔性结构控制所述关节接头对的摆动方向和摆动角度，实现所述蛇形关节的摆动。采用球面作为关节接头对摆动时的支撑结构，提高了蛇形关节的承载能力；通过啮合机构的啮合运动实现关节接头对的摆动，提高啮合机构的啮合精度，可以实现蛇形关节的高弯曲精度。在本发明提供的手术器械和内窥镜中，包括所述蛇形关节，从而能够使得器械末端或者成像系统到达期望的位置和姿态。

Description

手术机器人用蛇形关节、手术器械及内窥镜

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人用蛇形关节、手术器械及内窥镜。

背景技术

随着机器人的快速发展，各种具有特色的机器人不断地涌现，而其中，对于仿生机器人的研究则显得越发突出。仿生机器人兼顾生物学的优势和机器人的优势，使其研究和应用越来越广泛，其中，蛇形机器人的研究也越来越多。从早期日本研发的第一台水下蛇形机器人，到中国国防科大研制的中国第一台蛇形机器人，该领域在不断的发展和壮大。

蛇形机器人产生和发展的根本原因在于其可以完成正常机器人所不能完成的动作。其运动与自然界中的蛇类似，可以实现平面扭转和空间扭转，在运动过程中躲避障碍物，用来完成人或其他机器无法完成的任务。鉴于这一特征，用于医疗手术的蛇形机器人也慢慢地出现了。特别是在微创伤手术过程中，为了实现创口小，达到更佳的治疗效果，减少手术过程中对于其他组织的损害，多采用具有蛇形关节的手术器械以及具有蛇形关节的内窥镜，以实现手术过程中对于其他器官的避让。这一优势使得蛇形关节的手术机器人可以很好的应用在医疗领域。然而，目前用于医疗器械的蛇形关节存在着以下缺陷：

(1)可转动角度小。国外出现过一种仿恐龙的手术器械，其原理类似于蛇形关节，通过控制其多个关节的旋转实现其弯曲功能。但是该器械受限于关节的结构和传动钢丝的分布，无法实现关节大幅度的弯曲，同时也不能证明其空间扭转的特性。

(2)承载能力差、运动精度低。专利US 6817974 B2提出了一种弧面型的蛇形关节，该关节通过不同的排布方式可实现空间的扭转运动，但是在弯曲扭转过程中，仅依靠两个弧形端面中间的连接部分来支撑关节的前端，承载能力较差，虽然提及了齿型配合，但是其利用齿型作为连接部分的支撑，当运动到极限位置时，承载能力依然很差；而且当其运动到某一位置时，依靠钢丝的张紧来实现关节的静止，精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术机器人用蛇形关节，以提高手术机器人用蛇形关节的承载能力，以提高手术机器人用蛇形关节的运动精度；本发明的目的还在于提供一种具有蛇形关节的手术器械以及一种具有蛇形关节的内窥镜。

基于上述目的，本发明提供一种手术机器人用蛇形关节，所述手术机器人用蛇形关节具有至少一个自由度，且包括：至少一个关节接头对和柔性结构；其中，

每个关节接头对包括位于下端的第一关节接头和位于上端的第二关节接头，所述第一关节接头包括第一球面，所述第一球面上设置有第一啮合机构，所述第二关节接头包括第二球面，所述第二球面上设置有第二啮合机构，

所述第一关节接头和所述第二关节接头通过所述第一啮合机构和所述第二啮合机构相啮合，所述柔性结构控制所述关节接头对的摆动。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一关节接头设有周向布置的第一轴向通孔，所述柔性结构延伸通过所述第一轴向通孔，所述第一轴向通孔的数量至少为2个；所述第二关节接头设有周向布置的第二轴向通孔，所述柔性结构延伸通过所述第二轴向通孔，所述第二轴向通孔的数量至少为2个，至少2个所述第一轴向通孔的位置与所述第二轴向通孔的位置相对应。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一轴向通孔的数量与所述第二轴向通孔的数量相同，并且所述第一轴向通孔的位置与所述第二轴向孔的位置一一对应。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一关节接头的中心设置有第三轴向通孔；所述第二关节接头的中心设置有第四轴向通孔；所述第三轴向通孔与所述第四轴向通孔对应。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一球面直径和所述第二球面直径相等。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一啮合机构包括多个相互平行且间隔排列的第一啮齿，相邻两个第一啮齿之间设置有第一齿槽；所述第二啮合机构包括多个相互平行且间隔排列的第二啮齿，相邻两个第二啮齿之间设置有第二齿槽；其中，所述第一啮齿与所述第二齿槽对应，所述第二啮齿与所述第一齿槽对应。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一啮齿的数量比所述第二啮齿的数量多。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一关节接头还包括第一端面，所述第一端面与所述第一球面相对；所述第二关节接头还包括第二端面，所述第二端面与所述第二球面相对。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一端面与第二端面直径相等。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述第一端面上设置有径向贯通的第一凹槽；所述第二端面上设置有径向贯通的第二凹槽。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，当所述手术机器人用蛇形关节具有n个自由度时，所述柔性结构至少为2n个，其中n为大于等于1的自然数。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所述关节接头对的数量为1个～10个，所述关节接头对依次邻接。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，相邻的两个关节接头对中，相邻并且分属于两个不同关节接头对的所述第一关节接头和所述第二关节接头固定连接或可拆卸连接。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，相邻并且分属于两个关节接头对的所述第一关节接头的所述第一啮齿的延伸方向和所述第二关节接头的所述第二啮齿的延伸方向平行或异面。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，相邻并且分属于两个不同关节接头对的所述第一关节接头的所述第一啮齿的延伸方向和所述第二关节接头的所述第二啮齿的延伸方向之间的夹角为45°或者90°。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，至少两个所述柔性结构的远端与所述手术机器人用蛇形关节中位于最远端的一个关节接头对中的第二关节接头固定。

可选的，在所述的手术机器人用蛇形关节中，所有所述柔性结构的远端与所述手术机器人用蛇形关节中位于最远端的一个关节接头对中的第二关节接头固定。

本发明还提供一种手术器械，所述手术器械包括器械末端、如上所述的手术机器人用蛇形关节、管状物、柔性件以及控制器；其中，所述器械末端、所述手术机器人用蛇形关节、所述管状物和所述控制器依次连接；所述柔性件一端连接所述控制器，另一端经过所述管状物分别与所述器械末端连接；所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构的近端经过所述管状物与控制器连接；所述控制器通过所述柔性件控制所述器械末端运动，通过所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构控制所述蛇形关节摆动。

本发明还提供一种内窥镜，所述内窥镜包括成像系统、如上所述的手术机器人用蛇形关节、管状物以及控制器；其中，所述成像系统、所述手术机器人用蛇形关节、所述管状物和所述控制器依次连接；所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构的近端经过所述管状物与所述控制器连接；所述控制器通过所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构控制所述蛇形关节摆动，进而调整所述成像系统的位姿。

在本发明提供的手术机器人用蛇形关节中，具有至少一个自由度，且包括至少一个关节接头对以及柔性结构，每个所述关节接头对包括第一关节接头和第二关节接头，所述第一关节接头包括第一球面，所述第一球面上设置有第一啮合机构，所述第二关节接头包括第二球面，所述第二球面上设置有第二啮合机构，所述第一关节接头和所述第二关节接头通过所述第一啮合机构和所述第二啮合机构相啮合，所述柔性结构控制所述关节接头对的摆动方向和摆动角度，以实现所述蛇形关节的摆动。在本发明中，采用球面作为关节接头对摆动时的支撑结构，球面具有更高的支撑能力，从而提高了所述手术机器人用蛇形关节的承载能力；进一步的，通过啮合机构的啮合运动实现关节接头对的摆动，提高了啮合精度，可以实现所述手术机器人用蛇形关节的高弯曲精度。在本发明提供的手术器械和内窥镜中，包括所述蛇形关节，从而能够使得器械末端或者成像系统到达期望的位置和姿态。

附图说明

图1是本发明实施例一的具有一个关节接头对的手术机器人用蛇形关节的关节接头对结构示意图；

图2是本发明实施例一的第一关节接头的结构示意图；

图3是本发明实施例一的第二关节接头的结构示意图；

图4是本发明实施例二的具有两个关节接头对的手术机器人用蛇形关节的关节接头对结构示意图；

图5是本发明实施例二的手术机器人用蛇形关节的弯曲示意图；

图6是本发明实施例三的具有两个关节接头对的手术机器人用蛇形关节的关节接头对结构示意图；

图7是本发明实施例四的具有四个关节接头对的手术机器人用蛇形关节的关节接头对结构示意图；

图8至图10是图7所示的四个关节接头对的弯曲示意图；

图11是本发明实施例五的具有四个关节接头对的手术机器人用蛇形关节的关节接头对结构示意图；

图12至图14是图11所示的四个关节接头对的弯曲示意图；

图15是本发明实施例六的具有四个关节接头对的手术机器人用蛇形关节的关节接头对结构示意图；

图16至图18是图15所示的四个关节接头对的弯曲示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的手术机器人用蛇形关节、手术器械及内窥镜作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，往往都采用了不同的比例。

在本申请中，“近端”和“远端”、“下端”和“上端”是从使用该医疗器械的医生角度来看相对于彼此的元件或动作的相对方位、相对位置、方向，尽管“近端”和“远端”并非是限制性的，但是“近端”、“下端”通常指该医疗设备在正常操作过程中靠近医生的一端，而“远端”、“上端”通常是指首先进入患者体内的一端。

实施例一

在本申请实施例中，所述手术机器人用蛇形关节，具有一个自由度，包括一个关节接头对和柔性结构。首先，请参考图1至图3，其中，图1为本发明实施例的手术机器人用蛇形关节的关节接头对的结构示意图；图2为本发明实施例的第一关节接头的结构示意图；图3为本发明实施例的第二关节接头的结构示意图。如图1至图3所示，每个关节接头对1包括位于下端的第一关节接头10和位于上端的第二关节接头20，所述第一关节接头10包括第一球面11，所述第一球面11上设置有第一啮合机构12，所述第二关节接头20包括第二球面21，所述第二球面21上设置有第二啮合机构22，所述第一关节接头10和所述第二关节接头20通过所述第一啮合机构12和所述第二啮合机构22相啮合，所述柔性结构控制所述关节接头对1的摆动。在本申请实施例中，采用球面作为关节接头对摆动时的支撑结构，球面具有更高的支撑能力，从而提高了所述手术机器人用蛇形关节的承载能力；进一步的，通过啮合机构的相互啮合来实现关节接头对的摆动，可以实现所述手术机器人用蛇形关节摆动的高精度控制。

在本申请实施例中，所述第一关节接头10和所述第二关节接头20沿一方向摆动，所述柔性结构20控制摆动角度，形成一个自由度。在本申请实施例中，为了控制关节接头对的摆动，所述关节接头对需要所述柔性结构2的数量至少为两根。

相应的，请继续参考图1至图3，所述第一关节接头10设有周向布置的第一轴向通孔13(也即，所述第一关节接头10的圆周设置有第一轴向通孔13)，所述第一轴向通孔13(用于)使所述柔性结构延伸通过；所述第二关节接头20设有周向布置的第二轴向通孔23(也即，所述第二关节接头20的圆周设置有第二轴向通孔23)，所述第二轴向通孔23使所述柔性结构延伸通过。进一步的，所述第一轴向通孔13的数量为至少两个，优选所述第一轴向通孔13均匀分布于所述第一关节接头10的圆周；所述第二轴向通孔23的数量为至少两个，优选所述第二轴向通孔23均匀分布于所述第二关节接头20的圆周，所述第一轴向通孔13中至少两个与所述第二轴向通孔23的位置相对应，以提供足够数量的通道供所述柔性结构延伸通过，以便于所述柔性结构制关节接头对摆动。在此，所述第一轴向通孔13与所述第二轴向通孔23的数量相同，并且位置一一对应。

在本申请的其他实施例中，所述第一轴向通孔13与所述第二轴向通孔23的数量也可以不相同。蛇形关节中多个关节接头对之间的第一轴向通孔数量可以相同，也可以不相同，第二轴向通孔数量亦是如此，但此时要求所述蛇形关节提供至少两个通道供所述柔性结构延伸通过。具体而言，一个关节接头对中至少有两个所述第一轴向通孔13与所述第二轴向通孔23的位置相对应，以便于控制该关节接头对的柔性结构延伸通过，同时至少该关节接头对近端的所有关节接头对在对应位置上都要提供第一轴向通孔13与所述第二轴向通孔23，形成一通道以便于所述柔性结构延伸通过。即该关节接头对所述第一轴向通孔13还与近端相邻的关节接头对中的第二轴向通孔23的位置相对应，而该近端相邻的关节接头对中的第二轴向通孔23与关节接头对中的第一轴向通孔13位置对应，以此类推。优选，该关节接头对远端的关节接头对在对应位置上都要提供第一轴向通孔13与所述第二轴向通孔23，形成一通道以便于所述柔性结构延伸通过(即此时柔性结构固定在远端的关节接头对上)。

在本申请实施例中，所述柔性结构2为钢丝绳。进一步的，如图1至图3所示，所述钢丝绳2的数量与所述第一轴向通孔13的数量相同均为八个，在此，也即与所述第二轴向通孔23的数量相同，其中，每一根钢丝绳2穿过一个第一轴向通孔13及其对应的一个第二轴向通孔23，进而实现控制关节接头对1的摆动方向和幅度(摆动角度)。较佳的，所述第一轴向通孔13的孔径及所述第二轴向通孔23的孔径均(略)大于所述钢丝绳2的直径，由此可以便于所述钢丝绳20穿过所述第一轴向通孔13及所述第二轴向通孔23。进一步的，在本实施例中，所述钢丝绳2对于一个关节接头对1而言，所述钢丝绳2的远端与所述第二关节接头20固定。

请继续参考图1至图3，所述第一关节接头10的中心设置有第三轴向通孔14；所述第二关节接头20的中心设置有第四轴向通孔24；所述第三轴向通孔14与所述第四轴向通孔24对应。通过所述第三轴向通孔14和所述第四轴向通孔24能够使得其他零部件或者电缆通过，从而充分的利用了所述手术机器人用蛇形关节的内部空间，使其更适合应用于微创伤手术。

在本申请实施例中，所述第一关节接头10位于所述第二关节接头20的近端。所述第一啮合机构12包括多个相互平行且间隔排列的第一啮齿120，相邻两个第一啮齿120之间设置有第一齿槽121；所述第二啮合机构22包括多个相互平行且间隔排列的第二啮齿220，相邻两个第二啮齿220之间设置有第二齿槽221；其中，所述第一啮齿120与所述第二齿槽221对应，所述第二啮齿220与所述第一齿槽121对应。本实施例中，所述第一啮合机构12、第二啮合机构22可以参照直齿圆柱齿轮来设计，即本领域技术人员可以根据手术机器人用蛇形关节的要求，选择合适的模数、齿数设计得到直齿圆柱齿轮的相关参数，并在此基础上将齿轮的参数套用在球面上，此时第一球面11、第二球面21的直径取决于齿轮的分度圆直径，即取决于模数、齿数。安装时，所述第一关节接头10和所述第二关节接头20按照第一啮齿120延伸方向与第二啮齿220延伸方向平行的方式布置，第一啮齿120大体上坐落在第二齿槽221中，第二啮齿220大体上坐落在第一齿槽121中。进一步的，所述第一啮齿120的数量比所述第二啮齿220的数量多，例如，所述第一啮齿120比所述第二啮齿220多一个。由此，在所述手术机器人用蛇形关节摆动运动时，还可通过所述第一关节接头10上最外侧的两个第一啮齿121进行限制，提高所述手术机器人用蛇形关节弯曲(运动)时的可靠性。在此，所述第一关节接头10和所述第二关节接头20上的啮齿数量越多，所述第一关节接头10和所述第二关节接头20之间啮合的精度越高，从而使得所述手术机器人用蛇形关节弯曲(运动)时的幅度更加精细化。在本申请实施例中，采用球面及啮合机构作为手术机器人用蛇形关节弯曲(运动)时的支撑结构，从而提高了所述手术机器人用蛇形关节的承载能力。

进一步的，所述第一关节接头10还包括第一端面15，所述第一端面15与所述第一球面11相对；所述第二关节接头20还包括第二端面25，所述第二端面25与所述第二球面21相对。优选，所述第一端面15与所述第二端面25直径相等。进一步的，所述第一端面15上设置有径向贯通的第一凹槽16；所述第二端面25上设置有径向贯通的第二凹槽26。较佳的，所述第一凹槽16和所述第二凹槽26均为半圆形凹槽。通过所述第一凹槽16和所述第二凹槽26能够便于实现与相邻的其他关节接头对或零部件的紧固连接，以防发生相互转动。优选的，所述第一凹槽16平行或者垂直于所述第一啮齿120，所述第二凹槽26平行或者垂直于所述第二啮齿220。由此，通过所述第一凹槽16和所述第二凹槽26可以方便的了解所述第一关节接头10和第二关节接头20之间摆动方向。

实施例二

本实施例中，所述手术机器人用蛇形关节，具有一个自由度，包括两个关节接头对和柔性结构。请参考图4，其为本发明实施例的手术机器人用蛇形关节的关节接头对的结构示意图。如图4所示，所述关节接头对的数量为两个，即第一关节接头对1a，第二关节接头对1b，每个关节接头对如实施例一配置。进一步，在本实施例中，第一关节接头对1a的第二啮齿的延伸方向与相邻的第二关节接头对1b的第一啮齿的延伸方向互相平行。本实施例中，第一关节接头对1a，第二关节接头对1b摆动方向相同，由此，所述手术机器人用蛇形关节仅具有一个自由度，但是能够实现更大的摆动角度。其中，近端的第一关节接头对1a的摆动角度与远端的第二关节接头对1b的摆动角度可以相同，也可以不相同；即第一关节接头对1a中的第一曲面和第二曲面直径的比例，与第二关节接头对1b中的第一曲面和第二曲面直径的比例可以相同，也可以不同。进一步的，近端的第一关节接头对1a中的啮合机构与远端的第二对关节接头1b中的啮合机构可以相同，也可以不相同。即近端的第一关节接头对1a中的啮合机构与远端的第二关节接头对1b中的啮合机构的模数、齿数可以相同也可以不同。对应的，近端的第一关节接头对1a中的啮合机构的啮齿数量、啮齿高度、啮齿间距等与远端的第二关节接头对1b中的啮合机构的啮齿数量、啮齿高度、啮齿间距等可以相同，也可以不相同。

当近端的第一关节接头对1a的摆动角度与远端的第二关节接头对1b的摆动角度相同时，两个关节接头对实现的摆动角度为第一关节接头对1a实现的摆动角度的两倍，即所述手术机器人用蛇形关节能够摆动更大的角度；同时，由于通过两个关节接头对实现大角度的摆动，从而所述手术机器人用蛇形关节将具有更好的承载能力；进一步的，由于通过两个关节接头对实现大角度的摆动，相对于通过一个关节接头对实现相同角度的摆动，每个关节接头对的摆动角度较小，由此所述柔性结构能够更方便、更精细化的控制摆动角度。

进一步的，近端的第一个关节接头对1a中的第二关节接头20a与远端的第二个关节接头对1b中的第一关节接头10b可拆卸连接，例如通过卡扣结构连接，或者固定连接，例如通过焊接固定，又例如通过一体成型。

请继续参考图4，在此，通过近端的第一关节接头对1a中的第二关节接头20a的第二端面上的第二凹槽和远端的第二关节接头对1b中的第一关节接头10b的第一端面上的第一凹槽的轴线之间的夹角(在此两者之间的夹角为零)，可以很方便的了解到所述近端的第一关节接头对1a与远端的第二关节接头对1b之间的摆动方向的关系。

请参考图5，在本实施例中，所述钢丝绳2的数量为8根，分别控制关节接头对1a和关节接头对1b摆动。在一个优选的方案中，全部8根钢丝绳2的远端均与关节接头对1b中的第二关节接头20b固定。在另一个优选方案中，控制关节接头对1a摆动的4根钢丝绳2的远端与关节接头对1a的第二关节接头20a固定，另外4根控制关节接头对1b摆动的钢丝绳2的远端与关节接头对1b的第二关节接头20b固定。本领域技术人员应知道，在本实施例中，所述蛇形关节具有1个自由度，所以所述钢丝绳2只需两根，即可实现对两对关节接头的控制。在此基础上，可以增加钢丝绳2的数量以实现更加精准的控制。增加的钢丝绳2可以与关节接头对1b的第二关节接头20b固定连接的，也可以与关节接头对1a的第二关节接头20a固定。在此，两个关节接头对之间固定连接，通过控制各根钢丝绳2的拉伸，便可实现两个关节接头对的摆动，即实现手术机器人用蛇形关节的偏转。

实施例三

本实施例中，所述手术机器人用蛇形关节，具有两个自由度，包括两个关节接头对和柔性结构。请参考图6，其为本发明实施例的手术机器人用蛇形关节的关节接头对的结构示意图。如图6所示，所述关节接头对的数量为两个，即第一关节接头对1a，第二关节接头对1b，每个关节接头对如实施例一配置。在此，第一关节接头对1a的第二啮齿的延伸方向与相邻的第二关节接头对1b的第一啮齿的延伸方向异面。具体的，第一关节接头对1a的第二啮齿的延伸方向与相邻的第二关节接头对1b的第一啮齿的延伸方向相互异面垂直(即夹角为90°)。两个关节接头对有两个不同的摆动方向，形成两个自由度，因此所述蛇形关节具有两个自由度。此时，本实施例中所述钢丝绳2至少需要四根，才能控制所述蛇形关节的摆动。本领域技术人员应理解，控制关节接头对摆动方向的钢丝绳的固定位置，可以在该关节接头对的第二关节接头上，也可以在位于该关节接头对的远端的关节接头对的第二关节接头上(如果有)。例如，在本实施例中，控制关节接头对1a的钢丝绳2，其可以固定在关节接头对1a的第二关节接头20a上，也可以固定在关节接头对1a远端的关节接头对1b的第二关节接头20b上。另外两根控制关节接头对1b的钢丝绳2则只能固定在关节接头对1b的第二关节接头20b上。由此，通过柔性结构的控制，近端的第一关节接头对1a与远端的第二关节接头对1b将分别向两个方向偏转，从而实现手术机器人用蛇形关节的空间扭转动作。

实施例四

本实施例中，所述手术机器人用蛇形关节，具有两个自由度，包括四个关节接头对和柔性结构。请参考图7，其为本发明实施例的手术机器人用蛇形关节的关节接头对的结构示意图。如图7所示，所述关节接头对的数量为四个，即依次邻接的第一关节接头对1a，第二关节接头对1b，第三关节接头对1c，第四关节接头对1d。在此，第一关节接头对1a的第二啮齿的延伸方向与相邻的第二关节接头对1b的第一啮齿的延伸方向互相平行；第三关节接头对1c的第二啮齿的延伸方向与相邻的第四关节接头对1d的第一啮齿的延伸方向互相平行；第二关节接头对1b的第二啮齿的延伸方向与相邻的第三关节接头对1c的第一啮齿的延伸方向相互异面垂直。即第一关节接头对1a、第二关节接头对1b摆动方向相同；第三关节接头对1c、第四关节接头对1d摆动方向相同，且与第一关节接头对1a摆动方向垂直。由此，手术机器人用蛇形关节具有两个自由度，既能够实现大角度的弯曲，也能够实现空间扭转动作。其中，所述手术机器人用蛇形关节的运动状态可以参考图8至图10。

在本实施例的蛇形关节中，共有8根钢丝绳2。具体而言，全部8根钢丝绳2固定在关节接头对1d的第二关节接头20d上，或者每2根钢丝绳2固定在一关节接头对上。这样，控制比较精准，而且一个摆动方向由多根钢丝绳2控制，结构冗余。本领域技术人员应知道，在本实施例中，所述蛇形关节具有2个自由度，所以所述钢丝绳2只需四根，即可实现对两对关节接头的控制。在此基础上，可以增加钢丝绳2的数量以实现更加精准的控制。增加的钢丝绳2可以与关节接头对1d的第二关节接头20d固定连接，也可以与其他关节接头对固定连接。

实施例五

本实施例中，所述手术机器人用蛇形关节，具有两个自由度，包括四个关节接头对和柔性结构。请参考图11，其为本发明实施例的手术机器人用蛇形关节的关节接头对的结构示意图。如图11所示，所述关节接头对的数量为四个，即依次邻接的第一关节接头对1a，第二关节接头对1b，第三关节接头对1c，第四关节接头对1d。在此，第一关节接头对1a的第二啮齿的延伸方向与相邻的第二关节接头对1b的第一啮齿的延伸方向互相平行；第三关节接头对1c的第二啮齿的延伸方向与相邻的第四关节接头对1d的第一啮齿的延伸方向互相平行；第二关节接头对1b的第二啮齿的延伸方向与第三关节接头对1c的第一啮齿的延伸方向的夹角为45°。即第一关节接头对1a、第三关节接头对1c摆动方向相同；第二关节接头对1b、第四关节接头对1d摆动方向相同，且与第一关节接头对1a摆动方向不同。同实施例四，本实施例中，蛇形关节具有两个自由度，因此，至少需要四根钢丝绳2控制蛇形关节。由此，手术机器人用蛇形关节即能够实现大角度的弯曲，也能够实现空间扭转动作。其中，所述手术机器人用蛇形关节的运动状态可以参考图12至图14。

实施例六

本实施例中，所述手术机器人用蛇形关节，具有两个自由度，包括四个关节接头对和柔性结构。请参考图15，其为本发明实施例的手术机器人用蛇形关节的关节接头对的结构示意图。如图15所示，所述关节接头对的数量为四个，即依次邻接的第一关节接头对1a，第二关节接头对1b，第三关节接头对1c，第四关节接头对1d。在此，第一关节接头对1a的第二啮齿的延伸方向与相邻的第二关节接头对1b的第一啮齿的延伸方向互相异面垂直；第二关节接头对1b的第二啮齿的延伸方向与相邻的第三关节接头对1c的第一啮齿的延伸方向相互异面垂直；第三关节接头对1c的第二啮齿的延伸方向与相邻的第四关节接头对1d的第一啮齿的延伸方向互相异面垂直。即第一关节接头对1a、第三关节接头对1c摆动方向相同；第二关节接头对1b、第四关节接头对1d摆动方向相同，且与第一关节接头对1a摆动方向垂直。同实施例四，本实施例中，蛇形关节具有两个自由度，因此，至少需要四根钢丝绳2控制蛇形关节。由此，手术机器人用蛇形关节能够实现大角度的弯曲，同时也能够实现空间扭转动作。其中，所述手术机器人用蛇形关节的运动状态可以参考图16至图18。

在本申请的其他实施例中，所述蛇形关节中包含的关节接头对的数量还可以更多，例如五个、六个、八个或者十个等；相邻两个关节接头对中的啮齿的延伸方向可以平行也可以异面(即既不平行也不相交)。当一关节接头对中的第二啮齿与相邻的关节接头对中的第一啮齿的延伸方向异面时，夹角可为大于0°且小于等于90°中的任一值，优选的，夹角为45°或者90°，从而使得所述手术机器人用蛇形关节能够实现丰富的空间扭转动作。

进一步的，所述蛇形关节具有n(n大于等于1)个自由度，即所述蛇形关节中的关节接头对的摆动方向为n种时，蛇形关节中所述关节接头对大于等于n个，所述柔性结构的数量至少为2n个。控制关节接头对摆动方向的柔性结构的固定位置，可以在该关节接头对的第二关节接头上，也可以在该关节接头对的远端的关节接头对的第二关节接头上(如果有)。因此，至少2个柔性结构的远端与关节接头对中位于最远端的一个关节接头对中的第二关节接头固定。更优选的，所有所述柔性结构的一端与所述蛇形关节中位于最远端的一个关节接头对中的第二关节接头固定。例如，钢丝绳穿过每个关节接头对上的第一轴向通孔和第二轴向通孔后固定于最远端的一个关节接头对中的第二关节接头的第二端面，从而通过钢丝绳的拉伸实现对于手术机器人用蛇形关节的弯曲(运动)控制。

本发明还提供了一种手术器械，所述手术器械包括器械末端、蛇形关节、管状物、柔性件以及控制器；其中，所述器械末端、所述蛇形关节、所述管状物和所述控制器依次连接；所述柔性件一端连接所述控制器，另一端经过所述管状物分别与所述蛇形关节和所述器械末端连接；所述蛇形关节的柔性结构的近端经过所述管状物与控制器连接；所述控制器通过所述柔性件控制所述器械末端运动，通过所述蛇形关节的柔性结构控制所述蛇形关节的摆动。具体而言，所述器械末端主要包括直接在人体内进行手术操作的剪刀、钳子、电钩等手术工具；蛇形关节两端分别连接器械末端和管状物，所述管状物为中空薄壁管，用于支撑器械末端，使器械末端可伸入人体内的同时，而手术器械的前端置于体外；所述控制器用于控制器械末端运动和蛇形关节运动；所述柔性件一端连接控制器，一端经过管状物分别与蛇形关节和器械末端连接；所述蛇形关节的柔性结构的近端经过所述管状物与控制器连接。手术器械通过对所述蛇形关节姿态的控制，使器械末端到达期望的位置和姿态，通过对器械末端的控制，是器械末端实现夹持，切割等动作。

本发明还提供了一种内窥镜，所述内窥镜包括成像系统、蛇形关节、管状物以及控制器；其中，所述成像系统、所述蛇形关节、所述管状物和所述控制器依次连接；所述蛇形关节的柔性结构的近端经过所述管状物与所述蛇形关节连接；所述控制器通过所述蛇形关节的柔性结构控制所述蛇形关节运动。所述成像系统包括内窥镜的物镜组，实现内窥镜视场中画面的采集；所述蛇形关节用于连接成像系统和管状物，调整成像系统的姿态；所述管状物为中空薄壁管，用于支撑内窥镜的末端和首端，使内窥镜的末端可伸入人体内的同时，内窥镜的首端置于体外；所述的控制器用于控制所述蛇形关节的摆动；所述蛇形关节的柔性结构的近端经过管状物与所述控制器连接。所述内窥镜通过所述控制器实现对蛇形关节的位姿的控制，使内窥镜成像系统可以到达期望的位姿。

综上可见，在本发明提供的手术机器人用蛇形关节中，具有至少一个自由度，其包括至少一个关节接头对以及柔性结构，每个所述关节接头对包括第一关节接头和第二关节接头，所述第一关节接头包括第一球面，所述第一球面上设置有第一啮合机构，所述第二关节接头包括第二球面，所述第二球面上设置有第二啮合机构，所述第一关节接头和所述第二关节接头通过所述第一啮合机构和所述第二啮合机构相啮合，所述柔性结构控制所述关节接头对的摆动方向和摆动角度，以实现所述蛇形关节的摆动。在本发明中，所述关节接头采用球面作为关节接头对摆动时的支撑结构，球面具有更高的支撑能力，从而提高了所述手术机器人用蛇形关节的承载能力；进一步的，通过啮合机构的啮合运动实现关节接头对的摆动，提高啮合机构的啮合精度，可以实现所述手术机器人用蛇形关节的高弯曲精度。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (19)

1.一种手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述手术机器人用蛇形关节具有至少一个自由度，且包括：至少一个关节接头对和柔性结构；其中，

每个关节接头对包括位于下端的第一关节接头和位于上端的第二关节接头，所述第一关节接头包括第一球面，所述第一球面上设置有第一啮合机构，所述第二关节接头包括第二球面，所述第二球面上设置有第二啮合机构，

所述第一关节接头和所述第二关节接头通过所述第一啮合机构和所述第二啮合机构相啮合，所述柔性结构控制所述关节接头对的摆动。

2.如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一关节接头设有周向布置的第一轴向通孔，所述柔性结构延伸通过所述第一轴向通孔，所述第一轴向通孔的数量至少为2个；所述第二关节接头设有周向布置的第二轴向通孔，所述柔性结构延伸通过所述第二轴向通孔，所述第二轴向通孔的数量至少为2个，至少2个所述第一轴向通孔的位置与所述第二轴向通孔的位置相对应。

3.如权利要求2所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一轴向通孔的数量与所述第二轴向通孔的数量相同，并且所述第一轴向通孔的位置与所述第二轴向孔的位置一一对应。

4.如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一关节接头的中心设置有第三轴向通孔；所述第二关节接头的中心设置有第四轴向通孔；所述第三轴向通孔与所述第四轴向通孔对应。

5.如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一球面直径和所述第二球面直径相等。

6.如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一啮合机构包括多个相互平行且间隔排列的第一啮齿，相邻两个第一啮齿之间设置有第一齿槽；所述第二啮合机构包括多个相互平行且间隔排列的第二啮齿，相邻两个第二啮齿之间设置有第二齿槽；其中，所述第一啮齿与所述第二齿槽对应，所述第二啮齿与所述第一齿槽对应。

7.如权利要求6所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一啮齿的数量比所述第二啮齿的数量多。

8.如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一关节接头还包括第一端面，所述第一端面与所述第一球面相对；所述第二关节接头还包括第二端面，所述第二端面与所述第二球面相对。

9.如权利要求8所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一端面与第二端面直径相等。

10.如权利要求9所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述第一端面上设置有径向贯通的第一凹槽；所述第二端面上设置有径向贯通的第二凹槽。

11.如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，当所述手术机器人用蛇形关节具有n个自由度时，所述柔性结构至少为2n个，其中n为大于等于1的自然数。

12.如权利要求1～11中任一项所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所述关节接头对的数量为1个～10个，所述关节接头对依次邻接。

13.如权利要求12所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，相邻的两个关节接头对中，相邻并且分属于两个不同关节接头对的所述第一关节接头和所述第二关节接头固定连接或可拆卸连接。

14.如权利要求12所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，相邻并且分属于两个关节接头对的所述第一关节接头的所述第一啮齿的延伸方向和所述第二关节接头的所述第二啮齿的延伸方向平行或异面。

15.如权利要求14所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，相邻并且分属于两个不同关节接头对的所述第一关节接头的所述第一啮齿的延伸方向和所述第二关节接头的所述第二啮齿的延伸方向之间的夹角为45°或者90°。

16.如权利要求12所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，至少两个所述柔性结构的远端与所述手术机器人用蛇形关节中位于最远端的一个关节接头对中的第二关节接头固定。

17.如权利要求16所述的手术机器人用蛇形关节，其特征在于，所有所述柔性结构的远端与所述手术机器人用蛇形关节中位于最远端的一个关节接头对中的第二关节接头固定。

18.一种手术器械，其特征在于，所述手术器械包括器械末端、如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节、管状物、柔性件以及控制器；其中，所述器械末端、所述手术机器人用蛇形关节、所述管状物和所述控制器依次连接；所述柔性件一端连接所述控制器，另一端经过所述管状物分别与所述器械末端连接；所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构的近端经过所述管状物与控制器连接；所述控制器通过所述柔性件控制所述器械末端运动，通过所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构控制所述蛇形关节摆动。

19.一种内窥镜，其特征在于，所述内窥镜包括成像系统、如权利要求1所述的手术机器人用蛇形关节、管状物以及控制器；其中，所述成像系统、所述手术机器人用蛇形关节、所述管状物和所述控制器依次连接；所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构的近端经过所述管状物与所述控制器连接；所述控制器通过所述手术机器人用蛇形关节的柔性结构控制所述蛇形关节摆动，进而调整所述成像系统的位姿。