CN107468339B - 一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械 - Google Patents

Abstract

一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，它涉及腹腔微创外科手术医疗设备技术领域，能够使得器械在患者体内依靠自身实现末端手术钳的空间移动、定位，增强了手术器械的末端姿态调整能力，具有较好的灵活性，实现了在狭小空间内完成对组织的手术操作；利用设计在手术器械的腕部与末端手术钳之间的自转关节，避免了自转需要关节复位的问题，它包括末端手术钳机构、自转关节、腕部柔性关节和动力驱动箱；动力驱动箱包括走线管、壳体、上底板、下底板、五组电机绳轮装置、绳索导向轮组和绳索导向柱组；走线管的一端与腕部柔性关节的尾端球铰结构连接，走线管的另一端固定在下底板上。本发明用于机器人辅助微创手术。

Description

一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械

技术领域

本发明涉及腹腔微创外科手术医疗设备技术领域，在机器人辅助微创手术中，它辅助牵拉组织，是一种末端具有柔性多关节的手术器械。

背景技术

随着机器人技术的发展，由机器人技术和微创手术技术相结合而发展起来的机器人辅助微创手术在实现传统微创手术优点的基础上，提高了手术操作的精度和灵活度，扩展了术式类别。微创手术机器人用手术器械作为机器人末端的执行工具，用来完成对脏器组织的切割、夹持、缝合、提拉和游离等手术操作，其工作性能对机器人手术有直接影响。因此，开发性能良好的机器人辅助微创手术用手术器械对提高手术质量至关重要。

目前，以手术器械操作杆是否具有柔性运动，可将机器人辅助微创手术用手术器械分为“刚性”和“柔性”两种。专利号为201110007611.5、公开号为CN102028548A、公开日为2011年4月27日的发明专利公开了一种《腹腔微创手术机器人用夹钳式手术器械》；专利号为201310167640.7、公开号为CN103251458A、公开日为2013年8月21日的发明专利公开了一种《一种用于微创手术机器人的丝传动四自由度手术器械》；专利号为201410359514.6、公开号为CN104116547A、公开日为2014年10月29日的发明专利公开了一种《用于微创手术机器人的低摩擦小惯量手术器械》；专利号为201420805940.3、公开号为CN 204337044A、公开日为2014年12月17日的发明专利公开了一种《一种微创手术机器人的手术器械末端结构》；专利号为201510163571.1、公开号为CN104799891A、公开日为2015年7月29日的发明专利公开了一种《一种机器人辅助微创外科手术用器械》；专利号为201510669801.1、公开号为CN105286999A、公开日为2016年2月3日的发明专利公开了一种《具有末端自转功能的微创手术器械》；专利号为201710004766.0、公开号为CN106691594A、公开日为2017年5月24日的发明专利公开了一种《一种用于微创外科手术机器人手术器械》。以上专利中所述的手术器械均属于“刚性”手术器械范畴，其末端手术钳机构和驱动装置之间的操作杆为刚性杆，该类手术器械主要实现末端手术钳机构的开合及偏摆和操作杆的自转等运动自由度。

“柔性”手术器械末端操作部分和驱动装置的连接部分采用具有柔性运动的操作杆，其可提供手术器械末端手术钳机构在患者体内的偏摆和俯仰运动，增强了手术器械的末端姿态调整能力，具有较好的灵活性。专利号为201310414968.4、公开号为CN103431913A、公开日为2013年12月11日的发明专利公开了一种《微创外科机器人手术微器械》，该专利中所述的手术器械具有7个自由度，其柔性腕部关节包括两个主动关节和两个从动关节，由可转动的连杆相互连接，能够完成腕部的摆动和俯仰运动；但该手术器械不能在患者体内进行定位、移动等操作，从而使得其工作范围和灵活性受到限制。专利号为201510418521.3、公开号为CN104970840A、公开日为2015年10月14日的发明专利公开了一种《一种用于微创手术的六自由度丝传动手术器械》，该专利中所述的手术器械基本模拟人手臂的关节，具有六自由度，其柔性结构包括所谓“肩关节”、“肘关节”和“腕关节”，相邻两关节采用自转中心轴连接，自转结构设计在手术器械的腕关节与指关节中间，有效的解决了多自由度器械在腹腔内自转需要关节复位的问题，同时在末端手术钳机构设计了快换装置，有效减少了微创手术中更换手术器械的时间。专利号为201510872335.7、公开号为CN105287002A、公开日为2016年2月3日的发明专利公开了一种《一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术微器械》，该专利中所述的柔性弯曲臂机构由五个双头微型联轴节、前后单头微型联轴节和六个十字轴组成，其偏摆和俯仰运动由六个十字轴的转动实现，柔性弯曲臂与手术钳采用自适应调整的解耦机构，很好的解决了多自由度运动之间的耦合问题。专利号为201710202661.6、公开号为CN106880405A、公开日为2017年6月23日的发明专利公开了一种《手术机器人用柔性器械、手术器械及内窥镜》，该专利中所述的柔性器械包括弹性结构和导向结构，由两个固定块和六个转动块串联组成，相邻两个转动块之间布置有垫块，通过弹性结构恢复初始态，通过导向结构处于弯曲态，从而构成多自由度柔性器械。专利号为201710203335.7、公开号为CN106923902A、公开日为2017年7月7日的发明专利公开了一种《手术机器人用蛇形关节、手术器械及内窥镜》，该专利中所述的手术器械采用蛇形关节，具有至少一个自由度，由四个关节接头对和四个柔性结构组成，通过关节接头对的摆动实现手术器械的平面扭转或者空间扭转，降低了结构的复杂度。

发明内容

本发明提供一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，能够使得器械在患者体内依靠自身实现末端手术钳的空间移动、定位，增强了手术器械的末端姿态调整能力，具有较好的灵活性，实现了在狭小空间内完成对组织的手术操作；利用设计在手术器械的腕部与末端手术钳之间的自转关节，避免了自转需要关节复位的问题。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械包括末端手术钳机构、自转关节、腕部柔性关节和动力驱动箱；

自转关节固装在末端手术钳机构上；

腕部柔性关节包括结构相同收尾依次连接的若干个球铰结构，腕部柔性关节的首端球铰结构与自转关节连接；

动力驱动箱包括走线管、壳体、上底板、下底板、五组电机绳轮装置、绳索导向轮组和绳索导向柱组；上底板布置在下底板的上方且二者均布置在壳体内，其中三组电机绳轮装置布置在上底板的上表面上，剩余二组电机绳轮装置、绳索导向轮组和绳索导向柱组布置在下底板的上表面上，走线管的一端与腕部柔性关节的尾端球铰结构连接，走线管的另一端固定在下底板上；

末端手术钳机构通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组、绳索导向柱组的绳索与所述剩余二组电机绳轮装置连接；

自转关节通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与所述其中三组电机绳轮装置的一组电机绳轮装置连接；

腕部柔性关节通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与所述其中三组电机绳轮装置的另外二组电机绳轮装置连接。

进一步地，末端手术钳机构包括关节轴和两个夹持件，所述自转关节包括手指座、上固定套和下固定套；所述两个夹持件通过关节轴固定在手指座上，手指座转动安装在上固定套上，下固定套固装在上固定套上，手指座的自转轴穿过上固定套和下固定套的中空腔，手指座的自转轴具有中心通孔。

进一步地，每个所述夹持件上带有具有轮槽的夹持绳轮和与该轮槽相通的用于控制末端手术钳机构开合所用绳索的固定孔一；两个夹持件通过穿过绳索固定孔按相反方向绕在夹持绳轮的轮槽上、然后穿过中心通孔、再绕在绳索导向轮组、绳索导向柱组上的绳索与所述剩余二组电机绳轮装置连接。

进一步地，每个所述球铰结构包括由球和球壳构成的球铰和两个穿绳座；两个穿绳座分别连接球和球壳，腕部柔性关节的首端穿绳座连接下固定套，走线管的一端与腕部柔性关节的尾端穿绳座连接。

进一步地，手指座的自转轴上还设置有控制自转关节自转所用绳索的固定孔二，位于固定孔二两侧的自转轴上开有固定绳槽，固定孔二与中心通孔相通；下固定套的上端面上设置有相对布置的两个上导向轮；下固定套的下端面上设置有相对布置的两个下导向轮，下固定套的下端面上还设置有与球铰结构的穿绳座相配合的螺纹孔，下固定套的端面上还设置有导线通孔；

自转关节通过缠绕在自转轴的固定绳槽上、然后穿过导线通孔及穿绳座后、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与其中三组电机绳轮装置的一组电机绳轮装置连接；下固定套的下表面上还均布有用于控制腕部柔性关节偏摆与俯仰运动所用绳索的四个绳索固定孔，腕部柔性关节通过穿过穿绳座、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与其中三组电机绳轮装置的另外二组电机绳轮装置连接。

进一步地，腕部柔性关节的每个穿绳座的端面上开有均布设置的四组绳孔，每组为两个绳孔，处于对称位置的其中两个绳孔中每个绳孔由一个夹持绳轮上缠绕的两根绳索穿过；处于对称位置的另外两个绳孔由自转关节上缠绕的两根绳索分别穿过；

最后位于对称位置的四个绳孔由腕部柔性关节的偏转与俯仰运动的绳索穿过，所述四个绳孔中处于对称位置的两个绳孔由控制腕部柔性关节的偏摆运动的绳索穿过，所述四个绳孔中处于对称位置的另外两个绳孔由控制腕部柔性关节的俯仰运动的绳索穿过。

进一步地，每组电机绳轮装置包括电机、连接轴和两个驱动绳轮；

电机的输出轴与走线管的长度方向平行设置，电机的输出轴与连接轴连接，两个驱动绳轮固定在连接轴上，两个驱动绳轮上分别开有用于固定钢丝绳的绳头固定孔，位于上底板上的连接轴通过轴承安装在上轴承座上，上轴承座安装在上底板上；位于下底板上的连接轴通过轴承安装在下轴承座上，下轴承座安装在下底板上；

所述绳索导向轮组包括槽轮一和槽轮二；槽轮一和槽轮沿着走线管的轴线布置；

所述绳索导向柱组包括关于走线管的轴线对称布置的两个上下槽导向柱；

控制两个夹持件开合的绳索走向如下：

两个夹持件上的绳索对折后的节点固定在各自的固定孔一上，每条绳索对折后形成的两段绳穿过各自固定孔一按相反方向绕在各自夹持绳轮的轮槽上，然后四段绳穿过手指座的中心通孔、上固定套和下固定套的中空腔、及穿绳座上的绳孔后、经走线管导出绕过槽轮一和槽轮二上对应的线槽；

此后，其中一个夹持件上的一段绳绕过其中一个上下槽导向柱的下部线槽，另一段绳绕过所述其中一个上下槽导向柱的上部线槽上，该两段绳按相反方向缠绕在位于下底板上的一组电机绳轮装置上的两个驱动绳轮的线槽上并固定于绳头固定孔内；

另一个夹持件上的一段绳绕过另一个上下槽导向柱的下部线槽，另一段绳绕过所述另一个上下槽导向柱的上部线槽上，该两段绳按相反方向缠绕在位于下底板上的另一组电机绳轮装置上的两个驱动绳轮的线槽上并固定于绳头固定孔内。

进一步地，绳索导向轮组还包括两个槽轮三；两个槽轮三关于走线管的轴线对称布置；

所述绳索导向柱组还包括分别关于走线管的轴线对称布置的两个导向轮槽柱一和两个导向轮槽柱二；槽轮三、两个导向轮槽柱一和两个导向轮槽柱二分别具有三个轮槽；

上底板上位于驱动绳轮处开设有穿绳孔，穿绳孔上安装有关于走线管的轴线对称布置的两个定位槽轮；

控制手指座自转的绳索走向如下：

绳索对折后的节点固定在固定孔二上，该绳索对折后形成的两段绳按相反方向缠绕在手指座上的两个固定绳槽上，分别经上导向轮、导线通孔、下导向轮、穿绳座上的绳孔和走线管导出后，两段绳分别绕过位于走线管轴线同一侧对应的导向轮槽柱一、导向轮槽柱二、槽轮三对应的轮槽和定位槽轮后，按相反方向缠绕在位于上底板上中间组的电机绳轮装置上的两个驱动绳轮的轮槽上并固定于绳头固定孔内。

进一步地，控制腕部柔性关节偏摆的绳索走向如下：

固定在其中两个绳索固定孔上的两条绳索，分别穿过控制腕部柔性关节偏摆运动的两个绳孔、走线管后，该两条绳索分别绕过位于走线管轴线同一侧对应的导向轮槽柱一、导向轮槽柱二、槽轮三对应的轮槽后；经穿绳孔穿出，按相反方向缠绕在位于上底板上剩余两组电机绳轮装置中一组电机绳轮装置上两个驱动绳轮的轮槽上并固定于绳头固定孔内；

控制腕部柔性关节俯仰的绳索走向如下：

固定在另外两个绳索固定孔上的两条绳索，分别穿过控制腕部柔性关节俯仰运动的另外两个绳孔、走线管后，该两条绳索分别绕过位于走线管轴线同一侧对应的导向轮槽柱一、导向轮槽柱二、槽轮三对应的轮槽后；经穿绳孔穿出，按相反方向缠绕在位于上底板上剩余两组电机绳轮装置中另一组电机绳轮装置上的两个驱动绳轮的轮槽上并固定于绳头固定孔内。

进一步地，绳索为钢丝绳，腕部柔性关节由重复的七个球铰结构收尾串接而成，七个球铰结构采用3D打印一体形成，每个球铰结构在空间内旋转的角度为14°。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)采用了末端手术钳机构与夹持绳轮一体的结构，两个夹持绳轮固定在手术器械末端的轴上，通过两个电机对钢丝绳的松紧控制来实现两个末端手术钳机构的开合运动。

(2)腕部柔性多关节选用了球铰结构作为腕部单元，优选7个球铰单元的结合以及均布在腕部柔性多关节四周的钢丝绳的松紧调控实现了绕器械轴线的±90°的弯曲运动。

(3)通过对动力驱动箱内电机的布局和绳索导向轮组和绳索导向柱组的布局设计，实现了钢丝绳传动的无干涉，确保了手术器械夹持力不低于5N。

(4)末端手术钳机构上可以安装不同形式的手术器械夹持件用以实现不同的手术操作，腕部柔性多关节的实施方式能够使手术器械末端手术钳机构在患者体内的实现偏摆和俯仰运动，增强了手术器械的末端姿态调整能力，具有较好的灵活性，解决了在微创手术中现有机器人辅助微创手术用手术器械无法在患者体内依靠手术器械自身进行定位、移动等操作的问题。

附图说明

图1是本发明一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械的整体轴测图；

图2是末端手术钳机构1与自转关节2连接的爆炸示意图；

图3是腕部柔性关节3的伸直状态图；

图4是球铰结构的示意图；

图5是腕部柔性关节3的弯曲状态图；

图6是腕部柔性关节3的球铰结构3-1的剖视图；

图7是动力驱动箱4的内部结构轴测图；

图8是夹持件1-3的示意图；

图9是手指座2-1的示意图；

图10是下固定套2-3的轴测图；

图11是下固定套2-3的底面示意图；

图12是走线管4-1的轴测图；

图13是走线管4-1的端面示意图；

图14是下底板4-6、绳索导向轮组和绳索导向柱组布置关系示意图；

图15是上底板4-5的示意图；

图16是电机绳轮装置4-3的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明：

如图1-16所示，一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械包括末端手术钳机构1、自转关节2、腕部柔性关节3和动力驱动箱4；

自转关节2固装在末端手术钳机构1上；

腕部柔性关节3包括结构相同收尾依次连接的若干个球铰结构，腕部柔性关节3的首端球铰结构与自转关节2连接；

动力驱动箱4包括走线管4-1、壳体4-0、上底板4-5、下底板4-6、五组电机绳轮装置4-3、绳索导向轮组和绳索导向柱组；上底板4-5布置在下底板4-6的上方且二者均布置在壳体4-0内，其中三组电机绳轮装置4-3布置在上底板4-5的上表面上，剩余二组电机绳轮装置4-3、绳索导向轮组和绳索导向柱组布置在下底板4-6的上表面上，走线管4-1的一端与腕部柔性关节3的尾端球铰结构连接，走线管4-1的另一端固定在下底板4-6上；

末端手术钳机构1通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组、绳索导向柱组的绳索与所述剩余二组电机绳轮装置4-3连接；

自转关节2通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与所述其中三组电机绳轮装置4-3的一组电机绳轮装置4-3连接；

腕部柔性关节3通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与所述其中三组电机绳轮装置4-3的另外二组电机绳轮装置4-3连接。

上底板4-5通过设置于下底板4-6上的支撑柱4-8与下底板4-6连接。

如图2所示，末端手术钳机构1包括关节轴1-1和两个夹持件1-3，自转关节2包括手指座2-1、上固定套2-2和下固定套2-3；所述两个夹持件1-3通过关节轴1-1固定在手指座2-1上，手指座2-1转动安装在上固定套2-2上，下固定套2-3固装在上固定套2-2上，手指座2-1的自转轴穿过上固定套2-2和下固定套2-3的中空腔，手指座2-1的自转轴具有中心通孔2-1-1。在本具体实施方式中，关节轴1-1穿过手指座2-1侧面的两个孔通过卡簧1-2将两个夹持件1-3固定在手指座2-1上，上固定套2-2的一端与手指座2-1的底面相接触，另一端由手指座2-1自转轴用卡簧2-5固定，上固定套2-2为不动件，手指座2-1为转动件；下固定套2-3通过四个固定贴片2-4与上固定套2-2固连，下固定套2-3上端圆周面上设置有与四个固定贴片2-4配合的螺孔。

优选地，如图8所示，夹持件1-3上带有具有轮槽的夹持绳轮1-3-1，夹持件1-3上还设有与该轮槽相通的用于控制末端手术钳机构1开合所用绳索的固定孔一1-3-2；两个夹持件1-3通过穿过绳索固定孔1-3-2按相反方向绕在夹持绳轮1-3-1的轮槽上、然后穿过中心通孔2-1-1、再绕在绳索导向轮组、绳索导向柱组上的绳索与所述剩余二组电机绳轮装置4-3连接。夹持绳轮1-3-1上开设两个轮槽，用于绳索缠绕，两轮槽之间间隔为0.8mm，固定孔一1-3-2开在两个轮槽相间隔的夹持绳轮1-3-1上。如此设计能够将自转轴与手指座2-1做成一体，通过钢丝绳带动自转轴完成旋转运动，从而带动整个末端手术钳机构1完成旋转运动，更加节省了空间，也符合结构简单的要求，实现两个夹持件1-3的开合，完成脏器组织的夹持、提拉和游离等手术操作。

如图3、图4和图6所示，在一个实施例中，腕部柔性关节3由重复的多个球铰结构收尾连接构成，球铰结构作为腕部柔性关节3的基本单元，腕部柔性关节实现多关节运动。具体为：每个球铰结构包括由球3-1和球壳3-2构成的球铰和两个穿绳座3-3；两个穿绳座3-3分别连接球3-1和球壳3-2，腕部柔性关节3的首端穿绳座3-3连接下固定套2-3，走线管4-1的一端与腕部柔性关节3的尾端穿绳座3-3连接。腕部柔性多关节3的最后一个球铰结构要能够与动力驱动箱4相连接而设计成开口式；腕部柔性关节3的首端球铰结构与自转关节2的下固定套2-3的底部用螺钉固连，

如图9、图10和图11所示，手指座2-1的自转轴上还设置有控制自转关节2自转所用绳索的固定孔二2-1-2，位于固定孔二2-1-2两侧的自转轴上开有固定绳槽2-1-3，固定孔二2-1-2与中心通孔2-2-1相通；下固定套2-3的上端面上设置有相对布置的两个上导向轮2-3-1；下固定套2-3的下端面上设置有相对布置的两个下导向轮2-3-2，下固定套2-3的下端面上还设置有与球铰结构的穿绳座3-3相配合的螺纹孔2-3-4，下固定套2-3的端面上还设置有导线通孔2-3-5；

自转关节2通过缠绕在自转轴的固定绳槽2-1-3上、然后穿过导线通孔2-3-5及穿绳座3-3后、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与其中三组电机绳轮装置4-3的一组电机绳轮装置4-3连接；下固定套2-3的下表面上还均布有用于控制腕部柔性关节3偏摆与俯仰运动所用绳索的四个绳索固定孔2-3-6，腕部柔性关节3通过穿过穿绳座3-3、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与其中三组电机绳轮装置4-3的另外二组电机绳轮装置4-3连接。如此设置，实现了手指座2-1的转动，进而达到带动夹持件1-3在开合状态下的定位和移动，实现完成对脏器组织的切割、夹持、缝合、提拉和游离等手术操作。如此设计，能够使钢丝绳在电机驱动过程中能够在绳索导向轮组的作用下滑动，减少摩擦阻力对运动精确的影响；采用两个高度不等的上导向轮2-3-1的切线与手指座2-1的自转轴上用于钢丝绳缠绕的固定绳槽2-1-3相切。

如图4所示，在另一实施例中，腕部柔性关节3的每个穿绳座3-3的端面上开有均布设置的四组绳孔3-4，每组为两个绳孔，处于对称位置的其中两个绳孔中每个绳孔由一个夹持绳轮1-3-1上缠绕的两根绳索穿过；处于对称位置的另外两个绳孔由自转关节2上缠绕的两根绳索分别穿过；最后位于对称位置的四个绳孔由腕部柔性关节3的偏转与俯仰运动的绳索穿过，所述四个绳孔中处于对称位置的两个绳孔由控制腕部柔性关节3的偏摆运动的绳索穿过，所述四个绳孔中处于对称位置的另外两个绳孔由控制腕部柔性关节3的俯仰运动的绳索穿过。走线长管4-1与腕部柔性关节3的最后一个球铰结构通过四个螺钉相连，为了提高导向效果，长管的端部开有四个宽1mm的槽，槽均布在端部，槽的底部为圆角过渡，固定安装时，四个槽口正对上述最后位于对称位置的四个绳孔的位置，使得钢丝绳顺畅通过，使得通过腕部柔性关节3的钢丝绳进入走线管内从而顺利进入动力驱动箱4内部，起到导向轮的效果。最后四个位于对称位置的绳孔可完成腕部柔性关节3的偏转与俯仰两个90°的运动，另外，穿绳座3-3上设置四组绳孔3-4，每组绳孔3-4承担一项功能，这样夹持件1-3的开合、自转关节2的手指座2-1的转动和腕部柔性关节3的偏转和俯仰集于一体，各项工作时互不干涉，很好地实现完成对脏器组织的切割、夹持、缝合、提拉和游离等手术操作。

如图7和图16所示，在该实施例中，作为一个可实施方式，每组电机绳轮装置4-3包括电机4-3-1、连接轴4-3-4和两个驱动绳轮4-3-2；电机4-3-1的输出轴与走线管4-1的长度方向平行设置，电机4-3-1的输出轴与连接轴4-3-4连接，两个驱动绳轮4-3-2固定在连接轴4-3-4上，两个驱动绳轮4-3-2上分别开有用于固定钢丝绳的绳头固定孔4-3-21，位于上底板4-5上的连接轴4-3-4通过轴承安装在上轴承座4-3-3上，上轴承座4-3-3安装在上底板4-5上；位于下底板4-6上的连接轴4-3-4通过轴承安装在下轴承座4-3-5上，下轴承座4-3-5安装在下底板4-6上；所述绳索导向轮组包括槽轮一4-4-1和槽轮二4-4-2；槽轮一4-4-1和槽轮4-4-2沿着走线管4-1的轴线布置；所述绳索导向柱组包括关于走线管4-1的轴线对称布置的两个上下槽导向柱4-10-3；所用轴承采用无油轴承，两个驱动绳轮4-3-2通过两个紧定螺钉固定在连接轴4-3-4上，再通过两端的无油轴承及孔用弹性卡簧完成轴向固定。两个驱动绳轮4-3-2上分别开有一个绳头固定孔4-3-21用于固定绳头。如此设计，既能够保证电机的轴的运动及动力成功传输到驱动绳轮4-3-2上，即运动及动力能传输到钢丝绳上，也能够保证钢丝绳在工作状态静态张拉的情况下，使得驱动绳轮4-3-2承受的径向力由安装在底座上的两个无油轴承来负担，即保证了动力传输的安全性。

如图2-图16所示，控制两个夹持件1-3开合的绳索走向如下：

两个夹持件1-3上的绳索对折后的节点固定在各自的固定孔一1-3-2上，每条绳索对折后形成的两段绳穿过各自固定孔一1-3-2按相反方向绕在各自夹持绳轮1-3-1的轮槽上，然后四段绳穿过手指座2-1的中心通孔2-1-1、上固定套2-2和下固定套2-3的中空腔、及穿绳座3-3上的绳孔3-4后、经走线管4-1导出绕过槽轮一4-4-1和槽轮二4-4-2上对应的线槽；

此后，其中一个夹持件1-3上的一段绳绕过其中一个上下槽导向柱4-10-3的下部线槽，另一段绳绕过所述其中一个上下槽导向柱4-10-3的上部线槽上，该两段绳按相反方向缠绕在位于下底板4-6上的一组电机绳轮装置4-3上的两个驱动绳轮4-3-2的线槽上并固定于绳头固定孔4-3-21内；

具体为：其中一个夹持件1-3上的一段绳绕过其中一个上下槽导向柱4-10-3的下部线槽，并由下至上缠绕在位于下底板4-6上的一组电机绳轮装置4-3上的其中一个驱动绳轮4-3-2的轮槽上，另一段绳绕过所述其中一个上下槽导向柱4-10-3的上部线槽上，并由上至下缠绕在位于下底板4-6上的一组电机绳轮装置4-3上的另一个驱动绳轮4-3-2的线槽上并固定于绳头固定孔4-3-21内；

另一个夹持件1-3上的一段绳绕过另一个上下槽导向柱4-10-3的下部线槽，另一段绳绕过所述另一个上下槽导向柱4-10-3的上部线槽上，该两段绳按相反方向缠绕在位于下底板4-6上的另一组电机绳轮装置4-3上的两个驱动绳轮4-3-2的线槽上并固定于绳头固定孔4-3-21内。具体为：另一个夹持件1-3上的一段绳绕过另一个上下槽导向柱4-10-3的下部线槽，并由下至上缠绕在位于下底板4-6上的另一组电机绳轮装置4-3上的其中一个驱动绳轮4-3-2的线槽上，另一段绳绕过所述另一个上下槽导向柱4-10-3的上部线槽上，并由上至下缠绕在位于下底板4-6上的另一组电机绳轮装置4-3上的另一个驱动绳轮4-3-2的线槽上并固定于绳头固定孔4-3-21内。如此完成两个夹持件1-3的开合控制。

如图14所示，作为另一个可实施方式，绳索导向轮组还包括两个槽轮三4-4-3；两个槽轮三4-4-3关于走线管4-1的轴线对称布置；所述绳索导向柱组还包括分别关于走线管4-1的轴线对称布置的两个导向轮槽柱一4-10-1和两个导向轮槽柱二4-10-2；槽轮三4-4-3、两个导向轮槽柱一4-10-1和两个导向轮槽柱二4-10-2分别具有三个轮槽；上底板4-5上位于驱动绳轮4-3-2处开设有穿绳孔4-5-1，穿绳孔4-5-1上安装有关于走线管4-1的轴线对称布置的两个定位槽轮4-5-2；

如图9-图16所示，控制手指座2-1自转的绳索走向如下：

绳索对折后的节点固定在固定孔二2-1-2上，该绳索对折后形成的两段绳按相反方向缠绕在手指座2-1上的两个固定绳槽2-1-3上，分别经上导向轮2-3-1、导线通孔2-3-5、下导向轮2-3-2、穿绳座3-3-上的绳孔3-4和走线管4-1导出后，两段绳分别绕过位于走线管4-1轴线同一侧对应的导向轮槽柱一4-10-1、导向轮槽柱二4-10-2、槽轮三4-4-3对应的轮槽和定位槽轮4-5-2后，按相反方向缠绕在位于上底板4-5上中间组的电机绳轮装置4-3上的两个驱动绳轮4-3-2的轮槽上并固定于绳头固定孔4-3-21内。

具体为：绳索对折后的节点固定在固定孔二2-1-2上，该绳索对折后形成的两段绳，其中一段绳缠绕在靠近夹持件1-3的固定绳槽2-1-3上，另一端绳按相反方向缠绕在靠近下固定套2-3的固定绳槽2-1-3上，或者两段绳互换各自缠绕目标，经中间程序后，其中一段绳由下至上缠绕在位于上底板4-5上中间组的电机绳轮装置4-3上的一个驱动绳轮4-3-2的轮槽上，另一端绳由上至下缠绕在位于上底板4-5上中间组的电机绳轮装置4-3上的另一个驱动绳轮4-3-2的轮槽上，或者两段绳的缠绕目标和缠绕方向可对调。

如图3-图16所示，控制腕部柔性关节3偏摆的绳索走向如下：

固定在其中两个绳索固定孔2-3-6上的两条绳索，分别穿过控制腕部柔性关节3偏摆运动的两个绳孔、走线管4-1后，该两条绳索分别绕过位于走线管4-1轴线同一侧对应的导向轮槽柱一4-10-1、导向轮槽柱二4-10-2、槽轮三4-4-3对应的轮槽后；经穿绳孔4-5-1穿出，按相反方向缠绕在位于上底板4-5上剩余两组电机绳轮装置4-3中一组电机绳轮装置4-3上两个驱动绳轮4-3-2的轮槽上并固定于绳头固定孔4-3-21内；

具体为：两条绳索经穿绳孔4-5-1穿出，其中一条绳索由下至上缠绕在位于上底板4-5上剩余两组电机绳轮装置4-3中一组电机绳轮装置4-3上一个驱动绳轮4-3-2的轮槽上，另一条绳索由上至下缠绕在位于上底板4-5上剩余两组电机绳轮装置4-3中一组电机绳轮装置4-3上一个驱动绳轮4-3-2的轮槽上。两条绳索的缠绕目标和缠绕方向可对调。

如图3-图16所示，控制腕部柔性关节3俯仰的绳索走向如下：

固定在另外两个绳索固定孔2-3-6上的两条绳索，分别穿过控制腕部柔性关节3俯仰运动的另外两个绳孔、走线管4-1后，该两条绳索分别绕过位于走线管4-1轴线同一侧对应的导向轮槽柱一4-10-1、导向轮槽柱二4-10-2、槽轮三4-4-3对应的轮槽后，经穿绳孔4-5-1穿出，按相反方向缠绕在位于上底板4-5上剩余两组电机绳轮装置4-3中另一组电机绳轮装置4-3上的两个驱动绳轮4-3-2的轮槽上并固定于绳头固定孔4-3-21内。

具体为：两条绳索经穿绳孔4-5-1穿出，其中一段绳索由下至上缠绕在位于上底板4-5上剩余两组电机绳轮装置4-3中另一组电机绳轮装置4-3上的一个驱动绳轮4-3-2的轮槽上，另一条绳索由上至下缠绕在位于上底板4-5上剩余两组电机绳轮装置4-3中另一组电机绳轮装置4-3上的另一个驱动绳轮4-3-2的轮槽上。两条绳索的缠绕目标和缠绕方向可对调。

上述控制两个夹持件1-3开合的绳索走向、控制手指座2-1自转的绳索走向、控制腕部柔性关节3偏摆的绳索走向和控制腕部柔性关节3俯仰的绳索走向设计能够减少钢丝绳与与其他装置之间的摩擦，提高传动的精确度。该实施例中，作为一个可实施方式，绳索采用钢丝绳，作为另一个可实施方式，腕部柔性关节3由重复的七个球铰结构收尾串接而成，七个球铰结构采用3D打印一体形成，每个球铰结构在空间内旋转的角度为14°。腕部柔性关节3采用七个球铰结构串联构成，这样旋转的14°可以保证腕部柔性关节3能够实现90°的弯曲运动。

工作过程：分别将两根钢丝绳对折后将非线头端打结后分别穿过两个夹持绳轮1-3-1上的固定孔一1-3-2，将钢丝绳的非线头端固定防止其产生滑移。将两段绳头端从相反的方向绕在夹持绳轮1-3-1后穿过手指座2-1的自转轴中心孔后通过腕部柔性关节3上的绳孔、走线管4-1、电机绳轮装置4-3并将两绳头按相反的方向缠绕固定在驱动绳轮4-3-2上从而控制末端手术钳机构的开合运动；将另一根钢丝绳对折后将非线头端打结后穿过手指座2-1的自转轴中心孔并将非线头端固定防止其产生滑移，两线头端分别按相反的方向缠绕上自转轴上两个用于钢丝绳缠绕的线槽，通过下固定套2-3上部的上导向轮2-3-1后通过腕部柔性关节3上的绳孔、走线管4-1、电机线轮装置4-3并将两绳头按相反的方向缠绕固定在驱动绳轮4-3-2上从而通过电机控制末端手术钳机构1的转动；将钢丝绳一端固定在下固定套2-3底面的绳头固定孔4-3-21，另一端通过腕部柔性关节3上的绳孔后通过走线管4-1、电机绳轮装置4-3并将两绳头按相反的方向缠绕固定在驱动绳轮4-3-2上从而通过电机控制腕部柔性关节3的俯仰与偏摆运动。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：它包括末端手术钳机构（1）、自转关节（2）、腕部柔性关节（3）和动力驱动箱（4）；

自转关节（2）固装在末端手术钳机构（1）上；腕部柔性关节（3）包括结构相同收尾依次连接的若干个球铰结构，腕部柔性关节（3）的首端球铰结构与自转关节（2）连接；

动力驱动箱（4）包括走线管（4-1）、壳体（4-0）、上底板（4-5）、下底板（4-6）、五组电机绳轮装置（4-3）、绳索导向轮组和绳索导向柱组；上底板（4-5）布置在下底板（4-6）的上方且二者均布置在壳体（4-0）内，其中三组电机绳轮装置（4-3）布置在上底板（4-5）的上表面上，剩余二组电机绳轮装置（4-3）、绳索导向轮组和绳索导向柱组布置在下底板（4-6）的上表面上，走线管（4-1）的一端与腕部柔性关节（3）的尾端球铰结构连接，走线管（4-1）的另一端固定在下底板（4-6）上；末端手术钳机构（1）通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组、绳索导向柱组的绳索与所述剩余二组电机绳轮装置（4-3）连接；自转关节（2）通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与所述其中三组电机绳轮装置（4-3）的一组电机绳轮装置（4-3）连接；

腕部柔性关节（3）通过穿过球铰结构、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与所述其中三组电机绳轮装置（4-3）的另外二组电机绳轮装置（4-3）连接；每个所述球铰结构包括由球（3-1）和球壳（3-2）构成的球铰和两个穿绳座（3-3）；两个穿绳座（3-3）分别连接球（3-1）和球壳（3-2），腕部柔性关节（3）的首端穿绳座（3-3）连接下固定套（2-3），走线管（4-1）的一端与腕部柔性关节（3）的尾端穿绳座（3-3）连接；腕部柔性关节（3）的每个穿绳座（3-3）的端面上开有均布设置的四组绳孔（3-4），每组为两个绳孔，位于对称位置的其中四个绳孔由腕部柔性关节（3）的偏摆与俯仰运动的绳索穿过，所述四个绳孔中处于对称位置的两个绳孔由控制腕部柔性关节（3）的偏摆运动的绳索穿过，所述四个绳孔中处于对称位置的另外两个绳孔由控制腕部柔性关节（3）的俯仰运动的绳索穿过。

2.根据权利要求1所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：所述末端手术钳机构（1）包括关节轴（1-1）和两个夹持件（1-3），所述自转关节（2）包括手指座（2-1）、上固定套（2-2）和下固定套（2-3）；所述两个夹持件（1-3）通过关节轴（1-1）固定在手指座（2-1）上，手指座（2-1）转动安装在上固定套（2-2）上，下固定套（2-3）固装在上固定套（2-2）上，手指座（2-1）的自转轴穿过上固定套（2-2）和下固定套（2-3）的中空腔，手指座（2-1）的自转轴具有中心通孔（2-1-1）。

3.根据权利要求2所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：每个所述夹持件（1-3）上带有具有轮槽的夹持绳轮（1-3-1）和与该轮槽相通的用于控制末端手术钳机构（1）开合所用绳索的固定孔一（1-3-2）；

两个夹持件（1-3）通过穿过绳索的固定孔一（1-3-2）按相反方向绕在夹持绳轮（1-3-1）的轮槽上、然后穿过中心通孔（2-1-1）、再绕在绳索导向轮组、绳索导向柱组上的绳索与所述剩余二组电机绳轮装置（4-3）连接。

4.根据权利要求3所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：手指座（2-1）的自转轴上还设置有控制自转关节（2）自转所用绳索的固定孔二（2-1-2），位于固定孔二（2-1-2）两侧的自转轴上开有固定绳槽（2-1-3），固定孔二（2-1-2）与中心通孔（2-1-1）相通；下固定套（2-3）的上端面上设置有相对布置的两个上导向轮（2-3-1）；下固定套（2-3）的下端面上设置有相对布置的两个下导向轮（2-3-2），下固定套（2-3）的下端面上还设置有与球铰结构的穿绳座（3-3）相配合的螺纹孔（2-3-4），下固定套（2-3）的端面上还设置有导线通孔（2-3-5）；自转关节（2）通过缠绕在自转轴的固定绳槽（2-1-3）上、然后穿过导线通孔（2-3-5）及穿绳座（3-3）后、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与其中三组电机绳轮装置（4-3）的一组电机绳轮装置（4-3）连接；下固定套（2-3）的下表面上还均布有用于控制腕部柔性关节（3）偏摆与俯仰运动所用绳索的四个绳索固定孔（2-3-6），腕部柔性关节（3）通过穿过穿绳座（3-3）、再缠绕在绳索导向轮组和绳索导向柱组上的绳索与其中三组电机绳轮装置（4-3）的另外二组电机绳轮装置（4-3）连接。

5.根据权利要求4所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：处于对称位置的另外两个绳孔中每个绳孔由一个夹持绳轮（1-3-1）上缠绕的两根绳索穿过；处于对称位置的剩余两个绳孔由自转关节（2）上缠绕的两根绳索分别穿过。

6.根据权利要求5所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：每组电机绳轮装置（4-3）包括电机（4-3-1）、连接轴（4-3-4）和两个驱动绳轮（4-3-2）；

电机（4-3-1）的输出轴与走线管（4-1）的长度方向平行设置，电机（4-3-1）的输出轴与连接轴（4-3-4）连接，两个驱动绳轮（4-3-2）固定在连接轴（4-3-4）上，两个驱动绳轮（4-3-2）上分别开有用于固定钢丝绳的绳头固定孔（4-3-21），位于上底板（4-5）上的连接轴（4-3-4）通过轴承安装在上轴承座（4-3-3）上，上轴承座（4-3-3）安装在上底板（4-5）上；位于下底板（4-6）上的连接轴（4-3-4）通过轴承安装在下轴承座（4-3-5）上，下轴承座（4-3-5）安装在下底板（4-6）上；

所述绳索导向轮组包括槽轮一（4-4-1）和槽轮二（4-4-2）；槽轮一（4-4-1）和槽轮二（4-4-2）沿着走线管（4-1）的轴线布置；

所述绳索导向柱组包括关于走线管（4-1）的轴线对称布置的两个上下槽导向柱（4-10-3）；

控制两个夹持件（1-3）开合的绳索走向如下：

两个夹持件（1-3）上的绳索对折后的节点固定在各自的固定孔一（1-3-2）上，每条绳索对折后形成的两段绳穿过各自固定孔一（1-3-2）按相反方向绕在各自夹持绳轮（1-3-1）的轮槽上，然后四段绳穿过手指座（2-1）的中心通孔（2-1-1）、上固定套（2-2）和下固定套（2-3）的中空腔、及穿绳座（3-3）上的绳孔（3-4）后、经走线管（4-1）导出绕过槽轮一（4-4-1）和槽轮二（4-4-2）上对应的线槽；此后，

其中一个夹持件（1-3）上的一段绳绕过其中一个上下槽导向柱（4-10-3）的下部线槽，另一段绳绕过所述其中一个上下槽导向柱（4-10-3）的上部线槽上，该两段绳按相反方向缠绕在位于下底板（4-6）上的一组电机绳轮装置（4-3）上的两个驱动绳轮（4-3-2）的线槽上并固定于绳头固定孔（4-3-21）内；

另一个夹持件（1-3）上的一段绳绕过另一个上下槽导向柱（4-10-3）的下部线槽，另一段绳绕过所述另一个上下槽导向柱（4-10-3）的上部线槽上，该两段绳按相反方向缠绕在位于下底板（4-6）上的另一组电机绳轮装置（4-3）上的两个驱动绳轮（4-3-2）的线槽上并固定于绳头固定孔（4-3-21）内。

7.根据权利要求6所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：所述绳索导向轮组还包括两个槽轮三（4-4-3）；两个槽轮三（4-4-3）关于走线管（4-1）的轴线对称布置；

所述绳索导向柱组还包括分别关于走线管（4-1）的轴线对称布置的两个导向轮槽柱一（4-10-1）和两个导向轮槽柱二（4-10-2）；槽轮三（4-4-3）、两个导向轮槽柱一（4-10-1）和两个导向轮槽柱二（4-10-2）分别具有三个轮槽；

上底板（4-5）上位于驱动绳轮（4-3-2）处开设有穿绳孔（4-5-1），穿绳孔（4-5-1）上安装有关于走线管（4-1）的轴线对称布置的两个定位槽轮（4-5-2）；

控制手指座（2-1）自转的绳索走向如下：

绳索对折后的节点固定在固定孔二（2-1-2）上，该绳索对折后形成的两段绳按相反方向缠绕在手指座（2-1）上的两个固定绳槽（2-1-3）上，分别经上导向轮（2-3-1）、导线通孔（2-3-5）、下导向轮（2-3-2）、穿绳座（3-3）上的绳孔（3-4）和走线管（4-1）导出后，两段绳分别绕过位于走线管（4-1）轴线同一侧对应的导向轮槽柱一（4-10-1）、导向轮槽柱二（4-10-2）、槽轮三（4-4-3）对应的轮槽和定位槽轮（4-5-2）后，按相反方向缠绕在位于上底板（4-5）上中间组的电机绳轮装置（4-3）上的两个驱动绳轮（4-3-2）的轮槽上并固定于绳头固定孔（4-3-21）内。

8.根据权利要求7所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：控制腕部柔性关节（3）偏摆的绳索走向如下：

固定在其中两个绳索固定孔（2-3-6）上的两条绳索，分别穿过控制腕部柔性关节（3）偏摆运动的两个绳孔、走线管（4-1）后，该两条绳索分别绕过位于走线管（4-1）轴线同一侧对应的导向轮槽柱一（4-10-1）、导向轮槽柱二（4-10-2）、槽轮三（4-4-3）对应的轮槽后；经穿绳孔（4-5-1）穿出，按相反方向缠绕在位于上底板（4-5）上剩余两组电机绳轮装置（4-3）中一组电机绳轮装置（4-3）上两个驱动绳轮（4-3-2）的轮槽上并固定于绳头固定孔（4-3-21）内；

控制腕部柔性关节（3）俯仰的绳索走向如下：

固定在另外两个绳索固定孔（2-3-6）上的两条绳索，分别穿过控制腕部柔性关节（3）俯仰运动的另外两个绳孔、走线管（4-1）后，该两条绳索分别绕过位于走线管（4-1）轴线同一侧对应的导向轮槽柱一（4-10-1）、导向轮槽柱二（4-10-2）、槽轮三（4-4-3）对应的轮槽后，经穿绳孔（4-5-1）穿出，按相反方向缠绕在位于上底板（4-5）上剩余两组电机绳轮装置（4-3）中另一组电机绳轮装置（4-3）上的两个驱动绳轮（4-3-2）的轮槽上并固定于绳头固定孔（4-3-21）内。

9.根据权利要求8所述一种机器人辅助微创手术用柔性多关节手术器械，其特征在于：所述绳索为钢丝绳，腕部柔性关节（3）由重复的七个球铰结构收尾串接而成，七个球铰结构采用3D打印一体形成，每个球铰结构在空间内旋转的角度为14°。

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