CN107997824A - 一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统 - Google Patents

一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：包括柔性连续体结构和传动驱动单元；所述柔性连续体结构包括远端结构体、近端结构体和连接体；所述远端结构体包括第一远端构节和第二远端构节；所述传动驱动单元与所述第一远端构节关联，以驱动所述第一远端构节进行弯转运动；所述第二远端构节通过所述连接体与所述近端结构体关联，所述传动驱动单元还与近端结构体关联，以驱动所述近端结构体进行弯转运动，从而间接驱动第二远端构节进行弯转运动。

Description

一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统
技术领域
本发明涉及一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，属于医疗器械领域。
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可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，该柔性手术工具系统能够较好地应用于经人体自然腔道或经单一手术切口并且实施手术。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：包括柔性连续体结构和传动驱动单元；所述柔性连续体结构包括远端结构体、近端结构体和连接体；所述远端结构体包括第一远端构节和第二远端构节；所述传动驱动单元与所述第一远端构节关联，以驱动所述第一远端构节进行弯转运动；所述第二远端构节通过所述连接体与所述近端结构体关联，所述传动驱动单元还与近端结构体关联，以驱动所述近端结构体进行弯转运动，从而间接驱动第二远端构节进行弯转运动。
所述第一远端构节包括第一远端间隔盘、第一远端固定盘和第一远端结构骨，所述第一远端结构骨的一端与所述传动驱动单元连接，另一端依次穿过第一远端间隔盘后与所述第一远端固定盘紧固连接；所述第二远端构节包括第二远端间隔盘、第二远端固定盘和第二远端结构骨；所述近端结构体包括近端间隔盘、近端固定盘和近端结构骨；所述第二远端结构骨与所述近端结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，所述结构骨的一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端依次穿过所述近端间隔盘、连接体、第一远端间隔盘、第一远端固定盘、第二远端间隔盘后与所述第二远端固定盘紧固连接。
所述传动驱动单元包括基础框架和设置在所述基础框架中的用于将旋转运动输入转换为直线运动输出的直线运动机构，所述直线运动机构为多个，其中一部分所述直线运动机构的输出端与第一远端结构骨连接，另一部分所述直线运动机构的输出端与驱动骨的一端连接，所述驱动骨的另一端依次穿过所述近端间隔盘后与所述近端固定盘紧固连接。
所述基础框架包括间隔布置的第一支撑板和第二支撑板；所述直线运动机构包括与所述第一支撑板、第二支撑板转动连接的双头螺杆，在所述双头螺杆的两个螺纹段上分别配合连接一个滑块，所述滑块与固定设置在所述第一支撑板和第二支撑板之间的导杆滑动连接，所述滑块即为所述直线运动机构的输出端。
所述基础框架包括间隔布置的第一支撑板和第二支撑板；所述直线运动机构包括转动连接在所述第一支撑板和第二支撑板之间的主动螺杆、从动螺杆，在所述主动螺杆和从动螺杆上分别通过螺纹配合连接一个滑块，所述滑块与固定设置在所述第一支撑板和第二支撑板之间的导杆滑动连接，在所述主动螺杆和从动螺杆上分别紧固套设一同步带轮，两个所述同步带轮之间通过同步带连接。
所述第一支撑板与所述第二支撑板通过支撑杆固定连接，在所述第一支撑板与所述第二支撑板之间设置有连接板，所述连接板亦通过所述支撑杆固定连接，在所述支撑杆上套设定位套筒，对所述连接板、第一支撑板和第二支撑板进行定位；所述双头螺杆从所述连接板上穿过且与所述连接板之间留有间隙，所述连接板将所述双头螺杆的两个螺纹段隔开。
所述连接体包括通道连接板、通道支撑板、远端固定板、近端结构体固定板、第一引导通道和第二引导通道；所述通道连接板与所述第一支撑板紧固连接，所述通道支撑板与所述第二支撑板紧固连接，所述近端结构体固定板通过连接柱与所述通道支撑板紧固连接；所述第一引导通道的一端与所述近端结构体固定板紧固连接，另一端依次穿过所述通道支撑板、通道连接板后与远端固定板紧固连接；所述结构骨从所述第一引导通道中穿过；所述第二引导通道设置在所述远端固定板与所述通道连接板之间，所述第一远端结构骨从所述第二引导通道中穿过。
在所述第二远端构节的末端设置手术执行器，在所述基础框架中设置执行器驱动机构，所述执行器驱动机构的输出端通过手术执行器控线与所述手术执行器连接。
所述执行器驱动机构包括一根转动设置在所述基础框架中的螺杆，螺杆上配合连接一个滑块，所述滑块与固定设置在所述基础框架中的导杆滑动连接，所述滑块与手术执行器控线紧固连接。
还包括弹性连接机构，所述弹性连接机构包括连接头、联轴器公头、第三支撑板、第四支撑板和弹簧；所述第三支撑板通过支撑杆与所述第二支撑板固定连接，所述第四支撑板通过支撑杆与所述第三支撑板固定连接，所述连接头滑动连接在所述第三支撑板上，所述双头螺杆与所述连接头的一端可滑动不可转动地连接，所述连接头的另一端与所述联轴器公头的一端连接，所述联轴器公头可滑动且可转动地安装于所述第四支撑板上；所述弹簧套接在所述联轴器公头上，所述弹簧的一端抵在所述第三支撑板上，另一端与所述联轴器公头固定连接。
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、连接体和远端结构体的柔性连续体结构为主体，并配合以传动驱动单元，其中，传动驱动单元与近端结构体、远端结构体中的第一远端构节关联，同时近端结构体与远端结构体中的第二远端构节关联，因此，通过传动驱动单元可以驱动第一远端构节和近端结构体向任意方向弯转，而近端结构体的弯转可以带动远端结构体中的第二远端构节发生弯转。2、本发明的传动驱动单元采用双头螺杆、滑块作为直线运动机构，当驱动双头螺杆旋转时，与该双头螺杆配合的两滑块以相同的速度反向直线运动，从而带动与滑块固连的第一远端结构骨或驱动骨受推或受拉，从而实现第一远端构节或近端结构体向任意方向发生弯转。3、本发明在远端结构体的端部设置手术执行器，手术执行器控线与位于传动驱动单元中的执行器驱动机构连接，执行器驱动机构采用能够将旋转输入转化为直线输出的螺杆、滑块运动副(滚珠丝杠副)，由此可以实现对手术执行器的开合驱动。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明远端结构体的结构示意图；
图3是本发明近端结构体的结构示意图；
图4是本发明传动驱动单元的结构示意图；
图5是本发明连接体的结构示意图；
图6是本发明安装壳体、封皮和鞘套后的结构示意图；
图7是本发明采用柔性鞘套的结构示意图；
图8是本发明传动驱动单元采用第二种直线运动机构时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1～3所示，本发明包括柔性连续体结构和传动驱动单元20。
柔性连续体结构包括远端结构体11、近端结构体12和连接体13。远端结构体11包括第一远端构节14和第二远端构节15。传动驱动单元20与第一远端构节14关联，以驱动第一远端构节14进行弯转运动。第二远端构节15通过连接体13与近端结构体12关联，传动驱动单元20还与近端结构体12关联，以驱动近端结构体12进行弯转运动，从而间接驱动第二远端构节15进行弯转运动。
第一远端构节14包括第一远端间隔盘141、第一远端固定盘142和第一远端结构骨143，第一远端结构骨143的一端与传动驱动单元20连接，另一端依次穿过第一远端间隔盘141后与第一远端固定盘142紧固连接。第二远端构节15包括第二远端间隔盘151、第二远端固定盘152和第二远端结构骨153。近端结构体12包括近端间隔盘121、近端固定盘122和近端结构骨123。第二远端结构骨153与近端结构骨123一一对应紧固连接或为同一根结构骨，结构骨的一端与近端固定盘122紧固连接，另一端依次穿过近端间隔盘121、连接体13、第一远端间隔盘141、第一远端固定盘142、第二远端间隔盘151后与第二远端固定盘152紧固连接。
进一步地，传动驱动单元20包括基础框架21和设置在基础框架21中的用于将旋转运动输入转换为直线运动输出的直线运动机构22，直线运动机构22为多个，其中一部分直线运动机构22的输出端与第一远端结构骨143连接，另一部分直线运动机构22的输出端与驱动骨124的一端连接，驱动骨124的另一端依次穿过近端间隔盘121后与近端固定盘122紧固连接。
进一步地，如图4所示，基础框架21包括间隔布置的第一支撑板211和第二支撑212板。直线运动机构22包括与第一支撑板211、第二支撑板212转动连接的双头螺杆221，在双头螺杆221的两个螺纹段上分别配合连接一个滑块222，滑块222与固定设置在第一支撑板211和第二支撑板212之间的导杆223滑动连接，滑块222即为直线运动机构22的输出端。两个螺纹段上的螺纹旋向相反，当双头螺杆221旋转时，位于该双头螺杆221上的两个滑块222以相同的速度反向进行直线运动，两个滑块222带动第一远端结构骨143(驱动骨124)沿导杆223以相同的速度反向进行直线运动，使得第一远端结构骨143(驱动骨124)受推或受拉，从而实现第一远端构节14(近端结构体12)向任意方向发生弯转。在一个优选的实施例中，直线运动机构22为四个，其中的两个直线运动机构22的输出端均与第一远端结构骨143连接，从而可以实现第一远端构节14在两个方向上的弯转自由度，另外两个直线运动机构22的输出端均与驱动骨124连接，从而可以实现近端结构体12在两个方向上的弯转自由度。而当近端结构体12向某个方向弯转时，第二远端构节15将以一定的比例关系(由近端结构骨123与第二远端结构骨153的分布半径共同决定)向相反的方向进行弯转。
如图8所示，本发明还提供了另一种直线运动机构22的形式，具体地，该直线运动机构22包括转动连接在第一支撑板211和第二支撑板212之间的主动螺杆221a、从动螺杆221b，在主动螺杆221a和从动螺杆221b上分别通过螺纹配合连接一个滑块222，滑块222与固定设置在第一支撑板211和第二支撑板212之间的导杆223滑动连接，在主动螺杆221a和从动螺杆221b上分别紧固套设一同步带轮231，两个同步带轮231之间通过同步带232连接。主动螺杆221a与从动螺杆221b的螺纹旋向相反。当主动螺杆221a旋转时，位于主动螺杆221a上的滑块222与位于从动螺杆221b上的滑块以相同的速度反向进行直线运动。
进一步地，第一支撑板211与第二支撑板212通过支撑杆固定连接，在第一支撑板211与第二支撑板212之间设置有连接板213，连接板213亦通过支撑杆固定连接，在支撑杆上套设定位套筒214，对连接板213、第一支撑板211和第二支撑板212进行定位。双头螺杆221从连接板213上穿过且与连接板213之间留有间隙，连接板213将双头螺杆221的两个螺纹段隔开。
第一支撑板211与第二支撑板212也可以通过带有螺纹的支撑杆固定连接，此时，第一支撑板211、第二支撑板212以及连接板213之间的定位可以通过配合连接在支撑杆上的定位螺母锁紧来实现，即用定位螺母代替定位套筒214。
进一步地，如图4、图5所示，连接体13包括通道连接板131、通道支撑板132、远端固定板133、近端结构体固定板134、第一引导通道135和第二引导通道136。通道连接板131与第一支撑板211紧固连接，通道支撑板132与第二支撑板212紧固连接，近端结构体固定板134通过连接柱137与通道支撑板132紧固连接。第一引导通道135的一端与近端结构体固定板134紧固连接，另一端依次穿过通道支撑板132、通道连接板131后与远端固定板133紧固连接；结构骨从第一引导通道135中穿过。第二引导通道136设置在远端固定板133与通道连接板131之间，第一远端结构骨143从第二引导通道136中穿过。在一个可替代的方案中，也可省去通道支撑板132和连接柱137，此时，可将近端结构体固定板134直接与第二支撑板212紧固连接。
进一步地，在第二远端构节15的末端设置手术执行器30(如图2所示)，在基础框架21中设置执行器驱动机构，执行器驱动机构的输出端通过手术执行器控线301与手术执行器30连接。执行器驱动机构包括一根转动设置在基础框架中21的螺杆303(如图4所示)，螺杆303上配合连接一个滑块304，滑块304与固定设置在基础框架21中的导杆305滑动连接，滑块304与手术执行器控线301紧固连接，本发明通过螺杆303和滑块304推拉手术执行器控线301可以实现手术执行器30的开合驱动。
进一步地，本发明还包括弹性连接机构40，弹性连接机构40包括连接头401、联轴器公头402、第三支撑板403、第四支撑板404和弹簧405。第三支撑板403通过支撑杆406与第二支撑板212固定连接，第四支撑板404通过支撑杆407与第三支撑板403固定连接，连接头401滑动连接在第三支撑板403上，双头螺杆221或螺杆303与连接头401的一端可滑动不可转动地连接(当采用第二种直线运动机构时，主动螺杆221a或螺杆303与连接头401的一端可滑动不可转动地连接)，连接头401的另一端与联轴器公头402的一端连接，联轴器公头402可滑动且可转动地安装于第四支撑板404上。弹簧405套接在联轴器公头402上，弹簧405的一端抵在第三支撑板403上，另一端与联轴器公头402固定连接。当联轴器公头402与联轴器母头(该联轴器母头与驱动电机的转轴固定连接)沿轴向方向靠近连接，没有对准时，联轴器母头将推动联轴器公头402沿轴向运动，并压缩弹簧405，由于此时联轴器母头在沿轴向旋转，当旋转到与联轴器公头402对准时，弹簧405将联轴器公头402弹回复位，实现联轴器公母头的连接并可传递旋转运动。
进一步地，在传动驱动单元20的外部设置壳体230，第一支撑板、第二支撑板均与壳体紧固连接；在远端结构体的外部设置有封皮119，其作用为改善远端结构体11进入人体自然腔道或手术切口的顺畅性。在封皮119的外部还可以设置外套管120和鞘套125。如图6所示，在一种应用中，鞘套125固定于腹腔的单一切口处，远端结构体11连同封皮119、手术执行器30可以自由穿过鞘套125上供手术工具通过的通孔到达术部。如图7所示，鞘套125也可以采用柔性鞘套，其可以更容易地伸入人体的各类自然腔道并随着腔道的形状而自适应改变外形，柔性鞘套的一端固定于腔道入口处，远端结构体11连同封皮119、手术执行器30同样可以自由穿过柔性鞘套上供手术工具通过的通孔到达术部。
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 (10)

1.一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：包括柔性连续体结构和传动驱动单元；
所述柔性连续体结构包括远端结构体、近端结构体和连接体；所述远端结构体包括第一远端构节和第二远端构节；所述传动驱动单元与所述第一远端构节关联，以驱动所述第一远端构节进行弯转运动；所述第二远端构节通过所述连接体与所述近端结构体关联，所述传动驱动单元还与近端结构体关联，以驱动所述近端结构体进行弯转运动，从而间接驱动第二远端构节进行弯转运动。
2.如权利要求1所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：所述第一远端构节包括第一远端间隔盘、第一远端固定盘和第一远端结构骨，所述第一远端结构骨的一端与所述传动驱动单元连接，另一端依次穿过第一远端间隔盘后与所述第一远端固定盘紧固连接；所述第二远端构节包括第二远端间隔盘、第二远端固定盘和第二远端结构骨；所述近端结构体包括近端间隔盘、近端固定盘和近端结构骨；所述第二远端结构骨与所述近端结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，所述结构骨的一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端依次穿过所述近端间隔盘、连接体、第一远端间隔盘、第一远端固定盘、第二远端间隔盘后与所述第二远端固定盘紧固连接。
3.如权利要求2所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：所述传动驱动单元包括基础框架和设置在所述基础框架中的用于将旋转运动输入转换为直线运动输出的直线运动机构，所述直线运动机构为多个，其中一部分所述直线运动机构的输出端与第一远端结构骨连接，另一部分所述直线运动机构的输出端与驱动骨的一端连接，所述驱动骨的另一端依次穿过所述近端间隔盘后与所述近端固定盘紧固连接。
4.如权利要求3所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：所述基础框架包括间隔布置的第一支撑板和第二支撑板；所述直线运动机构包括与所述第一支撑板、第二支撑板转动连接的双头螺杆，在所述双头螺杆的两个螺纹段上分别配合连接一个滑块，所述滑块与固定设置在所述第一支撑板和第二支撑板之间的导杆滑动连接，所述滑块即为所述直线运动机构的输出端。
5.如权利要求3所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：所述基础框架包括间隔布置的第一支撑板和第二支撑板；所述直线运动机构包括转动连接在所述第一支撑板和第二支撑板之间的主动螺杆、从动螺杆，在所述主动螺杆和从动螺杆上分别通过螺纹配合连接一个滑块，所述滑块与固定设置在所述第一支撑板和第二支撑板之间的导杆滑动连接，在所述主动螺杆和从动螺杆上分别紧固套设一同步带轮，两个所述同步带轮之间通过同步带连接。
6.如权利要求4所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：所述第一支撑板与所述第二支撑板通过支撑杆固定连接，在所述第一支撑板与所述第二支撑板之间设置有连接板，所述连接板亦通过所述支撑杆固定连接，在所述支撑杆上套设定位套筒，对所述连接板、第一支撑板和第二支撑板进行定位；所述双头螺杆从所述连接板上穿过且与所述连接板之间留有间隙，所述连接板将所述双头螺杆的两个螺纹段隔开。
7.如权利要求4所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：所述连接体包括通道连接板、通道支撑板、远端固定板、近端结构体固定板、第一引导通道和第二引导通道；所述通道连接板与所述第一支撑板紧固连接，所述通道支撑板与所述第二支撑板紧固连接，所述近端结构体固定板通过连接柱与所述通道支撑板紧固连接；所述第一引导通道的一端与所述近端结构体固定板紧固连接，另一端依次穿过所述通道支撑板、通道连接板后与远端固定板紧固连接；所述结构骨从所述第一引导通道中穿过；所述第二引导通道设置在所述远端固定板与所述通道连接板之间，所述第一远端结构骨从所述第二引导通道中穿过。
8.如权利要求3所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：在所述第二远端构节的末端设置手术执行器，在所述基础框架中设置执行器驱动机构，所述执行器驱动机构的输出端通过手术执行器控线与所述手术执行器连接。
9.如权利要求8所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：所述执行器驱动机构包括一根转动设置在所述基础框架中的螺杆，螺杆上配合连接一个滑块，所述滑块与固定设置在所述基础框架中的导杆滑动连接，所述滑块与手术执行器控线紧固连接。
10.如权利要求4所述的一种可混合驱动远端结构体的柔性手术工具系统，其特征在于：还包括弹性连接机构，所述弹性连接机构包括连接头、联轴器公头、第三支撑板、第四支撑板和弹簧；所述第三支撑板通过支撑杆与所述第二支撑板固定连接，所述第四支撑板通过支撑杆与所述第三支撑板固定连接，所述连接头滑动连接在所述第三支撑板上，所述双头螺杆与所述连接头的一端可滑动不可转动地连接，所述连接头的另一端与所述联轴器公头的一端连接，所述联轴器公头可滑动且可转动地安装于所述第四支撑板上；所述弹簧套接在所述联轴器公头上，所述弹簧的一端抵在所述第三支撑板上，另一端与所述联轴器公头固定连接。
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