CN108175452B - 一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械 - Google Patents

一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械 Download PDF

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Abstract

一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，它涉及胸腹腔微创外科手术医疗设备技术领域，以解决现有手控式微创手术器械操作不便、灵活度低，自转与偏摆运动不具备自锁性，类人腕部关节的引入使得末端执行器存在运动耦合，末端执行器不能快速更换等问题，它包括末端执行器、操作杆、运动控制装置和器械外壳；末端执行器包括末端小爪快换连接件一、末端小爪快换连接件二、柔性关节连接件、末端小爪转动轴、柔性关节和两个末端小爪；运动控制装置包括自转运动锁紧机构、偏摆运动锁紧机构、开合运动控制机构、底座和钢丝导向轮组。本发明用于胸腹腔微创外科手术。

Description

一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械
技术领域
本发明涉及胸腹腔微创外科手术医疗设备技术领域，特别是一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，它辅助助手牵拉组织。
背景技术
以腹腔镜为代表的微创手术(Minimally Invasive Surgery,MIS)被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，它的应用使得部分外科手术告别了传统的开放式手术模式。微创手术是指外科医生在病人体表切开2-4个5-10mm的小切口，把手术器械通过患者微小切口伸入到人体内部，借助于视觉监控设备和灵巧的手术器械，对病灶部位进行诊断或治疗。手术器械作为微创手术过程中的执行工具，直接与操作组织进行相互作用，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，其结构设计与工作性能指标对机器人辅助微创手术有直接影响。为了降低手术执行难度，提高可操作舒适性，开发一套性能良好的微创手术用手术器械对提高手术的安全性至关重要。
目前，手控式微创手术器械大部分只能实现2-3个自由度，在微创手术中，由于微小的切口限制了手术器械运动的灵活程度，使得一些复杂操作变得比较困难。现有手控式微创手术器械在手术操作过程中驱动末端执行器实现自转、俯仰和偏摆自由度的机构不具备自锁性，不能使末端执行器在受限的手术空间内以任意位姿进行手术操作，且采用类人腕部关节的手术器械在手术前过程中存在运动耦合问题。同时，现有采用钢丝传动的手术器械其末端执行器在更换时，需要将手术器械整体更换，极大的增加了手术器械制作成本与器械的更换时间。申请号200980153938.4、公开号为CN102271596A、公开日为2011年12月07日的发明申请公开了一种《手术器械、手术器械手柄和手术器械系统》，该专利中所述的手术器械只能实现末端执行器的开合和自转两个自由度。专利号为201010137844.2、公开号为CN101791247B、公告日为2012年04月11日的发明专利公开了一种《微创外科手术用多自由度手术工具》，该专利中所述的手术器械采用平行四边形机构实现手术器械的俯仰、偏摆自由度，具有直观操作性。但该手术器械不具备操作手柄，给医生的操作带来了困难。申请号201180055429.5、公开号为CN103237504A、公开日为2013年08月07日的发明申请公开了一种《微创手术器械》，该专利中所述的手术器械拥有一刚性的中空杆用于钢丝的走线，在腕部以齿轮驱动，能够完成末端执行器的俯仰和偏摆运动。然而其末端执行器实际能够到达的运动角度较小。专利号201520704803.5、公开号为CN205041453U、公开日为2016年2月24日的实用新型专利公开了一种《微创外科手术器械》，该专利中所述的手术器械工作部位能在偏摆范围内任意位置实现固定，但该手术器械采用杆件传动方式，增大了手术器械的整体尺寸。
发明内容
本发明是为解决现有手控式微创手术器械操作不便、灵活度低，自转与偏摆运动不具备自锁性，类人腕部关节的引入使得末端执行器存在运动耦合，末端执行器不能快速更换等问题，进而提出一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械。该手术器械具有一定的自锁力，可使末端执行器的姿态在外力作用下保持不变；采用柔性关节，在提高末端执行器自由度的同时，提高了手术器械的工作空间，且可有效避免各关节的运动耦合等问题；末端执行器可根据实际微创手术操作需求随时更换，无需将整个手术器械进行更换，很好地降低了手术器械的制作成本及手术器械的更换时间。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械包括末端执行器、操作杆、运动控制装置和器械外壳；
所述末端执行器包括末端小爪快换连接件一、末端小爪快换连接件二、柔性关节连接件、末端小爪转动轴、柔性关节和两个末端小爪；末端小爪快换连接件一与末端小爪快换连接件二分别与末端小爪连接，末端小爪快换连接件一、末端小爪快换连接件二与柔性关节连接件通过末端小爪转动轴连接在一起，末端小爪快换连接件一与末端小爪快换连接件二可绕末端小爪转动轴相对转动，柔性关节连接件和操作杆通过柔性关节连接在一起；
所述运动控制装置包括自转运动锁紧机构、偏摆运动锁紧机构、开合运动控制机构、底座和钢丝导向轮组；自转运动锁紧机构、偏摆运动锁紧机构、开合运动控制机构以及钢丝导向轮组均固定在底座上，器械外壳封装在底座上；
末端执行器通过固定在末端小爪快换连接件一、末端小爪快换连接件二、穿过柔性关节连接件、柔性关节和中空的操作杆，经钢丝导向轮组后的钢丝与开合运动控制机构连接；
柔性关节通过固定在柔性关节、穿过中空的操作杆后的钢丝与偏摆控制装置连接。
进一步地，所述自转运动锁紧机构包括自转驱动滚轮、基座、自转锁紧滑块、固定座和自转锁紧弹簧；
操作杆通过轴承转动安装在基座上，操作杆插装在自转驱动滚轮上的中心孔内；
自转驱动滚轮的一侧面沿周向加工有多个自转锁紧限位槽；固定座固装在底座上，自转锁紧滑块的上部一端能在固定座上相对滑动，锁紧滑块的上部另一端能卡接在相配合的限位槽内，锁紧滑块的下部设置在底座的滑槽一内并能沿操作杆的长度方向滑动，自转锁紧弹簧布置在自传锁紧滑块上的自转锁紧沉孔内与固定座上的固定沉孔。
更进一步地，所述自转运动锁紧机构还包括自转锁紧直线轴承和两个轴承卡簧；自转锁紧轴线轴承通过轴承卡簧安装在固定座上，自转锁紧滑块的上部包括制成一体的导向柱和限位块；导向柱滑动设置在直线轴承内，限位块能卡接在相配合的自转锁紧限位槽内，自转锁紧滑块的下部为设置在底座的滑槽一内的滑台。
更进一步地，自转驱动滚轮的另一个侧面加工有向内的凹槽，凹槽侧面固接有一个转角凸台，基座的与凹槽相邻的一侧面带有有两个限制转角凸台。
进一步地，偏摆运动锁紧机构包括偏摆驱动滚轮、偏摆锁紧滑块、直线轴承座、偏摆锁紧直线轴承、弹簧、偏摆线轮一、偏摆线轮二和轴承座；偏摆驱动滚轮的滚轮轴通过轴承安装在偏摆锁紧轴承座上，偏摆驱动滚轮的一侧面沿周向加工有多个偏摆锁紧限位槽；
直线轴承座固定在底座上，偏摆锁紧直线轴承固装在直线轴承座上，偏摆锁紧滑块的上部一端能在偏摆直线轴承上相对滑动，偏摆锁紧滑块的上部另一端能卡接在相配合的偏摆锁紧限位槽内，偏摆锁紧滑块的下部设置在底座的滑槽二内并能沿滚轮轴的长度方向滑动，偏摆锁紧弹簧布置在偏摆锁紧滑块上的偏摆锁紧沉孔内与直线轴承座上的轴承座沉孔内；偏摆线轮一和偏摆线轮二安装在偏摆驱动滚轮的滚轮轴上。
进一步地，末端小爪快换连接件一上带有一个用于钢丝走线的轮槽一、一个末端固定孔一和一个弹性片一；末端小爪快换连接件二上带有一个用于钢丝走线的轮槽二、一个末端固定孔二和一个弹性片二；柔性关节连接件上带有用于钢丝走线的走线孔一和走线孔二；弹性片一和弹性片二外侧分别设置有凸台一和凸台二；末端小爪上带有插槽和插孔，末端小爪快换连接件一和末端小爪快换连接件二分别插装在插槽内且凸台卡接在插孔上。
更进一步地，钢丝导向轮组包括带有线槽的导向轮一、导向轮二、导向轮三、导向轮四和导向轮五、导向轮六、导向轮七、导向轮八、导向轮九和导向轮十；
导向轮一和导向轮二布置在自转运动锁紧机构与偏摆运动锁紧机构之间，导向轮三、导向轮四、导向轮五、导向轮六、导向轮七、导向轮八、导向轮九和导向轮十布置在偏摆运动锁紧机构与开合运动控制机构之间；
控制末端小爪开合运动的钢丝走向如下：
末端小爪快换连接件一与末端小爪快换连接件二各自的一条钢丝对折后节点固定在相应的末端固定孔一和末端固定孔二上，每条钢丝对折后形成对应的两根钢丝段一与两根钢丝段二按相反方向绕在各自的轮槽一和轮槽二上后，再穿过对应的走线孔一和走线孔二，该四根钢丝段依次穿过柔性关节和操作杆；此后，末端小爪快换连接件一与末端小爪快换连接件二上绕向相反的其中两根钢丝段通过导向轮三上的线槽、导向轮四上的一个线槽、导向轮六上的线槽、导向轮七上的线槽及导向轮八上的线槽，按照相同方向缠绕在其中两个开口线轮的走线轮槽上，最后穿过各自钢丝固定孔后打结固定；末端小爪快换连接件一与末端小爪快换连接件二上绕向相反的的另外两根钢丝段通过导向轮三上的线槽、导向轮九上的线槽及导向轮十上的线槽，按照相同方向缠绕在另外两个开合线轮的走线轮槽上，最后穿过各自钢丝固定孔后打结固定；
控制柔性关节偏摆运动的钢丝走向如下：
两条钢丝各自的一端打结后固定在相应的过线孔一和过线孔二上，两条钢丝的另一端穿过中空的操作杆；此后，其中一条钢丝穿过导向轮三上的线槽、导向轮四上的另一个线槽及导向轮五上的线槽后缠绕在偏摆线轮一上的走线轮槽上，然后穿过钢丝固定孔后打结固定，另一条钢丝穿过导向轮一和导向轮二的线槽后与所述其中一条钢丝以相反方向缠绕在偏摆线轮二的走线轮槽上，然后穿过钢丝固定孔后打结固定。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
一、实现末端执行器自转与偏摆运动的机构采用滑块锁紧装置，具有一定的自锁力，可使末端执行器的姿态在外力作用下保持不变。
二、末端执行器采用柔性关节，在提高末端执行器自由度的同时，提高了手术器械的工作空间，且有效地避免了各关节的运动耦合等问题。
三、末端执行器可根据实际微创手术操作需求随时更换，无需将整个手术器械进行更换，很好地降低了手术器械的制作成本及手术器械的更换时间。
四、通过对手术器械整体结构的优化，使得该手控式柔性微创手术器械末端操作杆的外圆直径为6mm，手术器械体积小巧，医生可单手操作且操作舒适。
五、控制开合与偏摆运动的钢丝设有起张紧作用的机构(开合线轮和偏摆线轮)，防止了钢丝松弛引起传动失效。
六、手术器械在操作过程中对患者创口不会产生力的作用。
七、本发明的具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械可以降低手术器械制造成本40％～50％，提高手术器械更换效率12％～23％。
附图说明
图1是本发明一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械的轴测图；
图2是末端执行器的爆炸示意图；
图3是自转运动锁紧机构的爆炸示意图；
图4是自传控制滚轮的结构示意图；
图5是偏摆运动锁紧机构的爆炸示意图；
图6是开合运动控制机构的爆炸示意图；
图7是底座结构示意图；
图8是控制末端小爪快换连接件一运动的钢丝绕线示意图；
图9是控制末端小爪快换连接件二运动的钢丝绕线示意图；
图10是柔性关节及钢丝绕线示意图；
图11是自转运动锁紧机构、偏摆运动锁紧机构、开合运动控制机构、底座、钢丝导向轮组布置关系图；
图12是控制开合与偏摆运动的钢丝导向布置关系示意图。
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：
参见图1-图12说明，一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，它包括末端执行器1、操作杆2、运动控制装置3和器械外壳4；
所述末端执行器1包括末端小爪快换连接件一1-3、末端小爪快换连接件二1-4、柔性关节连接件1-5、末端小爪转动轴1-6、柔性关节1-7和两个末端小爪1-1；末端小爪快换连接件一1-3与末端小爪快换连接件二1-4分别与末端小爪1-1连接，末端小爪快换连接件一1-3、末端小爪快换连接件二1-4与柔性关节连接件1-5通过末端小爪转动轴1-6连接在一起，末端小爪快换连接件一1-3与末端小爪快换连接件二1-4可绕末端小爪转动轴1-6相对转动，柔性关节连接件1-5和操作杆2通过柔性关节1-7连接在一起；
所述运动控制装置3包括自转运动锁紧机构3-1、偏摆运动锁紧机构3-2、开合运动控制机构3-3、底座3-4和钢丝导向轮组；自转运动锁紧机构3-1、偏摆运动锁紧机构3-2、开合运动控制机构3-3以及钢丝导向轮组均固定在底座3-4上，器械外壳4封装在底座3-4上；
末端执行器1通过固定在末端小爪快换连接件一1-3、末端小爪快换连接件二1-4、穿过柔性关节连接件1-5、柔性关节1-7和中空的操作杆2，经钢丝导向轮组后的钢丝与开合运动控制机构3-3连接；
柔性关节1-7通过固定在柔性关节1-7、穿过中空的操作杆2后的钢丝与偏摆控制装置3-2连接。
柔性关节1-7与柔性关节连接件1-5和操作杆2过盈配合。
所述操作杆2为中空杆，带有用于钢丝走线的走线孔。
参见图3说明，自转运动锁紧机构3-1包括自转驱动滚轮3-1-1、基座3-1-2、自转锁紧滑块3-1-3、固定座3-1-4和自转锁紧弹簧3-1-6。
操作杆2通过轴承转动安装在基座3-1-2上，操作杆2插装在自转驱动滚轮3-1-1上的中心孔3-1-1-2内；两个轴用卡簧3-1-9安装在操作杆2上的卡簧槽2-1中将自转驱动滚轮3-1-1和基座3-1-2定位；中心孔3-1-1-2为“D”型孔，结构简单，保证了运行可靠性；
自转驱动滚轮3-1-1的一侧面沿周向加工有多个自转锁紧限位槽3-1-1-1；
固定座3-1-4固装在底座3-4上，自转锁紧滑块3-1-3的上部一端能在固定座3-1-4上相对滑动，锁紧滑块3-1-3的上部另一端能卡接在相配合的限位槽3-1-1-1内，自转锁紧滑块3-1-3的下部设置在底座3-4的滑槽一3-4-5内并能沿操作杆2的长度方向滑动，自转锁紧弹簧3-1-6布置在自传锁紧滑块3-1-3上的自转锁紧沉孔3-1-3-1内与固定座3-1-4上的固定沉孔3-1-4-1内。通过自转锁紧弹簧3-1-6的弹力驱动自转锁紧滑块3-1-3做直线运动，锁紧滑块3-1-3的上部另一端能卡接在相配合的限位槽3-1-1-1内，从而实现操作杆2的自转锁紧，
参见图4说明，自转运动锁紧机构3-1还包括自转锁紧直线轴承3-1-5和两个轴承卡簧3-1-7；自转锁紧轴线轴承3-1-5通过轴承卡簧3-1-7安装在固定座3-1-4上，自转锁紧滑块3-1-3的上部包括制成一体的导向柱和限位块3-1-3-3；导向柱滑动设置在直线轴承3-1-5内，限位块能卡接在相配合的自转锁紧限位槽3-1-1-1内，自转锁紧滑块3-1-3的下部为设置在底座3-4的滑槽一3-4-5内的滑台3-1-3-2。优选地，自转锁紧限位槽3-1-1-1的截面为扇形。自转驱动滚轮3-1-1的另一个侧面加工有向内的凹槽3-1-1-3，凹槽3-1-1-3侧面固接有一个转角凸台3-1-1-4，基座3-1-2的与凹槽3-1-1-3相邻的一侧面带有有两个限制转角凸台3-1-2-1。
实现末端执行器自转运动的控制：
参见图4、图12说明，通过自转锁紧机构3-1来实现末端执行器的自转运动，基座3-1-2通过四个螺钉固定在底座3-4上，操作杆2与带有“D”形孔的自转驱动滚轮3-1-1通过轴承一3-1-8连接在基座3-1-2上，操作杆2与柔性关节1-7过盈配合连接，与基座3-1-2通过轴用卡簧3-1-9连接，轴用卡簧3-1-9和操作杆2上的轴肩可实现操作杆2在轴向上的定位，在手术过程中，旋转自转驱动滚轮3-1-1可实现末端执行器的自转运动。
通常，转角凸台3-1-1-4和限制转角凸台3-1-2-1均为圆形凸台，基座3-1-2上用于操作杆2自转角度控制的限制转角凸台3-1-2-1放置在自转驱动滚轮3-1-1上的圆环形的凹槽3-1-1-3内，操作杆转动±160°时，与自转驱动滚轮3-1-1上的转角凸台3-1-1-4发生碰撞干涉，从而实现对操作杆2自转角度的控制。
自转驱动滚轮3-1-1与自转锁紧滑块3-1-3相接触的端面部分设置有多个限位槽3-1-1-1，优选地，限位槽3-1-1-1的数量为15个。自转锁紧滑块3-1-3可沿自转锁紧直线轴承3-1-5滑动，当转动自转驱动滚轮3-1-1时，捏合自转锁紧滑块3-1-3上的滑台3-1-3-2，使其沿底座3-4下底面滑动，当自转驱动滚轮3-1-1转动适合角度时，松开滑台3-1-3-2，通过自转锁紧弹簧3-1-6的弹力驱动自转锁紧滑块3-1-3做直线运动，自转锁紧滑块3-1-3与自转驱动滚轮3-1-1上的限位槽3-1-1-1接触，由于自转锁紧弹簧3-1-6的作用，自转锁紧滑块3-1-3与自转驱动滚轮3-1-1上的限位槽3-1-1-1紧密接触，从而保证末端执行器在转过一定的角度之后不会由于外力的作用而发生位置的变化。自转驱动滚轮3-1-1的旋转方向与末端执行器1的旋转方式一致。
参见图5说明，偏摆运动锁紧机构3-2包括偏摆驱动滚轮3-2-1、偏摆锁紧滑块3-2-2、直线轴承座3-2-3、偏摆锁紧直线轴承3-2-4、弹簧3-2-5、偏摆线轮一3-2-6、偏摆线轮二3-2-7和轴承座3-2-8；
偏摆驱动滚轮3-2-1的滚轮轴通过轴承二3-2-9安装在偏摆锁紧轴承座3-2-8上，偏摆驱动滚轮3-2-1的一侧面沿周向加工有多个偏摆锁紧限位槽；
直线轴承座3-2-3固定在底座3-4上，偏摆锁紧直线轴承3-2-4固装在直线轴承座3-2-3上，偏摆锁紧滑块3-2-2的上部一端能在偏摆直线轴承3-2-4上相对滑动，偏摆锁紧滑块3-2-2的上部另一端能卡接在相配合的偏摆锁紧限位槽内，偏摆锁紧滑块3-1-3的下部设置在底座3-4的滑槽二3-4-6内并能沿滚轮轴的长度方向滑动，偏摆锁紧弹簧3-2-5布置在偏摆锁紧滑块3-1-3上的偏摆锁紧沉孔内与直线轴承座3-2-3上的轴承座沉孔内；偏摆线轮一3-2-6和偏摆线轮二3-2-7安装在偏摆驱动滚轮3-2-1的滚轮轴上。所述偏摆锁紧滑块3-2-2，其具体实施方式与自转锁紧滑块3-1-3相同。偏摆运动锁紧机构3-2的偏摆驱动滚轮3-2-1旋转锁紧方式与自转运动锁紧机构3-1的自转驱动滚轮3-1-1相同。
参见图2说明，末端小爪快换连接件一1-3上带有一个用于钢丝走线的轮槽一1-3-3、一个末端固定孔一1-3-4和一个弹性片一1-3-2；
末端小爪快换连接件二1-4上带有一个用于钢丝走线的轮槽二1-4-3、一个末端固定孔二1-4-4和一个弹性片二1-4-2；
柔性关节连接件1-5上带有用于钢丝走线的走线孔一1-5-1和走线孔二1-5-2；
弹性片一1-3-2和弹性片二1-4-2外侧分别设置有凸台一1-3-1和凸台二1-4-1；
末端小爪1-1上带有插槽1-1-1和插孔1-1-2，末端小爪快换连接件一1-3和末端小爪快换连接件二1-4分别插装在插槽1-1-1内且凸台1-3-1卡接在插孔1-1-2上。
参见图6说明，所述开合运动控制机构3-3包括活动手柄3-3-1和四个开合线轮；活动手柄3-3-1固装在固定轴3-3-7上，固定轴3-3-7通过轴承三3-3-6安装于布置在底座3-4上的开合运动轴承座3-3-8上，四个开合线轮转动安装在固定轴3-3-7上。四个开合线轮分别为开合线轮一3-3-2、开合线轮二3-3-3、开合线轮三3-3-4和开合线轮四3-3-5；偏摆线轮一3-2-6、偏摆线轮二3-2-7和四个开合线轮上各自带有一个用于钢丝走线的走线轮槽和一个钢丝固定孔。底座3-4上带有用于控制开合活动手柄3-3-1转动的开口槽3-4-4，用于与外壳4镶嵌固定的三个安装凸台3-4-1。如此设置，利用上述各种孔、走线轮槽的布置，通过钢丝的布置可实现末端执行器1的两个末端小爪1-1的开合。参见图10说明，柔性关节1-7为弹性合金管，弹性合金管的周向开设若干个槽，弹性合金管上还带有用于钢丝走线的过线孔一1-7-1和过线孔二1-7-2。弹性合金管柔性好，耐高温、低温和腐蚀性好。
实现末端执行器快速更换的控制：
参见图2说明，末端小爪快换连接件一1-3放置在末端小爪1-1的插槽1-1-1中，末端小爪快换连接件一1-3上的凸台一1-3-1镶嵌在末端小爪1-1的插孔1-1-2中，末端小爪快换连接件二1-4放置在另一个末端小爪1-1的插槽1-1-1中，末端小爪快换连接件二1-4上的凸台二1-4-1镶嵌在另一个末端小爪1-1的插孔1-1-2中，通常插槽1-1-1为矩形槽，通过分别按压末端小爪快换连接件一1-3与末端小爪快换连接件二1-4上的弹性片一1-3-2与弹性片二1-4-2处，可拔出末端小爪1-1，从而实现末端执行器的快速更换。
参见图11-图12说明，钢丝导向轮组包括带有线槽的导向轮一3-5、导向轮二3-6、导向轮三3-7、导向轮四3-8和导向轮五3-9、导向轮六3-10、导向轮七3-11、导向轮八3-12、导向轮九3-13和导向轮十3-14；导向轮一3-5和导向轮二3-6布置在自转运动锁紧机构3-1与偏摆运动锁紧机构3-2之间，导向轮三3-7、导向轮四3-8、导向轮五3-9、导向轮六3-10、导向轮七3-11、导向轮八3-12、导向轮九3-13和导向轮十3-14布置在偏摆运动锁紧机构3-2与开合运动控制机构3-3之间；
控制末端小爪开合运动的钢丝走向如下：
末端小爪快换连接件一1-3与末端小爪快换连接件二1-4各自的一条钢丝对折后节点固定在相应的末端固定孔一1-3-4和末端固定孔二1-4-4上，每条钢丝对折后形成对应的两根钢丝段一与两根钢丝段二按相反方向绕在各自的轮槽一1-3-3和轮槽二1-4-3上后，再穿过对应的走线孔一1-5-1和走线孔二1-5-2，该四根钢丝段依次穿过柔性关节1-7和操作杆2；
此后，末端小爪快换连接件一1-3与末端小爪快换连接件二1-4上绕向相反的其中两根钢丝段通过导向轮三3-7上的线槽I3-7-1、导向轮四3-8上的一个线槽、导向轮六3-10上的线槽、导向轮七3-11上的线槽及导向轮八3-12上的线槽，按照相同方向缠绕在其中两个开口线轮的走线轮槽上，最后穿过各自钢丝固定孔后打结固定；其中两个开口线轮可为开合线轮一3-3-2和开合线轮二3-3-3；
末端小爪快换连接件一1-3与末端小爪快换连接件二1-4上绕向相反的的另外两根钢丝段通过导向轮三3-7上的线槽II3-7-2、导向轮九3-13上的线槽及导向轮十3-14上的线槽，按照相同方向缠绕在另外两个开合线轮的走线轮槽上，最后穿过各自钢丝固定孔后打结固定；另外两个开合线轮可为开合线轮三3-3-4和开合线轮四3-3-5；
控制柔性关节偏摆运动的钢丝走向如下：
两条钢丝各自的一端打结后固定在相应的过线孔一1-7-1和过线孔二1-7-2上，两条钢丝的另一端穿过中空的操作杆2；
此后，其中一条钢丝穿过导向轮三3-7上的线槽III3-7-3、导向轮四3-8上的另一个线槽及导向轮五3-9上的线槽后缠绕在偏摆线轮一3-2-6上的走线轮槽上，然后穿过钢丝固定孔后打结固定，另一条钢丝穿过导向轮一3-5和导向轮二3-6上的线槽后与所述其中一条钢丝以相反方向缠绕在偏摆线轮二3-2-7的走线轮槽上，然后穿过钢丝固定孔后打结固定。
上述实施方式中导向轮四3-8上设置两个线槽。开合线轮和导向轮的合理布置，实现了绳索之间无干涉，同时绳索与其它接触面实现平滑过渡，减小了绳索的磨损。
实现末端小爪开合运动的控制：
四段钢丝缠绕于各自的开合线轮并打结后，通过旋转开合线轮一3-3-2、开合线轮二3-3-3、开合线轮三3-3-4和开合线轮四3-3-5将钢丝张紧，然后采用紧固螺钉将开合线轮一3-3-2、开合线轮二3-3-3、开合线轮三3-3-4和开合线轮四3-3-5固定在活动手柄3-3-1的固定轴3-3-7上。
本实施方式采用手指捏合活动手柄3-3-1来实现末端执行器1的开合运动。当活动手柄3-3-1在弹簧弹力的作用下，角度增大时，钢丝一1-3-6、钢丝四1-4-6收缩，钢丝二1-3-7、钢丝三1-4-7伸长，实现末端执行器1的两个末端小爪1-1的张开运动；相反，当活动手柄3-3-1在手指的捏合下，角度减小时，钢丝一1-3-6、钢丝四1-4-6伸长，钢丝而1-3-7、钢丝三1-4-7收缩，实现末端执行器1的两个末端小爪1-1的闭合运动。
实现柔性关节偏摆运动的控制：
两条钢丝五1-7-3、钢丝六1-7-4的一端打结后分别穿过柔性关节1-7上的两个用于钢丝走线的过线孔一1-7-1、过线孔二1-7-2，然后两条钢丝的另一端穿过中空操作杆2。
此后，钢丝五1-7-3穿过导向轮三3-7上的线槽III3-7-3、导向轮四3-8上另一个线槽与导向轮五3-9，按照顺时针方向缠绕在偏摆线轮一3-2-6上用于钢丝走线的轮槽上，然后穿过末端固定孔后打结；钢丝六1-7-4穿过导向轮一3-5与导向轮二3-6上的线槽后按逆时针方向缠绕在偏摆线轮二3-2-7上用于钢丝走线的轮槽上，然后穿过末端固定孔后打结。
通过偏摆运动锁紧机构3-2中偏摆驱动滚轮3-2-1的旋转来实现柔性关节的偏摆运动。
两根钢丝缠绕于各自的偏摆线轮并打结后，通过旋转偏摆线轮一3-2-6与偏摆线轮二3-2-7将钢丝张紧，然后采用紧固螺钉将偏摆线轮一3-2-6与偏摆线轮二3-2-7固定在偏摆驱动滚轮3-2-1的转动轴上。
本实施方式采用偏摆驱动滚轮3-2-1的顺时针与逆时针转动来实现柔性关节的偏摆运动。当偏摆驱动滚轮3-2-1逆时针转动时，带动偏摆线轮一3-2-6、偏摆线轮二3-2-7逆时针转动，所述钢丝五1-7-3收缩，钢丝六1-7-4伸长，从而带动柔性关节1-7向左偏摆；当偏摆驱动滚轮3-2-1顺时针转动时，带动偏摆线轮一3-2-6、偏摆线轮二3-2-7顺时针转动，所述钢丝五1-7-3伸长，钢丝六1-7-4收缩，从而带动柔性关节1-7向右偏摆。
工作过程
本发明采用手指捏合活动手柄3-3-1来实现末端执行器1的开合运动。当活动手柄在弹簧弹力的作用下，角度增大时，钢丝一1-3-6、钢丝四1-4-6收缩，钢丝二1-3-7、钢丝三1-4-7伸长，实现末端执行器两个末端小爪1-1的张开运动；当活动控制手柄在手指的捏合下，角度减小时，钢丝一1-3-6、钢丝四1-4-6伸长，钢丝二1-3-7、钢丝三1-4-7收缩，实现末端执行器的两个末端小爪1-1的闭合运动。采用偏摆驱动滚轮3-2-1的顺时针与逆时针转动来实现柔性关节的偏摆运动。当偏摆驱动滚轮3-2-1逆时针转动时，带动偏摆线轮逆时针转动，钢丝五1-7-3收缩，钢丝六1-7-4伸长，从而带动柔性关节1-7向左偏摆；当偏摆驱动滚轮3-2-1顺时针转动时，带动偏摆线轮顺时针转动，钢丝五1-7-3伸长，钢丝四1-7-4收缩，从而带动柔性关节1-7向右偏摆。采用自转锁紧机构3-1来实现末端执行器的自转运动，自转驱动滚轮3-1-1的旋转方向与末端执行器的旋转方式一致。
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)

1.一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：它包括末端执行器(1)、操作杆(2)、运动控制装置(3)和器械外壳(4)；
所述末端执行器(1)包括末端小爪快换连接件一(1-3)、末端小爪快换连接件二(1-4)、柔性关节连接件(1-5)、末端小爪转动轴(1-6)、柔性关节(1-7)和两个末端小爪(1-1)；末端小爪快换连接件一(1-3)与末端小爪快换连接件二(1-4)分别与末端小爪(1-1)连接，末端小爪快换连接件一(1-3)、末端小爪快换连接件二(1-4)与柔性关节连接件(1-5)通过末端小爪转动轴(1-6)连接在一起，末端小爪快换连接件一(1-3)与末端小爪快换连接件二(1-4)可绕末端小爪转动轴(1-6)相对转动，柔性关节连接件(1-5)和操作杆(2)通过柔性关节(1-7)连接在一起；
所述运动控制装置(3)包括自转运动锁紧机构(3-1)、偏摆运动锁紧机构(3-2)、开合运动控制机构(3-3)、底座(3-4)和钢丝导向轮组；自转运动锁紧机构(3-1)、偏摆运动锁紧机构(3-2)、开合运动控制机构(3-3)以及钢丝导向轮组均固定在底座(3-4)上，器械外壳(4)封装在底座(3-4)上；
末端执行器(1)通过固定在末端小爪快换连接件一(1-3)、末端小爪快换连接件二(1-4)、穿过柔性关节连接件(1-5)、柔性关节(1-7)和中空的操作杆(2)，经钢丝导向轮组后的钢丝与开合运动控制机构(3-3)连接；
柔性关节(1-7)通过固定在柔性关节(1-7)、穿过中空的操作杆(2)后的钢丝与偏摆控制装置(3-2)连接；
所述自转运动锁紧机构(3-1)包括自转驱动滚轮(3-1-1)、基座(3-1-2)、自转锁紧滑块(3-1-3)、固定座(3-1-4)和自转锁紧弹簧(3-1-6)；
操作杆(2)通过轴承转动安装在基座(3-1-2)上，操作杆(2)插装在自转驱动滚轮(3-1-1)上的中心孔(3-1-1-2)内；
自转驱动滚轮(3-1-1)的一侧面沿周向加工有多个自转锁紧限位槽(3-1-1-1)；固定座(3-1-4)固装在底座(3-4)上，自转锁紧滑块(3-1-3)的上部一端能在固定座(3-1-4)上相对滑动，锁紧滑块(3-1-3)的上部另一端能卡接在相配合的限位槽(3-1-1-1)内，锁紧滑块(3-1-3)的下部设置在底座(3-4)的滑槽一(3-4-5)内并能沿操作杆(2)的长度方向滑动，自转锁紧弹簧(3-1-6)布置在自转锁紧滑块(3-1-3)上的自转锁紧沉孔(3-1-3-1)内与固定座(3-1-4)上的固定沉孔(3-1-4-1)。
2.根据权利要求1所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：所述自转运动锁紧机构(3-1)还包括自转锁紧直线轴承(3-1-5)和两个轴承卡簧(3-1-7)；自转锁紧直 线轴承(3-1-5)通过轴承卡簧(3-1-7)安装在固定座(3-1-4)上，自转锁紧滑块(3-1-3)的上部包括制成一体的导向柱和限位块；导向柱滑动设置在直线轴承(3-1-5)内，限位块能卡接在相配合的自转锁紧限位槽(3-1-1-1)内，自转锁紧滑块(3-1-3)的下部为设置在底座(3-4)的滑槽一(3-4-5)内的滑台(3-1-3-2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：自转驱动滚轮(3-1-1)的另一个侧面加工有向内的凹槽(3-1-1-3)，凹槽(3-1-1-3)侧面固接有一个转角凸台(3-1-1-4)，基座(3-1-2)的与凹槽(3-1-1-3)相邻的一侧面带有有两个限制转角凸台(3-1-2-1)。
4.根据权利要求3所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：所述偏摆运动锁紧机构(3-2)包括偏摆驱动滚轮(3-2-1)、偏摆锁紧滑块(3-2-2)、直线轴承座(3-2-3)、偏摆锁紧直线轴承(3-2-4)、弹簧(3-2-5)、偏摆线轮一(3-2-6)、偏摆线轮二(3-2-7)和轴承座(3-2-8)；
偏摆驱动滚轮(3-2-1)的滚轮轴通过轴承安装在偏摆锁紧轴承座(3-2-8)上，偏摆驱动滚轮(3-2-1)的一侧面沿周向加工有多个偏摆锁紧限位槽；
直线轴承座(3-2-3)固定在底座(3-4)上，偏摆锁紧直线轴承(3-2-4)固装在直线轴承座(3-2-3)上，偏摆锁紧滑块(3-2-2)的上部一端能在偏摆直线轴承(3-2-4)上相对滑动，偏摆锁紧滑块(3-2-2)的上部另一端能卡接在相配合的偏摆锁紧限位槽内，偏摆锁紧滑块(3-1-3)的下部设置在底座(3-4)的滑槽二(3-4-6)内并能沿滚轮轴的长度方向滑动，偏摆锁紧弹簧(3-1-6)布置在偏摆锁紧滑块(3-1-3)上的偏摆锁紧沉孔内与直线轴承座(3-2-3)上的轴承座沉孔内；偏摆线轮一(3-2-6)和偏摆线轮二(3-2-7)安装在偏摆驱动滚轮(3-2-1)的滚轮轴上。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：所述开合运动控制机构(3-3)包括活动手柄(3-3-1)和四个开合线轮；活动手柄(3-3-1)固装在固定轴(3-3-7)上，固定轴(3-3-7)通过轴承安装于布置在底座(3-4)上的开合运动轴承座(3-3-8)上，四个开合线轮转动安装在固定轴(3-3-7)上。
6.根据权利要求5所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：末端小爪快换连接件一(1-3)上带有一个用于钢丝走线的轮槽一(1-3-3)、一个末端固定孔一(1-3-4)和一个弹性片一(1-3-2)；
末端小爪快换连接件二(1-4)上带有一个用于钢丝走线的轮槽二(1-4-3)、一个末端固定孔二(1-4-4)和一个弹性片二(1-4-2)；
柔性关节连接件(1-5)上带有用于钢丝走线的走线孔一(1-5-1)和走线孔二(1-5-2)；
弹性片一(1-3-2)和弹性片二(1-4-2)外侧分别设置有凸台一(1-3-1)和凸台二(1-4-1)；
末端小爪(1-1)上带有插槽(1-1-1)和插孔(1-1-2)，末端小爪快换连接件一(1-3)和末端小爪快换连接件二(1-4)分别插装在插槽(1-1-1)内且凸台(1-3-1)卡接在插孔(1-1-2)上。
7.根据权利要求6所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：柔性关节(1-7)为弹性合金管，弹性合金管的周向开设若干个槽，弹性合金管上还带有用于钢丝走线的过线孔一(1-7-1)和过线孔二(1-7-2)。
8.根据权利要求7所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：四个开合线轮分别为开合线轮一(3-3-2)、开合线轮二(3-3-3)、开合线轮三(3-3-4)和开合线轮四(3-3-5)；偏摆线轮一(3-2-6)、偏摆线轮二(3-2-7)和四个开合线轮上各自带有一个用于钢丝走线的走线轮槽和一个钢丝固定孔。
9.根据权利要求6、7或8所述的一种具有自锁与快速更换功能的手控式柔性微创手术器械，其特征在于：钢丝导向轮组包括带有线槽的导向轮一(3-5)、导向轮二(3-6)、导向轮三(3-7)、导向轮四(3-8)和导向轮五(3-9)、导向轮六(3-10)、导向轮七(3-11)、导向轮八(3-12)、导向轮九(3-13)和导向轮十(3-14)；
导向轮一(3-5)和导向轮二(3-6)布置在自转运动锁紧机构(3-1)与偏摆运动锁紧机构(3-2)之间，导向轮三(3-7)、导向轮四(3-8)、导向轮五(3-9)、导向轮六(3-10)、导向轮七(3-11)、导向轮八(3-12)、导向轮九(3-13)和导向轮十(3-14)布置在偏摆运动锁紧机构(3-2)与开合运动控制机构(3-3)之间；
控制末端小爪开合运动的钢丝走向如下：
末端小爪快换连接件一(1-3)与末端小爪快换连接件二(1-4)各自的一条钢丝对折后节点固定在相应的末端固定孔一(1-3-4)和末端固定孔二(1-4-4)上，每条钢丝对折后形成对应的两根钢丝段一与两根钢丝段二按相反方向绕在各自的轮槽一(1-3-3)和轮槽二(1-4-3)上后，再穿过对应的走线孔一(1-5-1)和走线孔二(1-5-2)，该四根钢丝段依次穿过柔性关节(1-7)和操作杆(2)；
此后，末端小爪快换连接件一(1-3)与末端小爪快换连接件二(1-4)上绕向相反的其中两根钢丝段通过导向轮三(3-7)上的线槽I(3-7-1)、导向轮四(3-8)上的一个线槽、导向轮六(3-10)上的线槽、导向轮七(3-11)上的线槽及导向轮八(3-12)上的线槽，按照相同方向缠绕在其中两个开口线轮的走线轮槽上，最后穿过各自钢丝固定孔后打结固定；
末端小爪快换连接件一(1-3)与末端小爪快换连接件二(1-4)上绕向相反的的另外两根钢丝段通过导向轮三(3-7)上的线槽II(3-7-2)、导向轮九(3-13)上的线槽及导向轮十(3-14)上的线槽，按照相同方向缠绕在另外两个开合线轮的走线轮槽上，最后穿过各自钢丝固定孔后打结固定；
控制柔性关节偏摆运动的钢丝走向如下：
两条钢丝各自的一端打结后固定在相应的过线孔一(1-7-1)和过线孔二(1-7-2)上，两条钢丝的另一端穿过中空的操作杆(2)；
此后，其中一条钢丝穿过导向轮三(3-7)上的线槽III(3-7-3)、导向轮四(3-8)上的另一个线槽及导向轮五(3-9)上的线槽后缠绕在偏摆线轮一(3-2-6)上的走线轮槽上，然后穿过钢丝固定孔后打结固定，另一条钢丝穿过导向轮一(3-5)和导向轮二(3-6)的线槽后与所述其中一条钢丝以相反方向缠绕在偏摆线轮二(3-2-7)的走线轮槽上，然后穿过钢丝固定孔后打结固定。
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