CN108524000A - 外科手术操作臂及外科手术操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外科手术操作臂，包括驱动机构、执行工具、以及可弯曲臂，其中，可弯曲臂包括第一可弯曲部分和第二可弯曲部分。第一可弯曲部分包括并联分布在顶盖和底座之间的三个或三个以上万向调节装置，该万向调节装置包括多个轴，相邻两个轴之间通过万向联轴器彼此联接。第二可弯曲部分包括相互套接的内柔性管、至少一个中间柔性管、以及外柔性管，位于内部的柔性管适于收缩进或伸展出位于外部的柔性管。内柔性管连接至执行工具，外柔性管位于多个万向调节装置围绕形成的容置空间中。通过采用多个并联的万向调节装置和多个串联套接的柔性管的串并联混合模式，该外科手术操作臂在保持刚性的同时保证高灵活性，并且结构简单、易于操作。

Description

外科手术操作臂及外科手术操作系统

技术领域

本发明涉及外科手术器械领域，特别是涉及一种基于多个并联的万向调节装置和多个串联套接的柔性管的串并联混合式外科手术操作臂，以及采用该外科手术操作臂的外科手术操作系统。

背景技术

随着医学科学技术的迅猛发展，疾病诊断、监测、采样和活体内临场手术处理越来越趋于微创化。智能微创手术能够在将患者身体的切口最小化的同时实施复杂的外科手术，因此得到越来越广泛的关注和应用。智能微创手术平台通常包括控制台和操作臂，控制台由计算机系统、手术操作监视器、操作臂控制监视器、操作手柄和输入输出设备等组成。手术时外科医生可坐在远离手术台的控制台前，头靠在视野框上，双眼接受来自不同摄像机的完整图像，共同合成术野的三维立体图，然后双手控制操作杆，手部动作传达到机械臂的尖端，完成手术操作，从而增加操作的精确性和平稳性。操作臂的可靠性和可操作性对智能微创手术的成功起到至关主要的影响。操作臂的可靠性主要取决于构成操作臂的材料的刚性，而操作臂的可操作性主要取决于操作臂各部分的灵活性。当智能微创手术过程中，平衡操作臂的灵活性和刚性是极具挑战的。

机械臂往往需要深入患者体内一端较长的距离，并且其尖端通常远离控制段，因此机械臂的局限性主要在于与它的长的支撑杆相关的灵巧性的降低，以及与它的关节处的材料有关的刚性的减小。在操作臂被插入患者体内后，其可操作性与其尖端的灵活性高度相关。操作臂可以由柔性材料构成，从而容易实现连续弯曲，然而，柔性材料的过多使用通常会导致操作臂能够承担的工作负载较小，或者，如果需要操作臂承担较大的工作负载，那么它能够延伸的距离将受限，即，操作臂仅能在预定的较短距离范围内工作。此外，为提高操作臂的可操作性，通常需要操作臂实现多自由度的可操作。传统的操作臂通常使用单独的内置电极分别控制操作臂的每个关节的运动，因此操作臂的尺寸极大地受到电极尺寸的影响，并且存在例如，电极的电流泄露的潜在危险。在保持操作臂的刚性的同时保证高灵活性是提高操作臂在微创手术中的应用的关键问题。

当前，已经提出了许多应用于智能微创手术的带有末端灵活性的器械，例如，美国专利US7338513、US7398707、US20120083770等。其中，US7338513公开了一种器械引导设备，其通过柔性套管和绳子驱动关节旋转来实现位于尖端的夹持装置绕轴的开合；US7398707公开了一种机器人手术工具，其通过柔性套管和绳子驱动两个垂直的枢轴关节实现位于尖端的夹持装置绕轴的开合。US7338513和US7398707都可以把插入点和夹持装置末端的轴向转动结合起来驱动夹持装置的弯曲。然而，柔性套管和绳子的使用使得夹持装置的精确控制变得复杂。US20120083770公开了一种手术器械，其将万向节用于夹持装置控制中的动力传输。然而，在US20120083770中，万向节只是被动地跟随通过绳驱动手术器械的柔性套管运行。

传统的可应用于智能微创手术的操作臂通常存在结构复杂、不易操作，并且难以兼顾刚性和灵活性的缺点。

发明内容

基于此，有必要针对现有应用于智能微创手术的机械臂存在的局限性和缺点，提供一种基于多个并联的万向调节装置和多个串联套接的柔性管的串并联混合式外科手术操作臂，以及采用该外科手术操作臂的外科手术操作系统。

在本发明的一个方面，提供了一种外科手术操作臂，包括位于操作端的驱动机构、位于工作端的执行工具、以及连接所述驱动机构和所述执行工具的可弯曲臂，所述可弯曲臂包括：第一可弯曲部分，包括顶盖、适于与所述顶盖同轴设置的底座、以及从所述顶盖向所述底座延伸并且并联分布的三个或三个以上万向调节装置，所述三个或三个以上万向调节装置适于定义与所述顶盖和所述底座同轴的容置空间，每个所述万向调节装置包括多个轴，所述多个轴中的相邻两个轴之间通过万向联轴器彼此联接，所述多个轴包括近端轴和远端轴，所述远端轴的末端连接至所述顶盖，所述近端轴的末端穿过开设在所述底座上的通孔并且连接至所述驱动机构，使得所述近端轴的至少一部分伸出所述底座，所述近端轴适于在所述驱动机构的驱动下可滑动地穿过所述通孔执行直线往复运动；第二可弯曲部分，适于接收在所述容置空间中，所述第二可弯曲部分包括沿所述第二可弯曲部分的轴心延伸并且相互套接的多个柔性管，在所述多个柔性管中靠近所述轴心的柔性管适于收缩进或伸展出远离所述轴心的柔性管，所述多个柔性管由内向外包括内柔性管、至少一个中间柔性管、以及外柔性管；其中，在所述顶盖的中心位置开设有第一引导孔，在所述底座的中心位置开设有第二引导孔，所述外柔性管的远端固定连接至所述顶盖，所述内柔性管的远端穿过所述第一引导孔并且连接至所述执行工具，每个所述中间柔性管靠近所述中间柔性管的远端的一部分适于伸出所述第一引导孔，所述外柔性管、所述内柔性管和每个所述中间柔性管的近端均穿过所述第二引导孔，并且所述内柔性管和每个所述中间柔性管连接至所述驱动机构；每个所述中间柔性管适于在所述驱动机构的驱动下旋转，并且使所述中间柔性管靠近所述中间柔性管的远端的一部分向外伸展或向内收缩；所述内柔性管适于在所述驱动机构的驱动下旋转，并且使所述内柔性管靠近所述内柔性管的远端的一部分向外伸展或向内收缩。

优选地，所述外柔性管适于随所述第一可弯曲部分的弯曲而弯曲，并且与所述第一可弯曲部分保持基本相同的形状。

优选地，至少一个所述中间柔性管为预弯柔性管，所述预弯柔性管适于在无外力作用时呈现具有预定弯曲度的弯曲形状，并且在有外力作用时可呈现笔直形状。

优选地，所述第一可弯曲部分由刚性材料构成。

优选地，所述三个或三个以上万向调节装置具有相同的结构。

在其中一个实施例中，围绕所述顶盖的中心位置周向开设与所述多个轴的数量相同的多个安装孔，所述远端轴的末端通过紧固件连接至所述多个安装孔中相应的一个安装孔。

优选地，所述多个柔性管的刚度分别设置为由外向内逐渐递减。

优选地，所述中间柔性管收缩进所述外柔性管的部分具有与所述外柔性管相同的形状，所述中间柔性管伸出所述外柔性管的部分具有恢复预定弯曲度的趋势。

在其中一个实施例中，所述驱动机构包括多个电动机，所述多个电极配置为分别向所述三个或三个以上万向调节装置各自的近端轴、所述至少一个中间柔性管、所述内柔性管和所述柔性轴施加驱动力。

在其中一个实施例中，所述外科手术操作臂还包括控制器，所述控制器电性连接至所述多个电动机，并且配置为控制所述多个电动机的运行。

在其中一个实施例中，所述执行工具为适于在打开状态和闭合状态之间切换的夹持装置，所述第二可弯曲部分还包括柔性轴，所述柔性轴可滑动地设置在所述内柔性管中，所述柔性轴的远端连接至所述夹持装置，所述柔性轴的近端连接至所述驱动机构，所述柔性轴适于在所述驱动机构的驱动下控制所述夹持装置在所述打开状态和所述闭合状态之间切换。

优选地，所述驱动机构适于收缩所述柔性轴，以致所述夹持装置切换至所述闭合状态，并且所述驱动机构适于伸展所述柔性轴，以致所述夹持装置切换至所述打开装置。

在其中一个实施例中，所述执行工具包括激光发射装置、组织采集装置。

在其中一个实施例中，所述外科手术操作臂还包括控制器，所述控制器电性连接至所述驱动机构中的所述多个电动机，并且配置为控制所述多个电动机的运行。

根据上述外科手术操作臂，通过采用多个并联的万向调节装置和多个串联套接的柔性管的串并联混合模式，在保持外科手术操作臂刚性的同时保证高灵活性。具体地，对于第一可弯曲部分，通过驱动万向调节装置执行直线往复运动，可实现顶盖在一个自由度的平移运动，而通过驱动多个万向调节装置分别平移不同的距离，可实现顶盖在相互垂直的两个弯曲自由度的运动，因此，多个万向调节装置的平移和弯曲的组合实现顶盖的全向弯曲运动，从而实现第一可弯曲部分的全向弯曲。此外，由于第一可弯曲部分可由刚性材料构成，因此，第一可弯曲部分可以视为刚性体，其在外科手术操作过程中承受大的负载。

对于第二可弯曲部分，外柔性管插入并限制在第一可弯曲部分的容置空间中，在初始状态，第一可弯曲部分保持笔直形状，外柔性管也将保持笔直形状，而当第一可弯曲部分被驱动成弯曲形状时，外柔性管将被动地贴合第一可弯曲部分的弯曲形状。中间柔性管作为预弯管，尽管默认形状是以预定弯曲度弯曲的，但是中间柔性管的刚性度小于外柔性管的刚度，当其插入外柔性管中时，其形状被动地贴合外柔性管的形状，而当其从外柔性管中伸出时，其具有恢复默认形状的趋势，伸出外柔性管的中间柔性管可以呈现默认的弯曲形状。并且，通过转动中间柔性管，中间柔性管的末端可以相应转动从而到达不同的位置。因此通过改变中间柔性管和外柔性管之间的平移关系和转动关系，可实现中间柔性管的末端在相互垂直的两个弯曲自由度的运动，从而实现中间柔性管的全向弯曲。对于内柔性管，尽管其默认形状是笔直的，但是其刚度小于中间柔性管的刚度，当其插入中间柔性管中时，其形状被动地贴合中间柔性管的形状。此外，通过改变内柔性管和中间柔性管之间的平移关系，连接至内柔性管的远端的执行工具可以实现一个自由度的平移运动，并且通过转动内柔性管从而带动执行工具转动，执行工具可以不同角度姿态执行任务。

由此可见，在外科手术操作过程中，第一可弯曲部分可以承担主要的、大的负载，而第二可弯曲部分可以承担次要的、小的负载，从而提高了上述外科手术操作臂可靠性。并且，第一可弯曲部分和第二可弯曲部分都可以独立地实现全向弯曲运动。通过第一可弯曲部分的全向弯曲运动和第二可弯曲部分的全向弯曲运动的组合，可以使得上述外科手术操作臂可以更加灵活，执行工具具有更大的可工作空间。

进一步地，根据上述外科手术操作臂，在包括第一可弯曲部分和第二可弯曲部分的弯曲臂中不存在电动机，电动机设置在位于上述外科手术操作臂的近端的驱动机构中，因此可以有效地缩小要伸入患者体内的弯曲臂的体积，从而将患者身体上的切口最小化。

此外，上述外科手术操作臂结构简单，易操作，通过分别控制电动机驱动第一可弯曲部分的伸缩和/或弯曲，以及第二可弯曲部分的伸缩和/或弯曲能够精确控制执行工具到达所需作业位置。

在本发明的另一个方面，提供了一种外科手术操作系统，包括：上述至少一个外科手术操作臂，配置为执行外科手术操作；摄像装置，配置为采集患者手术部位的图像信息；工作站，配置为接收和解析控制命令，并将解析后的所述控制命令传送至所述至少一个外科手术操作臂和所述摄像装置，并且还配置为接收和处理所述摄像装置采集的图像信息以及所述外科手术操作臂的状态信息；以及控制台，配置为接收用户输入，产生所述控制命令发送至所述工作站，所述控制台包括监视器，所述监视器适于显示从所述工作站接收的所述图像信息以及所述外科手术操作臂的状态信息。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的外科手术操作臂的结构示意图；

图2为图1所示的外科手术操作臂的部分结构示意图；

图3为图1所示的外科手术操作臂中的第一可弯曲部分的结构示意图；

图4为图3所示的第一可弯曲部分的部件分解图；

图5为图3所示的第一可弯曲部分的弯曲状态示意图；

图6为图1所示的外科手术操作臂中的连接有执行工具的第二可弯曲部分的结构示意图；

图7为图6所示的第二可弯曲部分的部件分解图；

图8为图6所示的第二可弯曲部分中的内柔性管和中间柔性管的弯曲状态示意图；

图9为连接至第二可弯曲部分的执行工具的结构示意图；

图10A-10C为图1所示的外科手术操作臂的工作状态示意图；

图11为根据本发明的一个实施例的外科手术操作系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1展示了根据本发明的一个实施例的外科手术操作臂，其包括具有第一可弯曲部分110和第二可弯曲部分120的弯曲臂、夹持装置200、驱动机构300和控制器400。驱动机构300和控制器400位于操作端，其中，驱动机构300包括多个电动机，这些电动机分别控制第一可弯曲部分110和第二可弯曲部分120中的部分部件的纵向平移和轴向旋转，使得弯曲臂产生相应弯曲，并且使得弯曲臂的末端到达相应位置。控制器400分别电性连接至驱动机构300中的多个电动机，并且配置为分别控制这些电动机的运行。在本实施例中，夹持装置200为类似镊子的夹持装置，本领域技术人员可以理解的是夹持装置200可以为其他任何合适类型的具有夹持功能的装置。

图2展示了带有夹持装置200的弯曲臂110。弯曲臂110由第一可弯曲部分110和第二可弯曲部分120构成。以下将详细介绍第一可弯曲部分110和第二可弯曲部分120的结构。

如图3-4所示，第一可弯曲部分110包括顶盖112、底座113和三个万向调节装置111(111a、111b、111c)。顶盖112与底座113同轴设置。围绕顶盖112的中心位置周向开设有三个安装孔1121，围绕底座113的中心位置周向开设有三个通孔1131，三个通孔1131的位置分别与三个安装孔1121的位置相对应。此外，在顶盖112和底座113的中心位置分别开设有第一引导孔1122和第二引导孔1132，第一引导孔1122和第二引导孔1132适于第二可弯曲部分120的一部分穿过。

每个万向调节装置111均包括近端轴1111a、中间轴1111b、远端轴1111c、连接近端轴1111a和中间轴1111b的第一万向联轴器1112a、以及连接中间轴1111b和远端轴1111c的第二万向联轴器1112b。第一万向联轴器1112a和第二万向联轴器1112b可以为任何合适的结构类型，例如，十字轴式、球笼式、球叉式、凸块式、球销式、球铰式、球铰柱塞式、三销式、三叉杆式、三球销式、铰杆式等。近端轴1111a、中间轴1111b、远端轴1111c可能由相同的刚性材料制成。每两个相邻的轴与将它们联接在一起的万向联轴器构成一个万向关节。万向关节中的两个轴可相对彼此在预定角度范围内转动，该预定角度取决于采用的万向联轴器的结构。在本实施例中，三个万向调节装置111a、111b、111c采用相同的结构，本领域技术人员可以理解的是，根据实际需要，这些万向调节装置也可能采用不同的结构。此外，本领域技术人员还可以理解的是，万向调节装置中轴的数量不限于本实施例中的三个，可能采用任何合适数量的轴，例如、两个、四个、五个等。

三个万向调节装置111a、111b、111c并联布置在顶盖112和底座113之间。远端轴1111c的末端插入顶盖112的安装孔1121中，并且通过螺栓、螺钉等紧固件114固定在安装孔1121中。本领域技术人员可以理解的是，远端轴1111c的末端可以通过卡扣配合、过盈配合、粘合等其他合适的方式固定在顶盖112上。近端轴1111a以滑动配合的方式穿过底座113的通孔1131，使得近端轴1111a的至少一部分伸出底座113。近端轴1111a的末端将连接至驱动机构300，驱动机构300适于向近端轴1111a施加驱动力，近端轴1111a在驱动机构300的驱动下可在纵向上相对通孔1131平移，从而执行直线往复运动。

在初始状态下，顶盖112和底座113同轴，并且，三个万向调节装置111a、111b、111c都是笔直的，以致它们的轴向均与顶盖112和底座113的中心连线平行。此时，三个万向调节装置111a、111b、111c定义了与顶盖112和底座113同轴的容置空间。该容置空间适于容纳和限定第二可弯曲部分120的一部分。

在工作状态下，驱动机构300将向近端轴1111a施加驱动力，驱动力通过第一万向联轴器1112a传递至中间轴1111b，接着又通过第二万向联轴器1112b传递至远端轴1111c。若驱动机构300向三个万向调节装置111a、111b、111c施加相同的驱动力，可实现顶盖的轴向平移，即，一个自由度的平移运动(参见图1的箭头A-A’)。若驱动机构300向三个万向调节装置111a、111b、111c施加不同的驱动力，三个万向调节装置111a、111b、111c中的万向联轴器将会产生不同程度的转动，使得第一可弯曲部分整体朝向被施加驱动力较小的万向调节装置侧弯曲，并且万向调节装置之间受到的驱动力差异越大，弯曲程度越大。因此，通过控制驱动机构300向三个万向调节装置111a、111b、111c分别施加不同的驱动力，可以使得顶盖112朝不同侧方弯曲，并且具有不同的弯曲度，如图5所示，即，实现顶盖112在相互垂直的两个弯曲自由度的运动(参见图1的箭头B和C)。在驱动机构300的驱动下，三个万向调节装置111a、111b、111c的平移和弯曲的组合实现顶盖112的全向弯曲运动。由此可见，第一可弯曲部分的三个万向调节装置实现了第一可弯曲部分的全向弯曲。虽然采用三个万向调节装置便可以实现第一可弯曲部分的全向弯曲，但是本领域技术人员可以理解的是，根据实际应用还可以采用三个以上的万向调节装置。

在本实施例中，第一可弯曲部分的所有部件可能都由刚性材料构成，因此，第一可弯曲部分可以视为一个刚性体，其在外科手术操作过程中承受大的负载。

图6-7展示了带有夹持装置200的第二可弯曲部分。该第二可弯曲部分适于接收在第一可弯曲部分的容置空间中，包括沿第二可弯曲部分的轴心延伸的外柔性管121、中间柔性管122和内柔性管123。外柔性管121套接在中间柔性管122的外部，中间柔性管122可以相对外柔性管121滑动配合的方式使得中间柔性管122的一部分收缩进或伸展出外柔性管121。类似地，中间柔性管122套接在内柔性管123的外部，内柔性管123可以相对中间柔性管122滑动配合的方式使得内柔性管123的一部分收缩进或伸展出外柔性管121。

外柔性管121的远端设置有固定件124，在顶盖112的中心位置，例如，第一引导孔1122的内壁，设置有与固定件124相匹配的另一固定件，外柔性管121的远端通过这两个固定件的配合固定连接至顶盖112。这两个固定件可以是本领域已知的任何合适类型的固定件。中间柔性管122适于伸出第一引导孔1122。内柔性管123的靠近其远端的一部分始终伸出第一引导孔1122，并且内柔性管123的远端连接至夹持装置200。外柔性管121、中间柔性管122和内柔性管123的近端均穿过第二引导孔1132。

中间柔性管122和内柔性管123连接至驱动机构300。中间柔性管122适于在驱动机构300的驱动下旋转，并且使中间柔性管122靠近其远端的一部分向外伸展或向内收缩。内柔性管123适于在驱动机构300的驱动下旋转，并且使内柔性123管靠近其远端的一部分向外伸展或向内收缩。

在本实施中，外柔性管121和内柔性管123在默认状态下是笔直的，而中间柔性管122是预弯柔性管，其在默认状态下是弯曲的，即，中间柔性管122在无外力作用时呈现具有预定弯曲度的弯曲形状，在有外力作用时可呈现笔直形状。图8展示了中间柔性管122的其中三种可能状态，例如，默认地朝左侧弯曲、在外力作用下保持笔直、通过选择180度而朝右侧弯曲。在本实施例中，内柔性管123的刚度设置为小于内柔性管的刚度，因此，当中间柔性管122弯曲时，内柔性管123也贴合中间柔性管122弯曲。

在本实施中，外柔性管121的刚度大于中间柔性管122的刚度，因此，在第二可弯曲部分的柔性管中，外柔性管121的刚度最大，中间柔性管122的刚度次之，内柔性管123的刚度最小。外柔性管121固定在第一可弯曲部分110中，并且限制在第一可弯曲部分110的容置空间中。在初始状态，第一可弯曲部分110保持笔直形状，外柔性管也将保持笔直形状，而当第一可弯曲部分110被驱动成弯曲形状时，外柔性管121将被动地贴合第一可弯曲部分110的弯曲形状。中间柔性管122作为预弯管，尽管默认形状是以预定弯曲度弯曲的，但是中间柔性管的刚性度小于外柔性管121的刚度，当其插入外柔性管中时，其形状被动地贴合外柔性管121的形状，而当其从外柔性管中伸出时，其具有恢复默认形状的趋势，伸出外柔性管121的中间柔性管122可以呈现默认的弯曲形状。并且，通过转动中间柔性管122，中间柔性管122的末端可以相应转动从而到达不同的位置。因此通过改变中间柔性管122和外柔性管121之间的平移关系和转动关系，可实现中间柔性管122的末端在相互垂直的两个弯曲自由度的运动(参见图1的箭头D和E)，从而实现中间柔性管122的全向弯曲。对于内柔性管123，尽管其默认形状是笔直的，但是其刚度小于中间柔性管的刚度，当其插入中间柔性管122中时，其形状被动地贴合中间柔性管122的形状。此外，通过改变内柔性管123和中间柔性管122之间的平移关系，连接至内柔性管123的远端的执行工具可以实现一个自由度的平移运动(参见图1的箭头F-F’)，并且通过转动内柔性管从而带动执行工具转动(参见图1的箭头G)，夹持装置200可以不同角度姿态执行任务。

虽然在本实施中第二可弯曲部分由三个柔性管构成，本领域技术人员可以理解的是，根据实际应用，第二可弯曲部分由三个以上柔性管构成，特别地，设置两个或两个以上中间柔性管，这些中间柔性管可以具有不同的弯曲度。

上述外科手术操作臂通过采用多个并联的万向调节装置和多个串联套接的柔性管的串并联混合模式，在保持外科手术操作臂刚性的同时保证高灵活性。在外科手术操作过程中，第一可弯曲部分可以承担主要的、大的负载，而第二可弯曲部分可以承担次要的、小的负载，从而提高了外科手术操作臂可靠性。并且，第一可弯曲部分和第二可弯曲部分都可以独立地实现全向弯曲运动。通过第一可弯曲部分的全向弯曲运动和第二可弯曲部分的全向弯曲运动的组合，可以使得外科手术操作臂可以更加灵活，夹持装置具有更大的可工作空间。

图9展示了夹持装置200的结构示意图。夹持装置200包括转轴201a、201b、201c和201d、连杆202a和202b、第一夹持部件203a和第二夹持部件203b。连杆202a和202b通过转轴201a铰接在一起，连杆202a和202b分别通过转轴201b和201c铰接至第二夹持部件203b和第一夹持部件203a，第一夹持部件203a和第二夹持部件203b通过转轴201d铰接在一起，从而连杆202a和202b、第一夹持部件203a和第二夹持部件203b构成菱形活动机构。菱形活动机构的形变促使第一夹持部件203a和第二夹持部件203b相互闭合或分开(参见图1的箭头H-H’)。

在本实施例中，第二可弯曲部分123还包括可滑动地设置在内柔性管123中的柔性轴210。柔性轴210的远端连接至转轴201a，柔性轴210的近端连接至驱动机构300。当驱动机构300施加驱动力收缩柔性轴210时，第一夹持部件203a和第二夹持部件203b相互闭合，而当驱动机构300施加驱动力伸展柔性轴210时，第一夹持部件203a和第二夹持部件203b相互分开。因此，通过控制柔性轴210，可实现夹持装置200在打开状态和闭合状态之间的切换。

在本实施例中，第二可弯曲部分123的远端连接的是夹持装置200，在其他实施例中，第二可弯曲部分123的远端可能连接激光发射装置、组织采集装置等其他任何合适类型的执行工具，以满足各种应用场景的需要。

图10A-10C展示了根据本实施例的外科手术操作臂的三种工作状态。在图10A中，第一可弯曲部分向左侧弯曲，第二可弯曲部分的外柔性管贴合第一可弯曲部分也向左侧弯曲，中间柔性管基本收缩在外柔性管中，内柔性管和中间柔性管贴合外柔性管的弯曲形状，此时，夹持装置朝向左上方。在图10B中，与图10A不同的时，中间柔性管的一部分从外柔性管伸出，从外柔性管伸出的这部分中间柔性管呈现默认的弯曲形状(在这种情况下为向左侧以更大弯曲度弯曲)，此时，夹持装置朝向左下方。在图10C中，与图10B不同的是，中间柔性管被转动了180度，虽然中间柔性管仍然保持默认的弯曲形状，但是中间柔性的末端的方位发生了变化，此时，夹持装置大致朝向正上方。

在本实施例中，第一可弯曲部分的三个万向调节装置、第二可弯曲部分的中间柔性管、内柔性管和柔性轴都可以由驱动机构300中的多个电动机分别控制。例如，由三个电动机分别控制三个万向调节装置的近端轴的平移，由两个电动机分别控制中间柔性管的平移和旋转，由两个电动机分别控制内柔性管的平移和旋转，由两个电动机分别控制柔性轴的平移和旋转。

上述外科手术操作臂，在包括第一可弯曲部分和第二可弯曲部分的弯曲臂中不存在电动机，电动机设置在位于上述外科手术操作臂的近端的驱动机构中，因此可以有效地缩小要伸入患者体内的弯曲臂的体积，从而将患者身体上的切口最小化。

图11展示了根据本发明的一个实施例的外科手术操作系统的结构示意图。该外科手术操作系统可能包括两个上述外科手术操作臂、摄像装置500、工作站700和控制台800。外科手术操作臂和摄像装置500的近端集成在保护套600中，从图11可以看到从保护套伸出的弯曲臂100、夹持装置200和摄像装置500。两个外科手术操作臂相互配合以执行外科手术操作。摄像装置500用于采集患者手术部位的图像信息。工作站700用于接收和解析来自控制台800的控制命令，并将解析后的控制命令传送至外科手术操作臂和摄像装置500，并且还用于接收和处理摄像装置500采集的图像信息以及外科手术操作臂的状态信息。控制台800用于接收用户输入，产生控制命令发送至工作站700。控制台800可能包括操作杆810和监视器820。操作者，例如，手术医生通过控制操作杆810向控制台800中的处理器输入控制指令，处理器接收控制指令产生相应控制命令并且传送到工作站700，工作站700接收和解析控制命令并且将解析后的控制命令传送至外科手术操作臂，外科手术操作臂根据解析后的控制命令执行相应的动作。监视器820用于显示从工作站700接收的图像信息以及外科手术操作臂的状态信息。

在本实施例中，外科手术操作系统的工作端包括两个外科手术操作臂和摄像装置，本领域技术人员可以理解的是，根据实际应用，可以采用任何合适数量的外科手术操作臂，以及任何合适类型的手术辅助装置。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种外科手术操作臂，包括位于操作端的驱动机构、位于工作端的执行工具、以及连接所述驱动机构和所述执行工具的可弯曲臂，其特征在于，所述可弯曲臂包括：

第一可弯曲部分，包括顶盖、适于与所述顶盖同轴设置的底座、以及从所述顶盖向所述底座延伸并且并联分布的三个或三个以上万向调节装置，所述三个或三个以上万向调节装置适于定义与所述顶盖和所述底座同轴的容置空间，每个所述万向调节装置包括多个轴，所述多个轴中的相邻两个轴之间通过万向联轴器彼此联接，所述多个轴包括近端轴和远端轴，所述远端轴的末端连接至所述顶盖，所述近端轴的末端穿过开设在所述底座上的通孔并且连接至所述驱动机构，使得所述近端轴的至少一部分伸出所述底座，所述近端轴适于在所述驱动机构的驱动下可滑动地穿过所述通孔执行直线往复运动；

第二可弯曲部分，适于被接收在所述容置空间中，所述第二可弯曲部分包括沿所述第二可弯曲部分的轴心延伸并且相互套接的多个柔性管，在所述多个柔性管中靠近所述轴心的柔性管适于收缩进或伸展出远离所述轴心的柔性管，所述多个柔性管由内向外包括内柔性管、至少一个中间柔性管、以及外柔性管；

其中，在所述顶盖的中心位置开设有第一引导孔，在所述底座的中心位置开设有第二引导孔，所述外柔性管的远端固定连接至所述顶盖，所述内柔性管的远端穿过所述第一引导孔并且连接至所述执行工具，每个所述中间柔性管靠近所述中间柔性管的远端的一部分适于伸出所述第一引导孔，所述外柔性管、所述内柔性管和每个所述中间柔性管的近端均穿过所述第二引导孔，并且所述内柔性管和每个所述中间柔性管连接至所述驱动机构；

每个所述中间柔性管适于在所述驱动机构的驱动下旋转，并且使所述中间柔性管靠近所述中间柔性管的远端的一部分向外伸展或向内收缩；

所述内柔性管适于在所述驱动机构的驱动下旋转，并且使所述内柔性管靠近所述内柔性管的远端的一部分向外伸展或向内收缩。

2.根据权利要求1所述的外科手术操作臂，其特征在于，所述外柔性管适于随所述第一可弯曲部分的弯曲而弯曲，并且与所述第一可弯曲部分保持基本相同的形状。

3.根据权利要求1所述的外科手术操作臂，其特征在于，至少一个所述中间柔性管为预弯柔性管，所述预弯柔性管适于在无外力作用时呈现具有预定弯曲度的弯曲形状，并且在有外力作用时可呈现笔直形状。

4.根据权利要求3所述的外科手术操作臂，其特征在于，所述多个柔性管的刚度分别设置为由外向内逐渐递减。

5.根据权利要求4所述的外科手术操作臂，其特征在于，所述中间柔性管收缩进所述外柔性管的部分具有与所述外柔性管相同的形状，所述中间柔性管伸出所述外柔性管的部分具有恢复预定弯曲度的趋势。

6.根据权利要求1所述的外科手术操作臂，其特征在于，所述驱动机构包括多个电动机，所述多个电极配置为分别向所述三个或三个以上万向调节装置各自的近端轴、所述至少一个中间柔性管和所述内柔性管施加驱动力。

7.根据权利要求6所述的外科手术操作臂，其特征在于，还包括控制器，所述控制器电性连接至所述多个电动机，并且配置为控制所述多个电动机的运行。

8.根据权利要求1所述的外科手术操作臂，其特征在于，所述执行工具为适于在打开状态和闭合状态之间切换的夹持装置，所述第二可弯曲部分还包括柔性轴，所述柔性轴可滑动地设置在所述内柔性管中，所述柔性轴的远端连接至所述夹持装置，所述柔性轴的近端连接至所述驱动机构，所述柔性轴适于在所述驱动机构的驱动下控制所述夹持装置在所述打开状态和所述闭合状态之间切换。

9.根据权利要求8所述的外科手术操作臂，其特征在于，所述驱动机构适于收缩所述柔性轴，以致所述夹持装置切换至所述闭合状态，并且所述驱动机构适于伸展所述柔性轴，以致所述夹持装置切换至所述打开装置。

10.一种外科手术操作系统，其特征在于，包括：

至少一个根据权利要求1-9中任何一项所述的外科手术操作臂，配置为执行外科手术操作；

摄像装置，配置为采集患者手术部位的图像信息；

工作站，配置为接收和解析控制命令，并将解析后的所述控制命令传送至所述至少一个外科手术操作臂和所述摄像装置，并且还配置为接收和处理所述摄像装置采集的图像信息以及所述外科手术操作臂的状态信息；以及

控制台，配置为接收用户输入，产生所述控制命令发送至所述工作站，所述控制台包括监视器，所述监视器适于显示从所述工作站接收的所述图像信息以及所述外科手术操作臂的状态信息。