CN109464192B - 一种三维控弯的机械臂 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种三维控弯的机械臂，包括：远端工具、近端控制器及位于远端工具及近端控制器之间的传输系统；其中所述近端控制器的三维运动通过传输系统传输至所述远端工具，使得所述远端工具重现所述近端控制器的三维运动；所述三维控弯的机械臂近端的旋转角度与其远端的旋转角度成比例，该比例位于0.1至10之间。所述三维控弯的机械臂采用机械式控弯，机械臂近端的三维运动直接映射到远端的三维运动，只需单手操作，手感反馈强，操作简单，结构简单、紧凑，无需电源和通信网络，成本低。并且本申请的三维控弯的机械臂远端工具的控弯操作顺畅、转动稳定、定位精确快速，可旋转角度大，可灵活地调节远端进行三维旋转弯曲。

Description

一种三维控弯的机械臂

技术领域

本申请涉及一种三维控弯的机械臂，具体地，涉及一种可将近端的三维运动传递至位于远端的远端工具，使得所述远端工具进行与近端三维运动相应的三维运动。

背景技术

随着医学、控制及计算机技术的发展，微创外科手术的应用越来越广泛，这种手术创口小，恢复快，受到广大医生及患者的欢迎。目前微创外科手术器械主要包括机器人辅助的微创外科手术系统，例如达芬奇手术机器人，手术机器人利用计算机、大数据处理等智能技术，将主机器人的操作的数据传送到从机器人，从机器人接收到数据后转换为与主机器人的操作对应的操作，从而实现在机器远端模仿人进行准确而精密的手术操作，机器远端定位灵活，并可以由医生远程进行手术。但手术机器人需要对数据进行复杂的处理和传输，极大程度依靠网络进行数据传输，成本高，而且医生操作时没有手感反馈，需要经过专门培训。

现有技术中也有机械式的微创手术器械，通常包括一个较长的杆部，穿过患者皮肤，杆部的近端连接手柄，远端连接工具端，手柄与工具端之间连接有钢丝绳，医生通过操作手柄，通过钢丝绳控制远端工具的弯曲。这种机械式的微创手术器械，或称之为机械臂，相对于手术机器人成本低很多，操作时具有手感反馈，操作者基本不需要专门培训，上手快。但现有技术中的机械式微创手术器械对远端的调整角度单一，仅能在单一方向或两个方向上调整，无法进行多维度连续调整。有些机械臂为了实现远端的多维度调节，需要配置复杂的钢丝绳、滑轮或齿轮等，在调整时各部件容易互相影响导致远端工具发生卡顿、调整不到位等现象。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有独特结构设计的三维控弯的机械臂，可顺畅地调整远端工具的角度，实现360°旋转弯曲。

根据本申请，提供一种三维控弯的机械臂，包括：远端工具、近端控制器及位于远端工具及近端控制器之间的传输系统；其中所述近端控制器的三维运动通过传输系统传输至所述远端工具，使得所述远端工具重现所述近端控制器的三维运动。

进一步，所述三维控弯的机械臂近端的旋转角度与其远端的旋转角度成比例，该比例位于0.1至10之间。

优选地，所述比例为1、2、3，更优选地为3，即三维控弯的机械臂近端旋转10°，远端在对应的方向上旋转30°。

在一个实施方式中，所述传输系统包括固定框架，其中近端控制器与所述固定框架的近端连接，所述远端工具与所述固定框架的远端连接。

所述固定框架通过至少两个铰链带与近端控制器连接，其中铰链带的第一端固定连接在所述近端控制器的前端，所述铰链带的第二端枢转连接在固定框架上。

进一步，所述远端工具包括具有近端和远端的杆部及远端执行器，所述杆部近端固定在固定框架上，杆部远端与所述远端执行器连接，所述杆部远端为可三维弯曲的柔性段。

进一步，铰链带的数量为两个，可以设置三个、四个或更多个。

优选地，所述铰链带的数量为两个，所述两个铰链带的第一端彼此正交地固定在所述近端控制器的前端，例如，其中一个铰链带安装在近端控制器的远端上侧，另一个铰链带布置在近端控制器的远端的左侧或右侧。

进一步，每个铰链带的所述第二端与一个枢转连接件连接，所述枢转连接件可枢转转动地安装在固定框架上，从而铰链带的第二端可相对于固定框架枢转转动。

在一个实施方式中，每个所述枢转连接件与两根钢丝的近端连接，与一个铰链带通过一个枢转连接件相连的两个钢丝为一组钢丝，一组钢丝的远端延伸并在第一方向上固定在杆部远端的相对侧，另一组钢丝在与所述第一方向垂直的第二方向上相对设置在杆部远端的相对侧；其中一个铰链带的第二端的倾斜运动带动与该铰链相连的所述枢转连接件旋转，进而带动与该所述枢转连接件连接的一组钢丝的相对运动，使得一组钢丝控制杆部远端在第一方向、或第二方向上弯曲；当两个铰链带均发生倾斜运动时，两组钢丝均发生相对运动时，最终杆部远端受两个弯曲力的共同作用而在第一方向和第二方向之间的方向上弯曲。

具体地，所述铰链带为长条片状，具有上表面、下表面及纵轴，所述纵轴及垂直于其上下表面的方向确定的平面为卷曲平面，所述铰链带在所述卷曲平面内的任意方向上可弯曲，在非卷曲平面内的方向是刚性的，使得所述铰链带与近端控制器前端相连的第一端在非卷曲平面内的方向上的任何倾斜运动可传递至第二端使得所述第二端进行相应的倾斜运动，铰链带的第二端的倾斜运动带动与该铰链带相连的所述枢转连接件枢转，所述枢转连接件的枢转带动与其相连的两个钢丝产生相对运动，使得所述杆部远端发生相应的弯曲。

进一步，所述枢转连接件包括旋转固定在固定框架上的转盘、与所述转盘固定连接的连接端、与转盘固定连接的转动件、与转动件枢转连接的钢丝固定臂，所述钢丝固定臂通过转动件上的枢转轴与转动件连接；所述铰链带的第二端与所述枢转连接件的连接端所述连接端固定连接；所述钢丝固定臂上设置沿着其纵轴的滑动槽，固定穿线块穿过所述滑动槽与固定框架固定连接，所述固定穿线块中设置供所述钢丝滑动穿过的槽；所述转动件包括与所述固定框架枢转连接的连接件；所述钢丝穿过固定穿线块中的槽，所述钢丝的近端固定连接在钢丝固定臂的近端；所述转盘的连接端与铰链带的第二端固定连接，铰链带的第二端的倾斜运动带动转盘发生旋转，转盘的旋转带动转动件枢转，转动件枢转带动与之相连的两个钢丝固定臂跟着旋转，固定在一对钢丝固定臂近端的一对钢丝的近端发生相对运动，一对钢丝在彼此的固定穿线块的槽中发生相对方向的滑动，带动杆部远端进行弯曲。

由于固定穿线块和滑动槽的限制，限定了钢丝固定臂的弯曲最大角度，一组钢丝固定臂弯曲到最大角度时，其中一个固定臂的滑动槽的近端与固定穿线块接触，另一个固定臂的滑动槽的远端与固定穿线块接触。

在一个具体的实施方式中，所述转动件为等腰三角形，其中与所述钢丝固定臂枢转连接的所述枢转轴设置在等腰三角形的两个底角处，与所述固定框架枢转连接的连接件设置在等腰三角形的顶角处。

在一个具体实施方式中，所述杆部远端为蛇形关节段，所述蛇形关节段包括多个收尾相连的万向片。蛇形关节段可三维弯曲或转动，所述两组钢丝与所述蛇形关节段滑动连接，并且所述钢丝的远端与蛇形关节段远端固定连接，从而每组钢丝的相对运动带动蛇形关节段弯曲。

在一个实施方式中，所述机械臂的所述蛇形关节段具有两节万向片，所述机械臂近端旋转角度与远端旋转角度为1:3；一对钢丝在远端的相对距离与该对钢丝在近端钢丝固定臂处的相对距离之比为1:2；两节万向片之间的轴向距离与钢丝固定臂的枢转轴离滑动槽中心的距离之比为1：2。

在一个实施方式中，所述机械臂的所述蛇形关节段具有两节万向片，所述机械臂近端旋转角度与远端旋转角度为1:3；一对钢丝在远端的相对距离与该对钢丝在近端钢丝固定臂处的相对距离之比为1:2；两节万向片之间的轴向距离与钢丝固定臂的枢转轴离滑动槽中心的距离之比为1：2。

在另一个实施方式中，所述机械臂的所述蛇形关节段具有三节万向片，所述机械臂近端旋转角度与远端旋转角度为1:3；一对钢丝在远端的相对距离与该对钢丝在近端钢丝固定臂处的相对距离之比为1:3；两节万向片之间的轴向距离与钢丝固定臂的枢转轴离滑动槽中心的距离之比为1：3。

进一步，通过设置钢丝固定臂上滑动槽的长短设置机械臂近端最大的旋转角度，进而设置机械臂远端的最大旋转角度。

进一步，所述近端控制器为棒状的手持操作件，适合单手手握持。

备选地，所述近端控制器为棒状的手持操作件，适合双手操纵。

备选地，所述近端控制器为套在手指上环状或指套状。

在一个具体实施方式中，所述固定框架的近端设置手腕连接件，所述手腕连接件供操作者的手穿过以握持所述近端控制器。

在一个具体实施方式中，所述固定框架整体为U形或半圆形。

在一个具体实施方式中，所述钢丝固定臂上设置钢丝紧固调整件，用于调整每根钢丝的张紧度，从而对杆部远端的初始角度进行调整。

进一步，该钢丝紧固调整件包括位于钢丝固定臂近端的调整螺母及紧固螺钉，紧固螺钉松开时可通过旋转所述调整螺母调整钢丝的张紧度，调整完毕后再次锁紧紧固螺钉将钢丝锁紧。

具体的，本申请的三维控弯机械臂可用于医疗领域中，例如用于微创手术中，远端工具通过体表的穿孔放置到患者体内，例如腹腔中，近端控制器位于患者体外由操作者操作，操作者手部的三维运动传递至位于患者体内的远端工具，使得所述远端工具进行与操作者手部相应的三维运动，即远端工具在体内重现操作者的手部动作。通过近端控制器控制远端工具对组织进行剪、切操作，或者夹持缝合针穿过组织，进行打结等操作。

进一步，所述杆部除杆部远端之外区域为刚性，用于穿过患者体表进入患者体内，将远端执行器定位到目标组织区域。所述远端执行器具体为钳夹、持针器、剪刀、活检器、牵开器或钻头等。用于固定/夹持并操纵位于体内的目标物，例如缝针，缝线、组织，组织夹等，通常配合腹腔镜/内窥镜可视地进行缝合、切割、烧灼、结扎等手术操作。

进一步，所述远端工具为钳夹，此时近端控制器中还设置控制钳夹打开、关闭的控制件。

另外，本申请的三维控弯机械臂可用于操作者不宜暴露于其中的环境中，例如太空、有毒气体释放的空间。例如在太空中，宇航员可通过三维控弯机械臂在太空舱内对舱外的物体进行操作，例如太空取样、标记等操作。

本申请的所述三维控弯的机械臂采用机械式控弯，机械臂近端的三维运动直接映射到远端的三维运动，只需单手操作，手感反馈强，操作简单，结构简单、紧凑，无需电源和通信网络，成本低。并且本申请的三维控弯的机械臂远端工具的控弯操作顺畅、转动稳定、定位精确快速，可旋转角度大，可灵活地调节远端进行三维旋转弯曲。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为根据本申请的三维控弯的机械臂的原理示意图；

图2a为根据本申请的三维控弯的机械臂的近端控制器与传输系统的连接结构示意图；

图2b为2a的示意图被旋转90°结构示意图；

图2c为根据本申请的机械臂的近端控制器的局部放大图；

图3a为根据本申请的机械臂的局部剖视图，其中示出枢转连接件上设置的钢丝紧固调整件；

图3b为图3a中钢丝紧固调整件中固定件与钢丝连接的示意图；

图4a为本申请机械臂的局部示意图，其中示出的一对钢丝处于未弯曲状态，图右侧并示出D-D方向的局部示意图；

图4b为4a的机械臂的局部示意图，其中示出的一对钢丝处于弯曲状态，图右侧并示出D-D方向的局部示意图；

图5a为本申请机械臂的远端结构示意图，其中示出的一对钢丝处于弯曲状态；

图5b为图5a的机械臂的远端横截面视图；

图5c为图5b箭头所示的剖视图；

图6a至6c为根据本申请的机械臂近端与远端尺寸对应关系图，其中远端具有两节万向片；

图7a至7c为根据本申请的机械臂近端与远端尺寸对应关系图，其中远端具有三节万向片。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或示出”。本文中描述为“示例性”的任何实现不必然被解释为优于或胜过其他实现。并且，本文中“近端”、“近侧”、“后”指靠近操作者的一端，“远端”、“远侧”、“前”指远离操作者的一端，整个装置呈水平放置。

为简明起见，以远端钳夹为例来说明本申请的三维控弯的机械臂，本领域技术人员可以理解，本申请的三维控弯的机械臂不局限于控制远端钳夹，同样适用于其他器械。

参见附图1，根据本申请的三维控弯的机械臂，包括远端工具A、近端控制器C及位于远端工具A及近端控制器C之间的传输系统B；其中所述近端控制器A的三维运动通过传输系统B传输至所述远端工具A，使得所述远端工具A重现所述近端控制器C的三维运动。

参见图2a至2c，示出近端控制器C与传输系统B的连接示意图，所述近端控制器C为棒状的手持操作件6，适合单手手握持，根据实际控制可以采用其他适合的操控器，比如双手操纵的器械，或套在手指上环状或指套状。

具体地，根据本申请的三维控弯的机械臂，传输系统B包括固定框架1，其中近端控制器C与固定框架1的近端连接，远端工具A与固定框架1的远端连接。

继续参见图2a至2c，所述固定框架1通过至少两个铰链带5与手持操作件6连接，其中铰链带5的第一端固定连接在所述手持操作件6的前端，所述铰链带的第二端枢转连接在固定框架1上。

在一个具体实施方式中，本申请铰链带为手表带的结构，包括多个彼此首尾相连的刚性的矩形块，矩形块之间枢轴转动连接。

参见附图3a-5a，远端工具A包括具有近端和远端的杆部2及远端执行器，所述杆部2近端固定在固定框架1上，杆部2的远端，即杆部远端4与所述远端执行器连接，所述杆部远端4为可三维弯曲的柔性段(参见附图4b、5a)。

由于固定框架1的远端与杆部2连接，因而可通过移动框架1可带动杆部2移动、转动，由于手持操作件6通过软的铰链带5与框架连接，框架1的移动可不影响手持操作件6。在操作时，一只手控制手持操作件6，另一只手操作移动框架1，将移动框架1带动杆部到达目标区域后，再通过操作手持操作件6对目标物体进行进一步操作，例如夹持、缝合、取样等。

在一个具体实施方式中，固定框架1的近端连接手腕连接件，操作者的手穿过所述手腕连接件以握持所述手持操作件6。

在一个具体实施方式中，所述固定框架1整体为U形，不影响操作者的对手持操作件6的操作，也可以采用半圆形或其他形状。

下面对本申请的三维控弯的结构进行详细描述。

参见附图2a至2c，铰链带5的数量为两个，可以设置三个、四个或更多个，作为示意性的，附图所示的实施例中铰链带为两个。参见附图2c，所述两个铰链带5的第一端彼此正交地固定在所述手持操作件6的前端，例如，其中一个铰链带安装在手持操作件6的远端上侧，另一个铰链带布置在手持操作件6的远端的左侧或右侧。

参见附图2b、2c，每个铰链带5的第二端与一个枢转连接件7连接，所述枢转连接件7可枢转转动地安装在固定框架1上，从而铰链带5的第二端可相对于固定框架1枢转转动。

参见附图2c-4b，每个枢转连接件7与两根钢丝8的近端连接，与一个铰链带5通过一个枢转连接件7相连的两个钢丝为一组钢丝，一组钢丝8的远端延伸并在第一方向上固定在杆部远端4的相对侧，另一组钢丝在与所述第一方向垂直的第二方向上相对设置在杆部远端的相对侧。其中一个铰链带的第二端的倾斜运动带动与该铰链相连的所述枢转连接件7旋转，进而带动与该所述枢转连接件7连接的一组钢丝8的相对运动，由于杆部远端4为可三维弯曲的柔性段，使得一组钢丝控制杆部远端4在第一方向、或第二方向上弯曲。当两个铰链带5均发生倾斜运动时，两组钢丝8均发生相对运动时，最终杆部远端受两个弯曲力的共同作用而在第一方向和第二方向之间的方向上弯曲。参见附图5b、5c，一组钢丝8设置在杆部远端的上下两侧，而另一组钢丝设置在杆部远端的左右两侧，由此，一组钢丝8控制杆部远端4进行上下方向的弯曲运动，另一组钢丝8控制杆部远端4进行左右方向弯曲运动。

参见附图2a至2c,所述铰链带5为长条片状，具有上表面、下表面及纵轴，所述纵轴及垂直于其上下表面的方向确定的平面为卷曲平面，所述铰链带5在所述卷曲平面内的任意方向上可弯曲，在非卷曲平面内的方向是刚性的，使得所述铰链带与手持操作件6前端相连的第一端在非卷曲平面内的方向上的任何倾斜运动可传递至第二端使得所述第二端进行相应的倾斜运动，铰链带5的第二端的倾斜运动带动与该铰链带相连的所述枢转连接件枢转，所述枢转连接件的枢转带动与其相连的两个钢丝产生相对运动，使得所述杆部远端4发生相应的弯曲。

进一步参见图2a，所述手持操作件6为具有纵轴的棒状结构，在操作期间，棒状的手持操作件6由操作者的一只手握持，使手持操作件6的前端位于手指前方，即铰链带的第一端位于操作者的手指前端。在一个具体实施方式中，两个铰链带5的第一端垂直于所述手持操作件6的纵轴布置在手持操作件的前端，并且如上所述两个第一端彼此垂直。

当手持操作件6在其纵轴上移动时，两个铰链带在垂直于其上下表面的方向上发生弯曲或伸直，而两个铰链带5的第一端均保持与手持操作件6的纵轴垂直的状态，因此不会使得任何一个铰链带的第一端发生倾斜运动，相应地所述铰链带的第二端也不会发生倾斜运动，所述枢转连接件7不发生枢转，与一个枢转连接件7连接的一组钢丝8不发生相对运动，杆部远端4不发生弯曲运动。

当手持操作件6的前端发生任何与其纵轴成角度的运动时，均可分解成沿着其纵轴方向的运动和在垂直于其纵轴的平面上的倾斜运动，这种倾斜运动均会引起至少一个铰链带的第一端发生倾斜运动，进而带动杆部远端发生相应的弯曲，参见图4b、5a。具体地，手持操作件6前端在何方向的倾斜运动均可分解成两个互相垂直的铰链带的第一端的倾斜运动，每个铰链带5的倾斜运动带动与其相连的一组钢丝8的相对运动，进而引起杆部远端4在这组钢丝放置的方向上的弯曲，两组钢丝的相对运动带动杆部远端在相互垂直的两个方向弯曲，组合成最终的弯曲方向。

因此，操作者操纵手持操作件6时，手持操作件6的前端进行的任何倾斜运动均映射到杆部远端4，杆部远端4重复该倾斜运动，手持操作件6前端的旋转也能传递至杆部远端4使其发生相应的旋转。与所述杆部远端4连接的远端执行器重现手持操作件6前端倾斜运动，从而实现模仿操作者手腕动作，进行相应的弯曲、旋转，参见图4b。因此操作者可直观、自然地控制远端工具灵活地进行转向、摆动、旋转等动作。可直接对远端物体进行操作，这种驱动方式直观、具有反馈感强、符合人体工程学。

杆部远端4的弯曲角度与手持操作件6的倾斜角度对应的比例大小可根据需要进行具体设置。即枢转连接件7的旋转角度与杆部远端4的弯曲角度的大小比例关系可以具体设置。该比例例如为0.1至10，优选为1、2、3，更优选地为3，即枢转连接件7在某方向上旋转10°，带动远端工具在对应的方向上旋转30°。

由于人体手腕的解剖结构的限制，为了实现远端工具的360°三维弯曲，本申请将近端控制器弯曲角度与远端工具的弯曲角度比例关系设置为1:3，通过实际操作，在该比例下，近端控制器的运动可顺畅地传递至远端工具，不会发生卡顿、钢丝脱轨等现象。

具体地，参见附图2c-3b，所述枢转连接件7包括旋转固定在固定框架1上的转盘71、与所述转盘71固定连接的连接端72、与转盘71固定连接的转动件73、与转动件73枢转连接的钢丝固定臂78。参见附图3b、4a、4b，铰链带5的第二端与枢转连接件7的连接端72固定连接。所述钢丝固定臂78上设置沿着其纵轴的滑动槽77，固定穿线块74穿过所述滑动槽77与固定框架1固定连接，固定穿线块74中设置供钢丝8滑动穿过的槽；转动件73包括与固定框架1枢转连接的连接件731。钢丝8穿过固定穿线块74中的槽，钢丝的近端固定连接在钢丝固定臂78的近端。

在该实施方式中，转动件73大致为等腰三角形，钢丝固定臂78枢转连接在转动件73的两个底角处，所述转盘71的连接端72与铰链带5的第二端固定连接，铰链带5的第二端的倾斜运动带动转盘71发生旋转，转盘71的旋转带动转动件73枢转。参见附图4b，转动件73枢转带动与之相连的两个钢丝固定臂4跟着旋转，固定在一对钢丝固定臂4近端的一对钢丝8的近端发生相对运动，一对钢丝8在彼此的固定穿线块74的槽中发生相对方向的滑动，带动杆部远端进行弯曲。通过转盘71、转动件73、钢丝固定臂4、滑动槽77及固定穿线块74的这种联合配合的设计，可控制钢丝仅在其延伸至杆部远端方向上相对运动，使得角度调整顺畅，不会发生卡顿。

由于固定穿线块74和滑动槽77的限制，限定了钢丝固定臂的弯曲最大角度，此时一对钢丝固定臂78中其中一个固定臂78的滑动槽的近端与固定穿线块74接触，另一个固定臂78的滑动槽77的远端与固定穿线块74接触。此时，机械臂远端的在相应方向上的弯曲也到达最大值。

在一个具体实施方式中，所述钢丝固定臂78上设置钢丝紧固调整件，通过设置所述钢丝紧固调整件，可在调整每根钢丝的张紧度，从而对杆部远端的初始角度进行调整。即在操作手持操作件6之前通过调整钢丝紧固调整件而将远端工具的初始角度朝某方向弯曲，减轻手术中操作。也可以在手术臂例如多次使用后钢丝变松时对钢丝进行张紧复位。

在图2c-3b所示的实施方式中，该钢丝紧固调整件包括位于钢丝固定臂78近端的调整螺母76及紧固螺钉75，紧固螺钉75松开时可通过旋转所述调整螺母76调整钢丝8的张紧度，调整完毕后再次锁紧紧固螺钉75将钢丝8锁紧。

参见附图4a-7c，所述杆部远端4为蛇形关节段，所述蛇形关节段包括多个收尾相连的万向片41。蛇形关节段可三维弯曲或转动，并且在弯曲某角度后可一定程度地保持在该角度。蛇形关节段为现有结构，在此不再敖述。参见附图5a-5c，所述两组钢丝8滑动连接在蛇形关节段，钢丝远端与蛇形关节段远端固定连接，从而每组钢丝的相对运动，即张紧和松弛带动蛇形关节段弯曲。

图6a至6c根据本申请一个实施方式示出机械臂近端与远端尺寸对应关系图，所述蛇形关节段具有两节万向片，机械臂近端的尺寸是远端尺寸的两倍，近端旋转角度与远端旋转角度为1:3。本领域技术人员容易理解，图中所示的尺寸仅仅是示意性的，而并非限制性的。如图6a、6b所示，两节万向片之间的轴向距离为2.2mm，一对钢丝8在远端的相对距离为4.6mm。附图6b的右侧示出机械臂近端与远端尺寸，一对钢丝8在远端的相对距离为4.6mm，一对钢丝8在近端钢丝固定臂处的相对距离为9.2mm，钢丝固定臂远端的枢转轴离滑动槽77中心的距离为4.4mm。可见，机械臂近端与远端尺寸呈两倍几何关系，即近端的尺寸是远端尺寸的两倍。当机械臂近端的一对钢丝固定臂78发生相对运动时，带动一对钢丝发生相对移动，其中一个钢丝固定臂向远端移动，穿过该钢丝固定臂上的滑动槽77的固定穿线块74引导该钢丝固定臂向远端滑动，另外一个钢丝固定臂向近端移动，穿过该钢丝固定臂上的滑动槽77固定穿线块74引导该钢丝固定臂向近端滑动，进而带动远端两个万向片发生旋转，此时近端旋转角度与远端旋转角度为1:3。

通过设置钢丝固定臂上滑动槽的长短可设置机械臂近端最大的旋转角度，进而设置机械臂远端的最大旋转角度。

如附图6c所示，在该实施方式中，钢丝固定臂的枢转轴与滑动槽远端的距离为2.72mm，钢丝固定臂的枢转轴与滑动槽近端的距离为5.94mm，机械臂近端最大的旋转角度为20°，对应机械臂远端最大旋转60°，其中每个万向片旋转30°。机械臂近端旋转到最大角度20°时，穿过一组钢丝固定臂中一个钢丝固定臂上的滑动槽77的固定穿线块74引导该钢丝固定臂向远端滑动直到接触所述滑动槽的近端，另外一个钢丝固定臂上的滑动槽77固定穿线块74引导该钢丝固定臂向近端滑动直到接触滑动槽的远端。

图7a至7c根据本申请另一个实施方式示出机械臂近端与远端尺寸对应关系图，其中远端具有三节万向片，机械臂近端的尺寸是远端尺寸的三倍，近端旋转角度与远端旋转角度为1:3。同样，本领域技术人员容易理解，图中所示的尺寸仅仅是示意性的，而并非限制性的。如图7a、7b所示，每两节万向片之间的轴向距离为2.2mm，三节万向片之间的轴向距离为6.8mm。附图7b的右侧示出机械臂近端与远端尺寸，一对钢丝8在远端的相对距离为4.6mm，，一对钢丝8在近端钢丝固定臂处的相对距离为13.8mm，钢丝固定臂远端的枢转轴离滑动槽77中心的距离为6.6mm。可见，机械臂近端与远端尺寸呈三倍几何关系，即近端的尺寸是远端尺寸的三倍。当机械臂近端的一对钢丝固定臂78发生相对运动时，带动一对钢丝发生相对移动，其中一个钢丝固定臂向远端移动，穿过该钢丝固定臂上的滑动槽77的固定穿线块74引导该钢丝固定臂向远端滑动，另外一个钢丝固定臂向近端移动，穿过该钢丝固定臂上的滑动槽77固定穿线块74引导该钢丝固定臂向近端滑动，进而带动远端三个万向片发生旋转，此时近端旋转角度与远端旋转角度为1:3。

如附图7c所示，在该实施方式中，钢丝固定臂的枢转轴与滑动槽远端的距离为2.8mm，钢丝固定臂的枢转轴与滑动槽近端的距离为9.95mm，机械臂近端最大的旋转角度为30°，对应机械臂远端最大旋转90°，其中每个万向片旋转30°。机械臂近端旋转到最大角度30°时，穿过一组钢丝固定臂中一个钢丝固定臂上的滑动槽77的固定穿线块74引导该钢丝固定臂向远端滑动直到接触所述滑动槽的近端，另外一个钢丝固定臂上的滑动槽77固定穿线块74引导该钢丝固定臂向近端滑动直到接触滑动槽的远端。

本申请的三维控弯机械臂可用于医疗领域中，例如用于微创手术中，远端工具通过体表的穿孔放置到患者体内，例如腹腔中，近端控制器C位于患者体外由操作者操作，操作者手部的三维运动传递至位于患者体内的远端工具A，使得所述远端工具A进行与操作者手部相应的三维运动，即远端工具在体内重现操作者的手部动作。通过近端控制器控制远端工具对组织进行剪、切操作，或者夹持缝合针穿过组织，进行打结等操作。

进一步，所述杆部2除杆部远端4之外区域为刚性，用于穿过患者体表进入患者体内，将远端执行器定位到目标组织区域。所述远端执行器具体为钳夹、持针器、剪刀、活检器、牵开器或钻头等。用于固定/夹持并操纵位于体内的目标物，例如缝针，缝线、组织，组织夹等，通常配合腹腔镜/内窥镜可视地进行缝合、切割、烧灼、结扎等手术操作。

进一步，所述远端工具为钳夹，此时近端控制器C中还设置控制钳夹打开、关闭的控制件。具体地，所述手持操作件6上设置有制动所述远端执行器的控制部件10，该控制部件10例如通过制动线连接至远端执行器，操作者可操作该控制部件10，以控制远端执行器动作。例如远端工具为钳夹时，控制部件可控制活动钳相对于固定钳张开或闭合，用于夹持缝合针，或者对组织进行剪切

在一个实施方式中，所述远端执行器为连接有能量源的器械，例如射频刀头，用于对体内组织进行消融、凝结，例如为电钻，用于对组织进行钻孔。

在一个实施方式中，所述远端执行器与所述杆部远端4为可拆卸式连接，可根据手术需要连接合适的远端工具，例如在需要对体内组织进行活检时，连接剪刀或者活检器，当需要对体内组织进行缝合时，连接持针器，当需要对体内组织进行钻孔时，连接钻头。

另外，本申请的三维控弯机械臂可用于操作者不宜暴露于其中的环境中，例如太空、有毒气体释放的空间。例如在太空中，宇航员可通过三维控弯机械臂在太空舱内对舱外的物体进行操作，例如太空取样、标记等操作。

本申请的铰链带连接的三维控弯机械臂采用机械式控弯，机械臂近端的三维运动直接映射到远端的三维运动，只需单手操作，手感反馈强，操作简单，结构简单、紧凑，无需电源和通信网络，成本低。并且本申请的三维控弯的机械臂远端工具的控弯操作顺畅、转动稳定、定位精确快速，可旋转角度大，可灵活地调节远端进行三维旋转弯曲。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种三维控弯的机械臂，包括：远端工具、近端控制器及位于远端工具及近端控制器之间的传输系统；其中所述近端控制器的三维运动通过传输系统传输至所述远端工具，使得所述远端工具重现所述近端控制器的三维运动；其特征在于，所述三维控弯的机械臂近端的旋转角度与其远端的旋转角度成比例，该比例位于0 .1至10之间；

所述传输系统包括固定框架，其中近端控制器与所述固定框架的近端连接，所述远端工具与所述固定框架的远端连接；

所述固定框架通过至少两个铰链带与近端控制器连接，其中铰链带的第一端固定连接在所述近端控制器的前端，所述铰链带的第二端枢转连接在固定框架上；

所述远端工具包括具有近端和远端的杆部及远端执行器，所述杆部近端固定在固定框架上，杆部远端与所述远端执行器连接，所述杆部远端为可三维弯曲的柔性段；

每个所述铰链带的第二端与一个枢转连接件连接，所述枢转连接件可枢转转动地安装在固定框架上，从而铰链带的第二端可相对于固定框架枢转转动；

每个所述枢转连接件与两根钢丝的近端连接，与一个铰链带通过一个枢转连接件相连的两个钢丝为一组钢丝，一组钢丝的远端延伸并在第一方向上固定在杆部远端的相对侧，另一组钢丝在与所述第一方向垂直的第二方向上相对设置在杆部远端的相对侧；其中一个铰链带的第二端的倾斜运动带动与该铰链相连的所述枢转连接件旋转，进而带动与该所述枢转连接件连接的一组钢丝的相对运动，使得一组钢丝控制杆部远端在第一方向、或第二方向上弯曲；当两个铰链带均发生倾斜运动时，两组钢丝均发生相对运动时，最终杆部远端受两个弯曲力的共同作用而在第一方向和第二方向之间的方向上弯曲；

所述铰链带为长条片状，具有上表面、下表面及纵轴，所述纵轴及垂直于其上下表面的方向确定的平面为卷曲平面，所述铰链带在所述卷曲平面内的任意方向上可弯曲，在非卷曲平面内的方向是刚性的，使得所述铰链带与近端控制器前端相连的第一端在非卷曲平面内的方向上的任何倾斜运动可传递至第二端使得所述第二端进行相应的倾斜运动，铰链带的第二端的倾斜运动带动与该铰链带相连的所述枢转连接件枢转，所述枢转连接件的枢转带动与其相连的两个钢丝产生相对运动，使得所述远端工具发生相应的弯曲。

2.根据权利要求1所述的三维控弯的机械臂，所述比例为2。

3.根据权利要求1所述的三维控弯的机械臂，所述比例为3。

4.根据权利要求1所述的三维控弯的机械臂，所述铰链带的数量为两个，所述两个铰链带的第一端彼此正交地固定在所述近端控制器的前端。