CN111317570A - 形变联动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说是一种形变联动机构，包括近端驱动段、联动形变段、远端执行段和执行机构，联动形变段包括柔性中心骨架、联动连接腱、连接件、近端盘和远端盘，柔性中心骨架近端和联动连接腱近端均固连于近端盘上，联动连接腱远端固连于远端盘上，柔性中心骨架远端穿过远端盘后伸入远端执行段中并与执行机构相连，在联动形变段上设有连接件，近端驱动段设有近端驱动腱，且近端驱动腱穿过近端盘后与连接件固连，远端执行段设有远端驱动腱，且远端驱动腱远端固连于执行机构末端，远端驱动腱近端穿过联动形变段和近端驱动段后伸出。本发明能够实现手术所需的展开空间，不会影响执行机构动作，满足器械形变能力、小尺寸、高负载能力等要求。

Description

形变联动机构
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说是一种形变联动机构。
背景技术
随着科技发展，机器人技术应用越来越广泛，其中将机器人技术应用于医疗外科手术中，可以大大提高手术操作精度和质量，保证手术安全顺利进行，另外也可以改善医生的手术环境，缩短患者的恢复时间。而将机器人技术应用于医疗领域时，如果能够与可在一定空间范围内实现形变的灵巧的微创手术器械相配合，不仅可以扩展微创手术器械的操作范围，达到常规器械在有限手术戳孔下达不到的地方，同时还能够顺应解剖走形，但要实现上述目的，需保证微创手术器械同时具备形变能力、小尺寸、高负载能力等要求，并且还要保证控制精度，现有技术中的机构很难满足上述要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种形变联动机构，利用联动形变段发生形变以实现单孔腔镜术等手术所需的展开空间，并且不会影响远端执行段和执行机构动作，远端执行段和执行机构仍具备高灵活度，能更好地辅助医生完成手术，且整体结构紧凑，满足器械的形变能力、小尺寸、高负载能力等要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种形变联动机构，包括近端驱动段、联动形变段、远端执行段和执行机构，其中联动形变段包括柔性中心骨架、联动连接腱、连接件、近端盘和远端盘，柔性中心骨架近端和联动连接腱近端均固连于所述近端盘上，联动连接腱远端固连于所述远端盘上，柔性中心骨架远端穿过所述远端盘后伸入至所述远端执行段中并与所述执行机构末端的连接盘相连，在联动形变段上设有连接件，所述近端驱动段设有多个近端驱动腱，且所述近端驱动腱穿过所述联动形变段的近端盘后与所述连接件固连，所述远端执行段包括多个远端驱动腱，且所述远端驱动腱远端固连于执行机构末端的连接盘上，所述远端驱动腱近端穿过所述联动形变段和近端驱动段后伸出。
所述联动形变段设有形变段过渡盘，所述远端执行段上设有执行段过渡盘，所述形变段过渡盘和执行段过渡盘上均设有多个通孔。
所述联动形变段上设有密绕弹簧，所述远端驱动腱伸入对应的密绕弹簧后沿着所述密绕弹簧延伸。
所述联动连接腱内部设有延伸通道，远端驱动腱沿着对应联动连接腱内部的延伸通道延伸。
所述柔性中心骨架设有不同旋向的弹簧层，且所述柔性中心骨架内部中空。
所述联动形变段和近端驱动段通过所述连接件连接，且所述近端驱动段、联动形变段和远端执行段外部套设有外骨架。
所述外骨架为过渡盘、槽式外骨架、盘式外骨架、弹簧外骨架、弹簧碟片骨架或波纹管外骨架。
所述外骨架内设有多个通道。
所述执行机构包括旋转座、连接盘、开合推拉杆、开合驱动腱和扭矩鞘管，旋转座可转动地设于连接盘上，且在所述旋转座内设有可移动的开合推拉杆，连接盘与所述柔性中心骨架连接，且在所述柔性中心骨架内设有驱动所述旋转座转动的扭矩鞘管，在所述扭矩鞘管内设有驱动所述开合推拉杆移动的开合驱动腱。
所述旋转座内设有滑槽，且所述滑槽内设有滑块，在所述滑块与所述滑槽的槽底之间设有弹簧，所述开合推拉杆后端与所述滑块相抵，且所述开合驱动腱穿过所述滑块和弹簧后与所述开合推拉杆固连。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明利用联动形变段发生形变以实现单孔腔镜术等手术所需的展开空间，并且不会影响远端执行段和执行机构动作，远端执行段和执行机构仍具备高灵活度，能更好地辅助医生完成手术。
2、本发明整体结构紧凑，且能够实现联动形变段复杂的形态变化，具有抗扭特性，并能够保证形变的刚度，减小运动耦合，能够满足对于器械的形变能力、小尺寸、高负载能力等要求。
3、本发明联动设计实现单孔手术器械在术中的两个自由度方向的展开，并减少手术器械驱动腱的数量，且内部柔性中心骨架具备两个自由度方向上的形变，并且沿轴向不可压缩性特性和绕轴线方向良好的抗扭特性，另外联动形变段可套设不同结构形式的外骨架，使用灵活方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中本发明的局部放大图，
图3为图2中的联动形变段结构示意图，
图4为图3中的联动形变段采用加长连接件时的示意图，
图5为图2中本发明伸直时的示意图，
图6为图5中的局部放大图，
图7为图5中的联动形变段各腱布置示意图，
图8为图2中的柔性中心骨架结构示意图，
图9为本发明的联动形变段设有槽式外骨架时的示意图，
图10为图8中的槽式外骨架示意图，
图11为本发明的联动形变段设有盘式外骨架时的示意图，
图12为图11中的盘式外骨架采用的十字交叉盘示意图，
图13为图11中的盘式外骨架采用的双球面盘示意图，
图14为图11中的盘式外骨架采用的球铰盘示意图，
图15为本发明的联动形变段设有弹簧外骨架时的示意图，
图16为图15中的弹簧外骨架示意图，
图17为本发明的联动形变段设有弹簧碟片骨架时的示意图，
图18为图17中的弹簧碟片骨架采用的蝶形弹簧片示意图，
图19为图17中的弹簧碟片骨架采用的波形弹簧片示意图，
图20为图3中的过渡盘结构示意图，
图21为图1中的执行机构示意图。
图22为本发明的联动形变段设有波纹管外骨架的示意图，
图23为图22中的波纹管外骨架示意图。
其中，1为近端驱动段，101为近端驱动腱，102为外罩，2为联动形变段，201为柔性中心骨架，2011为右旋弹簧，2012为左旋弹簧，2013为端板，202为联动连接腱，203为连接件，204为形变段过渡盘，2041为中轴通孔，2042为腱通孔，2043为过渡通孔，205为近端盘，206为远端盘，207为加强腱，208为密绕弹簧,209为驱动变形部，210为联动变形部，3为远端执行段，301为执行段过渡盘，302为远端驱动腱，4为执行机构，401为连接盘，402为开合驱动腱，403为扭矩鞘管，404为旋转座，405为开合推拉杆，406为连杆组件，407为弹簧，408为滑块，5为槽式外骨架，501为骨架外壁，502为第一腱通道，503为内板，504为第一密绕弹簧通道，505为切槽，506为第一中通道，6为盘式外骨架，601为第一中通孔，602为第一密绕弹簧孔，603为第一腱通孔，604为盘表面，7为弹簧外骨架，701为第二中轴通道，702为第二密绕弹簧通道，703为第二腱通道，8为弹簧碟片骨架，801为第二中通孔，802为第二密绕弹簧孔，803为第二腱通孔，804为碟片锥端，805为波谷，806为波峰，9为波纹管，901为骨架通道，902为通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～21所示，本发明包括近端驱动段1、联动形变段2和远端执行段3，其中所述联动形变段2包括柔性中心骨架201、联动连接腱202、连接件203、近端盘205和远端盘206，多个联动连接腱202均布于柔性中心骨架201外侧，且所述柔性中心骨架201近端和联动连接腱202近端均固连于所述近端盘205上，所述联动连接腱202远端固连于所述远端盘206上，并且如图2和图5所示，所述柔性中心骨架201远端穿过所述远端盘206后伸入至所述远端执行段3中并与所述执行机构4末端的连接盘401相连，在所述联动形变段2中部设有连接件203，且所述柔性中心骨架201和联动连接腱202均穿过所述连接件203，如图2和图5～7所示，所述近端驱动段1设有多个近端驱动腱101，且所述近端驱动腱101穿过所述联动形变段2的近端盘205后与所述连接件203的近端固连，所述远端执行段3包括多个远端驱动腱302，且所述远端驱动腱302远端固连于执行机构4末端的连接盘401上，所述远端驱动腱302近端穿过所述联动形变段2和近端驱动段1后伸出用于操控，所述近端驱动腱101、远端驱动腱302、联动连接腱202均环绕所述柔性中心骨架201均布。
机构工作时，牵引所述近端驱动腱101移动可实现近端驱动段1的形变，牵引所述远端驱动腱302移动可实现远端执行段3形变，并且如图3～4所示，近端驱动腱101移动可传递至联动形变段2中部的连接件203，进而使联动形变段2发生形变，以实现单孔腔镜术等手术所需的展开空间，并且每个近端驱动腱101牵引移动可实现联动形变段2一个方向的形变，可以通过控制近端驱动腱101的数量来达到改变联动形变段2所需自由度数量的目的。另外由于联动形变段2在联动展开形变过程中长度总和保持不变，这使得在所述联动形变段2中的远端驱动腱302长度不发生变化，因此联动形变段2形变不会影响远端执行段3的形变及执行机构4。
如图2～4所示，所述联动形变段2通过所述连接件203分成驱动变形部209和联动变形部210两部分，远端执行段3与所述联动变形部210相连，近端驱动段1与所述驱动变形部209相连，且近端驱动段1中的近端驱动腱101即穿过所述驱动变形部209后与所述连接件203固连以驱动联动形变段2形变。所述驱动变形部209和联动变形部210长度可以相同，并且联动连接腱202采用相同的布置半径，在实现联动器械展开运动时所述联动形变段2的远端盘206姿态始终保持不变。另外所述连接件203也可以过渡不同布置半径的联动连接腱202实现形变角度调整，联动连接腱202在驱动变形部209的布置半径大于在联动变形部210的布置半径时(也即驱动变形部209长度大于联动变形部210时)，联动变形部210形变角度大于驱动变形部209的形变角度，反之联动变形部210形变角度小于驱动变形部209的形变角度。或者如图3～4所示，所述联动形变段2也可以通过改变所述连接件203长度实现展开空间调整。
如图3和图5～6所示，在所述驱动变形部209和联动变形部210上均设有形变段过渡盘204用于约束各个腱不会散开，保证联动形变动作，如图20所示，所述形变段过渡盘204中部设有供柔性中心骨架201穿过的中轴通孔2041、供各个腱通过的腱通孔2042以及供其他元件穿过的过渡通孔2043。另外如图5所示，在所述远端执行段3上设有多个执行段过渡盘301用于约束各个腱不会散开，保证联动形变动作，所述执行段过渡盘301结构与所述形变段过渡盘204相同，也设有多个供不同元件穿过的通孔。另外如图6所示，在所述联动变形部210上除所述联动连接腱202外还设有加强腱207以进一步保证形变动作。
如图1～2和图5～7所示，所述联动形变段2的驱动变形部209和联动变形部210上均设有密绕弹簧208，且所述密绕弹簧208环绕所述柔性中心骨架201均布，所述远端执行段3的远端驱动腱302与所述密绕弹簧208一一对应，且所述远端驱动腱302伸入对应的密绕弹簧208后，即沿着所述密绕弹簧208延伸并由近端驱动段1近端伸出。本发明也可以在所述联动连接腱202内部设有延伸通道，远端驱动腱302沿着对应的联动连接腱202内部的延伸通道延伸。
所述联动连接腱202、近端驱动腱101、远端驱动腱302、加强腱207、远端盘206、近端盘205、连接件203均采用弹性金属(比如弹簧钢)制成，且各腱端部采用焊接的固定方式与所述远端盘206、近端盘205或连接件203固连，上述各部件也可采用高分子材料制作。
所述柔性中心骨架201采用多股多层不同旋向的弹簧制成，如图8所示，所述柔性中心骨架201包括套装在一起右旋弹簧2011和左旋弹簧2012，且各层弹簧端部通过端板2013固连，这样可使柔性中心骨架201具备轴线不可压缩和绕轴线的两个方向的抗扭特性，并且保证弹簧发生形变时轴线弧长不变。如图21所示，所述柔性中心骨架201内部中空，所述执行机构4设有开合驱动腱402和扭矩鞘管403，且所述开合驱动腱402和扭矩鞘管403穿过所述柔性中心骨架201后与各自的驱动装置相连。由于联动形变段2在联动展开形变过程中长度保持不变，这使得所述联动形变段2内的开合驱动腱402和扭矩鞘管403长度不发生变化，也即联动形变段2的形变运动不会影响执行机构4动作。
如图9～19所示，本发明可在联动形变段2的驱动变形部209和联动变形部210以及远端执行段3外部套设有不同形式的外骨架，以起到防护作用和保证形变动作。
所述外骨架可采用多个过渡盘构成，所述过渡盘与所述形变段过渡盘204和执行段过渡盘301结构相同。
如图9～10所示，本发明可在联动形变段2的驱动变形部209和联动变形部210外部套设槽式外骨架5，所述槽式外骨架5包括呈筒状的骨架外壁501和设于所述骨架外壁501内的多个内板503，所述骨架外壁501交错设有切槽505以实现柔性，所述多个内板503均设有通孔，且各个内板503通孔分别一一对应形成供柔性中心骨架201通过的第一中通道506、供腱通过的第一腱通道502和供密绕弹簧208通过的第一密绕弹簧通道504。所述槽式外骨架5可采用弹性金属(比如弹簧钢)或高分子材料制成，所述槽式外骨架5端部与远端盘206、近端盘205或连接件203采用胶粘连接或者机械嵌合过盈连接。
如图11～14所示，本发明可在联动形变段2的驱动变形部209和联动变形部210外部套设盘式外骨架6，所述盘式外骨架6包括多个单盘，且各单盘交错叠加并呈一直线设置，每个单盘上均设有供柔性中心骨架201穿过的第一中通孔601、供腱穿过的第一腱通孔603和供密绕弹簧208通过的第一密绕弹簧孔602，且各个单盘上的第一中通孔601对应形成供柔性中心骨架201通过的通道，各个单盘上的第一腱通孔603对应形成供腱通过的通道，各个单盘上的第一密绕弹簧孔602对应形成供密绕弹簧208通过的通道。所述单盘可采用图12所示的十字交叉盘，所述十字交叉盘上下两侧盘表面604均呈圆柱面，所述单盘也可采用图13所示的双球面盘，所述双球面盘上下两侧盘表面604均呈球面，所述单盘还可以采用图14所示的球铰盘，所述球铰盘一侧盘表面604呈凹球面，另一侧盘表面604呈凸球面，且任一球铰盘的凸球面与一侧相邻球铰盘凹球面嵌合。各个单盘可采用弹性金属(比如弹簧钢)或高分子材料制成，且盘式外骨架6端部的单盘直接与远端盘206、近端盘205或连接件203抵接。
如图15～16所示，本发明可在联动形变段2的驱动变形部209和联动变形部210外部套设弹簧外骨架7，所述弹簧外骨架7设有供柔性中心骨架201通过的第二中轴通道701、供腱通过的第二腱通道703和供密绕弹簧208通过的第二密绕弹簧通道702。所述弹簧外骨架7可采用弹性金属(比如弹簧钢)或高分子材料制成，所述弹簧外骨架7端部直接与远端盘206、近端盘205或连接件203抵接。
如图17～19所示，本发明可在联动形变段2的驱动变形部209和联动变形部210外部套设弹簧碟片骨架8，所述弹簧碟片骨架8包括多个弹簧片，且各单盘交错叠加并呈一直线设置，每个弹簧片上均设有供柔性中心骨架201通过的第二中通孔801、供腱通过的第二腱通孔803和供密绕弹簧208通过的第二密绕弹簧孔802，且各个弹簧片上的第二中通孔801对应形成供柔性中心骨架201通过的通道，各个弹簧片上的第二腱通孔803对应形成供腱通过的通道，各个弹簧片上的第二密绕弹簧孔802对应形成供密绕弹簧208通过的通道。所述弹簧片可采用如图18所示的蝶形弹簧片，且任一蝶形弹簧片的碟片锥端804与一侧相邻蝶形弹簧片锥端相抵，该蝶形弹簧片的扩口边缘与另一侧相邻蝶形弹簧片的扩口边缘相抵，所述弹簧片也可采用如图19所示的波形弹簧片，所述波形弹簧片沿圆周方向交错设有波峰806和波谷805，且任一波形弹簧片的波峰806与一侧相邻波形弹簧片的波峰806相抵，该波形弹簧片的波谷805与另一侧相邻波形弹簧片的波谷805相抵。各个弹簧片可采用弹性金属(比如弹簧钢)或高分子材料制成，且弹簧碟片骨架8端部的弹簧片直接与远端盘206、近端盘205或连接件203抵接。
如图22～23所示，本发明可在联动形变段2的驱动变形部209和联动变形部210外部套设波纹管外骨架9，所述波纹管外骨架9设有供柔性中心骨架201通过的骨架通道901。波纹管骨架9外侧圆周翅片上设有多个通孔，且各圆周翅片上对应呈一直线的通孔形成供腱、密绕弹簧或其他元件穿过的通道902。所述波纹管外骨架9可采用弹性金属(比如弹簧钢)或高分子材料制成，所述波纹管外骨架9端部直接与远端盘206、近端盘205或连接件203抵接。
如图21所示，所述执行机构4包括旋转座404、连接盘401、开合推拉杆405、开合驱动腱402、扭矩鞘管403和执行器械，旋转座404可转动地设于连接盘401上，且在所述旋转座404内设有可移动的开合推拉杆405，连接盘401与所述柔性中心骨架201连接，在所述柔性中心骨架201内设有扭矩鞘管403，且所述扭矩鞘管403与所述旋转座404固连，在所述扭矩鞘管403内设有开合驱动腱402，且所述开合驱动腱402与所述开合推拉杆405固连，所述开合推拉杆405前端通过一个连杆组件406与所述执行器械连接，本实施例中，所述执行器械为分离钳，所述开合推拉杆405通过所述开合驱动腱402驱动移动，进而通过所述连杆组件406驱动所述分离钳开合，所述连杆组件406为四连杆机构。所述开合驱动腱402近端由所述柔性中心骨架201内伸出后与一个电动推杆相连并通过所述电动推杆驱动移动，所述扭矩鞘管403近端由所述柔性中心骨架201内伸出后通过一个传动组件与一个电机相连，并通过所述电机驱动旋转，所述传动组件可以为链传动、带传动或齿轮传动组件。另外在所述旋转座404内设有滑槽，且所述滑槽内设有滑块408，在所述滑块408与所述滑槽的槽底之间设有弹簧407，所述开合推拉杆405后端与所述滑块408相抵，且所述开合驱动腱402穿过所述滑块408和弹簧407后与所述开合推拉杆405固连。
如图2所示，在所述近端驱动段1外侧设有外罩102。
本发明的工作原理为：
本发明工作时，牵引所述近端驱动腱101移动可实现近端驱动段1的形变，牵引所述远端驱动腱302移动可实现远端执行段3形变，并且近端驱动腱101移动可传递至联动形变段2中部的连接件203，进而使联动形变段2发生形变，以实现单孔腔镜术等手术所需的展开空间，并且由于联动形变段2在联动展开形变过程中长度总和保持不变，这使得在所述联动形变段2中的远端驱动腱302长度不发生变化，因此联动形变段2形变不会影响远端执行段3的形变，另外所述联动形变段2内柔性中心骨架201中的开合驱动腱402和扭矩鞘管403长度也不发生变化，联动形变段2的形变运动也不会影响执行机构4动作。

Claims (10)

1.一种形变联动机构，其特征在于：包括近端驱动段(1)、联动形变段(2)、远端执行段(3)和执行机构(4)，其中联动形变段(2)包括柔性中心骨架(201)、联动连接腱(202)、连接件(203)、近端盘(205)和远端盘(206)，柔性中心骨架(201)近端和联动连接腱(202)近端均固连于所述近端盘(205)上，联动连接腱(202)远端固连于所述远端盘(206)上，柔性中心骨架(201)远端穿过所述远端盘(206)后伸入至所述远端执行段(3)中并与所述执行机构(4)末端的连接盘(401)相连，在联动形变段(2)上设有连接件(203)，所述近端驱动段(1)设有多个近端驱动腱(101)，且所述近端驱动腱(101)穿过所述联动形变段(2)的近端盘(205)后与所述连接件(203)固连，所述远端执行段(3)包括多个远端驱动腱(302)，且所述远端驱动腱(302)远端固连于执行机构(4)末端的连接盘(401)上，所述远端驱动腱(302)近端穿过所述联动形变段(2)和近端驱动段(1)后伸出。
2.根据权利要求1所述的形变联动机构，其特征在于：所述联动形变段(2)设有形变段过渡盘(204)，所述远端执行段(3)上设有执行段过渡盘(301)，所述形变段过渡盘(204)和执行段过渡盘(301)上均设有多个通孔。
3.根据权利要求1所述的形变联动机构，其特征在于：所述联动形变段(2)上设有密绕弹簧(208)，所述远端驱动腱(302)伸入对应的密绕弹簧(208)后沿着所述密绕弹簧(208)延伸。
4.根据权利要求1所述的形变联动机构，其特征在于：所述联动连接腱(202)内部设有延伸通道，远端驱动腱(302)沿着对应联动连接腱(202)内部的延伸通道延伸。
5.根据权利要求1所述的形变联动机构，其特征在于：所述柔性中心骨架(201)设有不同旋向的弹簧层，且所述柔性中心骨架(201)内部中空。
6.根据权利要求1所述的形变联动机构，其特征在于：所述联动形变段(2)和近端驱动段(1)通过所述连接件(203)连接，且所述近端驱动段(1)、联动形变段(2)和远端执行段(3)外部套设有外骨架。
7.根据权利要求5所述的形变联动机构，其特征在于：所述外骨架为过渡盘、槽式外骨架(5)、盘式外骨架(6)、弹簧外骨架(7)、弹簧碟片骨架(8)或波纹管外骨架(9)。
8.根据权利要求5所述的形变联动机构，其特征在于：所述外骨架内设有多个通道。
9.根据权利要求1所述的形变联动机构，其特征在于：所述执行机构(4)包括旋转座(404)、连接盘(401)、开合推拉杆(405)、开合驱动腱(402)和扭矩鞘管(403)，旋转座(404)可转动地设于连接盘(401)上，且在所述旋转座(404)内设有可移动的开合推拉杆(405)，连接盘(401)与所述柔性中心骨架(201)连接，且在所述柔性中心骨架(201)内设有驱动所述旋转座(404)转动的扭矩鞘管(403)，在所述扭矩鞘管(403)内设有驱动所述开合推拉杆(405)移动的开合驱动腱(402)。
10.根据权利要求9所述的形变联动机构，其特征在于：所述旋转座(404)内设有滑槽，且所述滑槽内设有滑块(408)，在所述滑块(408)与所述滑槽的槽底之间设有弹簧(407)，所述开合推拉杆(405)后端与所述滑块(408)相抵，且所述开合驱动腱(402)穿过所述滑块(408)和弹簧(407)后与所述开合推拉杆(405)固连。
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