CN111603243B - 微创手术机器人操作工具 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种微创手术机器人操作工具，包括：末端执行器、主动弹性关节、关节机构、被动弹性关节和驱动组件；末端执行器与抗扭柔性轴相连；关节机构第一端同时与所述末端执行器和主动弹性关节相连，且所述主动弹性关节位于所述关节机构和所述末端执行器间；被动弹性关节第一端与所述关节机构第二端相连，所述被动弹性关节第二端与柔性多腔管第一端相连；驱动组件与所述柔性多腔管第二端相连；所述驱动组件通过抗扭柔性轴驱动末端执行器进行开合、回转运动；所述驱动组件驱动主动弹性关节进行弯曲运动。本公开中提供的微创手术机器人操作工具刚度、自由度均可变，调整方便，能够满足不同手术操作需求，适用范围广泛。

Description

微创手术机器人操作工具

技术领域

本公开涉及微创手术机器人领域，尤其涉及一种刚度、自由度可变的微创手术机器人操作工具。

背景技术

微创手术工具手术创口小，出血量少，恢复时间快及美容效果好等诸多优点。传统微创手术工具多为长直杆状，由医生手持，经由胸腔、腹腔或其它部位的微小创口置入，配合医用内窥镜，在显示器画面下完成手术操作。经人体自然腔道手术要求手术工具具有高度柔顺性以适应人体狭窄、弯曲多变腔道，因而手术工具多为柔性工具。但由于缺乏有效的手术工具，限制了该手术模式的推广应用。

刚性直杆型手术工具刚度高、操作力大、运动精准，但是难以通过人体狭窄、弯曲多变腔道，且运动及操作空间受限，不能适应经人体自然腔道手术模式。柔性手术工具可适应人体狭窄腔道，但柔性有余而刚度不足，难以提供较大操作力。

当前微创手术机器人工具，只具有固定自由度及操作空间，少有可变刚度工具，且刚度转变过程耗时长，不适用于手术操作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种微创手术机器人操作工具，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种微创手术机器人操作工具，包括：

末端执行器，与抗扭柔性轴相连；

关节机构，所述关节机构第一端同时与所述末端执行器和主动弹性关节相连，且所述主动弹性关节位于所述关节机构和所述末端执行器间；

被动弹性关节，所述被动弹性关节第一端与所述关节机构第二端相连，所述被动弹性关节第二端与柔性多腔管第一端相连；所述调整关节机构使主动弹性关节和/或被动弹性关节处于刚性状态或弹性状态；

驱动组件，与所述柔性多腔管第二端相连；所述驱动组件通过抗扭柔性轴驱动末端执行器进行开合、回转运动；所述驱动组件驱动主动弹性关节进行弯曲运动。

在本公开的一些实施例中，所述关节机构包括：

内层管，套设在所述抗扭柔性轴上；所述内层管上设置有第一槽纹结构；

外层管，套设在所述内层管上；所述外层管上均设置有第二槽纹结构；

所述第一槽纹结构与所述第二槽纹结构相对正，所述关节机构为柔性状态；所述内层管绕轴线转动或沿轴线平移，所述第一槽纹结构与所述第二槽纹结构产生相位差，所述关节机构为刚性状态。

在本公开的一些实施例中，所述第一槽纹结构和所述第二槽纹结构的槽纹形状相同或不同。

在本公开的一些实施例中，所述主动弹性关节和所述被动弹性关节均包括至少一个弹性关节单元；且每个所述主动弹性关节和每个所述被动弹性关节的自由度均可变。

在本公开的一些实施例中，每个所述弹性关节单元内设有通道孔。

在本公开的一些实施例中，所述末端执行器还包括：

两个开合夹钳，通过夹钳固定销相连，使两个开合夹钳绕夹钳固定销转动；所述开合夹钳上设置有滑槽，且两个开合夹钳上设置的滑槽存在夹角；

滑动销，设置于所述滑槽内；

拉杆，所述拉杆第一端与所述滑动销相连，所述拉杆第二端与所述抗扭柔性轴相连，所述拉杆带动所述滑动销在所述滑槽内滑动，使两个所述开合夹钳绕所述夹钳固定销转动，进行开合运动。

在本公开的一些实施例中，所述末端执行器还包括：

支撑座，与所述关节机构第一端的外层相连；

回转轴承，套设在所述支撑座上；

回转座，套设在所述回转轴承上，所述回转轴承带动所述回转座转动；

所述抗扭柔性轴绕轴线转动，带动所述开合夹钳、所述夹钳固定销、所述拉杆、所述回转座和所述回转轴承绕所述支撑座旋转。

在本公开的一些实施例中，所述驱动组件包括：

驱动件，穿设于所述主动弹性关节、所述被动弹性关节和所述柔性多腔管内设置的通道孔，且所述驱动件与所述主动弹性关节相连；

驱动机构，通过驱动接头与机器人驱动系统相连，所述驱动机构带动所述驱动件伸缩，所述驱动件带动所述主动弹性关节弯曲运动。

在本公开的一些实施例中，所述驱动件为驱动丝和/或弹性驱动杆。

在本公开的一些实施例中，所述主动弹性关节和所述被动弹性关节为截面为矩形的弹簧机构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开微创手术机器人操作工具至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开中通过转动、平移调整关节机构，使主动弹性关节和/或被动弹性关节处于刚性状态或弹性状态，满足不同手术操作需求。

(2)本公开中主动弹性关节和/或被动弹性关节由至少一个弹性关节单元组合而成，主动弹性关节和/或被动弹性关节中弹性关节单元的数量、自由度均可调整，使工具运动范围改变，适应不同人体操作空间。

附图说明

图1为本公开实施例微创手术机器人操作工具的整体结构示意图。

图2为本公开实施例微创手术机器人操作工具的末端执行器剖面示意图。

图3为本公开实施例微创手术机器人操作工具的关节示意图。

图4为本公开实施例微创手术机器人操作工具的关节机构局部剖视示意图。

图5为本公开实施例微创手术机器人操作工具的弹性关节单元剖面示意图。

图6a、图6b为本公开实施例微创手术机器人操作工具的变刚度槽纹机构柔性状态示意图。

图7a、图7b为本公开实施例微创手术机器人操作工具的变刚度槽纹机构刚性状态示意图。

图8a为本公开实施例微创手术机器人操作工具的被动弹性关节示意图。

图8b为本公开实施例微创手术机器人操作工具的第一槽纹结构示意图。

图8c为本公开实施例微创手术机器人操作工具的第二槽纹结构示意图。

图9a、图9b为本公开实施例微创手术机器人操作工具的槽纹结构示意图。

图10a、图10b、图10c和图10d为本公开实施例微创手术机器人操作工具的自由度改变状态示意图。

图11a为本公开实施例微创手术机器人操作工具的柔性运动模型示意图。

图11b为本公开实施例微创手术机器人操作工具的刚性运动模型示意图。

图12a、图12b为本公开实施例微创手术机器人操作工具的关节三维示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-末端执行器；

101a、101b-开合夹钳；

102-夹钳固定销；

103-滑槽；

104-拉杆；

105-滑动销；

106-回转轴承；

107-支撑座；

108-回转座；

200-主动弹性关节；

201、202、203-弹性关节单元；

201a-通道孔；

300-被动弹性关节；

400-关节机构；

401a-第一槽纹结构；

401b-第二槽纹结构；

500-抗扭柔性轴；

600-驱动机构；

601-驱动接头；

700-柔性多腔管。

具体实施方式

本公开提供了一种微创手术机器人操作工具，包括：末端执行器、主动弹性关节、关节机构、被动弹性关节和驱动组件；末端执行器与抗扭柔性轴相连；关节机构第一端同时与所述末端执行器和主动弹性关节相连，且所述主动弹性关节位于所述关节机构和所述末端执行器间；被动弹性关节第一端与所述关节机构第二端相连，所述被动弹性关节第二端与柔性多腔管第一端相连；驱动组件与所述柔性多腔管第二端相连；所述驱动组件通过抗扭柔性轴驱动末端执行器进行开合、回转运动；所述驱动组件驱动主动弹性关节进行弯曲运动。本公开中提供的微创手术机器人操作工具刚度、自由度均可变，调整方便，能够满足不同手术操作需求，适用范围广泛。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种微创手术机器人操作工具。图1为本公开实施例微创手术机器人操作工具的整体结构示意图。如图1所示，本公开微创手术机器人操作工具包括：末端执行器100、主动弹性关节200、被动弹性关节300、关节机构400、抗扭柔性轴500、柔性多腔管700和驱动组件。其中，主动弹性关节200与末端执行器100相连。被动弹性关节300可通过弯曲通道并具有回弹功能，被动弹性关节300在无外加约束下保持竖直状态。主动弹性关节200和被动弹性关节300通过关节结构相连。在本实施例中主动弹性关节200和被动弹性关节300通过关节机构400相连。抗扭柔性轴500与所述末端执行器100相连，抗扭柔性轴500驱动末端执行器100自转、开合。驱动组件与所述柔性多腔管700第二端相连；所述驱动组件通过抗扭柔性轴500驱动末端执行器100进行开合、回转运动；所述驱动组件驱动主动弹性关200节进行弯曲运动。

其中，驱动组件包括：驱动件和驱动机构600。驱动机构600通过驱动接头601与机器人驱动系统相连，带动所述驱动件伸缩，进而带动所述主动弹性关节200弯曲运动。驱动件穿设于所述主动弹性关节200、所述被动弹性关节300和所述柔性多腔管700内设置的通道孔201a，且所述驱动件与所述主动弹性关节200相连。驱动件为驱动丝、弹性驱动杆等，这里不再一一例举。

图2为本公开实施例微创手术机器人操作工具的末端执行器剖面示意图。如图2所示，末端执行器100包括：开合夹钳101a、开合夹钳101b、夹钳固定销102、拉杆104；滑动销105；回转轴承106；支撑座107；回转座108。具体的，

开合夹钳101a、开合夹钳101b，用于夹持生物组织，开合夹钳可为任意形式手术钳、剪或其它所需手术末端功能器械。

夹钳固定销102，用于固定两片开合夹钳101a、开合夹钳101b，并使两片开合夹钳101a、开合夹钳101b绕夹钳固定销102转动形成开合运动；所述开合夹钳101a、开合夹钳101b上设有滑槽103，且两片开合夹钳101a、开合夹钳101b上滑槽103存在夹角。

所述抗扭柔性轴500与所述拉杆104固连，抗扭柔性轴500拉动拉杆104，所述拉杆104与滑动销105相连带动滑动销105在所述滑槽103内滑动，所述拉杆104沿轴线往复运动，带动开合夹钳101a、开合夹钳101b绕所述夹钳固定销102转动，形成开合运动。

支撑座107与关节机构400第一端的第二槽纹结构401b相连；回转轴承106套设在所述支撑座107上；回转座108套设在所述回转轴承106上，带动所述回转座108转动；所述抗扭柔性轴500绕轴线转动，带动所述开合夹钳101a、开合夹钳101a、开合夹钳101b、所述夹钳固定销102、所述拉杆104、所述回转座108和所述回转轴承106绕所述支撑座107旋转。

图3为本发明所述一种微创手术机器人操作工具关节示意图。所述主动弹性关节200为矩形截面弹簧(如图5所示)，包含至少一个弹性关节单元，本实施例以具有三个弹性关节单元的主动弹性关节200结构为例进行说明，如图3中弹性关节单元201、弹性关节单元202和弹性关节单元203所示。

弹性关节单元201内设有通道孔201a，所述通道孔201a通过驱动丝或弹性驱动杆；驱动丝或弹性驱动杆伸缩带动所述主动弹性关节200弯曲运动。与弹性关节单元201类似，所有弹性关节单元均设有通道孔201a，如图3中弹性关节单元202、弹性关节单元203。

所述被动弹性关节300为矩形截面弹簧，设有通道孔201a，所述被动弹性关节300的通道孔201a布局与所述主动弹性关节200的通道孔201a相同。

所述柔性多腔管700，可产生任意方向弯曲，曲率随人体腔道平滑变化。所述柔性多腔管700设有通道孔201a，所述柔性多腔管700的通道孔201a与所述主动弹性关节200或被动弹性关节300的通道孔201a布局相同。

如图4所示，所述的关节机构400，在本实施例中具体为变刚度弹性槽纹机构。其中，关节结构400包括：内层管和套设在所述内层管外的外层管。内层管上设置有第一槽纹结构401a，外层管上设置有第二槽纹结构401b。第一槽纹结构401a与第二槽纹结构401b具有相同或不同槽纹。本发明以正交式矩形槽纹为例进行说明，如图8所示。但槽纹形状可为其它形状，如螺旋槽纹、C形槽纹等如图9所示。

当第一槽纹结构401a与第二槽纹结构401b槽纹对正，关节机构400呈柔性状态可弹性弯曲，主动弹性关节200可在驱动机构600驱动下产生各向弯曲运动，以满足需要较高灵活性的手术操作需求，如图6所示。第一槽纹结构401a绕轴线转动或沿轴线平移，使第一槽纹结构401a与第二槽纹结构401b槽纹产生相位差，从而使关节机构400刚度变化，呈刚性状态，以满足需要较大操作力的手术操作需求，如图7所示。第一槽纹结构401a与第二槽纹结构401b槽纹交错即产生相位差时，关节机构400成为刚性状态，主动弹性关节200中弹性关节单元201(或弹性关节单元202、弹性关节单元203)保持刚性状态，或被动弹性关节300保持刚性状态。

所述关节机构400成为刚性状态时，主动弹性关节200中弹性关节单元201(或弹性关节单元202、弹性关节单元203)保持刚性状态，不可弯曲，致使自由度降低。弹性关节单元201、弹性关节单元202、弹性关节单元203或被动弹性关节300，可单独或同时保持刚性状态，处于刚性状态的关节数量随关节机构400状态改变。

如图10a、图10b、图10c和图10d所示，黑色为刚性状态弹性关节。当一个或多个弹性关节保持刚性状态时，主动关节数量改变，从而工具运动空间改变。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种微创手术机器人操作工具。如图11a、图11b、图12a和图12b所示，所述关节机构400另一功能，可改变主动弹性关节200运动模式。在柔性状态，主动弹性关节200可产生弯曲运动，形成柔性关节。在刚性状态，主动弹性关节200中弹性关节单元201、弹性关节单元202、弹性关节单元203分别保持直杆状态，运动模式变为刚性连杆运动。此时，弹性关节间连接的关节机构400可运动，使本发明微创手术机器人操作工具变为连动杆，进行连杆运动，如图12a和图12b所示。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开微创手术机器人操作工具有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种刚度、自由度可变的微创手术机器人操作工具，调整方便，能够满足不同手术操作需求，适用范围广泛，在微创手术机器人领域具有广泛应用。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微创手术机器人操作工具，其中，包括：

末端执行器，与抗扭柔性轴相连；

关节机构，所述关节机构第一端同时与所述末端执行器和主动弹性关节相连，且所述主动弹性关节位于所述关节机构和所述末端执行器间；

被动弹性关节，所述被动弹性关节第一端与所述关节机构第二端相连，所述被动弹性关节第二端与柔性多腔管第一端相连；调整所述关节机构使主动弹性关节和/或被动弹性关节处于刚性状态或弹性状态；

驱动组件，与所述柔性多腔管第二端相连；所述驱动组件通过抗扭柔性轴驱动末端执行器进行开合、回转运动；所述驱动组件驱动主动弹性关节进行弯曲运动；

其中，所述关节机构包括：

内层管，套设在所述抗扭柔性轴上；所述内层管上设置有第一槽纹结构；

外层管，套设在所述内层管上；所述外层管上均设置有第二槽纹结构；

所述第一槽纹结构与所述第二槽纹结构相对正，所述关节机构为柔性状态；所述内层管绕轴线转动或沿轴线平移，所述第一槽纹结构与所述第二槽纹结构产生相位差，所述关节机构为刚性状态。

2.根据权利要求1所述的微创手术机器人操作工具，其中，所述第一槽纹结构和所述第二槽纹结构的槽纹形状相同或不同。

3.根据权利要求1所述的微创手术机器人操作工具，其中，所述主动弹性关节和所述被动弹性关节均包括至少一个弹性关节单元；且每个所述主动弹性关节和每个所述被动弹性关节的自由度均可变。

4.根据权利要求3所述的微创手术机器人操作工具，其中，每个所述弹性关节单元内设有通道孔。

5.根据权利要求1所述的微创手术机器人操作工具，其中，所述末端执行器还包括：

两个开合夹钳，通过夹钳固定销相连，使两个开合夹钳绕夹钳固定销转动；所述开合夹钳上设置有滑槽，且两个开合夹钳上设置的滑槽存在夹角；

滑动销，设置于所述滑槽内；

拉杆，所述拉杆第一端与所述滑动销相连，所述拉杆第二端与所述抗扭柔性轴相连，所述拉杆带动所述滑动销在所述滑槽内滑动，使两个所述开合夹钳绕所述夹钳固定销转动，进行开合运动。

6.根据权利要求5所述的微创手术机器人操作工具，其中，所述末端执行器还包括：

支撑座，与所述关节机构第一端的外层相连；

回转轴承，套设在所述支撑座上；

回转座，套设在所述回转轴承上，所述回转轴承带动所述回转座转动；

所述抗扭柔性轴绕轴线转动，带动所述开合夹钳、所述夹钳固定销、所述拉杆、所述回转座和所述回转轴承绕所述支撑座旋转。

7.根据权利要求1所述的微创手术机器人操作工具，其中，所述驱动组件包括：

驱动件，穿设于所述主动弹性关节、所述被动弹性关节和所述柔性多腔管内设置的通道孔，且所述驱动件与所述主动弹性关节相连；

驱动机构，通过驱动接头与机器人驱动系统相连，所述驱动机构带动所述驱动件伸缩，所述驱动件带动所述主动弹性关节弯曲运动。

8.根据权利要求7所述的微创手术机器人操作工具，其中，所述驱动件为驱动丝和/或弹性驱动杆。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的微创手术机器人操作工具，其中，所述主动弹性关节和所述被动弹性关节为截面为矩形的弹簧机构。

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