CN111658152A - 一种手术机械臂及内窥镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机械臂及内窥镜系统，包括由首端关节、多个中间关节及末端关节依次铰接构成的展开臂，设定的中间关节将展开臂分为第一展开臂部和第二展开臂部，设定的中间关节与第一锁紧丝一端固定，第一锁紧丝另一端穿过与首端关节连接的基座后与驱动机构连接，末端关节与第二锁紧丝一端固定，第二锁紧丝另一端穿过设定中间关节、第一展开臂部及基座后与驱动机构连接，末端关节连接有器械臂，本发明的手术机械臂能够提供稳定的手术器械操作平台。

Description

一种手术机械臂及内窥镜系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种手术机械臂及内窥镜系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

经自然腔道的内窥镜手术是继多孔微创手术、单孔微创手术之后的进一步发展；经自然腔道的内窥镜手术无需在人体表面造成创伤，内窥镜经由人体自然腔道(如食道，直肠)进入病变部位，手术机器人通过内窥镜通道进入人体，在窥镜的观察下进行手术。经自然腔道的内窥镜手术相较于传统微创手术，能够进一步缩短病患住院时间和术后感染率。发明人发现，受到人体自然腔道空间限制，内窥镜直径多为15mm以下，造成手术器械间距过小，容易造成两手术器械的干涉，并且工作空间重合，开展手术存在困难；手术器械展开臂应该为手术器械执行机构提供稳定的基础平台，而使用多段连续体形成的展开臂受常规丝驱结构限制，大多刚度变化效果并不十分理想。使用颗粒阻塞变刚度技术实现的展开臂机构大多体积庞大无法应用于内窥镜手术机器人，而使用其他温控、磁控和流控等相变技术多由于系统结构复杂、几何尺寸庞大或生物相容性差等问题，无法应用。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种手术机械臂，能够为手术器械执行机构提供稳定的基础平台，结构简单，适用于自然腔道的手术机器人领域。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种手术机械臂，包括由首端关节、多个中间关节及末端关节依次铰接构成的展开臂，设定的中间关节将展开臂分为第一展开臂部和第二展开臂部，设定的中间关节与第一锁紧丝一端固定，第一锁紧丝另一端穿过与首端关节连接的基座后与驱动机构连接，末端关节与第二锁紧丝一端固定，第二锁紧丝另一端穿过设定中间关节、第一展开臂部及基座后与驱动机构连接，末端关节连接有器械臂。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第一锁紧丝和第二锁紧丝设置在展开臂的关节所在圆周面同一条直径线的两端。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第一展开臂部、基座及设定的中间关节设置有第一线槽，第一锁紧丝能够置入第一线槽内。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第二展开臂部、设定的中间关节设置有第二线槽，所述第二锁紧丝能够置入第二线槽内。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述基座的端部、展开臂的关节的两端均具有与关节轴线呈设定夹角的倾斜面，展开臂在弯曲状态下，相邻关节的倾斜面、关节与基座的倾斜面能够贴合接触。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述器械臂包括多个器械臂关节，相邻所述器械臂关节万向连接，位于末端的器械臂关节与多个驱动丝的一端固定连接，多个驱动丝的另一端穿过其余器械臂关节后与驱动机构连接。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，相邻两个器械臂关节中，其中一个器械臂关节与由弹性材质制成的十字轴的其中一根轴的两端固定连接，另一个器械臂关节与十字轴的另一根轴的两端固定连接。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述驱动机构包括多个设置在壳体内的主动轮，第一锁紧丝、第二锁紧丝及驱动丝的端部与主动轮缠绕连接，主动轮与固定在壳体的驱动件连接，驱动件能够驱动主动轮转动。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第一锁紧丝、第二锁紧丝及驱动丝一端与主动轮缠绕连接，另一端绕接安装在壳体内导向轮后伸出至壳体外部。

第二方面，本发明的实施例提供了一种内窥镜系统，包括内窥镜本体，所述内窥镜本体上安装有摄像机构及多个所述的手术机械臂，所述手术机械臂的器械臂安装有手术器械。

本发明的有益效果：

1.本发明的手术机械臂，驱动机构能够驱动第一锁紧丝和第二锁紧丝运动，第一锁紧丝运动，能够带动第一展开臂部的多个关节弯曲，第一锁紧丝能够作为斜拉索使相邻关节接触后保持锁紧状态，第二锁紧丝运动，能够带动第二展开臂部的多个关节弯曲，第二锁紧丝能够作为斜拉索使相邻关节接触后保持锁紧状态，从而为器械臂提供一个稳定的基础平台，稳定性好，负载能力强。

2.本发明的内窥镜系统，具有多个手术机械臂，多个手术机械臂能够利用展开臂向不同的方向弯曲实现器械臂之间间距的增大，扩大了手术器械臂的操作空间，为内窥镜手术的实施创造了条件。

3.本发明的手术机械臂，采用纯机械结构，利用第一锁紧丝和第二锁紧丝实现变刚度，无需使用颗粒阻塞变刚度技术，也无需设置温控、磁控和流控等相变技术，结构简单，体积小，生物相容性好。

4.本发明的手术机械臂，相邻两个器械臂关节中，其中一个器械臂关节与由弹性材质制成的十字轴的其中一根轴的两端固定连接，另一个器械臂关节与十字轴的另一根轴的两端固定连接，弹性材质制成的十字轴使器械臂关节之间具有相同的弹性模量，符合常曲率连续体建模要求，而且采用驱动丝驱动，具有较小的几何尺寸，具有较好的柔性，有较高的临床应用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图一；

图2为本发明实施例1整体结构示意图二；

图3为本发明实施例1设定的中间关节轴测示意图；

图4为本发明实施例1设定的中间关节主视图；

图5为本发明实施例1设定的中间关节后视图；

图6为本发明实施例1设定的中间关节俯视图；

图7为本发明实施例1第一展开臂部的关节轴测示意图；

图8为本发明实施例1第一展开臂部的关节俯视图；

图9为本发明实施例1第一展开臂部的关节侧视图；

图10为本发明实施例1第一展开臂部的关节主视图；

图11为本发明实施例1相邻器械臂关节装配结构爆炸示意图；

图12为本发明实施例1驱动机构示意图；

图13为本发明实施例2整体结构示意图；

其中，1.基座，2.转轴，3.首端关节，4.末端关节，5.设定的中间关节，5-1.第一固定孔，5-2.第二固定孔，5-3.第一耳板，5-4.第二耳板，6.第一锁紧丝，7.第二锁紧丝，8.第一线槽，9.第二线槽，10.器械臂关节，10-1.环状体，10-2.第一固定耳，10-3.第二固定耳，11.十字轴，12.驱动丝，13.丝鞘管，14.壳体，15.主动轮，16.导向轮，17.电机，18.倾斜面，19.引导孔，20.内窥镜本体，21.摄像机构，22.手术夹持器，23.手术电刀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的内窥镜手术机械臂无法为手术器械执行机构提供一个稳定的基础平台，针对上述问题，本申请提出了一种手术机械臂。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-图12所示，一种手术机械臂，包括基座1，所述基座与展开臂的一端铰接，展开臂的另一端连接有器械臂。

所述展开臂由多个关节依次铰接构成，关节为环状筒体结构，关节的两端分别设置有相匹配的第一耳板5-3和第二耳板5-4，相邻两个关节通过第一耳板、第二耳板及转轴2实现铰接，所述展开臂包括首端关节3、末端关节4及位于首端关节和末端关节之间的多个中间关节。所述首端关节与基座铰接，末端关节连接有器械臂。

其中一个设定的中间关节5将展开臂分为第一展开臂部和第二展开臂部，所述设定的中间关节靠近第二展开臂部的端部设有第一固定孔5-1，设定的中间关节通过第一固定孔与第一锁紧丝6的一端固定连接，第一锁紧丝的另一端穿过基座远离第一展开臂部的端部后与驱动机构连接。

第二展开臂部的末端关节靠近器械臂的端部设置有第二固定孔5-2，末端关节通过第二固定孔与第二锁紧丝7的一端固定连接，第二锁紧丝的另一端穿过设定的中间关节靠近第一展开臂部的端部后，依次穿过第一展开臂部的所有关节和基座，并与驱动机构连接。

所述第一锁紧丝及第二锁紧丝分布在第一展开臂部、第二展开臂部所有关节及设定的中间关节所在圆周的同一个直径线的两端。

驱动机构带动第一锁紧丝和第二锁紧丝运动，能够实现第一展开臂部和第二展开臂部向相反的方向弯曲。

所述基座、第一展开臂部的所有关节及设定的中间关节的侧面设置有第一线槽，基座、第一展开臂部的所有关节、设定的中间关节同轴设置时，第一锁紧丝能够置入所述第一线槽8中。

所述第二展开臂部的所有关节及设定的中间关节的侧面设置有第二线槽9，设定的中间关节及第二展开臂部的所有关节同轴设置时，第二锁紧丝能够置入所述第二线槽中。

展开臂的关节及基座的端面为与关节轴线倾斜呈设定夹角的倾斜面18，展开臂弯曲时，相邻关节或关节与基座通过倾斜面贴合接触，完成弯曲状态的限位。

本实施例中，未弯曲状态下，展开臂的所有关节及基座处于同轴状态，此时第一锁紧丝位于第一线槽中，第二锁紧丝位于第二线槽中。

驱动机构驱动第一锁紧丝运动，在第一锁紧丝的拉拽下，第一展开臂部的关节运动，第一展开臂部发生弯曲，第一锁紧丝脱离第一线槽，直至第一展开臂部内的相邻关节通过倾斜面接触，第一展开臂部的关节通过倾斜面与基座接触，第一展开臂部的关节通过倾斜面与设定的中间关节接触，此时第一锁紧丝作为斜拉索，使得第一展开臂部的弯曲状态保持锁紧。

驱动机构驱动第二锁紧丝运动，在第二锁紧丝的拉拽下，第二展开臂部的关节运动，第二展开臂部发生弯曲，且弯曲方向与第一展开臂部的弯曲方向相反，第二锁紧丝脱离第二线槽，直至第二展开臂部内的相邻关节通过倾斜面接触，第二展开臂部的关节通过倾斜面与设定的中间关节接触，此时第二锁紧丝作为斜拉锁，使得第二展开臂部的弯曲状态保持锁紧。

由于第二展开臂部与器械臂连接，所以为器械臂提供了一个稳定的基础平台，负载能力好，能够为手术器械臂提供稳定的工作平台。

所述器械臂由多个器械臂关节10依次万向连接构成，具体的，所述器械臂关节包括环状体10-1，所述环状体顶面对称设置有两个第一固定耳10-2，环状体底面对称设置有两个第二固定耳10-3，两个第一固定耳的连线与两个第二固定耳的连线相互垂直。

相邻两个器械臂关节中，其中一个器械臂关节的第一固定耳与十字轴11的其中一根轴的两端固定连接，另一个器械臂关节的第二固定耳与十字轴的另一根轴的两端固定连接。

所述十字轴由弹性材质制成，本实施例中，所述弹性材质采用弹性镍钛合金，相邻两个器械臂关节通过由弹性镍钛合金制成的十字轴万向连接，相邻器械臂关节的相对运动需要克服十字轴的弹性力，弹性的十字轴使得器械臂关节具有相同的弹性模量，符合常曲率连续体建模要求。

本实施例中，用于与展开臂连接的首端的器械臂关节只具有第一固定耳，位于末端的器械臂关节只具有第二固定耳。位于末端的器械臂关节能够与手术器械固定连接。

位于末端的器械臂关节通过四个沿圆周均匀排布的固定孔分别与四根驱动丝12的一端固定连接，四根驱动丝通过器械臂关节设置的引导孔穿过所有器械臂关节、通过引导孔19穿过所有展开臂关节、通过基座上的引导孔穿过基座后与驱动机构连接。

驱动机构能够带动驱动丝运动，进而带动器械臂的器械臂关节发生相对运动，使器械臂发生弯曲。

所述驱动机构包括壳体14，所述壳体内设置有六个主动轮15，其中一个主动轮与第一锁紧丝的一端缠绕连接，第一锁紧丝的另一端绕接设置在壳体内的导向轮16后穿出壳体并穿过基座后与设定的中间关节固定。

其中一个主动轮与第二锁紧丝的一端缠绕连接，第二锁紧丝的另一端绕接设置在壳体内的导向轮后穿出壳体，并穿过基座、第一展开臂部、设定的中间关节后与末端关节固定连接。

其余四根导向轮分别与四根驱动丝的一端缠绕固定，驱动丝的穿出壳体、穿过基座、展开臂的所有关节、器械臂的器械臂关节后与器械臂末端的器械臂关节固定连接。

所述主动轮与固定在壳体的驱动件连接，驱动件能够带动主动轮转动，本实施例中，所述驱动件采用电机17，所述电机的电机壳固定在壳体上，电机的输出轴伸入壳体内部并与主动轮固定连接。

所述导向轮与导向轮轴转动连接，所述导向轮轴固定在壳体内部，所述主动轮及导向轮的设置位置使第一锁紧丝、第二锁紧丝及驱动丝满足在展开臂、器械臂上的设置位置需求。

电机能够带动主动轮转动，进而实现第一锁紧丝、第二锁紧丝及驱动丝的收起和释放，实现展开臂和器械臂的弯曲运动。

本实施例中，采用驱动丝驱动器械臂的弯曲运动，具有较小的几何尺寸，且具有较好的柔性，具有较高的临床应用价值。

所述驱动机构与基座之间的驱动丝、第一锁紧丝、第二锁紧丝部分的外周设置有丝鞘管13，用于对驱动丝、第一锁紧丝和第二锁紧丝进行保护。

实施例2：

如图13所示，本实施例公开了一种内窥镜系统，包括内窥镜本体20，所述内窥镜本体中设置有两条通道，每条通道对应设置一个实施例1所述的手术机械臂，手术机械臂的驱动丝、第一锁紧丝、第二锁紧丝通过通道穿过内窥镜本体后与驱动机构连接，所述内窥镜本体上还设置有摄像机构21，用于采集图像，所述摄像机构采用现有内窥镜的摄像机构即可，其具体结构在此不进行详细叙述，两个手术机械臂的器械臂末端均安装有手术器械，两个器械臂末端分别安装手术夹持器22和手术电刀23，可以理解的是，本领域技术人员可根据手术需要选择其他手术器械安装在器械臂末端，根据手术需要进行选择即可。

本实施例的内窥镜系统操作时，在医生的操作下内窥镜本体到达病患部位，手术机械臂在第一锁紧丝、第二锁紧丝及驱动丝未施加预紧力时呈现柔性，通过内窥镜本体上设置的通道到达病患位置，两个手术机械臂的第一锁紧丝和第二锁紧丝在驱动机构的带动下运动，第一展开臂部和第二展开臂部弯曲，直至关节的倾斜面相互接触，形成自由度锁定，由于展开臂的各个关节为铰接，通过第一锁紧丝和第二锁紧丝锁定，因此展开臂形成了稳定的结构，本实施例中，两个手术机械臂的第一展开臂部的弯曲方向相反，增大两个器械臂之间的距离，扩大了手术器械臂的操作空间，不会造成两个手术器械的干涉，为内窥镜手术的实施创造了条件。

驱动机构带动驱动丝运动，器械臂各器械臂关节克服十字轴的弹力发生相对运动，使器械臂发送弯曲，使相应的手术器械到达病患位置进行灵活的手术操作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种手术机械臂，其特征在于，包括由首端关节、多个中间关节及末端关节依次铰接构成的展开臂，设定的中间关节将展开臂分为第一展开臂部和第二展开臂部，设定的中间关节与第一锁紧丝一端固定，第一锁紧丝另一端穿过与首端关节连接的基座后与驱动机构连接，末端关节与第二锁紧丝一端固定，第二锁紧丝另一端穿过设定中间关节、第一展开臂部及基座后与驱动机构连接，末端关节连接有器械臂。

2.如权利要求1所述的一种手术机械臂，其特征在于，所述第一锁紧丝和第二锁紧丝设置在展开臂的关节所在圆周面同一条直径线的两端。

3.如权利要求1所述的一种手术机械臂，其特征在于，所述第一展开臂部、基座及设定的中间关节设置有第一线槽，第一锁紧丝能够置入第一线槽内。

4.如权利要求1所述的一种手术机械臂，其特征在于，所述第二展开臂部、设定的中间关节设置有第二线槽，所述第二锁紧丝能够置入第二线槽内。

5.如权利要求1所述的一种手术机械臂，其特征在于，所述基座的端部、展开臂的关节的两端均具有与关节轴线呈设定夹角的倾斜面，展开臂在弯曲状态下，相邻关节的倾斜面、关节与基座的倾斜面能够贴合接触。

6.如权利要求1所述的一种手术机械臂，其特征在于，所述器械臂包括多个器械臂关节，相邻所述器械臂关节万向连接，位于末端的器械臂关节与多个驱动丝的一端固定连接，多个驱动丝的另一端穿过其余器械臂关节后与驱动机构连接。

7.如权利要求6所述的一种手术机械臂，其特征在于，相邻两个器械臂关节中，其中一个器械臂关节与由弹性材质制成的十字轴的其中一根轴的两端固定连接，另一个器械臂关节与十字轴的另一根轴的两端固定连接。

8.如权利要求6所述的一种手术机械臂，其特征在于，所述驱动机构包括多个设置在壳体内的主动轮，第一锁紧丝、第二锁紧丝及驱动丝的端部与主动轮缠绕连接，主动轮与固定在壳体的驱动件连接，驱动件能够驱动主动轮转动。

9.如权利要求8所述的一种手术机械臂，其特征在于，所述第一锁紧丝、第二锁紧丝及驱动丝一端与主动轮缠绕连接，另一端绕接安装在壳体内导向轮后伸出至壳体外部。

10.一种内窥镜系统，其特征在于，包括内窥镜本体，所述内窥镜本体上安装有摄像机构及多个权利要求1-9任一项所述的手术机械臂，所述手术机械臂的器械臂安装有手术器械。

Images