CN112494143A - 一种前端执行器及其方法、机械手装置及外科手术器械 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种前端执行装置，包括：第一滑轨，所述第一滑轨能够绕第一轴转动；第二滑轨，所述第二滑轨能够绕第二轴转动，所述第二轴与所述第一轴相交于一点；滑块，所述滑块滑动连接于所述第一滑轨与第二滑轨之间，并与前端执行器的执行组件连接。本公开还提供了一种前端执行器的方法、机械手装置及外科手术器械。

Description

一种前端执行器及其方法、机械手装置及外科手术器械
技术领域
本公开涉及机械手领域，尤其涉及一种前端执行器及其方法、机械手装置及外科手术器械。
背景技术
目前，具有前端执行器的机械手结构在外科手术或加工制造业中的应用越来越广泛，针对机器人辅助微创手术系统或精密制造等领域，对前端执行器尺寸和响应速度具有更加严格的要求。此外，前端执行器需要进行多自由度的运动，通常驱动丝在外管内成周向分布，当前端执行装置做自转运动时，周向分布的驱动丝会发生相互缠绕的现象，缠绕后的驱动丝不仅会使前端执行装置上各运动发生耦合，而且驱动丝相互产生的摩擦力远大于驱动丝在导向轮、丝轮上的摩擦力，导致前端执行装置的运动精度和负载能力严重下降。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种前端执行器及其方法、机械手装置及外科手术器械，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，提供一种前端执行装置，包括：
第一滑轨，所述第一滑轨能够绕第一轴转动；
第二滑轨，所述第二滑轨能够绕第二轴转动，所述第二轴与所述第一轴相交于一点；以及
滑块，所述滑块滑动连接于所述第一滑轨与第二滑轨之间，并与前端执行器的执行组件连接。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
双轴转向臂，所述双轴转向臂能够绕第一轴旋转；以及
单轴转向臂，所述单轴转向臂第一端与所述双轴转向臂铰接于第二轴，第二端连接前端执行装置的执行组件，其中，所述第一轴与第二轴相交于一点。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
圆弧形滑轨，所述圆弧形滑轨能够绕第一轴旋转；以及
滑块，所述滑块滑动连接于所述圆弧形滑轨上，能够绕第二轴转动，并连接至前端执行装置的执行组件，其中，所述第一轴与所述第二轴相交于一点。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
第一驱动臂，所述第一驱动臂能够绕第一轴转动；以及
第二驱动臂，所述第二驱动臂能够绕第二轴转动，并与执行组件连接；
其中，所述第一轴与所述第二轴相互垂直并相交于一点，以实现所述前端执行装置两个自由度方向的运动。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端；以及
导向轮，所述导向轮设置于所述第一交叉轴和第二交叉轴中的另外一根的两端，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端；
双排导向轮，所述双排导向轮设置于所述第一交叉轴和第二交叉轴中的另外一根的两端；以及
四个导向轮，所述四个导向轮均匀布置于所述十字交叉轴上方侧壁，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端；
双排导向轮，所述双排导向轮设置于所述第一交叉轴和第二交叉轴中的另外一根的两端；以及
两个导向轮，所述两个导向轮对称布置于所述十字交叉轴上方侧壁，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴；
U形架，所述U形架开口朝上，U形架的两个前端连接于所述第一交叉轴两端，所述U形架的外表面的底部设置有布置第二驱动丝的圆弧形导丝槽，用于在第二驱动丝的驱动下绕所述第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置第二自由度的驱动；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述第一交叉轴的两端，与所述U形架同轴连接，用于在第一驱动丝的驱动下绕所述第一交叉轴转动以实现所述前端执行装置第一自由度的驱动；以及
导向轮，所述导向轮设置于所述第一交叉轴的两端，用于导向所述第二驱动丝，使得位于连接座上的第一驱动丝和第二驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与第一交叉轴或第二交叉轴平行。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，所述第二交叉轴两端分别设置有双排导向轮；
U形架，所述U形架开口朝上，U形架的两个前端连接于所述第一交叉轴两端，所述U形架的外表面的底部设置有用于布置第二驱动丝的圆弧形导丝槽，用于在第二驱动丝的驱动下绕所述第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置第二自由度的驱动；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述第一交叉轴的两端，与所述U形架同轴连接，用于在第一驱动丝的驱动下绕所述第一交叉轴转动以实现所述前端执行装置第一自由度的驱动；以及
两个导向轮，所述两个导向轮对称布置于所述十字交叉轴上方侧壁，使得位于连接座上的第一驱动丝和第二驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与第一交叉轴或第二交叉轴平行。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，所述第一交叉轴两端设置有第一丝轮，所述第二交叉轴两端设置有第二丝轮，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；以及
导向轮，所述导向轮设置于所述十字交叉轴上，并与所述第一丝轮或第二丝轮同轴设置，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；以及
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴或第二交叉轴的两端。
根据本公开的另一个方面，提供了一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴；
U形架，所述U形架开口朝上，U形架的两个前端连接于所述第一交叉轴两端，与前端执行器的连接座连接，用于在驱动组件的驱动下绕所述第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置第二自由度的驱动；以及
前端执行器，所述前端执行器固定在所述第一交叉轴的两端，与所述U形架同轴连接，用于在驱动组件的驱动下绕所述第一交叉轴转动以实现所述前端执行装置第一自由度的驱动。
根据本公开的另一个方面，提供了一种外科手术器械，所述外科手术器械包括如前所述的前端执行装置。
根据本公开的另一个方面，提供了一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如前所述的前端执行装置。
根据本公开的实施例，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开前端执行器及其方法、机械手装置及外科手术器械至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开的前端执行器的偏转轴、俯仰轴和自转轴交于一点，即具有三轴交于一心特性，相对于非三轴交于一心的结构，在实现同样运动角度的情况下，该尺度下该结构运动回转半径更小，具有更高的运动灵活性；
(2)本公开的前端执行器三轴交于一心结构在运动学上容易实现位姿分离计算，尤其对于具有多自由度(六自由度或七自由度)器械臂，器械臂的运动学逆解求解过程更容易，且能够获得解析解，进而降低机器人控制器的运算量，提高机器人运动控制响应速度；
(3)本公开的前端执行器驱动丝的穿丝孔采用直线分布，能够避免自转运动时外管内的驱动丝相互缠绕，降低各运动耦合度；
(4)本公开实施例采用丝-轮传动的前端执行装置具有两个相互交错的圆弧形滑轨，通过两轴线正交的滑轨共同支撑一个滑块，能够使结构具有较大的支撑刚度，确保前端执行装置301在负载下保持某一姿态时不发生形变或反向驱动现象；此外滑轨对滑块驱动过程中的压力角始终为90°，该部分运动传递效率理论值为100％，考虑到滑块与滑轨间摩擦力的影响，滑块运动过程中仍可保持极高的传动效率；
(5)本公开实施例前端执行装置结构中使用导轨滑块结构取代部分驱动丝导向轮的设置方式，在满足所有运动特性的前提下，减少了驱动丝传动路径上导向轮的数量，可增大驱动丝传递的驱动力；使用导轨滑块结构取代部分驱动丝导向轮可减小驱动丝包角50％以上，前端执行装置中驱动丝的包角仅为3π/2(各项初始位置)，前端执行装置在初始位姿时偏转运动和俯仰运动负载能够达到28N；
(6)本公开实施例滑块和滑轨等此类微小零件通常采用医用金属材料制成，并通过对滑块及滑轨等零件表面镀含氟材料薄膜，从而进一步降低零件间摩擦系数，同时镀膜后的零件更易于术后清洁；
(7)本公开实施例前端驱动装置各部分运动过程中，丝轮的位置保持固定不变，即驱动丝轮与丝轮间的驱动丝长度不变，驱动丝安装并预张紧后能够实现精准驱动；
(8)本公开实施例双轴转向臂和单轴转向臂串联设置，构成一组串联机械臂机构，容易获得运动学正解；此外，由于双轴转向臂与连接座上端面设置有30°夹角，双轴转向臂的偏转运动其中一向的偏转角度可达150°，能够极大提高手术工具的操作灵活；
(9)本公开实施例前端执行装置上设置有一圆弧形双滑轨结构，滑块仅能做在滑轨上滑动的运动，圆弧形滑轨采用双滑轨结构的虚约束形式，可以提高前端执行装置在负载状态下的刚度，同时能够降低滑动间隙对运动误差的影响；此外在限位槽的限制下，驱动丝对滑块的拉力方向始终与滑块运动切向方向相同，忽略摩擦力的影响，驱动丝的拉力全部作用在滑块上，此种驱动方式的驱动力远大于丝轮驱动的方式；
(10)本公开实施例前端执行装置所使用的零件通常是微小件或薄壁件，由于设置前端执行装置负载方向与弹性变形敏感方向不同，其结构在负载下具有较好的刚性；
(11)本公开实施例前端执行装置钳页开合动作的转动轴线与偏转运动轴线重合设置，可进一步减小前端执行装置腕部尺寸，使其结构紧凑，同时缩短了偏转运动、俯仰运动的回转半径，进而提高负载能力；同时，在运动学上，将上述两轴线重合设置后，能够使前端执行装置的运动学模型简化，减小控制程序运动学计算量，提高控制精度和系统的操作实时性，确保手术操作质量；此外通常手术工具外径为8-10mm，在该外径下一段长8mm的零件会占据很大一部分图像区域，通过上述设置能够将前端执行装置轴向尺寸减小8mm，可在很大程度上减小手术工具对视野的遮挡；
(12)本公开实施例前端执行装置十字轴上方侧壁均布有四个导向轮，将导向轮设置在十字轴上方，可减少在十字轴下方空间的占用，同时能够增加俯仰运动转动角度；
(13)本公开实施例前端执行装置钳页设置为“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动的偏转角度可达±125°。
附图说明
图1为本公开实施例机器人辅助微创手术系统主手端的结构示意图。
图2为本公开实施例机器人辅助微创手术系统从手端的结构示意图。
图3a为本公开实施例器械臂的结构示意图。
图3b为本公开实施例器械臂运动的示意图。
图4为本公开实施例手术工具的结构示意图。
图5a为本公开实施例后端驱动装置的结构示意图。
图5b为本公开实施例驱动丝轮的布置方式示意图。
图6为本公开实施例外管的结构示意图。
图7为本公开实施例驱动丝与外管关系的示意图。
图8为本公开实施例柔性外管的结构示意图。
图9为本公开实施例柔性外管的局部放大示意图。
图10为本公开实施例柔性外管沿轴线的剖视图。
图11为本公开实施例柔性外管内驱动丝进行长度补偿的示意图。
图12为本公开实施例可以调整多腔管内空腔位置的装置过渡环的结构示意图。
图13为本公开实施例柔性外管内驱动丝在弯曲方向上相对位置发生变化的示意图。
图14为本公开又一实施例柔性外管的结构示意图。
图15为一实施例前端执行装置的运动示意图。
图16为一实施例前端执行装置内部结构示意图。
图17为一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。
图18为一实施例前端执行装置的运动示意图。
图19为又一实施例前端执行装置的结构示意图。
图20为又一实施例前端执行装置的偏转座结构示意图。
图21为又一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图22为又一实施例前端执行装置俯仰运动的示意图。
图23为又一实施例前端执行装置偏转和开合运动的示意图。
图24为又一实施例前端执行装置俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图25为又一实施例前端执行装置偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图26为又一实施例前端执行装置俯仰丝轮上驱动丝布置方式示意图。
图27为再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图28为再一实施例前端执行装置的内部结构示意图。
图29为再一实施例前端执行装置的偏转座结构示意图。
图30为再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图31为再一实施例前端执行装置俯仰运动的示意图。
图32为再一实施例前端执行装置偏转和开合运动的示意图。
图33为再一实施例前端执行装置俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图34为再一实施例前端执行装置偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图35为再一实施例前端执行装置俯仰丝轮上驱动丝布置方式示意图。
图36为再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图37为再一实施例前端执行装置的爆炸图。
图38为再一实施例前端执行装置的连接座结构示意图。
图39为再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图40为再一实施例前端执行装置俯仰运动的示意图。
图41为再一实施例前端执行装置偏转和开合运动的示意图。
图42为再一实施例前端执行装置俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图43为再一实施例前端执行装置偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图44为再一实施例前端执行装置俯仰丝轮上驱动丝布置方式示意图。
图45为再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图46为再一实施例前端执行装置的爆炸图。
图47为再一实施例前端执行装置偏转运动的示意图。
图48为再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图49为再一实施例前端执行装置俯仰和开合运动的示意图。
图50为再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图51为再一实施例前端执行装置的三自由度运动的示意图。
图52为前端执行装置231模拟做“持针缝合”动作时各转轴偏转角位移的变化曲线。
图53为前端执行装置232模拟做“持针缝合”动作时各转轴偏转角位移的变化曲线。
图54为再一实施例前端执行装置偏转运动的驱动丝布置方式示意图。
图55为再一实施例前端执行装置自转运动的驱动丝布置方式示意图。
图56为再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图57为再一实施例前端执行装置的三自由度运动的示意图。
图58为再一实施例前端执行装置的爆炸图。
图59为再一实施例前端执行装置偏转座安装的结构示意图。
图60为再一实施例前端执行装置自转座安装的结构示意图。
图61为再一实施例前端执行装置钳页安装的结构示意图。
图62为再一实施例另一视角下前端执行装置钳页安装的结构示意图。
图63为再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图64为再一实施例前端执行装置的爆炸图。
图65为再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。
图66为再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。
图67为再一实施例另一视角下前端执行装置驱动丝布置方式示意图。
图68为再一实施例前端执行装置驱动丝长度变化示意图。
图69为本公开实施例前端执行装置的结构示意图。
图70为本公开实施例前端执行装置的局部放大图。
图71为本公开实施例前端执行装置圆弧形滑轨的结构示意图。
图72为本公开实施例前端执行装置滑块的结构示意图。
图73为本公开实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图74为本公开实施例前端执行装置的驱动丝驱动滑轨转动的示意图。
图75为本公开实施例又一前端执行装置的结构示意图。
图76所示为本公开又一实施例前端执行装置的串联机械臂机构结构的示意图。
图77所示为本公开又一实施例前端执行装置的双轴转向臂的结构示意图。
图78所示为本公开又一实施例前端执行装置的单轴转向臂的结构示意图。
图79为本公开又一实施例前端执行装置驱动丝布置方式的示意图。
图80为本公开又一实施例双轴转向臂上驱动丝布置方式的示意图。
图81为本公开又一实施例单轴转向臂上驱动丝布置方式的示意图。
图82为本公开又一实施例前端执行装置的驱动丝驱动滑轨转动的示意图。
图83为本公开又一实施例前端执行装置的驱动丝驱动滑轨转动角度关系图。
图84为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图85为本公开再一实施例前端执行装置双滑轨结构的结构示意图。
图86为本公开再一实施例前端执行装置滑块连接结构的示意图。
图87为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式的示意图。
图88为本公开再一实施例双滑轨的驱动丝布置方式的示意图。
图89为本公开再一实施例前端执行装置由驱动丝驱动的示意图。
图90为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图91为本公开再一实施例前端执行装置的两驱动臂结构示意图。
图92为本公开再一实施例前端执行装置的下驱动臂结构示意图。
图93为本公开再一实施例前端执行装置的上驱动臂结构示意图。
图94为本公开再一实施例前端执行装置的坐标系示意图。
图95为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式的示意图。
图96为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝在丝轮上的布置方式示意图。
图97为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝带动驱动臂转动的示意图。
图98为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图99为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图100为本公开再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。
图101为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图102为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。
图103为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置的驱动丝十字轴上布置方式示意图。
图104为本公开再一实施例前端执行装置进行俯仰运动的示意图。
图105为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。
图106为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。
图107为本公开再一实施例前端执行装置进行偏转运动的示意图。
图108为本公开再一实施例前端执行装置穿丝孔的分布示意图。
图109为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图110为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图111为本公开再一实施例前端执行装置电钩座的结构示意图。
图112为本公开再一实施前端执行装置310的驱动丝布置方式示意图。
图113为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在俯仰丝轮上布置方式示意图。
图114为本公开再一实施例前端执行装置进行俯仰运动的示意图。
图115为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。
图116为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。
图117为本公开再一实施例前端执行装置进行偏转运动的示意图。
图118为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图119为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图120为本公开再一实施例前端执行装置钳页的结构示意图。
图121为本公开再一实施例前端执行装置俯仰角度的示意图。
图122为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图123为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。
图124为本公开再一实施例前端执行装置进行俯仰运动的示意图。
图125为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。
图126为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。
图127为本公开再一实施例前端执行装置进行偏转和开合运动的示意图。
图128为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图129为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图130为本公开再一实施例前端执行装置结构钳页的结构示意图。
图131为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图132为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在俯仰丝轮上布置方式示意图。
图133为本公开再一实施例前端执行装置进行俯仰运动的示意图。
图134为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。
图135为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。
图136为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。
图137为本公开再一实施例前端执行装置进行偏转和开合运动的示意图。
图138为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图139为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图140为本公开再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。
图141为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。
图142为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝在十字轴上的布置方式示意图。
图143为本公开再一实施例前端执行装置进行俯仰运动的示意图。
图144为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在导向轮上布置方式示意图。
图145为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。
图146为本公开再一实施例前端执行装置进行偏转和开合运动的示意图。
图147为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图148为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图149为本公开再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。
图150为本公开再一实施例前端执行装置钳页的结构示意图。
图151为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。
图152为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝在十字轴上的布置方式示意图。
图153为本公开再一实施例前端执行装置进行俯仰运动的示意图。
图154为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图155为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图156为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。
图157为本公开再一实施例前端执行装置进行偏转和开合运动的示意图。
图158为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图159为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图160为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图161为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图162为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图163为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图164为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图165为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图166为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图167为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图168为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图169为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图170为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图171为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图172为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图173为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图174为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图175为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图176为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图177为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图178为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图179为本公开再一实施例前端执行装置的偏转驱动轮结构示意图。
图180为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图181为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图182为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图183为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图184为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图185为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图186为本公开再一实施例前端执行装置的偏转驱动齿条结构示意图。
图187为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图188为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图189为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图190为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。
图191为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。
图192为本公开再一实施例前端执行装置的十字轴结构示意图。
图193为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。
图194为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。
图195为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。
图196为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。
图197为本公开实施例柔性前端执行装置的结构示意图。
图198为本公开实施例柔性前端执行装置的关节在V形槽内做偏转运动的示意图。
图199为本公开又一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。
图200为本公开又一实施例柔性前端执行装置的关节结构示意图。
图201为本公开又一实施例柔性前端执行装置的关节结构的剖视图。
图202为本公开再一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。
图203为本公开再一实施例柔性前端执行装置弯曲角度示意图。
图204本公开实施例具有刚度可变性能的柔性前端执行装置结构示意图。
图205本公开实施例具有刚度可变性能的柔性前端执行装置的内部结构示意图。
图206为本公开又一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。
图207为本公开又一实施例柔性前端执行装置的柔性铰链连接结构示意图。
图208为本公开再一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。
图209为本公开再一实施例柔性前端执行装置的关节连接结构示意图。
图210为本公开再一实施例柔性前端执行装置的离散关节加工示意图。
图211为图208所示剖切方向的剖视图。
图212为本公开再一实施例柔性前端执行装置的加厚离散关节示意图。
图213为本公开再一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。
图214为本公开再一实施例柔性前端执行装置的主体结构示意图。
图215为本公开再一实施例柔性前端执行装置的驱动单元结构示意图。
图216为本公开再一实施例柔性前端执行装置的驱动单元的侧视图。
图217为本公开再一实施例柔性前端执行装置的驱动单元外管弯曲时产生转矩的示意图。
图218为本公开再一实施例柔性前端执行装置的外管与内管切割方向的示意图。
图219为本公开实施例前端执行装置的结构示意图。
图220为本公开实施例前端执行装置的回转关节内部结构示意图。
图221为所述本公开实施例前端执行装置的偏转运动示意图。
图222为所述本公开实施例前端执行装置的各回转关节驱动方式示意图。
具体实施方式
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由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种前端执行装置。所述前端执行装置用于机器人辅助微创手术系统的手术器械结构，所述手术器械结构可配置用于多孔微创手术机器人及单孔微创手术机器人，也可通过调整所述器械的驱动方式及控制方法，将其作为普通多自由度微创手术器械或手持式电驱动微创手术器械使用。
需要说明的是，本公开的前端执行装置的应用并不以此为限，本公开的前端执行装置还可以用于加工制造或仓储物流等其他技术领域。
图1为本公开实施例机器人辅助微创手术系统主手端的结构示意图。图2为本公开实施例机器人辅助微创手术系统从手端的结构示意图。如图1、2所示，所述机器人辅助微创手术系统包括主手端01、从手端02以及三维图像显示系统03。所述主手端01上设置有主操作手11和三维图像系统03，主操作手11用于控制从手段02上设置的器械臂12及手术工具13。所述从手端02设置有多个器械臂12，每个器械臂12在手术时将安装不同功能的手术工具13，如组织钳、针持、能量工具、超声刀等，以应对不同手术的术式需要。所述多个器械臂12中的一个安装有内窥镜14，用于手术中的图像传输。
在手术实施过程中，安装有内窥镜14的器械臂12通过姿态调整，对内窥镜14进行定位和定向。内窥镜14穿过微创切口(戳卡)后进入人体内部，可以采集手术实施部位三维图像，并将病灶部位三维图像同步传输至主手端01上设置的三维图像系统03，医生通过观看三维图像进行手术操作，即医生在主手端01处观看三维图像系统03上的病灶部同步图像，同时操作主操作手11，通过调整主操作手11的位姿来控制从手端02上多个器械臂12及手术工具13的位姿和动作，以完成手术操作。图3a为本公开实施例器械臂的结构示意图。图3b为本公开实施例器械臂运动的示意图。如图3a及图3b所示，器械臂12的带动下手术工具13完成空间3自由度运动P1、P1、P2，其中P1为通过不动点O的直线运动，P1、P2为绕不动点O的偏转运动。
所述主手端01和从手端02可安置在同一手术室中进行机器人辅助微创手术，亦可将主手端01和从手端02分别安置在不同地区，通过商用宽带或5G移动网络的信号传输完成机器人辅助远程微创手术。
图4为本公开实施例手术工具的结构示意图。如图4所示，所述手术工具13包括后端驱动装置21、外管22、前端执行装置23。所述手术工具13通常采用丝传动的驱动方式，以实现狭窄通道内的远距离驱动力传输，从而满足各类微创手术的不同术式的操作需求。
图5a为本公开实施例后端驱动装置的结构示意图。如图5a所示，其主要结构包括驱动丝轮21a和导向轮21b，驱动丝轮21a布置数量由前端执行装置23实际结构的自由度数决定，不限于具体个数。所述驱动丝一端缠绕布置在驱动丝轮21a上，另一端绕过导向轮，从外管22内部延伸至前端执行装置23，驱动丝轮21a的转动可拉动驱动丝的运动，进而驱动前端执行装置23的各部件运动。
所述后端驱动装置21上驱动丝轮21a的布置方式通常为：驱动丝轮21a回转轴线与外管22轴线平行布置。这样的布置方式便于将手术工具13安装在器械臂12上。机器人辅助微创手术进行过程中，器械臂12上会经常更换不同功能的手术工具13，采用上述布置方式的手术工具13更换时间更短，有利于减小手术感染风险。另外，对于此种布置方式的手术工具13，不同驱动丝轮21a与前端执行装置23间的驱动丝长度基本相同。由于驱动丝在安装完成张紧后会在整个使用期限内发生蠕变伸长，所以此种布置方式的手术工具13在使用过程中其内部的驱动丝松弛量基本相同，有利于手术工具13的精准驱动。
对于自由度数较多的手术工具13，如单孔机器人手术工具、自然腔道机器人手术工具，其后端驱动装置21会采用驱动丝轮21a回转轴线与外管22轴线垂直布置的结构。图5b为本公开实施例驱动丝轮的布置方式示意图。如图5b所示，由于驱动丝轮21a数目较多，故采用此种布置方式可以减小手术工具13切向尺寸，进而减小机器人从手端02尺寸，同时更有利于增大驱动臂12活动空间。
机器人辅助微创手术实施过程中，手术工具13将被安装在器械臂12上的手术工具接口处，所述接口处设置有驱动电机，驱动电机可带动后端驱动装置21内驱动丝轮21a的转动，以实现对前端执行装置23运动的控制。即手术过程中医生通过操纵主操作手11，对器械臂12和手术工具13的前端执行装置23进行精准运动控制，完成手术操作。
图4所示外管22为细长管结构，两端分别于后端驱动装置21和前端执行装置21连接，对于不同功能的手术工具13，外管22的外径常设置为10mm、9.5mm、8mm、5mm等几种规格，其外形不限于直杆形式，在一些特定术式中会使用具有“S”形、“L”形的外管22。
图6为本公开实施例外管的结构示意图。如图6所示，所述外管22不限于刚性结构，诸如在内镜手术、自然腔道手术中，需要使用具有柔性外管22的手术工具13。为实现对前端执行装置23的精准驱动，手术工具13的生产装配过程中要对驱动丝施加定量的预紧力。当外管22为柔性管状结构时，柔性外管22的弯曲会使驱动丝松弛，致使前端执行装置23无法精准驱动。图7为本公开实施例驱动丝与外管关系的示意图。如图7所示，柔性外管22弯曲后对驱动丝施加驱动力，则驱动丝会在外管22内寻最短路径重新张紧，前端执行装置23的运动将不可控。所以对于使用柔性外管22的手术工具13，驱动方式为丝鞘传动。
图8为本公开实施例柔性外管的结构示意图。如图8所示，外管22为多腔管结构，其材料采用具有低摩擦系数的柔性材料，如LDPE、HDPE等。外管22内分布有多个用于驱动丝22a通过的截面为圆形的空腔，每个空腔轴线与外管22轴线平行，空腔贯穿整根外管22。所述空腔内径略大于驱动丝22a外径，其可限制驱动丝的径向移动，使驱动丝在受到驱动力拉动时始终沿其轴线运动，驱动丝22a与所述空腔构成丝鞘传动系统。
所述空腔与外管22一次成型加工。图9为本公开实施例柔性外管的局部放大示意图。参见图9，外管22内可设置多个空腔，其中用于驱动丝22a通过的穿丝空腔22b的数量与驱动丝22a数量相同。根据手术工具13的不同用途，外管22内还可设置一个或多个功能空腔22c，用于通过除驱动丝外的其他部件，可以是用于供电的导线、用于数据传输的光纤、用于负压吸引的导管，也可以是用于提高外管22弯曲回弹性、轴向抗压缩性的海波管、束线管、弹簧等。所述功能空腔22c的截面尺寸和形状可根据其内部通过部件类型设置，不限于特定规格。
所述具有柔性外管22的手术工具13多用于内径手术或自然腔道手术，手术实施过程中，手术工具13会通过如食道、肠道、尿道等人体自然腔道。图10为本公开实施例柔性外管沿轴线的剖视图。当手术工具13通过上述自然腔道时，柔性外管22会发生弯曲，则弯曲方向内外两根驱动丝22a理论长度值会发生变化，两驱动丝22a长度差为aθπ/180。图11为本公开实施例柔性外管内驱动丝进行长度补偿的示意图。如不采取驱动丝长度补偿措施，则会影响前端执行装置23初始姿态，进而影响手术工具13的操作。
所述多腔管结构的柔性外管22的加工制作方式为挤出成型，各空腔在整条管路内径向位置保持固定不变，所以无法通过改变空腔位置或形状实现驱动丝长度补偿。
图12为本公开实施例可以调整多腔管内空腔位置的装置过渡环的结构示意图。装置过渡环22g内部设置有螺旋结构的穿丝空腔22b，穿丝空腔数目与柔性外管22相同，每个穿丝空腔22b在过渡环22g两端面上的出口位置在轴向上相差180度。所述过渡环22g可通过注塑成型加工或3D打印加工，两端与柔性外管22粘接或焊接。
图13为本公开实施例柔性外管内驱动丝在弯曲方向上相对位置发生变化的示意图。如图13所示，柔性外管22内驱动丝22a通过过渡环22g后，驱动丝22a在弯曲方向上的相对位置发生变化，弯曲方向内外两根驱动丝22a位置对调，过渡环22g两端的驱动丝长度相互补偿，不再影响前端驱动装置23的初始位姿。根据手术工具13的不同长度，柔性外管22上可设置多个过渡环22g，过渡环数目为2n-1，其中n＝1、2、3…
图14为本公开又一实施例柔性外管的结构示意图。柔性的外管22的主要结构为柔性金属管22d包覆绝缘膜22e的形式。所述柔性金属管22d可以是钢丝(带)编织管、海波管、弹簧管等，该结构可为外管22提供较高的抗扭转刚度。所述柔性金属管22d内壁固定有多个束线管22f，束线管22f轴线与柔性金属管22的轴线平行。束线管22f与驱动丝22a构成丝鞘传动系统。
图15为一实施例前端执行装置的运动示意图。所述前端执行装置231与外管22固定连接，其可在后端驱动装置21的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管22轴线的自转运动R1，偏转运动R2，俯仰运动R3，具有不同功能的前端执行装置231还可完成其他类型的动作，如夹持类前端执行装置可完成的开合动作K。
图16为一实施例前端执行装置内部结构示意图。前端执行装置包括连接座231a、偏转座231b以及支撑座231c等。所述连接座231a用于连接外管22与前端执行装置231，连接座231a固定安装在外管22前端，连接座231a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置231实现自转运动R1。
所述偏转座231b安装在连接座231a的轴座231d上，偏转座231b可绕轴R3转动。偏转座231b另一端安装有支撑座231c，所述支撑座231c用于安装用于具体手术动作实施的装置，其可以是夹持钳、剪刀、能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。支撑座231c可绕轴R2转动。
图17为一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，驱动丝231e固定安装在偏转座231b内侧的俯仰丝轮231f上，驱动丝231e两端绕过俯仰丝轮231f后穿过连接座231a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。拉动驱动丝231e的两端，可实现偏转座231b绕轴R3的转动。
对于偏转运动R2，驱动丝231e固定安装在支撑座231c内侧的偏转丝轮231g上，驱动丝231e两端绕过偏转丝轮231g后穿过连接座231a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。拉动驱动丝231e的两端，可实现支撑座231c绕轴R2的转动。
图18为一实施例前端执行装置的运动示意图。如图18所示，所述前端执行装置241与外管22固定连接，其可在后端驱动装置21的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管22轴线的自转运动R1，偏转运动R2，俯仰运动R3。
图19为一实施例前端执行装置的结构示意图。如图19所示，前端执行装置241包括接座241a、偏转座241b、钳页241c等。所述连接座241a用于连接外管22与前端执行装置241，连接座241a固定安装在外管22前端，连接座241a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置241实现自转运动R1。
图20为一实施例前端执行装置的偏转座结构示意图。参见图19、图20，所述偏转座241b安装在连接座241a的偏转轴座241d上设置的转轴241f处，偏转座241b可在转轴241f上绕轴R2转动，如图18所示。偏转座241b另一端设置的俯仰轴座241e上安装有钳页241c，钳页241c可绕轴R3转动。
图21为一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。参见图21，钳页241上固定安装有俯仰丝轮241g，俯仰丝轮241g回转轴线与钳页241c回转轴线重合，俯仰丝轮241g的转动可带动钳页241c绕轴R3转动，如图22所示。偏转座241b的圆柱面上设置有俯仰导丝槽241l。
参见图19，偏转座241b上设置的两片钳页241c分别由各自的俯仰丝轮241g驱动，两片钳页241c的转动运动相互独立，钳页241c的绕轴转动运动可同时实现俯仰运动R3和开合运动K，如图23所示。
图24为又一实施例前端执行装置俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。图25为又一实施例前端执行装置偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2，偏转座241b上设置有偏转导丝槽241i，驱动丝241h一端固定在偏转导丝槽241g上部的丝孔内，驱动丝241h另一端沿着偏转导丝槽241g，穿过连接座241a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一根驱动丝241h采用同样方式对称布置，拉动两根驱动丝241h，可实现支撑座241c绕轴R2的转动。
对于俯仰运动R3和开合运动K，驱动丝241h通过其上固定的丝扣241k安装在俯仰丝轮241g上。图26为又一实施例前端执行装置俯仰丝轮上驱动丝布置方式示意图。如图26所示，驱动丝241h两端绕过俯仰丝轮241g，沿着俯仰导丝槽241l、双排导向轮241m穿过连接座241a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一根驱动丝241h采用同样方式对称布置，拉动驱动丝241h，可实现支撑座241c绕轴R3的转动和开合运动K。
图27为再一实施例前端执行装置的结构示意图。所述前端执行装置242与外管22固定连接，其可在后端驱动装置21的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管22轴线的自转运动R1，偏转运动R2，俯仰运动R3。
图28为再一实施例前端执行装置的内部结构示意图。所述前端执行装置242包括接座242a、偏转座242b、钳页242c等。所述连接座242a用于连接外管22与前端执行装置242，连接座242a固定安装在外管22前端，连接座242a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置242实现自转运动R1。
图29为再一实施例前端执行装置的偏转座结构示意图。参见图28、图29，所述偏转座242b安装在连接座242a的偏转轴座242d上设置的转轴242f处，偏转座242b可在转轴242f上绕轴R2转动，如图31所示。偏转座242b另一端设置的俯仰轴座242e上安装有钳页242c，钳页242c可绕轴R3转动。图30为再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。参见图30，钳页242c上固定安装有俯仰丝轮242g，俯仰丝轮242g回转轴线与钳页242c回转轴线重合，俯仰丝轮242g的转动可带动钳页242c绕轴R3转动，如图32所示。偏转座242b的圆柱面上安装有俯仰导向轮242l。
参见图28，偏转座242b上设置的两片钳页242c分别由各自的俯仰丝轮242g驱动，两片钳页242c的转动运动相互独立，钳页242c的绕轴转动运动可同时实现俯仰运动R3和开合运动K，如图28所示。
图33为再一实施例前端执行装置俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。图34为再一实施例前端执行装置偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2，偏转座242b上设置有偏转导丝槽242i，驱动丝242h一端固定在偏转导丝槽242g上部的丝孔内，驱动丝242h另一端沿着偏转导丝槽242g，穿过连接座242a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一根驱动丝242h采用同样方式对称布置，拉动两根驱动丝242h，可实现支撑座242c绕轴R2的转动。
图35为再一实施例前端执行装置俯仰丝轮上驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3和开合运动K，驱动丝242h通过其上固定的丝扣242k安装在俯仰丝轮242g上，如图35所示，驱动丝242h两端绕过俯仰丝轮242g，沿着俯仰导向轮242l、双排导向轮242m穿过连接座242a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一根驱动丝241h采用同样方式对称布置，拉动驱动丝242h，可实现支撑座242c绕轴R3的转动和开合运动K。
图36为再一实施例前端执行装置的结构示意图。所述前端执行装置245与外管22固定连接，其可在后端驱动装置21的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管22轴线的自转运动R1，偏转运动R2，俯仰运动R3。
图37为再一实施例前端执行装置的爆炸图。前端执行装置245包括接座245a、偏转座245b、钳页245c等。所述连接座245a用于连接外管22与前端执行装置245，连接座245a固定安装在外管22前端，连接座245a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置245实现自转运动R1。
图38为再一实施例前端执行装置的连接座结构示意图。参见图37、图38，所述偏转座245b安装在连接座245a的偏转轴座245d上设置的偏转轴245f处，偏转座241b可在转轴241f上绕轴R2转动，偏转座245b内部安装有用于驱动偏转座245b转动的偏转轮245g，所述偏转轮245g转动轴线与偏转轴245f轴线重合设置，偏转轮245g的转动可带动偏转座245b绕轴转动，实现偏转运动R2，如图40所示。
偏转座245b另一端设置的俯仰轴座245e上安装有钳页245c，钳页245c可绕轴R3转动。图39为再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。参见图39，钳页245c上固定安装有俯仰丝轮245h，俯仰丝轮245h回转轴线与钳页245c回转轴线重合，俯仰丝轮245h的转动可带动钳页245c绕轴R3转动。
参见图36，偏转座245b上设置的两片钳页245c分别由各自的俯仰丝轮245h驱动，两片钳页245c的转动运动相互独立，钳页245c的绕轴转动运动可同时实现俯仰运动R3和开合运动K，如图41所示。
图42为再一实施例前端执行装置俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。图43为再一实施例前端执行装置偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2，偏转座驱动丝245i通过丝扣固定在偏转轮245g上，驱动丝245i两端绕过偏转轮245g穿过连接座245a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，拉动驱动丝245i，可实现偏转座245b绕轴R2的转动。
对于俯仰运动R3和开合运动K，驱动丝245i通过丝扣安装在俯仰丝轮245h上。图44为再一实施例前端执行装置俯仰丝轮上驱动丝布置方式示意图。如图44所示，驱动丝245i两端绕过俯仰丝轮245h，沿着俯仰导丝槽245k，穿过连接座245a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一根驱动丝245i采用同样方式对称布置，拉动驱动丝245i，可实现钳页245c绕轴R3的转动和开合运动K。
图45为再一实施例前端执行装置的结构示意图。如图45所示，所述前端执行装置246与外管22固定连接，其可在后端驱动装置21的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管22轴线的自转运动R1，偏转运动R2，俯仰运动R3。
所述前端执行装置246的偏转运动R2由一刚性杆件驱动，采用刚性杆件的驱动方式可为前端执行装置246提供较大的偏转运动R2负载能力。图42所示为前端执行装置246内部结构，包括连接座245a、偏转座245b、钳页245c等。所述连接座246a用于连接外管22与前端执行装置246，连接座246a固定安装在外管22前端，连接座246a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置246实现自转运动R1。
图46为再一实施例前端执行装置的爆炸图。参见图46，所述偏转座246b固定安装在偏转架246d一端的导轮轴246e上，导轮轴246e上安装有用于驱动丝导向的导轮246f，导轮246f布置在偏转架246d的两侧。所述偏转架246d另一端安装有偏转驱动架246g，偏转驱动架246g可在偏转架246d上转动，偏转驱动架246g上固定安装有推杆246h。偏转架246d安装在偏转轴246i中部，偏转轴246i安装在连接座246a上的轴座246k处。推杆246h沿其轴线的移动可使偏转驱动架246g推动偏转架246d在偏转轴246i上转动，进而驱动偏转座246b的偏转运动R2，如图47所示。
所述钳页246c安装在开合轴246l上，开合轴246l安装在偏转座246b的轴座上。图48为再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。如图48所示，钳页246c上固定安装有俯仰丝轮246m，俯仰丝轮246m回转轴线与钳页246c转动轴线重合设置，俯仰丝轮246m的转动可带动钳页246c绕轴R3转动。
参见图45，偏转座246b上设置的两片钳页246c分别由各自的俯仰丝轮246m驱动，两片钳页246c的转动运动相互独立，钳页246c的绕轴转动运动可同时实现俯仰运动R3和开合运动K，如图49所示。
图50为再一实施例前端执行装置的结构示意图。所述前端执行装置232与外管22固定连接，其可在后端驱动装置21的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管22轴线的自转运动R1，偏转运动R2，前端自转运动R3，具有不同功能的前端执行装置232还可完成其他类型的动作，如夹持类前端执行装置可完成的开合动作K。所述前端执行装置232采用的运动布置方式具有两个绕轴线自转的运动，即自转运动R1、前端自转运动R2。图51为再一实施例前端执行装置的三自由度运动的示意图，如图51所示，这样的运动布置方式可以提高前端执行装置的运动灵活性。在不同的微创手术操作动作中，缝合、打结为其中难度最大的两个操作动作，手术工具13采用前端执行装置232的结构可降低其缝合、打结动作的操作难度。
所述前端执行装置232，包括连接座232a、偏转座232b、支撑座232c等。所述连接座232a用于连接外管22与前端执行装置232，连接座232a固定安装在外管22前端，连接座232a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置232实现自转运动R1。
所述偏转座232b安装在连接座232a的轴座231d上，偏转座232b可绕轴R2转动，偏转座232b内则设置有一个偏转丝轮232e，偏转丝轮232e轴线与R2重合设置，偏转丝轮232e的转动可带动偏转座232b绕轴R2转动。偏转座232b另一端安装有支撑座232c，所述支撑座232c用于安装用于具体手术动作实施的装置，其可以是夹持钳、剪刀、能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。支撑座232c可绕轴R3转动。其下方转轴上固定安装有自转丝轮232f，自转丝轮232f轴线与R3重合设置，自转丝轮232f的转动可带动支撑座232c绕轴R3转动。
图52为前端执行装置231模拟做“持针缝合”动作时各转轴偏转角位移的变化曲线。图53为前端执行装置232模拟做“持针缝合”动作时各转轴偏转角位移的变化曲线。图52、图53中各曲线平滑，说明运动连续平顺，两种前端执行装置都可以满足缝合操作的动作需求。从图52可以看出前端执行装置231的各运动耦合性较高，需要通过大范围的各转轴联动来完成缝合动作。从图53中可以看出，前端执行装置232在完成缝合动作的过程中，自转运动R1和偏转运动R2运动幅度很小，说明缝合动作依靠前端自转运动R3即可完成，有效降低了手术操作难度。
图54为再一实施例前端执行装置偏转运动的驱动丝布置方式示意图。图55为再一实施例前端执行装置自转运动的驱动丝布置方式示意图。如图54、55所示，对于偏转运动R2，驱动丝232g固定安装在偏转座232b内侧的偏转丝轮232e上，驱动丝232g两端绕过偏转丝轮231e后穿过连接座232a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。拉动驱动丝232g的两端，可实现偏转座232b绕轴R2的转动。
对于前端自转运动R3，驱动丝232g一端固定安装在自转丝轮232f的大轮槽内，另一端绕过自转丝轮232f，沿着偏转座232b内侧设置的导向轮232h的大轮槽、穿过连接座232a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上；另一根驱动丝232g一端固定安装在自转丝轮232f的小轮槽内，另一端绕过自转丝轮232f，沿着偏转座232b内侧设置的导向轮232h的小轮槽、穿过连接座232a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。两根驱动丝232g在自转丝轮232f上的缠绕方向相反，拉动两根驱动丝232e，可实现支撑座232c绕轴R3的转动。
图56为再一实施例前端执行装置的结构示意图。前端执行装置244采用刚性导管驱动，齿轮传动。图57为再一实施例前端执行装置的三自由度运动的示意图。如图56、图57所示，刚性导管前端为锥齿轮结构，导管的回转运动将驱动力传递至前端执行装置244各组件。在导管的驱动下，前端执行装置244可实现自转运动R1，偏转运动R2，前端自转运动R3，具有不同功能的前端执行装置244还可完成其他类型的动作，如夹持类前端执行装置可完成的开合动作K。机器人辅助微创手术所使用的手术工具通常采用丝驱动方式，受限于驱动丝的抗拉强度和手术工具的尺寸要求，丝驱动的手术工具无法提供较大的负载能力。所述前端执行装置244采用刚性导管驱动，刚性导管可传递较大扭矩，以刚性导管的转动代替驱动丝的拉伸运动，可使前端执行装置具有较大的弯、扭负载能力。
所述前端执行装置244，包括连接座244a、偏转座244b、支撑座244c、钳页244d等。所述连接座244a用于连接外管22与前端执行装置244，连接座244a固定安装在外管22前端，连接座244a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置244实现自转运动R1。
图58为再一实施例前端执行装置的爆炸图。如图58所示，用于驱动的刚性导管包括偏转驱动管244e、自转驱动管244f、开合驱动管244g，所述三个刚性导管套装在外管22内，各自回转轴线重合设置，三刚性导管的转动相互独立。刚性导管前端加工有锥齿轮结构。连接座244a安装有偏转轴244h，偏转轴244h回转轴线与R2重合设置，用于传递驱动力的自转导向轮244i和开合导向轮244k安装在偏转轴244h上。自转导向轮244i与开合导向轮244k为锥齿轮，分别与自转驱动管244f和开合驱动管244g啮合。
图59为再一实施例前端执行装置偏转座安装的结构示意图。参见图59，所述偏转座244b安装在偏转轴244h上，偏转座244b可绕轴R2转动。偏转座244b内侧安装有偏转轮244l，偏转轮244l回转轴线与偏转座244b转动轴线重合设置，偏转轮244l的转动可带动偏转座244b的转动。所述偏转轮244l为锥齿轮，其与偏转驱动管244e的锥齿轮面啮合，偏转驱动管244e的转动可驱动偏转轮244l转动，进而带动偏转座244b实现偏转运动R2。
图60为再一实施例前端执行装置自转座安装的结构示意图。参见图60，所述自转座244c安装在偏转座244b上端，自转座244c下方固定安装有自转轮244m，自转轮244m转动轴线与自转座244c回转轴线重合，自转轮244m的转动可带动自转座244c在偏转座244b上端转动。所述自转轮244m通过偏转座244b轴线处设置的孔内延伸至偏转座244b下端，并与自转导向轮244i啮合。所述自转驱动管244f的锥齿轮面、自转导向轮244i、自转轮244m相互啮合，自转驱动管244f转动的驱动力可传递至自转座244c，自转驱动管244f的驱动可实现自转运动R3。
图61为再一实施例前端执行装置钳页安装的结构示意图。图62为再一实施例另一视角下前端执行装置钳页安装的结构示意图。参见图61、图62，所述钳页244d安装在开合座244c的转轴上，钳页244d一端固定安装有开合轮244n，开合轮244n回转轴线与钳页244d转动轴线重合设置，开合轮244n的转动可带动钳页244d的绕轴转动。用于传递开合驱动力的开合主动轮244o安装在自转轮244m中部，开合主动轮244o轴线与自转轮244m轴线重合设置，开合主动轮244o的转动与自转轮244m的转动相互独立。开合主动轮244o另一端通过自转轮244m内部与开合座244c轴线处设置的孔内延伸至开合座244c内部，并与开合从动轮244p固定连接，开合主动轮244o与开合从动轮244p可同步转动。开合从动轮244p与两钳页244d上固定的开合轮244n啮合，开合从动轮244p主动驱动钳页244d的打开与闭合运动。所述开合驱动管244g与开合导向轮244k啮合，同时开合导向轮244k与开合主动轮244o啮合，开合驱动管244g转动时产生的驱动力可通过开合导向轮244k、开合主动轮244o、开合从动轮244p、开合轮244n传递至钳页244d，开合驱动管244g的转动可驱动钳页244d的打开与闭合，实现开合运动K。
所述各刚性驱动管转动轴线、偏转轴244h轴线、以及自转轮244m与开合主动轮244o的转动轴线交于一点，该布置方式可实现偏转运动R2、自转运动R3、开合运动K相互独立，互不干涉。
图63为再一实施例前端执行装置的结构示意图。如图63所示，前端执行装置233与外管22固定连接，可在后端驱动装置21的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管22轴线的自转运动R1，偏转运动R2，俯仰运动R3，具有不同功能的前端执行装置233还可完成其他类型的动作，如夹持类前端执行装置可完成的开合动作K。
参见图63，本发明所述的前端执行装置233设置的三个运动R1、R2、R3回转轴线交于一心。将所述三轴交于一心结构设置于前端执行装置233，可减小前端执行装置体积，使其结构紧凑。通常微创手术器械采用细长杆结构，以减小患者体表创口，对于微创手术机器人上所使用的手术工具23，其外管22及前端执行装置23外径要小于10mm，相较于非三轴交于一心的结构，在该尺度下具有三轴交于一心特性的结构可具有更高的运动灵活性，在实现同样运动角度的情况下，三轴交于一心结构的运动回转半径更小。三轴交于一心结构在运动学上容易实现位姿分离计算，手术机器人安装使用设置有三轴一心结构的手术工具13，尤其对于具有多自由度(六自由度或七自由度)器械臂12的手术机器人，器械臂12的运动学逆解求解过程更容易，且能够获得解析解，进而降低手术机器人控制器的运算量，提高机器人运动控制响应速度。
图64为再一实施例前端执行装置的爆炸图。如图64所示，前端执行装置233包括连接座233a、支撑座233b、十字轴233c、钳页233d。所述连接座233a用于连接外管22与前端执行装置233，连接座233a固定安装在外管22前端，连接座233a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置233实现自转运动R1。所述支撑座233b与连接座233a通过十字轴233c连接。图65为再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。参见图65，十字轴233c的两回转轴分别与偏转运动R2、俯仰运动R3的回转轴重合，实现三轴交于一心特性。
所述支撑座233b上安装有用于具体手术动作实施的装置，其可以是夹持钳、剪刀、能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。
图64所示钳页233d为其中一种示意。连接座233a、支撑座233b、十字轴233c所组成的结构可视为一个虎克铰，在机器人领域，虎克铰多用于工业机器人，或大尺寸多关节柔性机器人。对于微小尺寸的微创手术器械结构，实现相同形式的运动，使用具有虎克铰的结构更有利于减小手术器械尺寸、提高运动灵活性。虎克铰或其演化构型的结构本身具有两自由度运动特性，可实现围绕其两回转轴交点的四向转动，围绕所述交点设置四根驱动丝即可使该结构运动可控。
图66为再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。图67为再一实施例另一视角下前端执行装置驱动丝布置方式示意图。如图66、图67所示，驱动丝233e一端固定安装在支撑座233b，另一端穿过连接座233a上设置的穿丝孔233f、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，驱动丝固定安装的方式可以是丝扣安装、粘接或焊接。四根驱动丝233e均布于十字轴233c的轴线交点，拉动驱动丝233e即可实现前端驱动装置233的偏转运动R2和俯仰运动R3。
图68为再一实施例前端执行装置驱动丝长度变化示意图。驱动丝233e拉动支撑座233b运动时，连接座233a与支撑座233b间的驱动丝233e长度会发生变化，其变化如图68所示。以偏转运动R2为例，连接座233a与支撑座233b间驱动丝长为L，支撑座233b绕轴R2转动θ角，旋转方向内外两侧驱动丝长度分别变为L1和L2，内外两侧驱动丝长度变化量Δ1、Δ2分别为：
Figure BDA0002806518600000311
Figure BDA0002806518600000312
可看出Δ1＜Δ2，即内侧驱动丝的收缩量小于外侧驱动丝的伸长量，可在手术机器人控制系统中对驱动丝长度变化做出补偿或矫正，以实现对前端执行装置233的精准驱动，也可通过其他方式消除驱动丝长度变化量不同的现象，如采用导向轮配合驱动丝的方式实现精准驱动。
由于具备三轴交于一心特性的前端执行装置具有更高的运动灵活性，在实现同样运动角度的情况下，三轴交于一心结构的运动回转半径更小。且三轴交于一心结构在运动学上容易实现位姿分离计算，因此一实施例的图69至图222提供了更多实现三轴交于一心结构的前端执行器，即图69至图222对应的实施例中前端执行装置的偏转、俯仰和自传的旋转轴均相交于一点
在本公开一个示意性实施例中，提供了一种前端执行装置。一实施例前端执行装置301为一种采用丝-轮传动的前端执行装置。所述前端执行装置301上设置有两个相互交错的圆弧形滑轨，两滑轨轴线相交于一点，滑轨上设置有一滑块可在两滑轨间作围绕交点的滑动运动。利用两滑轨的圆弧外形，限制其上安装的滑块的运动形式仅限于围绕滑轨轴线的转动运动，滑块在两滑轨上的绕轴转动运动耦合后，滑块的运动合成为在以两滑轨轴线交点为球心的球面上的运动。两轴线正交的滑轨共同支撑一个滑块的布置方式，能够使结构具有较大的支撑刚度，确保前端执行装置301在负载下保持某一姿态时不发生形变或反向驱动现象。
图69为本公开实施例前端执行装置的结构示意图。图70为本公开实施例前端执行装置的局部放大图。如图69、图70所示，所述前端执行301包括连接座301a、内滑轨301b、外滑轨301c、滑块301d、支撑座301e等。其中，内滑轨301b、外滑轨301c呈圆弧形，两端分别连接于连接座301a的轴座上，滑块301d滑动连接于内滑轨301b与外滑轨301c之间，支撑座301e连接于滑块301d之上。所述连接座301a用于连接外管22与前端执行装置301，连接座301a固定安装在外管22前端，连接座301a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置301实现绕轴R1的自转运动。
图71为本公开实施例前端执行装置圆弧形滑轨的结构示意图。如图71所示，内滑轨301b两端外侧固定安装有两丝轮，两丝轮轴线重合，其轴线为A，轴线A与内滑轨301b的轴线x垂直相交于一点；外滑轨301c两端内侧固定安装有两丝轮，两丝轮轴线重合，其轴线为B，轴线B与外滑轨301c的轴线y垂直相交于一点。丝轮的转动运动可带动滑轨绕其轴线A转动，内滑轨301b、外滑轨301c安装在连接座301a的轴座301h上，可绕轴R2(轴A)、R3(轴B)转动。其中，轴线A与轴线B交叉。本实施例中，轴线A与轴线B大致呈90°。
图72为本公开实施例前端执行装置滑块的结构示意图。滑块301d与支撑座301e固定安装。所述滑块301d包括两部分，即相互连接的下滑块301f和上滑块301g。两滑块的滑动接触面为曲面，下滑块301f上表面的滑动接触面的曲率半径与内滑轨301b内圆弧面相同，上滑块301g下表面的滑动接触面的曲率半径与外滑轨301c外圆弧面相同，则可实现滑块301d同时在两滑轨上运动。所述滑块301d和滑轨等此类微小零件通常采用医用金属材料制成，如医用316不锈钢或钛合金等，此类材料本身具有较低的摩擦系数，但在手术实施过程中，手术工具常会浸润在人体组织分泌液或血液中，手术工具被液体包覆后零件间摩擦系数会增加，手术工具工作效率降低。可通过对滑块及滑轨等零件表面镀含氟材料薄膜的方式进一步降低零件间摩擦系数，同时镀膜后的零件更易于术后清洁。
参见图69、图71，内滑轨301b两端丝轮绕轴线A的转动，可带动滑块301d在外滑轨301c上绕轴y滑动，外滑轨301c两端丝轮绕轴B的转动，可带动滑块301d在内滑轨301b上绕轴x滑动。滑块301d在两滑轨间的绕轴滑动使支撑座301e完成偏转运动R2和俯仰运动R3，实现三轴交于一心特性。滑块301d与两滑轨组成的三轴交一心结构，其运动传递方向为：滑轨的绕轴转动驱动其上安装的滑块的运动。滑轨转动运动的切向方向始终与滑块运动方向平行，即滑轨对滑块驱动过程中的压力角始终为90°，该部分运动传递效率理论值为100％，考虑到滑块与滑轨间摩擦力的影响，滑块运动过程中仍可保持极高的传动效率。
所述前端执行装置301结构中使用导轨滑块结构取代部分驱动丝导向轮的设置方式，在满足所有运动特性的前提下，减少了驱动丝传动路径上导向轮的数量，可增大驱动丝传递的驱动力。丝轮传动系统中，驱动丝经过的导向轮的数量，即驱动丝的包角大小是影响驱动丝传递效率的最直接因素，使用导轨滑块结构取代部分驱动丝导向轮可减小驱动丝包角50％以上，前端执行装置301中驱动丝的包角仅为3π/2(各项初始位置)，前端执行装置301在初始位姿时偏转运动和俯仰运动负载能够达到28N。
图73所示为本公开实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。如图73所示，驱动丝301i及301i’一端与丝轮固定，驱动丝301i及301i’与丝轮的固定方式不限于单一形式，可采用图21所示的丝扣301k固定的方式，也可采用焊接或粘接等方式。驱动丝301i另一端绕过9丝轮，穿过连接座301a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。内滑轨301b两端丝轮上的驱动丝301i与外滑轨301c两端丝轮上驱动丝301i’的缠绕方向相反，拉动不同的驱动丝301i即可实现滑轨正反两向的绕轴转动。前端驱动装置301各部分运动过程中，丝轮的位置保持固定不变，即驱动丝轮21a与丝轮间的驱动丝301i、301i’长度不变，驱动丝301i、301i’安装并预张紧后能够实现精准驱动，如图74所不。
图75所示为本公开又一实施例前端执行装置的结构示意图。如图75所示，前端执行装置302上串联设置有两个圆弧形转向臂，两转向臂轴线交于一点，两转向臂可围绕其各自转轴转动。两转向臂串联设置，构成一组串联机械臂机构，串联机构最显著的优点既是运动学正解容易获得。同时，前端执行装置302兼具三轴交一心结构的优点：容易实现位姿分离计算，运动学逆解求解更容易。故所述前端执行装置302的运动学求解过程极简。
参见图75，所述前端执行装置302包括连接座302a、双轴转向臂302b、单轴转向臂302c及支撑座302d等。双轴转向臂302b连接与连接座302a，单轴转向臂302c连接于双轴转向臂302b，支撑座302d连接于单轴转向臂302c。所述连接座302a用于连接外管22与前端执行装置302，连接座302a固定安装在外管22前端，连接座302a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置302实现自转运动R1。
图76所示为本公开又一实施例前端执行装置的串联机械臂机构结构的示意图。图77所示为本公开实施例又一前端执行装置的双轴转向臂的结构示意图。如图76、图77所示，所述双轴转向臂302b左右两端外侧分别设置有丝轮302e和导向轮302f，丝轮302e与导向轮302f轴线重合设置，丝轮302e的转动可带动双轴转向臂302b绕轴线A转动。所述单轴转向臂302c安装在双轴转向臂302b中部设置的转向臂座302g上。
图78所示为本公开实施例又一前端执行装置的单轴转向臂的结构示意图。参见图78，单轴转向臂302c结构为弧形连杆形式，其一端的圆弧面内侧设置有丝轮302h，丝轮302h的转动可带动单轴转向臂302c绕轴B转动，轴A与轴B垂直，并相交于一点。所述支撑座302d固定安装在单轴转向臂302c另一端。双轴转向臂302b绕轴A的转动以及单轴转向臂302c绕轴B的转动，使支撑座302d完成偏转运动R2和俯仰运动R3，实现三轴交于一心特性。
图79为本公开实施例前端执行装置驱动丝布置方式的示意图。图80为本公开实施例双轴转向臂上驱动丝布置方式的示意图。对于双轴转向臂302b，驱动丝302i通过丝节302k固定在丝轮302e上设置的槽内，驱动丝302i两端绕过丝轮302e，穿过连接座302a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。
图81为本公开实施例单轴转向臂上驱动丝布置方式的示意图。对于单轴转向臂302c，驱动丝302i’通过丝节302k’固定在丝轮302e上设置的槽内，驱动丝302i’两端绕过丝轮302e，沿着限位块302l和导向轮302f穿过连接座302a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。拉动驱动丝302i’的两端即可实现双轴转向臂302b、单轴转向臂302c正反两向的绕轴转动。
图82为本公开又一实施例前端执行装置的驱动丝驱动滑轨转动的示意图。如图82所示，本实施例前端驱动装置302各部分运动过程中，丝轮、转向轮的位置保持固定不变，即驱动丝轮21a与丝轮间的驱动丝302i、302i’长度不变，驱动丝302i、302i’安装并预张紧后能够实现精准驱动。
图83为本公开又一实施例前端执行装置的驱动丝驱动滑轨转动角度关系图。参见图83，当前端执行装置302处于初始位姿时，双轴转向臂302b与连接座302a上端面夹角a设置为30°。为满足前端执行装置的初始位姿和三轴交一心结构的设计需求，单轴转向臂302c的圆心角b须满足条件a+b＝90°。当a增大时b相应减小，单轴转向臂302c的转动半径减小，则单轴转向臂302c负载能力提高，运动控制精度降低；当a减小时b相应增大，单轴转向臂302c的转动半径增大，则单轴转向臂302c负载能力降低，运动控制精度提高。对于单轴转向臂302c绕R3轴的转动运动，以负载能力和运动控制精度作为边界条件，选取b＝60°，则a＝30°。
对于刚性结构的前端执行装置，通常各向偏转角度小于90°。所述前端执行装置302，由于双轴转向臂302b与连接座302a上端面设置有30°夹角，双轴转向臂302的偏转运动R2其中一向的偏转角度可达150°，能够极大提高手术工具的操作灵活。例如，在机器人辅助微创手术实施过程中，需对视野中某器官的背向进行操作时，某向偏转角度大于90°的手术工具更容易满足操作需求。
图84为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。如图84所示，前端执行装置303上设置有一圆弧形双滑轨结构，一滑块可在双滑轨结构上滑动，除滑动方向外，滑块其余运动自由度均被限制，即滑块仅能做在滑轨上滑动的运动。圆弧形滑轨采用双滑轨结构的虚约束形式，可以提高前端执行装置303在负载状态下的刚度，同时能够降低滑动间隙对运动误差的影响。参见图84，所述前端执行装置303包括连接座303a、双滑轨303b、滑块303c、支撑座303d等。其中，圆弧形双滑轨303b连接于连接座303a，滑块303c滑动连接于双滑轨303b上部，支撑座303d与滑块303c连接。所述连接座303a用于连接外管22与前端执行装置303，连接座303a固定安装在外管22前端，连接座303a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置303实现自转运动R1。
图85为本公开再一实施例前端执行装置双滑轨结构的结构示意图。如图84、图85所示，所述双滑轨303b为圆弧形滑轨，包括两个平行的滑行轨道结构，安装在连接座303a上的轴座303e处，两端内侧固定安装有两个丝轮303f，两丝轮303f轴线重合，其轴线为A，丝轮303f的转动可带动双滑轨303b绕轴线A的转动。双滑轨303b的滑动接触面回转轴线为B，轴A与轴B垂直并相交于一点。
图86为本公开再一实施例前端执行装置滑块连接结构的示意图。参见图86，滑块303c可在双滑轨303b上绕轴B滑动，滑块303c包括上滑块303g和下滑块303h，其中上滑块303g的下表面与两个平行轨道的上表面接触，下滑块303h的上表面与两个平行轨道的下表面接触。两滑块的滑动接触面为曲面，其曲率半径分别与双滑轨303b的两平行轨道的上下滑动接触面曲率半径相同。所述支撑座303d与滑块303c固定连接，滑块303c在双滑轨303b上的移动可驱动支撑座303d的运动。
滑轨303c绕轴A的转动以及滑块303c绕轴B的滑动，使支撑座303d完成偏转运动R2和俯仰运动R3，实现三轴交于一心特性。所述滑块和滑轨等此类微小零件通常采用医用金属材料制成，如医用316不锈钢或钛合金等，此类材料本身具有较低的摩擦系数，但在手术实施过程中，手术工具常会浸润在人体组织分泌液或血液中，手术工具被液体包覆后零件间摩擦系数会增加，手术工具工作效率降低。可通过对滑块及滑轨等零件表面镀含氟材料薄膜的方式进一步降低零件间摩擦系数，同时镀膜后的零件更易于术后清洁。
图87为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式的示意图。
图88为本公开再一实施例双滑轨的驱动丝布置方式的示意图。如图87、图88所示，对于双滑轨303b，驱动丝303i一端与丝轮303f固定，驱动丝303i与丝轮303f的固定方式不限于单一形式，可采用图35所示的丝扣303k固定的方式，也可采用焊接或粘接等方式。驱动丝303i另一端绕过丝轮303f，穿过连接座303a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。双滑轨303b另一端丝轮303f上安装有另一驱动丝303i，两驱动丝303i安装方式相同。双滑轨303b两端丝轮303f上的驱动丝303i缠绕方向相反。分别拉动两根驱动丝303i，可实现双滑轨303b绕轴R3的转动。
对于滑块303c，驱动丝303i’一端固定在上滑块303g上的丝孔内，另一端沿着双滑轨303b上设置的限位槽303l穿过连接座303a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。滑块303c另一侧安装有另一驱动丝303i’(图未示)，两驱动丝303i’安装方式相同，方向相反。分别拉动两根驱动丝303i’，可实现滑块303c在双滑轨303b上绕轴B的滑动。前端驱动装置303各部分运动过程中，丝轮的位置保持固定不变，即驱动丝轮21a与丝轮间的驱动丝303i、303i’长度不变，驱动丝303i安装并预张紧后能够实现精准驱动，如图89所示。
请再参见图87，限位槽3031与双滑轨303b的两个滑动轨道平行，驱动丝303i’沿滑块303c滑动方向布置，驱动所述前端执行装置303的偏转运动R2驱动方式是由驱动丝303i直接拉动滑块303c在双滑轨303b上滑动，在限位槽303l的限制下，驱动丝303i对滑块303c的拉力方向始终与滑块303c运动切向方向相同，忽略摩擦力的影响，驱动丝303i的拉力全部作用在滑块303c上，此种驱动方式的驱动力远大于丝轮驱动的方式。
以前端执行装置303为例，双滑轨303b曲率半径为5mm，丝轮303f半径为2mm，由于前端执行装置303具有三轴交一心结构特性，所以轴A与轴B至前端负载点的距离相同，设负载点到两轴的距离为L，驱动丝303i、303i’拉力均为F，则偏转运动产生的驱动力G2＝2F/L，俯仰运动产生的驱动力G3＝5F/L，显见G3远大于G2。在微创手术工具前端执行装置处，受手术工具尺寸限制，通常丝轮半径为2-3mm，圆弧形滑轨半径为4-5mm，所以当驱动丝拉力相同时，滑轨滑块结构的负载能力大于丝轮结构的负载能力。如前端执行装置303，偏转运动负载能力为18N，俯仰运动负载能力可达到35N。
图90为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。如图90所示，所述前端执行装置304上设置有两条驱动臂，两条转向臂可围绕各自轴线转动，两轴线垂直相交。所述前端执行装置304包括连接座304a、下驱动臂304b、上驱动臂304c、支撑座304d等。所述连接座304a用于连接外管22与前端执行装置304，连接座304a固定安装在外管22前端，连接座304a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置304实现自转运动R1。
图91为本公开再一实施例前端执行装置的两驱动臂结构示意图。图92为本公开再一实施例前端执行装置的下驱动臂结构示意图。参见图91、图92，所述下驱动臂304b包括转向臂304e和下连杆304f，转向臂304e结构为弧形连杆形式，安装在连接座304a上设置的轴座304g上，其一端圆弧面内侧安装有丝轮304h，其轴线为A。丝轮304h的转动可带转向臂304e绕轴线A的转动。转向臂304e另一端安装下连杆304f，所述下连杆304f可绕轴线x做回转运动，轴x与轴A垂直并相交于一点。
图93为本公开再一实施例前端执行装置的上驱动臂结构示意图。参见图91、图93，所述上驱动臂304c包括转向臂304e’上连杆304i，转向臂304e结构为弧形连杆形式，安装在连接座304a上设置的轴座304g上，其一端圆弧面内侧安装有丝轮304h’其轴线为B，丝轮304h的转动可带转向臂304e绕轴线B的转动，轴B与轴A垂直并相交于一点。转向臂304e另一端安装上连杆304i，所述上连杆304i可绕轴线y做回转运动，轴y与轴B垂直并相交于一点。
如图91所示，所述下连杆304f、上连杆304i分别与转向臂304e、304e’连接组成下驱动臂304b和上驱动臂304c。同时下连杆304f与上连杆304i以铰接方式连接，所述两连杆可绕轴线C转动。所述支撑座304d固定安装在上连杆304i上端，下驱动臂304b和上驱动臂304c的绕轴A、轴B的运动使支撑座304d完成偏转运动R2和俯仰运动R3，实现三轴交于一心特性。在前端执行装置304的转轴处建立如图94所示坐标系，设前端执行装置304轴向半径为a，下驱动臂304b的运动螺旋系为：(1，0，0；-a，0，0)、(0，1，0；0，a，0)，上驱动臂304c的运动螺旋系为：(0，1，0；0，-a，0)、(1，0，0；a，0，0)。通过计算可知两驱动臂运动耦合后，安装在上连杆304i上的支撑座304d的运动为(1，1，0；0，0，0)，即偏转运动R2和俯仰运动R3，说明支撑座304d可在丝轮304h的驱动下实现三轴交一心运动特性。
图95为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式的示意图。图96为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝在丝轮上的布置方式示意图。驱动丝304k、304k’通过丝节304l固定在丝轮304h上设置的槽内，驱动丝304k、304k’两端绕过丝轮304h后，穿过连接座304a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。拉动驱动丝304k、304k’的两端即可实现不同转向臂304e正反两向的绕轴转动。前端驱动装置304各部分运动过程中，丝轮的位置保持固定不变，即驱动丝轮21a与丝轮间的驱动丝304k、304k’长度不变，驱动丝304k、304k’安装并预张紧后能够实现精准驱动，如图97所示。
在手术工具的尺度下，所使用的零件通常是微小件或薄壁件，负载下常发生弹性变形影响运动精度。如图92、图93所示的转向臂304e，其厚度约0.8mm，截面长宽比为3∶1至4∶1左右，参见图92，转向臂304e的弹性变形敏感方向为x轴轴向，负载方向为x轴周向，参见图93，转向臂304e的弹性变形敏感方向为y轴轴向，负载方向为y轴周向，故前端执行装置304的负载方向与弹性变形敏感方向不同，结构在负载下具有较好的刚性。
上述四个具体实施例的共同特征是采用丝轮传动的方式对前端执行装置23上的支撑座23b进行精准驱动，实现三轴交于一心特性。所述支撑座23b上安装有用于具体手术动作实施的装置，如夹持钳等。参见图11、图12，钳页23d开合动作K的转动轴线与偏转运动轴线R2平行，如将两轴线重合设置，即将钳页23d安装设置在十字轴23c上，可进一步减小前端执行装置23轴向尺寸，使其结构紧凑，同时缩短了偏转运动R2、俯仰运动R3的回转半径，进而提高负载能力。在运动学上，将上述两轴线重合设置后，能够使前端执行装置23的运动学模型简化，减小控制程序运动学计算量，提高控制精度和系统的操作实时性，确保手术操作质量。
图98为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图99为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。所述前端执行装置305设置有十字轴结构，两个用于完成手术操作动作的开合钳页安装在十字轴上，钳页开合运动的转动轴线与偏转运动R2轴线重合设置。所述前端执行装置305包括连接座305a、十字轴305b、钳页305c、导向轮305d等。所述连接座305a用于连接外管22与前端执行装置305，连接座305a固定安装在外管22前端，连接座305a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置305实现自转运动R1。
图100为本公开再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。参见图99、图100，所述十字轴305b上的俯仰轴305e安装在连接座305a的轴座305f上，十字轴305b可绕轴R3转动。俯仰轴305e上固定安装有两个俯仰丝轮305g，俯仰丝轮305g轴线与俯仰轴305e轴线重合，俯仰丝轮305g的转动可带动十字轴305b绕轴R3转动。所述钳页305c安装在十字轴305b的偏转轴305h上，钳页305c可绕轴R2转动。钳页305c上设置有内偏转丝轮305i和外偏转丝轮305k，两偏转丝轮同轴。内偏转丝轮305i和外偏转丝轮305k在偏转轴305h上的转动可带动钳页305c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。用于驱动丝导向的全部导向轮及丝轮均设置在俯仰轴305e与偏转轴305h上，该布置方式可减少在十字轴305b下方空间的占用，避免转轴下方零件与驱动丝相互干涉。俯仰轴305e与偏转轴305h垂直并相交于一点，十字轴305b和钳页305c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。以前端执行装置305为例，采用所述三轴交一心特性结构，可减小轴向尺寸8mm，钳页负载点距回转轴距离12mm，偏转运动负载能力可提高60％左右，通常刚性构件手术工具偏转运动负载能力为20N，前端执行装置305偏转运动负载能力可达到30N。另一方面，在机器人辅助微创手术实施过程中，手术操作部位图像会放大数十倍，通常手术工具外径为8-10mm，在该外径下一段长8mm的零件会占据很大一部分图像区域，将前端执行装置轴向尺寸减小8mm，采用三轴交一心结构可在很大程度上减小手术工具对视野的遮挡。
十字轴结构(虎克铰)常作为驱动力传递线路中的中间零部件，用于改变驱动力传递方向。在机器人领域，十字轴常作为柔性臂个关节的连接件，其两端各安装有可做回转运动的单一零件，一端的单一零件相对固定，另一端的单一零件可安装其他零部件，并由驱动丝控制，实现绕十字轴交点的两自由度转动。前端执行装置305的十字轴305b一端是单一零件连接座305a，另一端则是两个运动相互独立的钳页305c，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。以前端执行装置305为例，采用所述三轴交一心特性结构，可减小轴向尺寸8mm，钳页负载点距回转轴距离12mm，偏转运动负载能力可提高60％左右。
为使钳页305c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页305c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页305c分布在十字轴305b两侧仍能正确啮合，故将钳页305c设置为“Z”形结构。
图101为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图102为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝十字轴上布置方式示意图。图103为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置的驱动丝十字轴上布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图102、图103，驱动丝305l一端固定在俯仰丝轮305g上，另一端绕过俯仰丝轮305g，穿过连接座305a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴305b另一侧的俯仰丝轮305g上以同样方式安装另一根驱动丝305l，两驱动丝305l在俯仰丝轮305g上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝305l，可实现十字轴305b绕轴R3的转动，即前端执行装置305的俯仰运动R3，如图104所示。
图105为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。图106为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图105、图106，驱动丝305l’一端固定在内偏转丝轮305i上，另一端绕过内偏转丝轮305i后，沿着导向轮305d上的小轮槽内，穿过连接座305a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上；另一根驱动丝305l’一端固定在外偏转丝轮305k上，另一端绕过外偏转丝轮305k后，沿着导向轮305d上的大轮槽内，穿过连接座305a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。两驱动丝305i’在内偏转丝轮305i和外偏转丝轮305k上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝305l’，可实现钳页305c绕轴R2的转动，即前端执行装置305的偏转运动R2和开合运动K，如图107所示。
所述连接座305a上设置的穿丝孔分布在一条直线上，且该直线与转轴R3平行设置，此设置方式可达到降低各运动耦合度的效果。图108为本公开再一实施例前端执行装置穿丝孔的分布示意图。如图108(a)所示，通常手术工具的驱动丝在外管22内成周向分布，当前端执行装置做自转运动R1时，周向分布的驱动丝会发生相互缠绕的现象，缠绕后的驱动丝不仅会是前端执行装置上各运动发生耦合，而且驱动丝相互产生的摩擦力远大于驱动丝在导向轮、丝轮上的摩擦力，导致前端执行装置的运动精度和负载能力严重下降。如图108(b)所示，采用直线分布的驱动丝则避免自转运动时外管22内的驱动丝相互缠绕、耦合。
为使钳页305c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页305c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧，驱动丝实现横轴跨越。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页305c分布在十字轴305b两侧仍能正确啮合，故将钳页305c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动R2的偏转角度可达±125°
对于不同功能的手术工具13，夹持类工具结构最为复杂，这是由于夹持类手术工具13的前端执行装置23上需要设置有至少两个能够独立运动的执行零件(钳页、剪刀)。因此上述具体实施方式以夹持工具为例，对具有三轴交于一心特性的前端执行装置23进行描述。除夹持类工具以外的手术工具13，如能量工具、超声刀、负压工具等，均可基于上述具体实施方式进行简单变化以实现功能。
图109为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图110为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。如图109、110所示，所述前端执行装置310可视为前端执行装置305的一种功能扩展结构，以能量工具为例展示同一种前端执行装置扩展为不同功能手术工具的方法。所述前端执行装置310设置有十字轴结构，用于完成手术操作动作的能量工具安装在十字轴上。所述前端执行装置310包括连接座310a、十字轴310b、电钩座310c、电钩310d等。所述连接座310a用于连接外管22与前端执行装置310，连接座310a固定安装在外管22前端，连接座310a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置310实现自转运动R1。
参见图110、图111，所述十字轴310b上的俯仰轴310e安装在连接座310a的轴座310f上，十字轴310b可绕轴R3转动。俯仰轴310e上固定安装有两个俯仰丝轮310g，俯仰丝轮310g轴线与俯仰轴310e轴线重合，俯仰丝轮310g的转动可带动十字轴310b绕轴R3转动。所述电钩座310c安装在十字轴310b的偏转轴310h上，电钩座310c可绕轴R2转动。电钩座310c内侧设置有偏转丝轮310i，两偏转丝轮同轴。偏转丝轮310i在偏转轴310h上的转动可带动电钩座310c、以及固定在电钩座310c顶端的电钩310d绕轴R2转动，实现偏转运动R2。俯仰轴310e与偏转轴310h垂直并相交于一点，十字轴310b和电钩座310c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。
图112为本公开再一实施前端执行装置310的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图113，驱动丝310k一端固定在俯仰丝轮310g上，另一端绕过俯仰丝轮310g，穿过连接座310a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴310b另一侧的俯仰丝轮310g上以同样方式安装另一根驱动丝310k，两驱动丝310k在俯仰丝轮310g上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝310k，可实现十字轴310b绕轴R3的转动，即前端执行装置310的俯仰运动R3，如图114所示。
图115为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。图116为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置的驱动丝在偏转丝轮上布置方式示意图。对于偏转运动R2，参见图115、图116，驱动丝310k’一端固定在内偏转丝轮310i上，另一端绕过偏转丝轮310i后，沿着导向轮310l上的轮槽内，穿过连接座310a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上；另一根驱动丝310k’以同样的方式安装在电钩座310c另一侧的偏转丝轮310i上。两驱动丝310k’在偏转丝轮310i上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝310k’，可实现电钩座310c绕轴R2的转动，即前端执行装置310的偏转运动R2，如图117所示。
图118为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图119为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。如图118、图119所示，所述前端执行装置307包括连接座307a、十字轴307b、钳页307c等。所述连接座307a用于连接外管22与前端执行装置307，连接座307a固定安装在外管22前端，连接座307a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置307实现自转运动R1。
图120为本公开再一实施例前端执行装置钳页的结构示意图。参见图119、图120，所述十字轴307b上的俯仰轴307d安装在连接座307a的轴座307e上，十字轴307b可绕轴R3转动。俯仰轴307d上固定安装有两个俯仰丝轮307f，俯仰丝轮307f轴线与俯仰轴307d轴线重合，俯仰丝轮307f的转动可带动十字轴307b绕轴R3转动。所述俯仰轴307d上还安装有两个双排导向轮307g用于驱动丝导向。所述十字轴307b上方侧壁均布有四个导向轮307m，导向轮307m用于导向控制钳页307c的驱动丝。将导向轮设置在十字轴307b上方，可减少在十字轴307b下方空间的占用，同时能够增加俯仰运动R3转动角度。对于刚性结构的前端执行装置，通常各向偏转角度小于70°。
图121为本公开再一实施例前端执行装置俯仰角度的示意图。所述前端执行装置307，由于十字轴307b下方空间增大，如图121所示，俯仰运动R3运动范围可达±110°，能够极大提高手术工具的操作灵活。例如，在机器人辅助微创手术实施过程中，需对视野中某器官的背向进行操作时，某向偏转角度大于90°的手术工具更容易满足操作需求。所述钳页307c安装在十字轴307b的偏转轴307h上，钳页307c可绕轴R2转动。钳页307c上设置有内偏转丝轮307i和外偏转丝轮307k，两偏转丝轮同轴。内偏转丝轮307i和外偏转丝轮307k在偏转轴307h上的转动可带动钳页307c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴307d与偏转轴307h垂直并相交于一点，十字轴307b和钳页307c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。以前端执行装置307为例，采用所述三轴交一心特性结构，可减小轴向尺寸8mm，钳页负载点距回转轴距离12mm，偏转运动负载能力可提高60％左右，通常刚性构件手术工具偏转运动负载能力为20N，前端执行装置307偏转运动负载能力可达到30N。另一方面，在机器人辅助微创手术实施过程中，手术操作部位图像会放大数十倍，通常手术工具外径为8-10mm，在该外径下一段长8mm的零件会占据很大一部分图像区域，将前端执行装置轴向尺寸减小8mm，采用三轴交一心结构可在很大程度上减小手术工具对视野的遮挡。
图122为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图123为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图123，驱动丝307l一端固定安装在俯仰丝轮307f上，另一端绕过俯仰丝轮307f，穿过连接座307a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴307b另一侧的俯仰丝轮307f上以同样方式安装另一根驱动丝307l，两驱动丝307l在俯仰丝轮307f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝307l，可实现十字轴307b绕轴R3的转动，即前端执行装置307的俯仰运动R3，如图124所示。
图125为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。图126为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图125、图126，驱动丝307l’一端固定在内偏转丝轮307i上，另一端绕过内偏转丝轮307i后，又绕其上方安装的导向轮307m实现第一次换向，后绕过与其相邻的导向轮307m实现第二次换向，然后绕过双排导向轮307g的外侧轮，穿过连接座307a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上；另一根驱动丝307l’安装固定在外偏转丝轮307k上，另一端绕过双排导向轮307g的内侧轮后实现换向，穿过连接座307a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。两驱动丝307l’在内偏转丝轮307i和外偏转丝轮307k上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝307l’，可实现钳页307c绕轴R2的转动，即前端执行装置307的偏转运动R2和开合运动K。
图127为本公开再一实施例前端执行装置进行偏转和开合运动的示意图。如图125-127所示。驱动丝307l’绕过两个相邻的导向轮307m后，可使驱动丝307l’从内偏转丝轮307i所在的平面内转向到俯仰丝轮307f所在的平面内，从而使连接座307a上设置的穿丝孔分布在一条直线上，该直线与转轴R3平行，达到降低各运动耦合度的效果。通常手术工具的驱动丝在外管22内成周向分布，如图108所示，当前端执行装置做自转运动R1时，周向分布的驱动丝会发生相互缠绕的现象，缠绕后的驱动丝不仅会是前端执行装置上各运动发生耦合，而且驱动丝相互产生的摩擦力远大于驱动丝在导向轮、丝轮上的摩擦力，导致前端执行装置的运动精度和负载能力严重下降。而采用直线分布的驱动丝则避免自转运动时外管22内的驱动丝相互缠绕、耦合。
为使钳页307c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页307c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧，驱动丝实现横轴跨越。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页307c分布在十字轴307b两侧仍能正确啮合，故将钳页307c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动R2的偏转角度可达±125°。
图128为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图129为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。如图128、129所示，所述前端执行装置308包括连接座308a、十字轴308b、钳页308c等。所述连接座308a用于连接外管22与前端执行装置308，连接座308a固定安装在外管22前端，连接座308a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置308实现自转运动R1。
图130为本公开再一实施例前端执行装置结构钳页的结构示意图。参见图129、图130，所述十字轴308b上的俯仰轴308d安装在连接座308a的轴座308e上，十字轴308b可绕轴R3转动。俯仰轴308d上固定安装有两个俯仰丝轮308f，俯仰丝轮308f轴线与俯仰轴308d轴线重合，俯仰丝轮308f的转动可带动十字轴308b绕轴R3转动。
所述俯仰轴308d上还安装有两个双排导向轮308g用于驱动丝导向。所述十字轴308b上方侧壁斜向对称设置有两个导向轮308n，导向轮308n用于导向控制钳页308c的驱动丝。将导向轮设置在十字轴308b上方，可减少在十字轴308b下方空间的占用，避免转轴下方零件与驱动丝相互干涉，同时增加偏转运动R3转动角度。所述钳页308c安装在十字轴308b的偏转轴308h上，钳页308c可绕轴R2转动。钳页308c上设置有内偏转丝轮308i和外偏转丝轮308k，两偏转丝轮同轴。内偏转丝轮308i和外偏转丝轮308k在偏转轴308h上的转动可带动钳页308c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴308d与偏转轴308h垂直并相交于一点，十字轴308b和钳页308c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。
将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。以前端执行装置308为例，采用所述三轴交一心特性结构，可减小轴向尺寸8mm，钳页负载点距回转轴距离12mm，偏转运动负载能力可提高60％左右，通常刚性构件手术工具偏转运动负载能力为20N，前端执行装置308偏转运动负载能力可达到30N。另一方面，在机器人辅助微创手术实施过程中，手术操作部位图像会放大数十倍，通常手术工具外径为8-10mm，在该外径下一段长8mm的零件会占据很大一部分图像区域，将前端执行装置轴向尺寸减小8mm，采用三轴交一心结构可在很大程度上减小手术工具对视野的遮挡。
图131为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图132为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝在俯仰丝轮上布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图131、图132，驱动丝308l一端固定在俯仰丝轮308f上，另一端绕过俯仰丝轮308f，沿着俯仰丝轮308f下方设置的轴座导向轮308m的小轮槽，穿过连接座308a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴308b另一侧的俯仰丝轮308f上以同样方式安装另一根驱动丝308l，两驱动丝308l在俯仰丝轮308f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝308l，可实现十字轴308b绕轴R3的转动，即前端执行装置308的俯仰运动R3，如图133所示。
图134为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。图135为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在十字轴上布置方式示意图。图136为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图134、图135、图136，驱动丝308l’一端固定在内偏转丝轮308i上，另一端绕过内偏转丝轮307i后，沿着双排导向轮308g的轮槽，穿过连接座308a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上；另一根驱动丝308l’安装固定在外偏转丝轮308k上，另一端绕过十字轴308b上方设置的偏转导向轮308n后，沿着轴座导向轮308m的大轮槽，穿过连接座308a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。两驱动丝308l’在内偏转丝轮308i和外偏转丝轮308k上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝308l’，可实现钳页308c绕轴R2的转动，即前端执行装置308的偏转运动R2和开合运动K，如图137所示。
驱动丝308l’绕过导向轮308n后，可使驱动丝308l’从内偏转丝轮308i所在的平面内转向到俯仰丝轮308f所在的平面内，从而使连接座308a上设置的穿丝孔分布在一条直线上，该直线与转轴R3平行，达到降低各运动耦合度的效果。
通常手术工具的驱动丝在外管22内成周向分布，如图108所示，当前端执行装置做自转运动R1时，周向分布的驱动丝会发生相互缠绕的现象，缠绕后的驱动丝不仅会是前端执行装置上各运动发生耦合，而且驱动丝相互产生的摩擦力远大于驱动丝在导向轮、丝轮上的摩擦力，导致前端执行装置的运动精度和负载能力严重下降。而采用直线分布的驱动丝则避免自转运动时外管22内的驱动丝相互缠绕、耦合。
为使钳页308c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页308c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页308c分布在十字轴308b两侧仍能正确啮合，故将钳页308c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动R2的偏转角度可达±125°
图138为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图139为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。如图138、图139所示，所述前端执行装置306设置有一个带有圆弧形导丝槽(U形架)的十字轴结构，驱动丝安装在导丝槽内，用于带动十字轴结构运动。在十字轴下方设置圆弧形导丝槽，使驱动丝沿着导丝槽的方向拉动，其目的在于增大驱动丝在十字轴上作用点相对于转轴的回转半径，从而在驱动丝拉力不变的情况下增大十字轴转动力矩。所述前端执行装置306包括连接座306a、十字轴306b、钳页306c、导向轮306d等。所述连接座306a用于连接外管22与前端执行装置306，连接座306a固定安装在外管22前端，连接座306a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置306实现自转运动R1。
图140为本公开再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。参见图139、图140，所述十字轴306b上的俯仰轴306e安装在连接座306a的轴座306f上，十字轴306b可绕轴R3转动。所述钳页306c安装在十字轴306b的偏转轴306h上，钳页306c可绕轴R2转动。钳页306c上设置有内偏转丝轮306i和外偏转丝轮306k，两偏转丝轮同轴。内偏转丝轮306i和外偏转丝轮306k在偏转轴306h上的转动可带动钳页306c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴306e与偏转轴306h垂直并相交于一点，十字轴306b和钳页306c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。
十字轴306b下部与连接座306a接触的位置还具有U形的导丝槽306m，所述导丝槽306m与偏转轴306h设置于同一平面。连接座306a端面处安装有两个俯仰导向轮306n，所述两个俯仰导向轮306n也与导丝槽306m设置在同一平面内，当十字轴306b绕轴R3转动时，俯仰导向轮306n可使驱动丝306l始终保持在导丝槽306m内。
图141为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。图142为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝在十字轴上的布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图141、图142，驱动丝306l一端固定在十字轴306b上设置的导丝槽306m内，另一端沿着导丝槽306m，绕过俯仰导向轮306n后，穿过连接座305a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。俯仰十字轴306b另一侧以同样方式安装另一根驱动丝306l，拉动两根驱动丝306l，可实现十字轴306b绕轴R3的转动，即前端执行装置306的俯仰运动R3，如图143所示。
图144为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在导向轮上布置方式示意图。图145为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图144、图145，驱动丝306l一端固定在内偏转丝轮306i上，另一端绕过内偏转丝轮306i后，沿着导向轮306d上的小轮槽内，穿过连接座306a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上；另一根驱动丝306l一端固定在外偏转丝轮306k上，另一端绕过外偏转丝轮306k后，沿着导向轮306d上的大轮槽内，穿过连接座306a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。两驱动丝306l’在内偏转丝轮306i和外偏转丝轮306k上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝306l’，可实现钳页306c绕轴R2的转动，即前端执行装置306的偏转运动R2和开合运动K，如图146所示。
所述十字轴306b下方设置圆弧形导丝槽306m，用于驱动十字轴306b做俯仰运动R3的驱动丝306l布置在导丝槽306m内，驱动丝306l的拉力方向可始终与十字轴306b转动方向的切向相同。采用上述布置方式能够增大前端执行装置306的负载能力。以前端执行装置306为例，用于驱动钳页306c做偏转运动R2和开合运动K的外偏转丝轮306k半径为2.5mm，圆弧形导丝槽306m回转半径为5mm，忽略驱动丝306l传动路径上摩擦力的影响，当驱动丝306l、306l’拉力相同时，俯仰运动R3的转矩是偏转运动R2转矩的2倍。以前端执行装置306为例，采用丝轮传动方式的偏转运动R2平均负载能力18N，采用圆弧导丝槽传动方式的俯仰运动R3平均负载能力可达到36N。
为使钳页306c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页306c设置在十字轴306b的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页306c分布在十字轴306b两侧仍能正确啮合，故将钳页306c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动R2的偏转角度可达±110°。
图147为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图148为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。如图147、图148所示，所述前端执行装置309设置有一个带有圆弧形导丝槽的十字轴结构，驱动丝安装在导丝槽内，用于带动十字轴结构运动。在十字轴下方设置圆弧形导丝槽，使驱动丝沿着导丝槽的方向拉动，其目的在于增大驱动丝在十字轴上作用点相对于转轴的回转半径，从而在驱动丝拉力不变的情况下增大十字轴转动力矩。所述前端执行装置309包括连接座309a、十字轴309b、钳页309c等。所述连接座309a用于连接外管22与前端执行装置309，连接座309a固定安装在外管22前端，连接座309a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置309实现自转运动R1。
图149为本公开再一实施例前端执行装置十字轴的结构示意图。图150为本公开再一实施例前端执行装置钳页的结构示意图。参见图148、图149、图150，所述十字轴309b上的俯仰轴309d安装在连接座309a的轴座309e上，十字轴309b可绕轴R3转动。所述钳页309c安装在十字轴309b的偏转轴309f上，钳页309c可绕轴R2转动。钳页309c上设置有内偏转丝轮309g和外偏转丝轮309h，两偏转丝轮同轴。内偏转丝轮309g和外偏转丝轮309h在偏转轴309f上的转动可带动钳页309c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴309d与偏转轴309f垂直并相交于一点，十字轴309b和钳页309c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。连接座309a的轴座309e内侧安装有双排导向轮309m和导向轮309o，用于驱动钳页309c转动的驱动丝309i经过双排导向轮309m和导向轮309o后可延伸至连接座309a端面上设置的穿丝孔内。所述十字轴309c上方设置有两个偏转导向轮309n，用于将驱动钳页309c转动的驱动丝309i从内、外偏转丝轮所在平面换向到双排导向轮309m、导向轮309o所在平面内。连接座309a端面处安装有两个俯仰导向轮309l，所述两个俯仰导向轮309l与导丝槽309k设置在同一平面内，当十字轴309b绕轴R3转动时，俯仰导向轮309l可使驱动丝309i始终保持在导丝槽309k内。
图151为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝布置方式示意图。图152为本公开再一实施例前端执行装置驱动丝在十字轴上的布置方式示意图。图151所示为前端执行装置309的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图152，驱动丝309i’一端固定在十字轴309b上设置的导丝槽309k内，另一端沿着导丝槽309k，绕过俯仰导向轮309l后，穿过连接座309a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴309b另一侧以同样方式安装另一根驱动丝309i’，拉动两根驱动丝309i’，可实现十字轴309b绕轴R3的转动，即前端执行装置309的俯仰运动R3，如图153所示。
图154为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝布置方式示意图。图155为本公开再一实施例另一视角下前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝布置方式示意图。图156为本公开再一实施例前端执行装置偏转运动和开合运动的驱动丝在钳页上布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图154、图155、图156，驱动丝309i一端固定在内偏转丝轮309g上，另一端绕过内偏转丝轮309g后，绕过双排导向轮309m的内侧轮槽，实现驱动丝309i换向，然后穿过连接座309a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上；另一根驱动丝309i安装固定在外偏转丝轮309h上，另一端绕过十字轴309b上方设置的偏转导向轮309n后换向只双排导向轮309m所在平面内，沿着双排导向轮309m的外侧轮槽和导向轮309o的轮槽，穿过连接座308a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。两驱动丝309i在内偏转丝轮309g和外偏转丝轮309h上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝309i，可实现钳页309c绕轴R2的转动，即前端执行装置309的偏转运动R2和开合运动K，如图157所示。
所述十字轴309b下方设置圆弧形导丝槽309k，用于驱动十字轴309b做俯仰运动R3的驱动丝309i’布置在导丝槽309k内，驱动丝309i’的拉力方向可始终与十字轴309b转动方向的切向相同。采用上述布置方式能够增大前端执行装置309的负载能力。以前端执行装置309为例，用于驱动钳页309c做偏转运动R2和开合运动K的外偏转丝轮309h半径为2mm，圆弧形导丝槽309k回转半径为5mm，忽略驱动丝309i’传动路径上摩擦力的影响，当驱动丝309i、309i’拉力相同时，俯仰运动R3的转矩是偏转运动R2转矩的2.5倍。以前端执行装置306为例，采用丝轮传动方式的偏转运动R2平均负载能力18N，采用圆弧导丝槽传动方式的俯仰运动R3平均负载能力可达到38N。
为使钳页309c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页309c设置在十字轴309b的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页309c分布在十字轴309b两侧仍能正确啮合，故将钳页309c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动R2的偏转角度可达±125°。
图158为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图159为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。所述前端执行装置311包括连接座311a、十字轴311b、钳页311c等。其中，十字轴311b设置于连接座311a上，钳页311c设置于十字轴311b的其中一根轴的两端。所述连接座311a用于连接外管22与前端执行装置311，连接座311a固定安装在外管22前端，连接座311a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置311实现自转运动R1。
参见图158、图159，所述十字轴311b上的俯仰轴311d安装在连接座311a的轴座311e上，十字轴311b可绕轴R3转动。俯仰轴311d上固定安装有两个俯仰丝轮311f，俯仰丝轮311f轴线与俯仰轴311d轴线重合，俯仰丝轮311f的转动可带动十字轴311b绕轴R3转动。
所述钳页311c安装在十字轴311b的偏转轴311h上，钳页311c可绕轴R2转动。图160为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。如图160所示，钳页311c上设置有偏转锥齿轮311i。偏转锥齿轮311i在偏转轴311h上的转动可带动钳页311c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴311d与偏转轴311h垂直并相交于一点，十字轴311b和钳页311c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。
图161为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图162为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图162，驱动丝3111一端固定安装在俯仰丝轮311f上，另一端绕过俯仰丝轮311f，穿过连接座311a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴311b另一侧的俯仰丝轮311f上以同样方式安装另一根驱动丝3111，两驱动丝311l在俯仰丝轮311f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝311l，可实现十字轴311b绕轴R3的转动，即前端执行装置311的俯仰运动R3。
图163为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图163，驱动丝311l’固定在偏转轮311g上，一端绕过偏转轮311g后，沿着导向轮311j、穿过连接座311a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一端反向绕过偏转轮311g后，绕过俯仰轴311d，沿着导向轮311j、穿过连接座311a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，所述偏转轮311g一侧是与偏转锥齿轮311i同模数的锥齿轮，偏转轮上的锥齿轮与偏转锥齿轮311i啮合，偏转轮311g的转动可带动钳页311c绕轴R2转动。拉动两根驱动丝311l’，可实现钳页311c绕轴R2的转动，即前端执行装置311的偏转运动R2和开合运动K。所述各锥齿轮结构也可采用摩擦轮方案实现同样功能。
为使钳页311c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页311c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧，驱动丝实现横轴跨越。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页311c分布在十字轴311b两侧仍能正确啮合，故将钳页311c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动R2的偏转角度可达±125°。
图164为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图165为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。所述前端执行装置312包括连接座312a、十字轴312b、钳页312c等。其中，十字轴312b设置于连接座312a上，钳页312c设置于十字轴312b的其中一根轴的两端。所述连接座312a用于连接外管22与前端执行装置312，连接座312a固定安装在外管22前端，连接座312a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置312实现自转运动R1。
图166为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。参见图165、图166，所述十字轴312b上的俯仰轴312d安装在连接座312a的轴座312e上，十字轴312b可绕轴R3转动。俯仰轴312d上固定安装有两个俯仰丝轮312f，俯仰丝轮312f轴线与俯仰轴312d轴线重合，俯仰丝轮312f的转动可带动十字轴312b绕轴R3转动。所述俯仰轴312d上还安装有两个双排导向轮312g用于驱动丝导向。
所述十字轴312b上方侧壁斜向对称设置有两个偏转轮312n，偏转轮312n用于控制钳页312c的转动，偏转轮312n一侧为锥齿轮结构。将偏转轮312n设置在十字轴312b上方，可减少在十字轴312b下方空间的占用，避免转轴下方零件与驱动丝相互干涉，同时增加偏转运动R3转动角度。
所述钳页312c安装在十字轴312b的偏转轴312h上，钳页312c可绕轴R2转动。钳页312c上设置有锥齿轮312i，锥纸轮312i与偏转轮312n一侧的锥齿轮相互啮合。锥齿轮312i在偏转轴312h上的转动可带动钳页312c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴312d与偏转轴312h垂直并相交于一点，十字轴312b和钳页312c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。
图167为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图168为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图168，驱动丝312l一端固定安装在俯仰丝轮312f上，另一端绕过俯仰丝轮312f，穿过连接座312a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴312b另一侧的俯仰丝轮312f上以同样方式安装另一根驱动丝312l，两驱动丝312l在俯仰丝轮312f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝312l，可实现十字轴312b绕轴R3的转动，即前端执行装置312的俯仰运动R3。
图169为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图169，驱动丝312l’固定在偏转轮312n上，一端绕过偏转轮312n后，沿着双排导向轮312g的其中一轮、穿过连接座312a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一端反向绕过偏转轮312n后，沿着双排导向轮312g的另一轮、穿过连接座312a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，所述偏转轮312n一侧是与锥齿轮312i同模数的锥齿轮，偏转轮上的锥齿轮与钳页的锥齿轮312i啮合，偏转轮312n的转动可带动钳页312c绕轴R2转动。拉动两根驱动丝312l’，可实现钳页312c绕轴R2的转动，即前端执行装置312的偏转运动R2和开合运动K。所述各锥齿轮结构也可采用摩擦轮方案实现同样功能。
为使钳页312c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页312c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页312c分布在十字轴312b两侧仍能正确啮合，故将钳页312c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件，偏转运动R2的偏转角度可达±125°
图170为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图171为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。所述前端执行装置313包括连接座313a、十字轴313b、钳页313c等。所述连接座313a用于连接外管22与前端执行装置313，连接座313a固定安装在外管22前端，连接座313a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置313实现自转运动R1。
图172为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。参见图171、图172，所述十字轴313b上的俯仰轴313d安装在连接座313a的轴座313e上，十字轴313b可绕轴R3转动。俯仰轴313d上固定安装有两个俯仰丝轮313f，俯仰丝轮313f轴线与俯仰轴313d轴线重合，俯仰丝轮313f的转动可带动十字轴313b绕轴R3转动。所述俯仰轴313d上还安装有两个偏转驱动轮313g用于驱动钳页313c。所述偏转驱动轮313g一端为锥齿轮结构。所述钳页313c安装在十字轴313b的偏转轴313h上，钳页313c可绕轴R2转动。在所述偏转轴313h和俯仰轴313d之间设置有偏转从动轮313n，所述偏转从动轮313n为锥齿轮，齿轮模数与偏转驱动轮313g上的锥齿轮模数相同且相互啮合。钳页313c上设置有锥齿轮313i，锥纸轮313i与偏转从动轮313n的锥齿轮相互啮合。偏转驱动轮313g在偏转轴313h上的转动可带动钳页313c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴313d与偏转轴313h垂直并相交于一点，十字轴313b和钳页313c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。
图173为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图174为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图174，驱动丝313l一端固定安装在俯仰丝轮313f上，另一端绕过俯仰丝轮313f，穿过连接座313a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴313b另一侧的俯仰丝轮313f上以同样方式安装另一根驱动丝313l，两驱动丝313l在俯仰丝轮313f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝313l，可实现十字轴313b绕轴R3的转动，即前端执行装置313的俯仰运动R3。
图175为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图175，驱动丝313l固定在偏转驱动轮313g上，一端绕过偏转驱动轮313g后，穿过连接座313a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一端反向绕过偏转驱动轮313g后，穿过连接座313a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，偏转驱动轮313g、偏转从动轮313n、钳页313c上的锥齿轮313i依次啮合，偏转驱动轮313g的转动可带动钳页313c绕轴R2转动。拉动两根驱动丝313l’，可实现钳页313c绕轴R2的转动，即前端执行装置313的偏转运动R2和开合运动K。所述各锥齿轮结构也可采用摩擦轮方案实现同样功能。
为使钳页313c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页313c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页313c分布在十字轴313b两侧仍能正确啮合，故将钳页313c不必设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件。
图176为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图177为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。所述前端执行装置314包括连接座314a、十字轴314b、钳页314c等。所述连接座314a用于连接外管22与前端执行装置314，连接座314a固定安装在外管22前端，连接座314a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置314实现自转运动R1。
图178为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。参见图177、图178，所述十字轴314b上的俯仰轴314d安装在连接座314a的轴座314e上，十字轴314b可绕轴R3转动。俯仰轴314d上固定安装有两个俯仰丝轮314f，俯仰丝轮314f轴线与俯仰轴314d轴线重合，俯仰丝轮314f的转动可带动十字轴314b绕轴R3转动。所述俯仰轴314d上还安装有两个偏转驱动轮314g用于驱动钳页314c。
所述钳页314c安装在十字轴314b的偏转轴314h上，钳页314c可绕轴R2转动。如图178所示，钳页314c上设置有圆弧槽314i，圆弧槽314i的圆心与钳页314c转轴轴线非重合设置。
图179为本公开再一实施例前端执行装置的偏转驱动轮结构示意图。如图179所示，偏转驱动轮314g上设置有一轴314k，轴314k可在圆弧槽314i内滑动，偏转驱动轮314g的转动可带动轴314k在圆弧槽314i内滑动，进而带动钳页314c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴314d与偏转轴314h垂直并相交于一点，十字轴314b和钳页314c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。
图180为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图181为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图181，驱动丝314l一端固定安装在俯仰丝轮314f上，另一端绕过俯仰丝轮314f，穿过连接座314a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴314b另一侧的俯仰丝轮314f上以同样方式安装另一根驱动丝314l，两驱动丝314l在俯仰丝轮314f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝314l，可实现十字轴314b绕轴R3的转动，即前端执行装置314的俯仰运动R3。
图182为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图182，驱动丝314l’固定在偏转驱动轮314g上，一端绕过偏转驱动轮314g后，穿过连接座314a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一端反向绕过偏转驱动轮314g后，穿过连接座312a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，偏转驱动轮314g的转动可带动轴314k在圆弧槽314i内滑动，进而带动钳页314c转动，拉动两根驱动丝314l’，可实现钳页314c绕轴R2的转动，即前端执行装置314的偏转运动R2和开合运动K。
为使钳页314c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页314c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页314c分布在十字轴314b两侧仍能正确啮合，故将钳页314c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件。
图183为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图184为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。所述前端执行装置315包括连接座315a、十字轴315b、钳页315c等。所述连接座315a用于连接外管22与前端执行装置315，连接座315a固定安装在外管22前端，连接座315a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置315实现自转运动R1。
图185为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。参见图184、图185，所述十字轴315b上的俯仰轴315d安装在连接座315a的轴座315e上，十字轴315b可绕轴R3转动。俯仰轴315d上固定安装有两个俯仰丝轮315f，俯仰丝轮315f轴线与俯仰轴315d轴线重合，俯仰丝轮315f的转动可带动十字轴315b绕轴R3转动。所述俯仰轴315d上还安装有两个偏转驱动轮315g用于驱动钳页315c，所述偏转驱动轮315g的一个端面为齿轮结构。所述钳页315c安装在十字轴315b的偏转轴315h上，钳页315c可绕轴R2转动。如图185所示，钳页315c上设置有圆弧槽315i，圆弧槽315i的圆心与钳页314c转轴轴线非重合设置。
图186为本公开再一实施例前端执行装置的偏转驱动齿条结构示意图。如图186所示，偏转驱动齿条315g上设置有一轴315k，轴315k可在圆弧槽315i内滑动。偏转驱动齿条315g与偏转驱动轮315g的端面齿轮啮合，偏转驱动轮315g的转动可带动偏转驱动齿条在十字轴315b上滑动，进而驱动钳页315c转动。偏转驱动轮315g的转动可带动轴315k在圆弧槽315i内滑动，进而带动钳页315c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴315d与偏转轴315h垂直并相交于一点，十字轴315b和钳页315c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。
图187为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图188为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图188，驱动丝315l一端固定安装在俯仰丝轮315f上，另一端绕过俯仰丝轮315f，穿过连接座315a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴315b另一侧的俯仰丝轮315f上以同样方式安装另一根驱动丝315l，两驱动丝315l在俯仰丝轮315f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝315l，可实现十字轴315b绕轴R3的转动，即前端执行装置315的俯仰运动R3。
图189为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图189，驱动丝315l’固定在偏转驱动轮315g上，一端绕过偏转驱动轮315g后，穿过连接座315a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一端反向绕过偏转驱动轮315g后，穿过连接座312a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，偏转驱动轮315g的转动可带动轴315k在圆弧槽315i内滑动，进而带动钳页315c转动，拉动两根驱动丝315l’，可实现钳页315c绕轴R2的转动，即前端执行装置315的偏转运动R2和开合运动K。
为使钳页315c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页315c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页315c分布在十字轴314b两侧仍能正确啮合，故将钳页315c设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件。
图190为本公开再一实施例前端执行装置的结构示意图。图191为本公开再一实施例前端执行装置结构的爆炸图。所述前端执行装置316包括连接座316a、十字轴316b、钳页316c等。所述连接座316a用于连接外管22与前端执行装置316，连接座316a固定安装在外管22前端，连接座316a的回转轴线与外管22回转轴线重合，外管22的转动可带动前端执行装置316实现自转运动R1。
图192为本公开再一实施例前端执行装置的十字轴结构示意图。参见图190、图191、图192，所述十字轴316b上的俯仰轴316d安装在连接座316a的轴座316e上，十字轴316b可绕轴R3转动。俯仰轴316d上固定安装有两个俯仰丝轮316f，俯仰丝轮316f轴线与俯仰轴316d轴线重合，俯仰丝轮316f的转动可带动十字轴316b绕轴R3转动。所述俯仰轴316d上还安装有两个偏转驱动轮316g用于驱动钳页316c。所述偏转驱动轮316g一端为锥齿轮结构。所述钳页316c安装在十字轴316b的偏转轴316h上，钳页316c可绕轴R2转动。
图193为本公开再一实施例前端执行装置的钳页结构示意图。如图193所示，钳页316c上设置有锥齿轮316i，锥纸轮316i与偏转驱动轮316g的锥齿轮模数相同，相互啮合。偏转驱动轮316g在偏转轴316h上的转动可带动钳页316c绕轴R2转动，实现偏转运动R2和开合运动K。俯仰轴316d与偏转轴316h相交于一点，两轴线夹角为α，十字轴316b和钳页316c的绕轴运动，实现三轴交于一心特性。将钳页回转轴与偏转轴重合设置是实现三轴交一心特性的步骤之一，钳页直接安装在十字轴上，可减小前端执行装置轴向尺寸，进而增大偏转运动负载能力。
图194为本公开再一实施例前端执行装置的驱动丝布置方式示意图。图195为本公开再一实施例前端执行装置的俯仰运动的驱动丝布置方式示意图。对于俯仰运动R3，参见图195，驱动丝316l一端固定安装在俯仰丝轮316f上，另一端绕过俯仰丝轮316f，穿过连接座316a上设置的穿丝孔、通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。十字轴316b另一侧的俯仰丝轮316f上以同样方式安装另一根驱动丝316l，两驱动丝316l在俯仰丝轮316f上的缠绕方向相反。拉动两根驱动丝316l，可实现十字轴316b绕轴R3的转动，即前端执行装置316的俯仰运动R3。
图196为本公开再一实施例前端执行装置的偏转和开合运动的驱动丝布置方式示意图。对于偏转运动R2和开合运动K，参见图196，驱动丝316l’固定在偏转驱动轮316g上，一端绕过偏转驱动轮316g后，穿过连接座316a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，另一端反向绕过偏转驱动轮316g后，穿过连接座316a上设置的穿丝孔，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上，偏转驱动轮316g上的锥齿轮与钳页316c上的锥齿轮316i啮合，偏转驱动轮316g的转动可带动钳页316c绕轴R2转动。拉动两根驱动丝316l’，可实现钳页316c绕轴R2的转动，即前端执行装置316的偏转运动R2和开合运动K。所述各锥齿轮结构也可采用摩擦轮方案实现同样功能。
为使钳页316c的偏转运动R2与开合运动K的转动轴线重合，将两钳页316c设置在十字轴的同一轴上，并分布在轴的两侧。同时也为了使前端执行装置结构更紧凑，且两钳页316c分布在十字轴316b两侧仍能正确啮合，故将钳页316c不必设置为“Z”形结构。钳页采用“Z”形结构，则在钳页转动方向上没有可以与钳页发生运动干涉的零件。
上述各前端执行装置23及实施例的运动方式都具有一共同特征，即装置内包含可绕轴转动的刚性零件，多个刚性零件的回转运动耦合实现手术操作动作。
图197为本公开实施例柔性前端执行装置的结构示意图。柔性前端执行装置234的结构特点是：由多个可偏转的关节串联组成，每个关节可相对相邻的关节偏转一定角度，全部关节某一方向的偏转叠加实现前端执行装置的弯曲动作。
所述前端执行装置234可在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3，其包括连接座234a、关节234b、回转座234c、支撑座234d等。所述连接座234a用于连接外管22与前端执行装置234，连接座234a固定安装在外管22前端。连接座234a另一端设置有一“V”形槽结构，所述V形槽用于安装关节234b。关节234b一端设置有一个“V”形凸起，V形凸起的棱部压在V形槽底棱部。关节234b另一端设置有一个与连接座234a相同的V形槽，用于安装相邻的关节234b，该V形槽底部的棱与V形凸起的棱垂直交错。所述V形凸起的尖角小于V形槽底的尖角，故关节234b可在V形槽内做偏转运动，如图198所示。所述回转座234c用于连接关节234b和支撑座234d，回转座234c设置有一个与关节234b相同的V形凸起，可在与其相邻的关节234b的V形槽内做偏转运动。
连接座234a、关节234b、回转座234c上分别设置有均布的穿丝孔，驱动丝234e一端与回转座234c固定连接，另一端穿过各关节234c和连接座234a，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。驱动丝234e张紧后，连接座234a、关节234b、回转座234c相互压紧，拉动驱动丝234e即可实现前端驱动装置234的俯仰运动R1和偏转运动R2。
所述支撑座234d安装在回转座234c上，支撑座234d的回转轴处固定安装有一根弹性软轴234f，软轴234f依次穿过连接座234a、关节234b、回转座234c的中心孔后，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。弹性软轴234f的转动可带动支撑座234d实现回转运动R3。此外，弹性软轴234f还可以为前端执行装置234上的各关节234b提供回弹力，有利于关节234b偏转后的快速回正。相比较于具有刚性回转零件的前端执行装置，所述具有柔性特性前端执行装置234更适合于需要快速响应且无大负载需求的手术工具。
图199为本公开又一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。前端执行装置240可在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3。如图199所示，本公开实施例柔性前端执行装置可以进行三自由度运动，其包括关节片240a、关节球240b、支撑座240c等。所述关节片240a与关节球240b串连组合，相邻两个关节片240a之间设置一个关节球。图200为本公开又一实施例柔性前端执行装置的关节结构示意图。参见图200，关节片240b上均布设置有穿丝孔240f，驱动丝240d一端固定安装有丝扣240e，另一端穿过各穿丝孔240f后通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。驱动丝240d张紧后各关节片240a压紧在关节求240b上。
图201为本公开又一实施例柔性前端执行装置的关节结构的剖视图。参见图201，所述关节片240a与关节球240b的回转轴线处上设置有一个通孔用于安装软轴240e，所述软轴240e一端与支撑座240c固定，另一端安装在后端驱动装置21内，软轴240e的转动可带动支撑座240c实现自转运动R3，同时软轴240e还可为前端执行装置240提供弯曲恢复力。
所述关节片240a上的通孔两端设置有圆弧面，圆弧面半径于关节球240b半径相等，关节片240a可在关节球b上做绕球心的转动。拉动驱动丝240d，在驱动丝240d拉力的作用下，关节片240a在关节球240b上转动，前端执行装置240将克服转轴240e的弯曲恢复力发生偏转，实现俯仰运动R1和偏转运动R2。
图202为本公开再一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。柔性前端执行装置235的结构和运动特性与前端执行装置234类似，由多个可偏转的关节串联组成，每个关节可相对相邻的关节偏转一定角度，全部关节某一方向的偏转叠加实现前端执行装置的弯曲动作，可在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3。不同点在于，前端执行装置234各关节为离散结构，各离散关节通过驱动丝的限位作用串联成一个柔性可弯曲结构，所述前端执行装置235的柔性可弯曲结构为一个连续体235a，各偏转关节之间由柔性铰链235b连接。
离散型柔性前端执行装置234属于一种欠驱动结构，其结构本身的活动度数大于其自由度数，这将导致前端执行装置234在某一方向弯曲时，会发生各关节偏转的角度不同的现象，加之丝鞘传统系统中驱动丝摩擦力因素的影响，会使前端执行装置234靠近外管22的一端弯曲角度较大，原理外管22的一端弯曲角度较小。而前端执行装置235的可弯曲结构为连续体235a，所述连续体235a可视为一个弹性体，弯曲时其形状更接近于圆弧，如图203所示。
图204本公开实施例具有刚度可变性能的柔性前端执行装置结构示意图。具有刚度可变性能的柔性前端执行装置236的主要结构为带有柔性铰链的连续体，连续体的间隙内填充有可快速发生相变的材料，通过材料的相变来改变前端执行装置236的刚度。由于柔性前端执行装置通常在轴向的尺寸交大，相较于刚性关节式前端执行装置，其负载能力较差，更适用于需要快速响应的低负载手术动作。为扩大柔性前端执行装置的适用范围，可将其设置为刚度可变的结构，在柔性状态下满足快速响应需求，在刚性状态下满足高负载能力需求。
图205本公开实施例具有刚度可变性能的柔性前端执行装置的内部结构示意图。前端执行装置236内部包括：柔性连续体236a、加热丝236b、下挡圈236c、上挡圈236d、支撑座236e等。所述连续体236a内部径向均布有穿丝孔，此外还均布有加热腔236f，加热腔236f内设置有加热丝236b。柔性连续体236a两端面分别安装有下挡圈236c和上挡圈236d，上挡圈236d上安装有支撑座236e，支撑座236e的回转轴处固定安装有一根弹性软轴236g，软轴236g依次穿过上挡圈236d、柔性连续体236a、下挡圈236c的中心孔后，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。弹性软轴236g的转动可带动支撑座236e实现回转运动R3。此外，弹性软轴236g还可以为柔性连续体236a提供回弹力，有利于前端执行装置236偏转后的快速回正。所述下挡圈236c另一端面与外管22固定连接，驱动丝236h一端与上挡圈236d固定，另一端穿过柔性连续体236a上设置的穿丝孔、下挡圈236c后，通过外管22后固定安装在后端驱动装置21内的驱动丝轮21a上。前端执行装置234可在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3。
柔性连续体236a的外壁和内壁分别包覆有外封装管236i和内封装管236k，用于连续体236a的密封，内封装管236i和外封装管236k通常为具有高弹性材料，封装后不影响柔性连续体236a的弯曲性能。柔性连续体236a内部的空隙处填充有低温相变材料，如液态金属，通过加热丝236b对其加热使其变成液态，则前端执行装置236处于柔性状态；停止加热后，低温相变材料迅速凝结为固态，前端执行装置处于刚性状态。除低温相变材料外，还可在连续体236a内的空隙处填充磁流体等材料，通过对前端执行装置236施以不同方向的磁场来改变其刚度。
图206为本公开又一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。主体结构为金属制柔性连续体237a，其结构和运动特性与前端执行装置235类似，由多个可偏转的关节串联组成，各偏转关节之间由柔性铰链237b连接。每个关节可相对相邻的关节偏转一定角度，全部关节某一方向的偏转叠加实现前端执行装置的弯曲动作，可在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3。
所述柔性连续体237a由一整根薄壁金属管加工而成，管壁镂空部分采用激光切割方法去除。图207为本公开又一实施例柔性前端执行装置的柔性铰链连接结构示意图。参见图207，柔性铰链237b两端镂空部位可采用圆形切割廓线，防止产生局部应力集中，同时可提高柔性铰链疲劳强度。所述连续体237a多采用具有高弹性金属管切割制成，如不锈钢管、镍钛合金管等。
图208为本公开再一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。柔性前端执行装置238的主体结构为金属制离散关节238a，相邻的关节间通过铰链238b连接，每个关节可相对相邻的关节偏转一定角度，在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3。
所述前端执行装置238上的全部连续体由一整根薄壁金属管加工而成。图209为本公开再一实施例柔性前端执行装置的关节连接结构示意图。如图209所示，管壁镂空部分采用激光切割方法去除，铰链238b由激光束一次切割成型，相邻两个离散关节可绕其轴线转动。
图210为本公开再一实施例柔性前端执行装置的离散关节加工示意图。金属管安装在激光切割机卡盘上，跟随卡盘回转运动，同时激光束射向金属管进行切割。激光束与金属管回转轴线垂直相交。图211为图208所示剖切方向的剖视图，如图211所示，由于激光束与金属管回转轴线垂直相交，致使相邻两个离散关节的铰链238b的切缝延长线方向是通过金属管回转轴线的，所述管壁壁厚通常为0.1～0.3mm，切缝宽度a约0.02mm，所以相邻两个离散关节在x、y两方向上的移动被限制，其只能做绕铰链转动轴线的转动。
图212为本公开再一实施例柔性前端执行装置的加厚离散关节示意图。由于金属管壁厚较薄，离散关节不能承受较大的弯矩或其轴线方向的转矩，可采用图212所示方法加大金属管壁厚来提高离散关节负载能力。按照相同轨迹分别切割不同尺寸金属管，切割后套装，内外离散关节焊接或粘接固定。
图213为本公开再一实施例柔性前端执行装置的结构示意图。前端执行装置243可在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3。所述前端执行装置243主体结构由多个能够两向弯曲的驱动单元243a串联组成，相邻两驱动单元243a的弯曲方向正交，如图214所示。
所述驱动单元243a包括外管243b和内管243c，外管243b内径与内管243c外径相同，外管243b固定安装在243c外壁，两元件弯曲方向相同，弯曲轴线重合设置，如图215所示。
所述外管243b和内管243c由薄壁金属管加工而成。图216为本公开再一实施例柔性前端执行装置的驱动单元的侧视图。如图216所示，管壁镂空部分采用激光切割方法去除。以外管243b为例，其结构为中心对称方式设置，对称轴为其自身回转轴线，其包括两端的基座243d和弹性臂243e，所述弹性臂243e用于保持外管243b形状并为外管243b提供弯曲回弹力。所述基座243d上设置有圆弧形斜面243f，用于弹性臂243e的导向，当外管243b朝一向弯曲时，弹性臂243e沿着斜面243f弯曲。由于外管243b结构为中心对称结构，所述两个弹性臂243e的弯曲方向始终相反，可防止外管243b在轴向的压缩。
同时也由于外管243b的中心对称结构，当其弯曲时，会产生如图217箭头方向所示的转矩。为抵消该转矩在弯曲效果上产生的影响，所述内管243c结构采用与外管243b相同的布置方式，其弹性臂243e于外管243b的弹性臂243e切割方向相反，如图218所示。当驱动单元243a弯曲时，外管243b与内管243c产生的转矩方向相反，相互抵消。
图219为本公开实施例前端执行装置的结构示意图。前端执行装置239的主体结构由多个可回转关节组成，每个回转关节的端面为斜面，斜面上设置有回转轴，相邻的回转关节可在斜面上转动，随着回转关节的转动，其自身轴线发生偏转。多个回转关节在斜面上的转动运动实现前端执行装置239的各向运动，在后端驱动装置21的驱动下完成三自由度运动，即俯仰运动R1、偏转运动R2和自转运动R3。
图220为本公开实施例前端执行装置的回转关节内部结构示意图。回转关节239a内部端面为斜面，斜面上设置有回转轴A，回转轴与斜面垂直，相邻的回转关节239a可在斜面上做绕轴A转动。所述回转轴A与回转关节239a自身轴线B的夹角为θ，当回转关节239a做绕轴A的转动时，相邻两个回转关节的轴线B发生偏转，偏转角度随着绕A轴的转动角度加大，当回转关节239a绕轴A转过180度角时，相邻两个回转关节的轴线B夹角达到最大值2θ。各回转关节239a绕轴A的转动可使前端执行装置239实现偏转运动R1和R2，如图221所示。
图222为所述本公开实施例前端执行装置的各回转关节驱动方式示意图。受限于手术工具尺寸限制(通常外径小于10mm)，所述前端执行装置239采用柔性导管驱动的方式，回转关节内部安装有能够传递扭矩的柔性导管，由柔性导管的转动驱动回转关节的运动。图222中三个回转关节分别为第一回转关节239b、第二回转关节239c、第三回转关节239d，第二回转关节239c内安装有第一柔性导管239e，所述第一柔性导管239e的回转轴线与第二回转关节239c的回转轴线重合，第一柔性导管239e的转动可带动第二回转关节239c的转动，由于第二回转关节239c安装在第一回转关节239b的斜端面上，故第一柔性导管239e的转动将带动第二回转关节239c在斜面上做绕轴A的转动。第一柔性导管239e另一端穿过第一回转关节239b后通过导管22，安装在后端驱动装置21上。第三回转关节239d内安装有第二柔性导管239f，安装方式与第二回转关节239c相同，第二柔性导管239f外径小于第一柔性导管239e内径，第二柔性导管可从第一柔性导管239e内部穿过，安装在后端驱动装置21上，第一柔性导管239e与第二柔性导管239f的转动相互独立。
机器人辅助微创手术所使用的手术工具通常采用丝驱动方式，受限于驱动丝的抗拉强度和手术工具的尺寸要求，丝驱动的手术工具无法提供较大的负载能力。所述前端执行装置239采用柔性导管驱动，柔性导管可传递较大扭矩，以柔性导管的转动代替驱动丝的拉伸运动，可使前端执行装置具有较大的弯、扭负载能力。
在本公开一个实施例中，还提供了一种外科手术器械，包括如前述实施例所述的前端执行装置。
在本公开再一个实施例中，还提供了一种机械手装置，包括关节组件，所述关节组件包括如前述实施例所述的前端执行装置。所述前端执行装置可以设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
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。
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。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
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。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的方法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
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 (146)

1.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
第一滑轨，所述第一滑轨能够绕第一轴转动；
第二滑轨，所述第二滑轨能够绕第二轴转动，所述第二轴与所述第一轴相交于一点；以及
滑块，所述滑块滑动连接于所述第一滑轨与第二滑轨之间，并与前端执行器的执行组件连接。
2.根据权利要求1所述的前端执行装置，其特征在于，
所述第一滑轨与所述滑块的上部滑动连接，所述第一滑轨两端与连接座通过第一轴铰接，并能够绕第一轴旋转；以及
所述第二滑轨与所述滑块的下部滑动连接，所述第二滑轨两端与连接座通过第二轴铰接，并能够绕第二轴旋转，所述第一轴与所述第二轴相互垂直；
其中，通过驱动组件驱动所述第一滑轨和/或第二滑轨旋转能够带动所述滑块同时在所述第一滑轨与第二滑轨上滑动，以实现所述前端执行装置两个自由度方向的运动。
3.根据权利要求1所述的前端执行装置，其特征在于，所述第一滑轨和第二滑轨为圆弧形滑轨，所述滑块的运动合成为在以第一滑轨和第二滑轨轴线交点为球心的球面上的运动。
4.根据权利要求3所述的前端执行装置，其特征在于，所述滑块包括：
上滑块(301g)，所述上滑块(301g)与所述第一滑轨的下表面连接，与所述第一滑轨滑动接触，且所述下表面的曲率半径与第一滑轨内表面的内滑轨(301b)的曲率半径相同；以及
下滑块(301f)，所述下滑块(301f)与所述上滑块(301g)固定连接，并与所述第二滑轨的上表面连接，与所述第二滑轨滑动接触，且所述上表面的曲率半径与第二滑轨外表面的外滑轨(301c)的曲率半径相同。
5.根据权利要求4所述的前端执行装置，其特征在于，所述第一轴与所述第二轴之间的预定夹角为90°。
6.根据权利要求5所述的前端执行装置，其特征在于，所述第一滑轨和第二滑轨对滑块驱动过程中的压力角始终为90°。
7.根据权利要求1所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
驱动组件，所述驱动组件包括：
第一丝轮，设置于所述第一滑轨的至少一端，用于带动所述第一滑轨绕第一轴旋转；以及
第二丝轮，设置于所述第二滑轨的至少一端，用于带动所述第二滑轨绕第二轴旋转。
8.根据权利要求6所述的前端执行装置，其特征在于，所述驱动组件还包括：
第一驱动丝，绕设于第一丝轮，所述第一驱动丝连接至驱动装置，第一驱动丝的一点与所述第一丝轮固定连接；以及
第二驱动丝，绕设于第二丝轮，所述第二驱动丝连接至驱动装置；第二驱动丝的一点与所述第二丝轮固定连接。
9.根据权利要求6所述的前端执行装置，其特征在于，所述第一驱动丝的包角为3π/2；和/或所述第二驱动丝的包角为3π/2。
10.一种如所述权利要求1-9任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的驱动丝轮的转动，带动所述第一丝轮和第二丝轮转动，以实现第一滑轨和/或第二滑轨顺时针或逆时针两向的绕轴转动，操作所述前端执行装置的滑块连接的组件的两个自由度方向的运动。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求10所述的前端执行装置的控制方法。
12.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求1-9任一项所述的前端执行装置。
13.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求1-9任一项所述的前端执行装置。
14.根据权利要求13所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
15.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
双轴转向臂(302b)，所述双轴转向臂(302b)能够绕第一轴旋转；以及
单轴转向臂(302c)，所述单轴转向臂(302c)第一端与所述双轴转向臂(302b)铰接于第二轴，第二端连接前端执行装置的执行组件，其中，所述第一轴与第二轴相交于一点。
16.根据权利要求15所述的前端执行装置，其特征在于，
所述双轴转向臂(302b)两端与连接座通过第一铰接轴铰接，并能够绕第一轴旋转，以实现所述前端执行装置第一自由度方向的运动；以及
所述单轴转向臂(302c)串联连接于所述双轴转向臂(302b)的中点，以实现所述前端执行装置第二自由度方向的运动其中，
所述第一轴与第二轴之间的夹角为90°。
17.根据权利要求16所述的前端执行装置，其特征在于，所述双轴转向臂(302b)和/或单轴转向臂(302c)为圆弧形。
18.根据权利要求17所述的前端执行装置，其特征在于，所述双轴转向臂(302b)为半圆弧形，所述单轴转向臂(302c)为1/4圆弧形。
19.根据权利要求18所述的前端执行装置，其特征在于，所述双轴转向臂(302b)与所述连接座上端面夹角a为30°，所述单轴转向臂的偏转的圆心角b满足条件a+b＝90°。
20.根据权利要求19所述的前端执行装置，其特征在于，所述a＝30°，b＝60°，所述双轴转向臂(302)的偏转角度为150°。
21.根据权利要求19所述的前端执行装置，其特征在于，所述双轴转向臂(302)的最大偏转角度大于90°。
22.根据权利要求15所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
驱动组件，所述驱动组件包括：
第一丝轮，设置于所述双轴转向臂(302b)的至少一端，用于带动所述双轴转向臂(302b)绕第一轴旋转；以及
第二丝轮，设置于所述单轴转向臂(302c)第一端，用于带动所述单轴转向臂(302c)绕第二轴旋转。
23.根据权利要求22所述的前端执行装置，其特征在于，所述驱动组件还包括：
第一驱动丝，绕设于第一丝轮，所述第一驱动丝连接至驱动装置，第一驱动丝上一点与所述双轴转向臂(302b)固定连接；以及
第二驱动丝，绕设于第二丝轮，所述第二驱动丝连接至驱动装置，第二驱动丝上一点与所述单轴转向臂(302c)固定连接。
24.一种如所述权利要求15-23任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的驱动丝轮的转动，拉动设置于所述双轴转向臂的第一丝轮转动，以实现双轴转向臂顺时针和逆时针两向的绕轴转动，以操纵所述前端执行装置进行第一自由度方向的运动；以及
控制拉动连接单轴转向臂第一端的第二丝轮转动，以实现单轴转向臂顺时针和逆时针两向的绕轴转动，以操纵所述前端执行装置进行第二自由度方向的运动。
25.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求24所述的前端执行装置的控制方法。
26.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求15-23任一项所述的前端执行装置。
27.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求15-23任一项所述的前端执行装置。
28.根据权利要求27所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
29.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
圆弧形滑轨，所述圆弧形滑轨能够绕第一轴旋转；以及
滑块，所述滑块滑动连接于所述圆弧形滑轨上，能够绕第二轴转动，并连接至前端执行装置的执行组件，其中，所述第一轴与所述第二轴相交于一点。
30.根据权利要求29所述的前端执行装置，其特征在于，所述圆弧形滑轨两端与连接座通过第一轴铰接，使得绕第一轴旋转，以实现所述前端执行装置的第一自由度方向的运动；以及
所述滑块绕与所述圆弧形滑轨的滑动接触面的回转中心第二轴转动，以实现所述前端执行装置的第二自由度方向的运动，其中，所述第一轴与所述第二轴相互垂直。
31.根据权利要求29所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
驱动组件，所述驱动组件包括：
第一丝轮，设置于所述圆弧形滑轨的至少一端，用于带动所述圆弧形滑轨第一轴旋转。
32.根据权利要求31所述的前端执行装置，其特征在于，所述驱动组件还包括：
第一驱动丝，绕设于第一丝轮，所述第一驱动丝连接至驱动装置，第一驱动丝的一点与所述第一丝轮固定连接；以及
第二驱动丝，与所述滑块固定连接，并设置于所述滑块两侧，沿所述圆弧形滑轨的滑动方向设置，所述第二驱动丝连接至驱动装置，使得所述第二驱动丝对所述滑块的拉力方向始终与滑块运动切向方向相同。
33.根据权利要求32所述的前端执行装置，其特征在于，所述圆弧形滑轨具有两个相互平行的滑动轨道，和/或
所述圆弧形滑轨还具有限位槽，用于容置所述第二驱动丝。
34.根据权利要求32所述的前端执行装置，其特征在于，所述圆弧形滑轨的曲率半径为5mm，所述第一丝轮半径为2mm。
35.根据权利要求32所述的前端执行装置，其特征在于，所述第一轴、第二轴与支撑座连接的执行组件的自转轴相交于一点，使得受驱动力相同时，所述第二自由度方向的负载能力大于所述第一自由度方向的负载能力。
36.一种如所述权利要求29-35任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第一驱动丝轮的转动，带动所述圆弧形滑轨绕所述第一轴转动，以实现圆弧形滑轨顺时针和逆时针两向的绕轴转动，以操纵所述前端执行装置进行第一自由度方向的运动；以及
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第二驱动丝轮的转动，带动所述滑块在所述圆弧形滑轨上滑动，以操纵所述前端执行装置进行第二自由度方向的运动。
37.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求36所述的前端执行装置的控制方法。
38.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求15-23任一项所述的前端执行装置。
39.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求29-35任一项所述的前端执行装置。
40.根据权利要求39所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
41.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
第一驱动臂，所述第一驱动臂能够绕第一轴转动；以及
第二驱动臂，所述第二驱动臂能够绕第二轴转动，并与执行组件连接；
其中，所述第一轴与所述第二轴相互垂直并相交于一点，以实现所述前端执行装置两个自由度方向的运动。
42.根据权利要求32所述的前端执行装置，其特征在于，
所述第一驱动臂包括：
第一转向臂，所述第一转向臂与连接座铰接于第一轴，并能够绕所述第一轴转动；以及
第一连杆，所述第一连杆铰接于所述第一转向臂的第一端，所述第一连杆能够绕与所述第一转向臂铰接的第二轴转动；以及
所述第二驱动臂包括：
第二转向臂，所述第二转向臂与连接座铰接于第二轴，并能够绕所述第二轴转动；以及
第二连杆，所述第二连杆与所述第一连杆铰接，并与用于连接执行组件的支撑座连接，所述第二连杆铰接于所述第二转向臂的第一端，并能绕所述第一轴转动。
43.根据权利要求41所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
驱动组件，所述驱动组件包括：
第一丝轮，所述第一丝轮设置于第一转向臂第二端，所述第一丝轮的转动能够带动第一转向臂绕所述第一轴转动；
第二丝轮，所述第二丝轮设置于第二转向臂第二端，所述第二丝轮的转动能够带动第二转向臂绕所述第二轴转动。
44.根据权利要求43所述的前端执行装置，其特征在于，所述驱动组件还包括：
第一驱动丝，绕设于第一丝轮，所述第一驱动丝连接至驱动装置，且第一驱动丝的一点与所述第一丝轮固定连接；以及
第二驱动丝，绕设于第二丝轮，所述第二驱动丝连接至驱动装置，且第二驱动丝的一点与所述第二丝轮固定连接。
45.根据权利要求43所述的前端执行装置，其特征在于，在所述前端执行装置上建立笛卡尔坐标系，所述笛卡尔坐标系原点为所述第一连杆与第二连杆的交点，所述笛卡尔坐标系的Z轴方向垂直于所述第一连杆与第二连杆形成的平面，所述第一驱动臂的运动螺旋系为：(1，0，0；-a，0，0)、(0，1，0；0，a，0)，所述第二驱动臂(304c)的运动螺旋系为：(0，1，0；0，-a，0)、(1，0，0；a，0，0)，其中，a为所述前端执行装置从执行组件与第二驱动臂连接处到笛卡尔坐标系原点的轴向半径。
46.根据权利要求41所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行装置的负载方向与弹性变形敏感方向不同。
47.根据权利要求42所述的前端执行装置，其特征在于，所述第一转向臂及第二转向臂为5mm以内的零件或壁厚1mm内的零件，和/或
所述第一转向臂为1/4圆弧形连杆，所述第二转向臂为1/4圆弧形连杆。
48.一种如所述权利要求41-47任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的驱动丝轮转动，带动所述第一驱动臂和/或所述第二驱动臂绕其旋转轴线转动，以操纵所述前端执行装置进行一个或两个自由度方向的运动。
49.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求48所述的前端执行装置的控制方法。
50.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求41-47任一项所述的前端执行装置。
51.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求41-47任一项所述的前端执行装置。
52.根据权利要求51所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
53.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端；以及
导向轮，所述导向轮设置于所述第一交叉轴和第二交叉轴中的另外一根的两端，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
54.根据权利要求53所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为夹持类前端执行组件，所述夹持类前端执行组件具有至少两个能够独立运动的执行零件，至少两个所述执行零件均设置有以第一交叉轴或第二交叉轴为转动轴的第一前端执行器驱动丝轮和第二前端执行器驱动丝轮，用于在所述驱动丝的驱动下实现至少两个所述执行零件的开合。
55.根据权利要求54所述的前端执行装置，其特征在于，至少两个所述执行零件相对地安装于所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端，使得实现至少两个所述执行零件的开合运动的转动轴线与所述两个自由度中的一个的旋转轴线重合。
56.根据权利要求54所述的前端执行装置，其特征在于，所述至少两个能够独立运动的执行零件包括两片相互啮合的钳页，所述钳页为“Z”形结构，使得与所述夹持类前端执行组件的夹持自由度同轴的偏转自由度或俯仰自由度的偏转角度小于-90°或大于90°。
57.根据权利要求54所述的前端执行装置，其特征在于，所述导向轮上具有与导向轮同心分布的环形的第一轮槽和第二轮槽，用于驱动所述前端执行器所在的轴的所述驱动丝包括：
第一前端执行器驱动丝，所述第一前端执行器驱动丝一点固定在所述第一前端执行器驱动丝轮上，并绕过所述第一前端执行器驱动丝轮后，沿着所述导向轮上的第一轮槽，穿过所述穿丝孔与驱动装置连接；以及
第二前端执行器驱动丝，第二前端执行器驱动丝的一点固定在所述第二驱动丝轮上，并绕过所述第二驱动丝轮后，沿着所述导向轮的第二轮槽，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置连接，以实现所述至少两个能够独立运动的执行零件中的一个在俯仰或偏转和/或夹持三个自由度中至少一个自由度的顺时针和逆时针两个方向上的驱动。
58.根据权利要求53所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行装置的第一自由度的旋转轴与第二自由度的旋转轴的间距为0，或所述前端执行器的负载能力为至少30N。
59.根据权利要求53所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器包括执行器安装座，所述执行器安装座具有两个相对固定的安装腿，两个所述安装腿分别与所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端相对固定，或
所述前端执行器为能量工具。
60.一种如所述权利要求53-59任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第一驱动丝轮的转动，拉动设置于所述十字交叉轴中的一根轴上的一对丝轮转动，以实现十字交叉轴顺时针和逆时针两向的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动或偏转运动中的至少一个；
控制操纵器的所述第一驱动器驱动致动机构内的第二驱动丝轮的转动，拉动分别设置于所述前端执行器的至少两个能够独立运动的执行零件的第一前端执行器驱动丝轮或第二前端执行器驱动丝轮，以实现至少两个所述执行零件同步或非同步的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行所述俯仰运动或偏转运动中的另外一个或操作所述前端执行装置执行夹持运动。
61.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求60所述的前端执行装置的控制方法。
62.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求53-59任一项所述的前端执行装置。
63.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求53-59任一项所述的前端执行装置。
64.根据权利要求63所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
65.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端；
双排导向轮，所述双排导向轮设置于所述第一交叉轴和第二交叉轴中的另外一根的两端；以及
四个导向轮，所述四个导向轮均匀布置于所述十字交叉轴上方侧壁，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
66.根据权利要求65所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为夹持类前端执行组件，所述夹持类前端执行组件具有至少两个能够独立运动的执行零件，至少两个所述执行零件均并排设置有以第一交叉轴或第二交叉轴为转动轴的第一前端执行器驱动丝轮和第二前端执行器驱动丝轮，用于在所述驱动丝的驱动下实现至少两个所述执行零件的开合。
67.根据权利要求66所述的前端执行装置，其特征在于，至少两个所述执行零件相对地安装于所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端，使得实现至少两个所述执行零件的开合运动的转动轴线与所述两个自由度中的一个的旋转轴线重合。
68.根据权利要求66所述的前端执行装置，其特征在于，所述至少两个能够独立运动的执行零件包括两片相互啮合的钳页，所述钳页为“Z”形结构，使得与所述夹持类前端执行组件的夹持自由度同轴的偏转自由度或俯仰自由度的偏转角度小于-90°或大于90°。
69.根据权利要求66所述的前端执行装置，其特征在于，所述双排导向轮具有内侧轮和外侧轮，用于驱动所述前端执行器所在的轴的所述驱动丝包括：
第一前端执行器驱动丝，所述第一前端执行器驱动丝一点固定在所述第一前端执行器驱动丝轮上，并绕过所述第一前端执行器驱动丝轮后又绕过设置于所述四个导向轮中的第一导向轮实现第一次换向后，绕过与第一导向轮相邻的所述四个导向轮中的第二导向轮实现第二次换向后，再绕过所述一对双排导向轮中的外侧轮后，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接；以及
第二前端执行器驱动丝，第二前端执行器驱动丝的一点固定在所述第二前端执行器驱动丝轮上，并绕过所述一对双排导向轮的内侧轮实现换向后，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接，以实现至少两个所述能够独立运动的执行零件中的一个在俯仰或偏转和/或夹持自由度中至少一个自由度的顺时针和逆时针两个方向上的驱动。
70.根据权利要求65所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行装置在俯仰或偏转两个自由度中的至少一个自由度的偏转方向小于-90°或大于90°，和/或
所述前端执行器包括执行器安装座，所述执行器安装座具有两个相对固定的安装腿，两个所述安装腿分别与所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端相对固定，或所述前端执行器为能量工具。
71.一种如所述权利要求65-70任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第一驱动丝轮的转动，拉动设置于所述十字交叉轴中的一根轴上的一对丝轮转动，以实现十字交叉轴顺时针和逆时针两向的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动或偏转运动中的至少一个；
控制操纵器的所述第一驱动器驱动致动机构内的第二驱动丝轮的转动，拉动分别设置于所述前端执行器的至少两个能够独立运动的执行零件的第一前端执行器驱动丝轮或第二前端执行器驱动丝轮，以实现至少两个所述执行零件同步或非同步的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行所述俯仰运动或偏转运动中的另外一个或操作所述前端执行装置执行夹持运动。
72.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求71所述的前端执行装置的控制方法。
73.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求65-70任一项所述的前端执行装置。
74.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求65-70任一项所述的前端执行装置。
75.根据权利要求74所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
76.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端；
双排导向轮，所述双排导向轮设置于所述第一交叉轴和第二交叉轴中的另外一根的两端；以及
两个导向轮，所述两个导向轮对称布置于所述十字交叉轴上方侧壁，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
77.根据权利要求76所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为夹持类前端执行组件，所述夹持类前端执行组件具有至少两个能够独立运动的执行零件，至少两个所述执行零件均并排设置有以第一交叉轴或第二交叉轴为转动轴的第一前端执行器驱动丝轮和第二前端执行器驱动丝轮，用于在所述驱动丝的驱动下实现至少两个所述执行零件的开合。
78.根据权利要求77所述的前端执行装置，其特征在于，至少两个所述执行零件相对地安装于所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端，使得实现至少两个所述执行零件的开合运动的转动轴线与所述两个自由度中的一个的旋转轴线重合。
79.根据权利要求77所述的前端执行装置，其特征在于，所述至少两个能够独立运动的执行零件包括两片相互啮合的钳页，所述钳页为“Z”形结构，使得与所述夹持类前端执行组件的夹持自由度同轴的偏转自由度或俯仰自由度的偏转角度小于-90°或大于90°。
80.根据权利要求77所述的前端执行装置，其特征在于，用于驱动所述前端执行器所在的轴的所述驱动丝包括：
第一前端执行器驱动丝，所述第一前端执行器驱动丝的一点固定在所述第一前端执行器驱动丝轮上，并绕过所述第一前端执行器驱动丝轮后，沿着所述双排导向轮的轮槽，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接；以及
第二前端执行器驱动丝，所述第二前端执行器驱动丝一点固定安装在所述第二前端执行器驱动丝轮上，并绕过设置于所述十字交叉轴上方侧壁的所述两个导向轮中的一个导向轮后，沿着设置于所述双排导向轮下方轴座导向轮的轮槽，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接，以实现所述至少两个能够独立运动的执行零件中的一个在俯仰或偏转和/或夹持自由度中的至少一个自由度顺时针和逆时针两个方向上的驱动。
81.根据权利要求76所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行装置的第一自由度的旋转轴与第二自由度的旋转轴的间距为0，或所述前端执行器的负载能力为至少30N。
82.根据权利要求76所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器包括执行器安装座，所述执行器安装座具有两个相对固定的安装腿，两个所述安装腿分别与所述十字交叉轴的第一交叉轴和第二交叉轴其中之一的两端相对固定。
83.根据权利要求82所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为能量工具。
84.一种如所述权利要求76-83任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第一驱动丝轮的转动，拉动设置于所述十字交叉轴中的一根轴上的一对丝轮转动，以实现十字交叉轴顺时针和逆时针两向的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动或偏转运动中的至少一个；
控制操纵器的所述第一驱动器驱动致动机构内的第二驱动丝轮的转动，拉动分别设置于所述前端执行器的至少两个能够独立运动的执行零件的第一前端执行器驱动丝轮或第二前端执行器驱动丝轮，以实现至少两个所述执行零件同步或非同步的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行所述俯仰运动或偏转运动中的另外一个或操作所述前端执行装置执行夹持运动。
85.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求84所述的前端执行装置的控制方法。
86.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求76-83任一项所述的前端执行装置。
87.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求76-83任一项所述的前端执行装置。
88.根据权利要求87所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
89.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴；
U形架，所述U形架开口朝上，U形架的两个前端连接于所述第一交叉轴两端，所述U形架的外表面的底部设置有布置第二驱动丝的圆弧形导丝槽，用于在第二驱动丝的驱动下绕所述第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置第二自由度的驱动；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述第一交叉轴的两端，与所述U形架同轴连接，用于在第一驱动丝的驱动下绕所述第一交叉轴转动以实现所述前端执行装置第一自由度的驱动；以及
导向轮，所述导向轮设置于所述第一交叉轴的两端，用于导向所述第二驱动丝，使得位于连接座上的第一驱动丝和第二驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与第一交叉轴或第二交叉轴平行。
90.根据权利要求89所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为夹持类前端执行组件，所述夹持类前端执行组件具有至少两个能够独立运动的执行零件，至少两个所述执行零件均并排设置有以第一交叉轴为转动轴的第一前端执行器驱动丝轮和第二前端执行器驱动丝轮，用于在所述驱动丝的驱动下实现至少两个所述执行零件的开合。
91.根据权利要求90所述的前端执行装置，其特征在于，至少两个所述执行零件相对地安装于所述十字交叉轴的第一交叉轴的两端，使得实现至少两个所述执行零件的开合运动的转动轴线与所述两个自由度中的一个的旋转轴线重合。
92.根据权利要求91所述的前端执行装置，其特征在于，所述至少两个能够独立运动的执行零件包括两片相互啮合的钳页，所述钳页为“Z”形结构，使得与所述夹持类前端执行组件的夹持自由度同轴的偏转自由度或俯仰自由度的偏转角度小于-90°或大于90°。
93.根据权利要求89所述的前端执行装置，其特征在于，所述导向轮具有第一轮槽和第二轮槽，所述第一驱动丝包括：
第一前端执行器驱动丝，所述第一前端执行器驱动丝的一点固定在所述第一前端执行器驱动丝轮上，并绕过所述第一前端执行器驱动丝轮后，沿着所述导向轮的第一轮槽，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接；以及
第二前端执行器驱动丝，所述第二前端执行器驱动丝一点固定安装在所述第二前端执行器驱动丝轮上，并绕过设置于所述第二前端执行器驱动丝轮后，绕过所述导向轮的第二轮槽，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接，以实现所述至少两个能够独立运动的执行零件中的一个在俯仰或偏转和/或夹持自由度中的至少一个自由度顺时针和逆时针两个方向上的驱动。
94.根据权利要求89所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
连接座导向轮，所述连接座导向轮设置于所述连接座与所述U形架连接处，使得所述第二驱动丝一点固定在所述圆弧形导丝槽内，并沿着所述圆弧形导丝槽布置后，绕过所述连接座导向轮后与所述驱动装置驱动连接，和/或
所述第二驱动丝的拉力方向始终与所述十字交叉轴的转动方向的切向方向相同。
95.一种如所述权利要求89-94任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第一驱动丝轮的转动，拉动所述U形架转动，以实现十字交叉轴顺时针和逆时针两向的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动或偏转运动中的至少一个；
控制操纵器的所述第一驱动器驱动致动机构内的第二驱动丝轮的转动，拉动分别设置于所述前端执行器的至少两个能够独立运动的执行零件的第一前端执行器驱动丝轮或第二前端执行器驱动丝轮，以实现至少两个所述执行零件同步或非同步的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行所述俯仰运动或偏转运动中的另外一个或操作所述前端执行装置执行夹持运动。
96.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求96所述的前端执行装置的控制方法。
97.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求89-94任一项所述的前端执行装置。
98.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求89-94任一项所述的前端执行装置。
99.根据权利要求98所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
100.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，所述第二交叉轴两端分别设置有双排导向轮；
U形架，所述U形架开口朝上，U形架的两个前端连接于所述第一交叉轴两端，所述U形架的外表面的底部设置有用于布置第二驱动丝的圆弧形导丝槽，用于在第二驱动丝的驱动下绕所述第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置第二自由度的驱动；
前端执行器，所述前端执行器固定在所述第一交叉轴的两端，与所述U形架同轴连接，用于在第一驱动丝的驱动下绕所述第一交叉轴转动以实现所述前端执行装置第一自由度的驱动；以及
两个导向轮，所述两个导向轮对称布置于所述十字交叉轴上方侧壁，使得位于连接座上的第一驱动丝和第二驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与第一交叉轴或第二交叉轴平行。
101.根据权利要求100所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为夹持类前端执行组件，所述夹持类前端执行组件具有至少两个能够独立运动的执行零件，至少两个所述执行零件均并排设置有以第一交叉轴为转动轴的第一前端执行器驱动丝轮和第二前端执行器驱动丝轮，用于在所述驱动丝的驱动下实现至少两个所述执行零件的开合。
102.根据权利要求101所述的前端执行装置，其特征在于，至少两个所述执行零件相对地安装于所述十字交叉轴的第一交叉轴的两端，使得实现至少两个所述执行零件的开合运动的转动轴线与所述两个自由度中的一个的旋转轴线重合。
103.根据权利要求101所述的前端执行装置，其特征在于，所述至少两个能够独立运动的执行零件包括两片相互啮合的钳页，所述钳页为“Z”形结构，使得与所述夹持类前端执行组件的夹持自由度同轴的偏转自由度或俯仰自由度的偏转角度小于-90°或大于90°。
104.根据权利要求100所述的前端执行装置，其特征在于，所述双排导向轮具有第一轮槽和第二轮槽，所述第一驱动丝包括：
第一前端执行器驱动丝，所述第一前端执行器驱动丝的一点固定在所述第一前端执行器驱动丝轮上，并绕过所述第一前端执行器驱动丝轮后，绕过所述双排导向轮的第一轮槽，以实现驱动丝的换向，再穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接；以及
第二前端执行器驱动丝，所述第二前端执行器驱动丝一点固定安装在所述第二前端执行器驱动丝轮上，并绕过设置于所述十字交叉轴上方的所述两个导向轮中的一个实现换向后，沿着所述双排导向轮的第二轮槽穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接，以实现所述至少两个能够独立运动的执行零件中的一个在俯仰或偏转和/或夹持自由度中的至少一个自由度顺时针和逆时针两个方向上的驱动。
105.根据权利要求100所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
连接座导向轮，所述连接座导向轮设置于所述连接座与所述U形架连接处，使得所述第二驱动丝一点固定在所述圆弧形导丝槽内，并沿着所述圆弧形导丝槽布置后，绕过所述连接座导向轮后与所述驱动装置驱动连接。
106.根据权利要求100所述的前端执行装置，其特征在于，所述第二驱动丝的拉力方向始终与所述十字交叉轴的转动方向的切向方向相同。
107.一种如所述权利要求100-106任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第一驱动丝轮的转动，拉动所述U形架转动，以实现十字交叉轴顺时针和逆时针两向的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动或偏转运动中的至少一个；
控制操纵器的所述第一驱动器驱动致动机构内的第二驱动丝轮的转动，拉动分别设置于所述前端执行器的至少两个能够独立运动的执行零件的第一前端执行器驱动丝轮或第二前端执行器驱动丝轮，以实现至少两个所述执行零件同步或非同步的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行所述俯仰运动或偏转运动中的另外一个或操作所述前端执行装置执行夹持运动。
108.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求107所述的前端执行装置的控制方法。
109.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求100-106任一项所述的前端执行装置。
110.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求100-106任一项所述的前端执行装置。
111.根据权利要求110所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
112.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，所述第一交叉轴两端设置有第一丝轮，所述第二交叉轴两端设置有第二丝轮，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；以及
导向轮，所述导向轮设置于所述十字交叉轴上，并与所述第一丝轮或第二丝轮同轴设置，以将用于驱动所述第一自由度转动的驱动丝换向至与驱动第二自由度转动的驱动丝的同侧，使得位于连接座上的驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与所述第二自由度的旋转轴平行。
113.根据权利要求112所述的前端执行器，其特征在于，还包括：
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴或第二交叉轴的两端。
114.根据权利要求113所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为夹持类前端执行组件，所述夹持类前端执行组件具有至少两个能够独立运动的执行零件，至少两个所述执行零件均设置有驱动丝轮，用于在驱动丝的驱动下实现至少两个所述执行零件的开合。
115.根据权利要求114所述的前端执行装置，其特征在于，所述驱动丝轮为第一丝轮，其中所述第一丝轮与所述导向轮为非同轴设置。
116.根据权利要求114所述的前端执行装置，其特征在于，至少两个所述执行零件相对地安装于所述十字交叉轴的第一交叉轴或第二交叉轴的两端，使得实现至少两个所述执行零件的开合运动的转动轴线与所述两个自由度中的一个的旋转轴线重合。
117.根据权利要求116所述的前端执行装置，其特征在于，所述至少两个能够独立运动的执行零件包括两片相互啮合的钳页，所述钳页为“Z”形结构，使得与所述夹持类前端执行组件的夹持自由度同轴的偏转自由度或俯仰自由度的偏转角度小于-90°或大于90°。
118.根据权利要求114所述的前端执行装置，其特征在于，所述导向轮上具有与导向轮同心分布的环形的第一轮槽和第二轮槽，用于驱动所述前端执行器所在的轴的所述驱动丝包括：
第一前端执行器驱动丝，所述第一前端执行器驱动丝一点固定在所述第一丝轮上，并绕过所述第一丝轮后，沿着所述导向轮上的轮槽，穿过所述穿丝孔与驱动装置连接；以及
第二前端执行器驱动丝，第二前端执行器驱动丝与所述第一前端执行器驱动丝在第一丝轮上的缠绕方向相反。
119.根据权利要求112所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行装置的第一自由度的旋转轴与第二自由度的旋转轴的间距为0，或所述前端执行器的负载能力为至少30N。
120.根据权利要求112所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器包括执行器安装座，所述执行器安装座具有两个相对固定的安装腿，两个所述安装腿分别与所述十字交叉轴的第一交叉轴或第二交叉轴的两端相对固定。
121.根据权利要求120所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为能量工具。
122.一种如所述权利要求112-121任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的驱动丝轮的转动，拉动设置于所述十字交叉轴中第一丝轮和/或第二丝轮转动，以实现十字交叉轴在俯仰和偏转两个自由度方向上顺时针和逆时针两向的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动和/或偏转运动。
123.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求112-121任一项所述的前端执行装置。
124.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求112-121任一项所述的前端执行装置。
125.根据权利要求124所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
126.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴，用于在驱动装置的驱动下绕所述第一交叉轴和/或第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置俯仰和偏转两个自由度的驱动，所述两个自由度包括第一自由度与第二自由度；以及
前端执行器，所述前端执行器固定在所述十字交叉轴的第一交叉轴或第二交叉轴的两端。
127.根据权利要求126所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器为夹持类前端执行组件，所述夹持类前端执行组件具有至少两个能够独立运动的执行零件，至少两个所述执行零件均设置有第一前端执行器驱动丝轮和第二前端执行器驱动丝轮，用于在驱动丝的驱动下实现至少两个所述执行零件的开合。
128.根据权利要求127所述的前端执行装置，其特征在于，至少两个所述执行零件相对地安装于所述十字交叉轴的第一交叉轴或第二交叉轴的两端，使得实现至少两个所述执行零件的开合运动的转动轴线与所述两个自由度中的一个的旋转轴线重合。
129.根据权利要求127所述的前端执行装置，其特征在于，所述至少两个能够独立运动的执行零件包括两片相互啮合的钳页，所述钳页为“Z”形结构，使得与所述夹持类前端执行组件的夹持自由度同轴的偏转自由度或俯仰自由度的偏转角度小于-90°或大于90°。
130.根据权利要求126所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行装置的第一自由度的旋转轴与第二自由度的旋转轴的间距为0。
131.根据权利要求126所述的前端执行装置，其特征在于，所述前端执行器的负载能力为至少30N。
132.一种如所述权利要求126-131任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的驱动丝轮的转动，拉动设置于所述十字交叉轴中第一交叉轴或第二交叉轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动和偏转运动中的一个；
控制操纵器的所述第一驱动器驱动致动机构内的驱动丝轮的转动，拉动分别设置于所述前端执行器的至少两个能够独立运动的执行零件的第一前端执行器驱动丝轮或第二前端执行器驱动丝轮，以实现至少两个所述执行零件同步或非同步的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行所述俯仰运动或偏转运动中的另外一个或操作所述前端执行装置执行夹持运动。
133.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求126-131任一项所述的前端执行装置。
134.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求126-131任一项所述的前端执行装置。
135.根据权利要求134所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
136.一种前端执行装置，其特征在于，包括：
十字交叉轴，所述十字交叉轴包括相互垂直相交的第一交叉轴和第二交叉轴；
U形架，所述U形架开口朝上，U形架的两个前端连接于所述第一交叉轴两端，与前端执行器的连接座连接，用于在驱动组件的驱动下绕所述第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置第二自由度的驱动；以及
前端执行器，所述前端执行器固定在所述第一交叉轴的两端，与所述U形架同轴连接，用于在驱动组件的驱动下绕所述第一交叉轴转动以实现所述前端执行装置第一自由度的驱动。
137.根据权利要求136所述的前端执行装置，其特征在于，所述驱动组件包括：
第一驱动丝，用于驱动所述前端执行器绕所述第一交叉轴转动以实现所述前端执行装置第一自由度的驱动；
第二驱动丝，用于驱动所述U形架绕所述第二交叉轴转动以实现所述前端执行装置第二自由度的驱动。
138.根据权利要求137所述的前端执行装置，其特征在于，所述U形架的外表面的底部设置有圆弧形导丝槽，所述第二驱动丝的一端固定于所述圆弧形导丝槽内，用于驱动所述U形架绕所述第二交叉轴转动。
139.根据权利要求137所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
导向轮，所述导向轮没置于所述第一交叉轴的两端，用于导向所述第二驱动丝，使得位于连接座上的第一驱动丝和第二驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与第一交叉轴或第二交叉轴平行；或者
所述导向轮设置于所述第二交叉轴的两端，用于导向所述第一驱动丝，使得位于连接座上的第一驱动丝和第二驱动丝的穿丝孔呈直线布置，且所述直线方向与第一交叉轴或第二交叉轴平行。
140.根据权利要求137所述的前端执行装置，其特征在于，所述第一交叉轴两端均并排设置有以第一交叉轴为转动轴的第一前端执行器驱动丝轮和第二前端执行器驱动丝轮，所述导向轮包括第一轮槽和第二轮槽，所述第一驱动丝包括：
第一前端执行器驱动丝，所述第一前端执行器驱动丝的一点固定在所述第一前端执行器驱动丝轮上，并绕过所述第一前端执行器驱动丝轮后，沿着所述导向轮的第一轮槽，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接；以及
第二前端执行器驱动丝，所述第二前端执行器驱动丝一点固定安装在所述第二前端执行器驱动丝轮上，并绕过设置于所述第二前端执行器驱动丝轮后，绕过所述导向轮的第二轮槽，穿过所述穿丝孔与所述驱动装置驱动连接。
141.根据权利要求137所述的前端执行装置，其特征在于，还包括：
连接座导向轮，所述连接座导向轮设置于所述连接座与所述U形架连接处，使得所述第二驱动丝一点固定在所述圆弧形导丝槽内，并沿着所述圆弧形导丝槽布置后，绕过所述连接座导向轮后与所述驱动装置驱动连接。
142.根据权利要求141所述的前端执行装置，其特征在于，所述第二驱动丝的拉力方向始终与所述十字交叉轴的转动方向的切向方向相同。
143.一种如所述权利要求136-142任一项所述的前端执行装置的控制方法，包括：
控制操纵器的第一驱动器驱动致动机构内的第一驱动丝轮的转动，拉动所述U形架转动，以实现十字交叉轴顺时针和逆时针两向的绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行俯仰运动或偏转运动中的至少一个；以及
控制操纵器的所述第一驱动器驱动致动机构内的第二驱动丝轮的转动，拉动所述十字交叉轴的第一交叉轴转动，以实现前端执行器绕轴转动，从而操作所述前端执行装置执行所述俯仰运动或偏转运动中的另外一个。
144.一种外科手术器械，其特征在于，所述外科手术器械包括如权利要求136-142任一项所述的前端执行装置。
145.一种机械手装置，其特征在于，包括：
关节组件，所述关节组件包括如权利要求136-142任一项所述的前端执行装置。
146.根据权利要求145所述的机械手装置，其特征在于，所述前端执行装置设置于机械手装置中的从机械手的所述关节组件，其中，所述从机械手的操作指令由主机械手发送。
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