CN112807089B - 手术器械和手术机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种手术器械和手术机器人。本发明的手术器械，包括：被配置为与驱动单元连接的从动机构、以及与所述从动机构连接的末端执行器，其特征在于，所述手术器械还包括与所述末端执行器转动连接的可活动元件，所述从动机构包括在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件转动的第一机构、以及在所述驱动单元的作用下驱动所述末端执行器相对所述可活动元件转动的第二机构，其中，当所述可活动元件转动时，所述末端执行器跟随所述可活动元件一起转动，且所述第一机构和所述第二机构均由刚性材料构成。本发明的手术器械传动效率高，结构刚度大。

Description

手术器械和手术机器人
技术领域
本发明实施例涉及医疗器械领域，尤其涉及一种手术器械和手术机器人。
背景技术
近年来，手术机器人在临床手术中的应用越来越受到人们的重视。手术机器人包括控制台和操作臂。操作臂包括位于端部的手术器械、以及可操作地连接到手术器械以便致动手术器械的器械驱动单元。手术器械包括与器械驱动单元连接的从动机构、以及与从动机构连接的末端执行器。器械驱动单元驱动从动机构，进而驱动末端执行器以代替人手在人体内进行手术操作。常见地，末端执行器被构造为例如夹钳等。
现有的手术器械的从动机构常包括钢丝绳。通过钢丝绳驱动末端执行器，可保证手术器械的灵活性，且有助于减小手术器械的体积。
然而，本发明人发现：在实践中，钢丝绳蠕变大，传动效率低，导致手术器械的使用寿命非常有限。
发明内容
本发明实施例提供一种手术器械和手术机器人，传动效率高，结构刚度大，使用寿命长。
本发明实施例提供一种手术器械，包括：被配置为与驱动单元连接的从动机构、以及与所述从动机构连接的末端执行器，所述手术器械还包括与所述末端执行器转动连接的可活动元件，所述从动机构包括在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件转动的第一机构、以及在所述驱动单元的作用下驱动所述末端执行器相对所述可活动元件转动的第二机构，其中，当所述可活动元件转动时，所述末端执行器跟随所述可活动元件一起转动，且所述第一机构和所述第二机构均由刚性材料构成。本发明通过刚性的第一机构和第二机构分别驱动可活动元件和末端执行器进行转动，从而提高了从动机构的传动效率，且增强了从动机构的结构强度，解决了现有技术中采用钢丝绳传动带来的蠕变大、传动效率低的问题。此外，本发明不仅通过第二机构驱动末端执行器，而且还通过第一机构驱动可活动元件，而可活动元件转动时，末端执行器也跟随其一起转动，可见，末端执行器不仅可以被第二机构驱动转动，而且增设的可活动元件使得末端执行器还可以间接地被第一机构驱动转动，因此有效增加了末端执行器的自由度，提高了末端执行器的灵活性。
在一种可行的方案中，所述可活动元件在所述第一机构驱动下的转动方向与所述末端执行器在所述第二机构驱动下的转动方向相交。这种设计有助于末端执行器转动至不同的平面，进一步提高末端执行器的运动灵活度。
在一种可行的方案中，所述第一机构和所述第二机构中的至少一个被配置为将直线运动转化为旋转运动。在其他可行的方案中，第一机构和/或第二机构也可采用其他原理在驱动单元的作用下驱动可活动元件和/或末端执行器转动。
在一种可行的方案中，所述第一机构和所述第二机构中的至少一个为连杆机构。采用连杆机构传动不仅传动效率高，传动更加稳定，而且结构刚度更大。
在一种可行的方案中，所述末端执行器包括分别与所述可活动元件转动连接的第一执行元件和第二执行元件，所述第二机构包括在所述驱动单元的作用下驱动所述第一执行元件相对所述可活动元件转动的第一子机构、以及在所述驱动单元的作用下驱动所述第二执行元件相对所述可活动元件转动的第二子机构。通过第一子机构和第二子机构分别单独驱动第一执行元件和第二执行元件转动，可进一步增加末端执行器的总的自由度，有效提高末端执行器的运动灵活度。
在一种可行的方案中，所述第一子机构和所述第二子机构中的至少一个包括与相应的所述第一执行元件或者所述第二执行元件转动连接的第一连杆、以及与所述第一连杆转动连接的第二连杆，所述第二连杆与所述可活动元件滑动连接，且所述第二连杆的往复直线运动经由所述第一连杆转化为所述第一执行元件或者所述第二执行元件的旋转运动。利用曲柄滑块的运动原理将直线运动转化为第一执行元件或者第二执行元件的旋转运动，传动效率高，且结构简单，有助于减小手术器械的整体尺寸。
在一种可行的方案中，所述手术器械还包括与所述第一执行元件和所述第二执行元件均转动连接的第一连接轴，所述第一连接轴与所述可活动元件连接，所述第一连杆上形成有用于避让所述第一连接轴的第一避让槽。第一避让槽有助于避免第一连杆在运动过程中与第一连接轴发生干涉。
在一种可行的方案中，所述可活动元件包括第一导向孔，所述第二连杆可滑动地收容于所述第一导向孔内。第一导向孔有助于限制第二连杆的运动，使得第二连杆仅能在第一导向孔内沿直线往复运动，传动更加稳定。
在一种可行的方案中，所述手术器械还包括支撑元件、以及连接所述可活动元件和所述支撑元件的第二连接轴，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述第二连杆上形成有用于避让所述第二连接轴的第二避让槽。第二避让槽有助于避免第二连杆在运动过程中与第二连接轴发生干涉。
在一种可行的方案中，所述第二避让槽自所述第二连杆的第一端沿所述第二连杆的长度方向朝向所述第二连杆的第二端延伸，所述第二连杆的第二端在靠近所述第二避让槽的台阶倒圆角，其中所述第二连杆的第二端相对所述第二连杆的第一端更靠近所述第一连杆。将第二连杆的第二端的朝向第二避让槽的台阶倒圆角，可以避免应力集中，同时也可增大第二连杆的整体强度。
在一种可行的方案中，所述第一子机构和所述第二子机构中的至少一个还包括与所述第二连杆转动连接的第三连杆、以及与所述第三连杆转动连接的第一推杆，所述第一推杆被配置为由所述驱动单元驱动以沿直线往复运动，且所述第一推杆的往复直线运动经由所述第三连杆转化为所述第二连杆的往复直线运动。平移换向机构允许第一执行元件或者第二执行元件在更大的空间内运动，自由度更高，灵活性更大。特别是在可活动元件转动时，平移换向机构允许第一执行元件或者第二执行元件跟随可活动元件进行转动。
在一种可行的方案中，所述第二连杆的第一端凸出形成有凸耳，所述凸耳在所述第三连杆的运动平面内沿横向于所述第二连杆的长度方向的方向延伸，所述第三连杆的一端与所述凸耳转动连接。这种构造一方面提高了第三连杆和第二连杆的传动性能，另一方面也缩短了第二连杆的整体长度，使得手术器械在处于比较极端的位置时，第二连杆突出的长度较小。
在一种可行的方案中，所述可活动元件上形成有用于避让所述第三连杆的第三避让槽，所述第三避让槽自所述可活动元件的一端凹陷而成。第三避让槽有助于避免第三连杆在运动过程中与可活动元件发生干涉。
在一种可行的方案中，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述支撑元件上形成有用于避让所述第三连杆的第四避让槽，所述第四避让槽自所述支撑元件的一端凹陷而成。第四避让槽有助于避免第三连杆在运动过程中与支撑元件发生干涉。
在一种可行的方案中，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述支撑元件上形成有第二导向孔，所述第一推杆可滑动地收容于第二导向孔内。第二导向孔限制了第一推杆的运动，使得第一推杆仅能在第二导向孔内沿直线往复运动，传动更加稳定。
在一种可行的方案中，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第三连杆和所述第一推杆收容于所述支撑元件内，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述支撑元件包括两个连接耳，所述可活动元件包括与所述两个连接耳分别接合的两个凹陷部，以使得所述支撑元件和所述可活动元件外径相等。连接耳和凹陷部的配合使得支撑元件和可活动元件连接并外径相等成为可能，而支撑元件和可活动元件等径延伸不仅使得手术器械的外观更简洁，且有助于减小手术器械的整体尺寸。
在一种可行的方案中，所述第一机构包括与所述可活动元件转动连接的第四连杆、以及与所述第四连杆转动连接的第二推杆，所述第二推杆被配置为由所述驱动单元驱动以沿直线往复运动，且所述第二推杆的往复直线运动经由所述第四连杆转化为所述可活动元件的旋转运动。利用曲柄滑块的运动原理将直线运动转化为可活动元件的旋转运动，传动效率高，且结构简单，有助于减小手术器械的整体尺寸。
在一种可行的方案中，所述可活动元件上形成有用于避让所述第四连杆的第五避让槽，所述第五避让槽自所述可活动元件的一端凹陷而成。第五避让槽有助于避免第四连杆在运动过程中与可活动元件发生干涉。
在一种可行的方案中，所述手术器械还包括支撑元件、以及连接所述可活动元件和所述支撑元件的第二连接轴，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述第四连杆上形成有用于避让所述第二连接轴的第六避让槽。第六避让槽有助于避免第四连杆在运动过程中与第二连接轴发生干涉。
在一种可行的方案中，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述支撑元件上形成有第二导向孔，所述第二推杆可滑动地收容于第三导向孔内。第三导向孔限制了第二推杆的运动，使得第二推杆仅能在第三导向孔内沿直线往复运动，传动更加稳定。
本发明实施例还提供一种手术机器人，其包括前述的手术器械。
基于上述方案可知，本发明第一机构和第二机构均由刚性材料构成，因此，有效避免了现有技术采用钢丝绳等柔性材料传动带来的蠕变大、传动效率低下的缺点。且当末端执行器采用夹钳构造时，还可建立第二机构与末端执行器的夹持力之间的数学模型，以便在手术机器人的应用中对末端执行器的夹持力进行检测和控制。此外，本发明的末端执行器不仅可以由第二机构驱动转动，而且当可活动元件被第一机构驱动转动时，末端执行器也跟随可活动元件一起转动，可见，末端执行器不仅可以被第二机构驱动转动，而且增设的可活动元件使得末端执行器还可以间接地被第一机构驱动转动，从而增加了末端执行器的总的自由度，有效提高了末端执行器的运动灵活度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示例性示出了本发明一实施例中的手术器械的立体图；
图2为图1所示手术器械的爆炸图；
图2A为图1所示手术器械的建立有第一坐标系和第二坐标系的一局部透视图，其中部分零部件未示出；
图2B为图1所示手术器械的建立有第二坐标系的另一局部透视图，其中部分零部件未示出；
图2C为图1所示手术器械的建立有第一坐标系的另一局部透视图，其中部分零部件未示出；
图3为图2所示手术器械的远端的局部放大图；
图3A为图2所示手术器械的第二连杆72的立体结构图；
图4为图1所示手术器械的远端的剖视图；
图5为图1所示手术器械的近端的局部放大图；
图6为图5所示手术器械的近端的剖视图；
图7A为图1所示手术器械可形成的一种构造的远端示意图，其中可活动元件转动至与支撑元件呈角度分布；
图7B为图1所示手术器械可形成的另一种构造的远端示意图，其中第一执行元件朝向远离第二执行元件的方向转动；
图7C为图1所示手术器械可形成的又一种构造的远端示意图，其中第二执行元件朝向远离第一执行元件的方向转动；
图7D为图1所示手术器械可形成的再一种构造的远端示意图，其中可活动元件转动至与支撑元件呈角度分布，且第一执行元件和第二执行元件分别进行了一定角度的转动；
图7E为图1所示手术器械可形成的一种极端构造的远端示意图，其中可活动元件转动至与支撑元件大致垂直，第一执行元件和第二执行元件大致在同一水平面上；以及
图8为本发明一实施例的机器人的简要示意图。
图中标号：从动机构10、末端执行器20、第一执行元件21、夹持部210、枢接部211、第二执行元件22、第一连接轴23、可活动元件30、第一收容腔31、第一主体部32、第一连接耳33、第一连接孔330、第一缺口34、第一导向部35、第一导向孔350、凹陷部351、第二连接轴36、第三避让槽370、第五避让槽371、第一机构40、第四连杆41、第六避让槽410、第二推杆42、第三连接轴43、第二机构50、支撑元件60、第二收容腔61、第二主体部62、第二连接耳63、第二连接孔630、第二缺口64、第四避让槽65、第二导向部66、第二导向孔660、第三导向孔661、第一子机构70、第一连杆71、第一避让槽710、第二连杆72、第二避让槽720、台阶721、凸耳722、第三连杆73、第一推杆74、第二子机构80、控制台90、操作臂91、驱动单元910、手术器械920。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
通常，手术机器人包括控制台和操作臂。操作臂包括位于端部的手术器械、以及可操作地连接到手术器械以便致动手术器械的驱动单元。手术器械包括与驱动单元连接的从动机构、以及与从动机构连接的末端执行器。现有的手术器械的从动机构常采用钢丝绳驱动末端执行器进行手术操作。
然而，钢丝绳蠕变大，传动效率低，导致手术器械的使用寿命非常有限。特别地，当末端执行器被构造为夹钳时，由于钢丝绳是柔性的，因此难以准确地建立钢丝绳与末端执行器的夹持力之间的数学模型，导致在手术机器人的应用中缺乏对末端执行器的夹持力的检测和控制。
采用连杆传动可以有效地避免上述问题。然而，由于手术器械结构要求精密，整体尺寸要求很高，连杆在有限的空间内的运动十分受限。因此，即使想到采用连杆传动驱动末端执行器，末端执行器也普遍只具有一个运动自由度，即末端执行器只能类似剪刀一样进行开合运动。这样的手术器械的自由度不高，灵活性大大降低，应用局限性较大。
图1示例性示出了本发明一实施例中的手术器械的立体图。如图1所示，本实施例的手术器械包括适于与驱动单元连接的从动机构10、与从动机构10连接的末端执行器20、以及与从动机构10连接并与末端执行器20转动连接的可活动元件30。
图2示出图1所示手术器械的爆炸图。如图2所示，从动机构10包括在驱动单元的作用下驱动可活动元件30转动的第一机构40、以及在驱动单元的作用下驱动末端执行器20相对可活动元件30转动的第二机构50。特别地，当可活动元件30在第一机构40的驱动下转动时，末端执行器20也跟随可活动元件30一起转动。第一机构40和第二机构50均由刚性材料构成。
由于本实施例的第一机构40和第二机构50均由刚性材料构成，因此，有效避免了现有技术采用钢丝绳等柔性材料传动带来的蠕变大、传动效率低下的缺点。且当末端执行器20采用夹钳构造时，还可建立第二机构50与末端执行器20的夹持力之间的数学模型，以便在手术机器人的应用中对末端执行器20的夹持力进行检测和控制。此外，本实施例中的末端执行器20不仅可以由第二机构50驱动转动，而且当可活动元件30被第一机构40驱动转动时，末端执行器20也跟随可活动元件30一起转动，可见，末端执行器不仅可以被第二机构驱动转动，而且增设的可活动元件使得末端执行器还可以间接地被第一机构驱动转动，从而增加了末端执行器20的总的自由度，有效提高了末端执行器20的运动灵活度。
可选地，本实施例中的末端执行器20被构造为一夹钳，包括分别与可活动元件30转动连接的第一执行元件21和第二执行元件22。末端执行器20的近端与可活动元件30的远端转动连接。可活动元件30大致呈圆柱体状，其内形成第一收容腔31。从动机构10的远端收容于第一收容腔31内。本实施例中，手术器械还包括与可活动元件30的近端转动连接的支撑元件60。支撑元件60呈细长的圆柱体状，其内形成第二收容腔61。从动机构10大部分收容于第二收容腔61内。可选地，从动机构10的近端突出于支撑元件60的近端。
本文中，“远端”是指装置、机构、或者元件等的远离驱动单元的一端，“近端”是指装置、机构、或者元件等的靠近驱动单元的一端。
优选地，可活动元件30在第一机构40驱动下相对支撑元件60的转动方向与末端执行器20在第二机构50驱动下相对可活动元件30的转动方向相交，这有助于末端执行器20转动至不同的平面，进一步提高末端执行器20的运动灵活度。
具体地，结合图1至图2C所示，建立可活动元件30在第一机构40驱动下相对支撑元件60转动的第一坐标系N-X0Y0Z0，其中N为可活动元件30转动的中心点，Y0为可活动元件30转动的中心轴线，X0Z0为可活动元件30转动的平面；建立末端执行器20在第二机构50驱动下相对可活动元件30的转动的第二坐标系，M-XYZ，其中M为末端执行器20转动的中心点，X为末端执行器20转动的中心轴线，YZ为末端执行器20转动的平面。可活动元件30在第一机构40驱动下相对支撑元件60转动的平面X0Z0与末端执行器20在第二机构50驱动下相对可活动元件30的转动的平面YZ相交。优选地，当手术器械未进行任何转动时(如图1所示状态)，可活动元件30在第一机构40驱动下相对支撑元件60转动的平面X0Z0与末端执行器20在第二机构50驱动下相对可活动元件30的转动的平面YZ垂直。
可选地，第一机构40适于将直线运动转化为可活动元件30的旋转运动，和/或第二机构50适于将直线运动转化为末端执行器20的旋转运动。驱动单元可包括电机和/或马达。在这种情况下，第一机构40和/或第二机构50可先将电机和/或马达的旋转运动转化为直线运动，再将直线运动转化为可活动元件30和/或末端执行器20的旋转运动。可替代地，驱动单元还包括连接电机和/或马达与第一机构40和/或第二机构50的中间连接机构，中间连接机构将电机和/或马达的旋转运动转化为直线运动传动至第一机构40和/或第二机构50，第一机构40和/或第二机构50再将直线运动转化为可活动元件30和/或末端执行器20的旋转运动。值得说明的是，在其他实施例中，第一机构40和/或第二机构50也可采用其他原理在驱动单元的作用下驱动可活动元件30和/或末端执行器20转动。
优选地，第一机构40、和/或第二机构50为连杆机构。采用连杆机构传动不仅传动效率高，传动更加稳定，而且结构刚度更大。值得说明的是，在其他实施例中，也可采用其他刚性结构进行传动而不仅限于连杆机构。
优选地，第二机构50包括在驱动单元的作用下驱动第一执行元件21相对可活动元件30转动的第一子机构70、以及在驱动单元的作用下驱动第二执行元件22相对可活动元件30转动的第二子机构80。通过第一子机构70和第二子机构80分别单独驱动第一执行元件21和第二执行元件22转动，可进一步增加末端执行器20的总的自由度，有效提高末端执行器20的运动灵活度。图3为图2所示手术器械的远端的局部放大图。如图3所示，本实施例中，第一子机构70和第二子机构80的结构相同，因此下面主要以第一子机构70为例进行说明，第二子机构80以此类推，而不再赘述。
本实施例中，第一子机构70包括与第一执行元件21转动连接的第一连杆71、以及与第一连杆71转动连接的第二连杆72。
具体地，第一执行元件21包括长板状的夹持部210、以及自夹持部210的近端突出延伸的圆板状的枢接部211。优选地，夹持部210所在平面与枢接部211所在平面垂直。第一执行元件21的夹持部210和第二执行元件22的夹持部210正对。第一执行元件21的枢接部211和第二执行元件22的枢接部211正对。
本实施例中，手术器械还包括用于连接第一执行元件21的枢接部211和第二执行元件22的枢接部211的第一连接轴23。第一连接轴23贯穿第一执行元件21的枢接部211和第二执行元件22的枢接部211，并与第一执行元件21的枢接部211和第二执行元件22的枢接部211转动连接。第一连接轴23的两端连接至可活动元件30。具体地，可活动元件30包括中空圆柱体状的第一主体部32、以及自第一主体部32的远端端面突出形成的两个径向相对的第一连接耳33。两个第一连接耳33之间形成两个径向相对并沿周向延伸的第一缺口34。其中一第一缺口34的周向中部与另一第一缺口34的周向中部的连接平面优选位于可活动元件30在第一机构40驱动下相对支撑元件60转动的平面X0Z0内。第一连接轴23的两端连接至可活动元件30的两个第一连接耳33上的第一连接孔330。两个第一缺口34有效避免可活动元件30对第一执行元件21和第二执行元件22的转动造成干涉。
可以理解地，在其他实施例中，第一执行元件21和第二执行元件22也可不共用同一第一连接轴23。换言之，第一执行元件21和第二执行元件22也可分别通过一轴与可活动元件30转动连接。
优选地，第一连杆71上形成有用于避让第一连接轴23的第一避让槽710。第一避让槽710有助于避免第一连杆71在运动过程中与第一连接轴23发生干涉。较佳地，第一避让槽710自第一连杆71的朝向第一连接轴23的一侧凹陷而成。更佳地，第一避让槽710的壁被倒圆角，并优选其截面呈大致半圆形，以避免应力集中。第一连杆71的远端与第一执行元件21的枢接部211的偏心部位转动连接。优选地，第一连杆71的远端与第一执行元件21的枢接部211的周缘铰接。第一连杆71的近端与第二连杆72的远端转动连接，优选铰接。
同时参考图3、图3A和图4，本实施例中，可活动元件30的第一主体部32形成所述第一收容腔31，用于收容第二连杆72。优选地，可活动元件30还包括与第一主体部32内壁连接的第一导向部35。本实施例中，第一导向部35的外轮廓呈圆板状，并形成有沿轴向贯穿其自身的第一导向孔350。第二连杆72可滑动地收容于第一导向孔350内。第一导向孔350限制了第二连杆72的运动，使得第二连杆72仅能在第一导向孔350内沿直线往复运动。不难发现，本实施例中，第一执行元件21、第一连接轴23、可活动元件30、第一连杆71、以及第二连杆72共同构成了一偏置曲柄滑块结构。当第二连杆72在第一导向孔350内沿直线往复运动时，第一执行元件21以第一连接轴23为圆心相对可活动元件30进行转动。
优选地，第一子机构70还包括与第二连杆72转动连接的第三连杆73、以及与第三连杆73转动连接的第一推杆74。
具体地，支撑元件60包括中空圆柱体状的第二主体部62、以及自第二主体部62的远端端面突出形成的两个径向相对的第二连接耳63。第二主体部62形成所述第二收容腔61，用于收容第三连杆73和第一推杆74。两个第二连接耳63之间形成两个径向相对并沿周向延伸的第二缺口64。其中一第二缺口64的周向中部与另一第二缺口64的周向中部连接的平面优选位于末端执行器20在第二机构50驱动下相对可活动元件30的转动的平面YZ内。优选地，在手术器械未进行任何转动的情况下，两个第二缺口64的中心连线与两个第一缺口34的中心连线垂直。可活动元件30的近端收容于两个第二连接耳63之间。优选地，可活动元件30的第一主体部32的近端的外周壁凹陷形成有两个凹陷部351，每一第二连接耳63与一对应的凹陷部351接合，使得第二连接耳63的外周壁与第一主体部32的外周壁齐平(如图4所示)，这使得可活动元件30与支撑元件60装配完成后外径统一，也有利于减小手术器械的整体尺寸。优选地，凹陷部351的底壁呈平面状，相应地，第二连接耳63的内壁也呈平面状。可以理解地，在其他实施例中，也可采用其他结构配合使得可活动元件30和支撑元件60装配完成后外径一致，而不仅限于本实施例示出的两个第二连接耳63和两个凹陷部351的配合。本实施例中，手术器械还包括用于连接可活动元件30和支撑元件60的第二连接轴36，第二连接轴36使得可活动元件30可相对支撑元件60转动。第二连接轴36的两端贯穿两个凹陷部351并连接至两个第二连接耳63上的第二连接孔630。
优选地，第二连杆72上形成有用于避让第二连接轴36的第二避让槽720。第二避让槽720有助于避免第二连杆72在运动过程中与第二连接轴36发生干涉。更优地，第二避让槽720自第二连杆72的第一端(近端)沿第二连杆72的长度方向朝向第二连杆72的第二端(远端)延伸，并横向贯穿其自身。第二连接轴36横向穿设第二避让槽720。第二避让槽720的长度允许第二连杆72在可活动元件30的第一导向孔350内自由地沿直线往复运动。还优选地，第二连杆72的第二端的朝向第二避让槽720的台阶721倒圆角，以避免应力集中，同时也可增大第二连杆72的整体强度。
第二连杆72的近端与第三连杆73的远端转动连接，优选铰接。更优地，第二连杆72的近端突出形成一凸耳722。凸耳722在第三连杆73的运动平面内沿横向于第二连杆72的长度方向的方向延伸。第三连杆73的远端与凸耳722铰接。换言之，第三连杆73的远端并未在第二连杆72的长度方向上，而是在横向于第二连杆72的长度方向的方向上。这种连接构造一方面提高了第三连杆73和第二连杆72的传动性能，另一方面也缩短了第二连杆72的整体长度，使得手术器械在处于比较极端的位置时，第二连杆72突出的长度较小(参考图3所示)。
优选地，可活动元件30上形成有用于避让第三连杆73的第三避让槽370。第三避让槽370有助于避免第三连杆73在运动过程中与可活动元件30发生干涉。本实施例中，第三避让槽370自可活动元件30的第一主体部32的近端端面沿轴向凹陷而成。较佳地，第一主体部32的近端端面形成有两组周向间隔的第三避让槽370，分别对应第一子机构70的第三连杆73和第二子机构80的第三连杆73。每组第三避让槽370包括两个横向相对的第三避让槽370，以便不论第三连杆73运动至第一主体部32的哪一侧，均不会被第一主体部32干涉，保证了第三连杆73可在较大的空间内运动。
更优地，支撑元件60上形成有用于避让第三连杆73的第四避让槽65。第四避让槽65有助于避免第三连杆73在运动过程中与支撑元件60发生干涉。本实施例中，第四避让槽65自支撑元件60的第二主体部62的对应第二缺口64的远端端面沿轴向凹陷而成。较佳地，第二主体部62的远端端面形成有两组周向间隔的第四避让槽65，分别对应第一子机构70的第三连杆73和第二子机构80的第三连杆73。每组第四避让槽65包括两个横向相对的第四避让槽65，以便不论第三连杆73运动至第二主体部62的哪一侧，均不会被第二主体部62干涉，保证了第三连杆73可在较大的空间内运动。
第三连杆73的近端与第一推杆74的远端铰接。第一推杆74与支撑元件60滑动连接。具体地，图5为图1所示手术器械的近端的局部放大图。图6为图5所示手术器械的近端的剖视图。如图5和图6所示，本实施例中的支撑元件60还包括与第二主体部62近端连接的第二导向部66。本实施例中，第二导向部66的呈圆柱体状，并形成有沿轴向贯穿其自身的第二导向孔660。第一推杆74可滑动地收容于第二导向孔660内。第二导向孔660限制了第一推杆74的运动，使得第一推杆74仅能在第二导向孔660内沿直线往复运动。不难发现，本实施例中，支撑元件60、第一推杆74、第三连杆73、以及第二连杆72共同构成了一平移换向机构。当第一推杆74受驱动单元的驱动在第二导向孔660内沿直线往复运动时，第二连杆72在第一导向孔350内沿直线往复运动，进而驱使第一执行元件21以第一连接轴23为圆心相对可活动元件30进行转动。
再次参考图3，本实施例中，第一机构40包括收容于支撑元件60的第二收容腔61内的第四连杆41和第二推杆42。
第四连杆41与可活动元件30转动连接。具体地，第一机构40还包括用于连接第四连杆41的远端和可活动元件30的第一主体部32的近端的第三连接轴43。第三连接轴43的两端贯穿第四连杆41的远端两侧至与第一主体部32的近端的所述两凹陷部351的底壁连接。
优选地，可活动元件30上形成有用于避让第四连杆41的第五避让槽371。第五避让槽371有助于避免第四连杆41在运动过程中与可活动元件30发生干涉。第五避让槽371自可活动元件30的第一主体部32的近端端面沿轴向凹陷而成。较佳地，第一主体部32的近端端面形成有两个沿径向相对的第五避让槽371，以便不论第四连杆41运动至第一主体部32的哪一侧，均不会被第一主体部32干涉，保证了第四连杆41可在较大的空间内运动。本实施例中，第五避让槽371位于前述的第三避让槽370和第四避让槽65之间。相应地，第一机构40的第四连杆41(第二推杆42)的运动平面位于第一子机构70的第三连杆73(第一推杆74)的运动平面和第二子机构80的第三连杆73(第一推杆74)的运动平面之间。
优选地，第四连杆41上形成有用于避让第二连接轴36的第六避让槽410。第六避让槽410有助于避免第四连杆41在运动过程中与第二连接轴36发生干涉。较佳地，第六避让槽410邻近其远端端面，并自第四连杆41的朝向第二连接轴36的一侧凹陷而成。更佳地，第六避让槽410的壁被倒圆角，并优选其截面大致呈半圆形，以避免应力集中。
再次参考图5，本实施例中，第二导向部66上形成有沿轴向贯穿其自身的第三导向孔661。第二推杆42可滑动地收容于第三导向孔661内。第三导向孔661限制了第二推杆42的运动，使得第二推杆42仅能在第三导向孔661内沿直线往复运动。不难发现，本实施例中，支撑元件60、第二推杆42、第四连杆41、可活动元件30、以及第二连接轴36共同构成了一偏置曲柄滑块结构。当第二推杆42在驱动单元的作用下在第三导向孔661内沿直线往复运动时，可活动元件30以第二连接轴36为圆心相对支撑元件60进行转动。
使用本实施例的手术器械时，可通过控制驱动单元而使得末端执行器20运动至不同的构造和/或位置。
例如，可通过控制驱动单元而拉动第二推杆42，进而通过第四连杆41拉动可活动元件30转动至与支撑元件60呈角度分布，如图7A所示(可活动元件30的转动方向如图7A箭头所示)，而不再如图1所示与支撑元件60位于同一直线上，此时，末端执行器20(以及第一连杆71、第二连杆72等)跟随可活动元件30一起转动。反之，也可通过控制驱动单元而推动第二推杆42，进而通过第四连杆41推动可活动元件30转动至与支撑元件60位于同一直线上。实际手术中，通过控制驱动单元驱动第二推杆42进而驱动可活动元件30乃至末端执行器20运动的动作可称之为末端执行器20的“俯仰”动作。
在一些实施例中，当通过第二推杆42及第四连杆41驱动可活动元件30相对支撑元件60转动时，末端执行器20除了跟随可活动元件30一起相对支撑元件60转动(即“俯仰”动作)之外，还会自身进行开合运动。具体地，参考图2A，2B所示，由于第二连杆72可滑动地收容于可活动元件30内，因此，当第二推杆42通过第四连杆41驱动可活动元件30相对支撑元件60进行转动时，第二连杆72也会跟随可活动元件30一起相对支撑元件60转动。如图2A所示，当第二推杆42通过第四连杆41驱动可活动元件30相对支撑元件60围绕轴线Y0在X0Z0平面内进行逆时针方向转动时，所有的第二连杆72也跟随可活动元件30一起相对支撑元件60在X0Z0平面内进行逆时针方向转动。由于所有的第一推杆74固定，第二连杆72的凸耳722和第三连杆73的连接结构向外凸出，第二连杆72在可活动元件30的相应的第一导向孔350内轴向滑动，进而通过第一连杆71驱动末端执行器20的第一、第二执行元件21、22相对彼此打开。
反之，当第二推杆42通过第四连杆41驱动可活动元件30相对支撑元件60围绕轴线Y0在X0Z0平面内进行顺时针方向转动时，所有的第二连杆72也跟随可活动元件30一起相对支撑元件60在X0Z0平面内进行顺时针方向转动。由于所有的第一推杆74固定，此时第二连杆72的凸耳722和第三连杆73的连接结构向内缩进，从而第二连杆72在可活动元件30的相应的第一导向孔350内轴向滑动，进而通过第一连杆71驱动末端执行器20的第一、第二执行元件21、22相对彼此靠近和闭合。
还可通过控制驱动单元而拉动第一子机构70的第一推杆74，进而通过第一子机构70的第三连杆73驱动第一子机构70的第二连杆72在可活动元件30的第一导向孔350内朝向近端移动，进一步地，第一子机构70的第二连杆72再通过第一子机构70的第一连杆71而驱动第一执行元件21朝向远离第二执行元件22的方向转动，如图7B所示(第一执行元件21的转动方向如图7B箭头所示)。反之，也可通过控制驱动单元而推动第一子机构70的第一推杆74，进而通过第一子机构70的第三连杆73驱动第一子机构70的第二连杆72在可活动元件30内朝向远端移动，进一步地，第一子机构70的第二连杆72再通过第一子机构70的第一连杆71而驱动第一执行元件21朝向靠近第二执行元件22的方向转动。
类似地，还可通过控制驱动单元而拉动第二子机构80的第一推杆74，进而通过第二子机构80的第三连杆73驱动第二子机构80的第二连杆72在可活动元件30内朝向近端移动，进一步地，第二子机构80的第二连杆72再通过第二子机构80的第一连杆71而驱动第二执行元件22朝向远离第一执行元件21的方向转动，如图7C所示(第一执行元件22的转动方向如图7C箭头所示)。反之，也可通过控制驱动单元而推动第二子机构80的第一推杆74，进而通过第二子机构80的第三连杆73驱动第二子机构80的第二连杆72在可活动元件30内朝向远端移动，进一步地，第二子机构80的第二连杆72再通过第二子机构80的第一连杆71而驱动第二执行元件22朝向靠近第一执行元件21的方向转动。
实际手术中，通过控制驱动单元驱动相应的第一推杆74进而驱动末端执行器20的第一执行元件21或者第二执行元件22转动的动作可称之为末端执行器20的“摆动”动作。
或者，也可通过驱动单元驱动第二推杆42、第一子机构70的第一推杆74、以及第二子机构80的第一推杆74中的任意两者而使得末端执行器20运动至不同的构造和/或位置。其中，通过控制驱动单元驱动两个第一推杆74进而驱动末端执行器20的第一执行元件21和第二执行元件22朝向彼此运动的动作可称之为末端执行器20的“夹持”动作。
还可以通过驱动单元驱动第二推杆42、第一子机构70的第一推杆74、以及第二子机构80的第一推杆74三者而使得末端执行器20运动至不同的构造和/或位置，如图7D所示，其中，可活动元件30带动末端执行器20一起相对支撑元件60转动，末端执行器20的第一执行元件21和第二执行元件22分别相对可活动元件30朝同一方向转动不同的角度(可活动元件30、第一执行元件21、以及第二执行元件22分别转动的方向如图7D箭头所示)。在一些实施例中，还可以通过驱动单元驱动第二推杆42、第一子机构70的第一推杆74、以及第二子机构80的第一推杆74三者而使得末端执行器20运动至图7E所示的极端位置，其中可活动元件30带动末端执行器20一起相对支撑元件60转动，末端执行器20的第一执行元件21和第二执行元件22分别相对可活动元件30朝远离彼此的方向转动至最大角度(可活动元件30、第一执行元件21、以及第二执行元件22分别转动的方向如图7E箭头所示)。
下面再次参考图2A至图2C说明本实施例的手术器械的优选的可避免死点的转动角度范围。
所述第一坐标系N-X0Y0Z0中的N为第二连接轴36的中点，Y0轴平行于第二连接轴36由N点指向其中一第一推杆74，Z0轴正向平行于第一推杆74向上，X0轴指向符合右手坐标系。所述第二坐标系M-XYZ中的M为第一连接轴23的中点，X轴平行于第一连接轴23由M点指向第二推杆42，Z轴由N点指向M点，Y轴指向符合右手坐标系。
本实施例中，设定第一执行元件21在所述平面YZ内的转动角度为θ1，θ1的工作空间范围为：
θ1_min<θ1<θ1_max；
其中，
Figure BDA0002942796990000171
α1_1是所述第一执行元件21的枢接部211与所述第一执行元件21的夹持部210的形状角度，本实施例中优选为90°；e1-1为第一执行元件21对应的第二连杆72与Z轴的距离；l1-1为第一执行元件21对应的第一连杆71的长度；r1-1为所述第一执行元件21的枢接部211的半径；
设定第二执行元件22在所述平面YZ内的转动角度为θ2，θ2的工作空间范围为：
θ2_min<θ2<θ2_max；
其中，
Figure BDA0002942796990000181
α2_1是所述第二执行元件22的枢接部211与所述第一执行元件21的夹持部210的形状角度，本实施例中优选为90°；e2-1为第二执行元件22对应的第二连杆72与Z轴的距离；l2-1为第二执行元件22对应的第一连杆71的长度；r2-1为所述第二执行元件22的枢接部211的半径；
设定可活动元件30在所述平面X0Z0内的转动角度为θ3，θ3的工作空间范围为：
max(θ3_min1,θ3_min2)<θ3<min(θ3_max1,θ3_max2)；
其中，
Figure BDA0002942796990000182
Figure BDA0002942796990000183
Figure BDA0002942796990000184
Figure BDA0002942796990000185
其中，α3是用于驱动可活动元件30转动的偏置曲柄滑块结构中的曲柄(本实施例中即可活动元件30的、与第三连接轴43和第二连接轴36的连接平面相对应的、结构)与所述可活动元件30的纵向中心轴线的之间的角度，本实施例中优选为90°；e3为第二推杆42与Z0轴的距离；l3为所述第四连杆41的长度；r3为用于驱动可活动元件30转动的偏置曲柄滑块结构中的曲柄的长度(本实施例中即第三连接轴43和第二连接轴36的距离)；
ei_2为所述第一推杆74与Z轴的距离；li_2为所述第三连杆73的长度；x为所述第三连杆73与所述凸耳722的连接点到所述第二连杆72的纵向中心轴线的垂直距离；NCi为x在第二连杆72的纵向中心轴线上的分量距离；其中i＝1，2。
参考图8，本发明一实施例还提供了一种机器人，包括控制台90、以及被控制台90支撑的操作臂91。操作臂91的末端连接有驱动单元910以及与驱动单元910连接的前述实施例的手术器械920。实际手术中，操作者会先确定希望末端执行器20实现的构造和/或到达的位置，然后基于希望末端执行器20实现的构造和/或到达的位置、并通过预定的算法而控制驱动单元910致动手术器械920，进而使得末端执行器20到达想要的构造和/或位置。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。
而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (19)

1.一种手术器械，包括：被配置为与驱动单元连接的从动机构、以及与所述从动机构连接的末端执行器，其特征在于，所述手术器械还包括与所述末端执行器转动连接的可活动元件，所述从动机构包括在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件转动的第一机构、以及在所述驱动单元的作用下驱动所述末端执行器相对所述可活动元件转动的第二机构，其中，当所述可活动元件转动时，所述末端执行器跟随所述可活动元件一起转动，且所述第一机构和所述第二机构均由刚性材料构成；所述末端执行器包括分别与所述可活动元件转动连接的第一执行元件和第二执行元件，所述第二机构包括在所述驱动单元的作用下驱动所述第一执行元件相对所述可活动元件转动的第一子机构、以及在所述驱动单元的作用下驱动所述第二执行元件相对所述可活动元件转动的第二子机构；所述第一子机构和所述第二子机构中的至少一个包括与相应的所述第一执行元件或者所述第二执行元件转动连接的第一连杆、以及与所述第一连杆转动连接的第二连杆，所述第二连杆与所述可活动元件滑动连接，且所述第二连杆的往复直线运动经由所述第一连杆转化为所述第一执行元件或者所述第二执行元件的旋转运动。
2.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述可活动元件在所述第一机构驱动下的转动方向与所述末端执行器在所述第二机构驱动下的转动方向相交。
3.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述第一机构和所述第二机构中的至少一个被配置为将直线运动转化为旋转运动。
4.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述第一机构和所述第二机构中的至少一个为连杆机构。
5.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述手术器械还包括与所述第一执行元件和所述第二执行元件均转动连接的第一连接轴，所述第一连接轴与所述可活动元件连接，所述第一连杆上形成有用于避让所述第一连接轴的第一避让槽。
6.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述可活动元件包括第一导向孔，所述第二连杆可滑动地收容于所述第一导向孔内。
7.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述手术器械还包括支撑元件、以及连接所述可活动元件和所述支撑元件的第二连接轴，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述第二连杆上形成有用于避让所述第二连接轴的第二避让槽。
8.根据权利要求7所述的手术器械，其特征在于，所述第二避让槽自所述第二连杆的第一端沿所述第二连杆的长度方向朝向所述第二连杆的第二端延伸，所述第二连杆的第二端在靠近所述第二避让槽的台阶倒圆角，其中所述第二连杆的第二端相对所述第二连杆的第一端更靠近所述第一连杆。
9.根据权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述第一子机构和所述第二子机构中的至少一个还包括与所述第二连杆转动连接的第三连杆、以及与所述第三连杆转动连接的第一推杆，所述第一推杆被配置为由所述驱动单元驱动以沿直线往复运动，且所述第一推杆的往复直线运动经由所述第三连杆转化为所述第二连杆的往复直线运动。
10.根据权利要求9所述的手术器械，其特征在于，所述第二连杆的第一端凸出形成有凸耳，所述凸耳在所述第三连杆的运动平面内沿横向于所述第二连杆的长度方向的方向延伸，所述第三连杆的一端与所述凸耳转动连接。
11.根据权利要求9所述的手术器械，其特征在于，所述可活动元件上形成有用于避让所述第三连杆的第三避让槽，所述第三避让槽自所述可活动元件的一端凹陷而成。
12.根据权利要求9所述的手术器械，其特征在于，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第三连杆收容于所述支撑元件内，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，且所述支撑元件上形成有用于避让所述第三连杆的第四避让槽，所述第四避让槽自所述支撑元件的一端凹陷而成。
13.根据权利要求9所述的手术器械，其特征在于，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第一推杆收容于所述支撑元件内，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，且所述支撑元件上形成有第二导向孔，所述第一推杆可滑动地收容于第二导向孔内。
14.根据权利要求9所述的手术器械，其特征在于，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第三连杆和所述第一推杆收容于所述支撑元件内，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述支撑元件包括两个连接耳，所述可活动元件包括与所述两个连接耳分别接合的两个凹陷部，以使得所述支撑元件和所述可活动元件外径相等。
15.根据权利要求1至6和9至11中任一项所述的手术器械，其特征在于，所述第一机构包括与所述可活动元件转动连接的第四连杆、以及与所述第四连杆转动连接的第二推杆，所述第二推杆被配置为由所述驱动单元驱动以沿直线往复运动，且所述第二推杆的往复直线运动经由所述第四连杆转化为所述可活动元件的旋转运动。
16.根据权利要求15所述的手术器械，其特征在于，所述可活动元件上形成有用于避让所述第四连杆的第五避让槽，所述第五避让槽自所述可活动元件的一端凹陷而成。
17.根据权利要求15所述的手术器械，其特征在于，所述手术器械还包括支撑元件、以及连接所述可活动元件和所述支撑元件的第二连接轴，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述第四连杆上形成有用于避让所述第二连接轴的第六避让槽。
18.根据权利要求15所述的手术器械，其特征在于，所述手术器械还包括与所述可活动元件可转动连接的支撑元件，所述第一机构在所述驱动单元的作用下驱动所述可活动元件相对所述支撑元件转动，所述支撑元件上形成有第三导向孔，所述第二推杆可滑动地收容于第三导向孔内。
19.一种手术机器人，其特征在于，包括根据权利要求1至18中任一项所述的手术器械。
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