CN113081091B - 基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械及其使用方法。现有微创手术器械灵活性差，医生操作的手眼协调性差。本发明的步进电机一经线轮一和钢丝绳传动组件驱动指钳一，步进电机二经线轮二和钢丝绳传动组件驱动指钳二，步进电机三经线轮三和钢丝绳传动组件驱动摆动关节；复位推杆与固定在电机安装座上的复位弹簧固定块通过复位弹簧连接，手动推动步进电机一、步进电机二和步进电机三的输出轴复位。本发明能够完成摆动关节偏摆、指钳一和指钳二的同向摆动以及开合三种自由度的动作，且通过机械结构实现一键复位功能，保证摆动关节、指钳一和指钳二在术前的高复位精度，以满足医学上使用时的高精度要求。

Description

基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械及其使用方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，具体涉及一种基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械及其使用方法，能够完成摆动关节偏摆、指钳一和指钳二的同向摆动以及开合三种自由度的动作，使用完成后能一键复位。

背景技术

微创外科手术的研究是临床医学界一个新兴的研究方向。与传统开放式手术相比，微创外科手术具有手术创伤小、痛苦少和康复快等特点，但微创手术器械自由度少导致的手术器械灵活性差、手术器械在切口处的“杠杆”作用使得医生操作的手眼协调性差等问题极大地限制了微创手术技术的发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单、能够完成多自由度转动的微创手术器械及其使用方法，能够完成摆动关节偏摆、指钳一和指钳二的同向摆动以及开合三种自由度的动作，器械内部采用钢丝绳传动，并在钢丝绳中间串联弹簧，以此来达到保持钢丝绳长期张紧的目的。

本发明基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，由微器械底座、细长连接管和末端执行器组成。所述的微器械底座包括底座箱体、电机安装座、底座连接件、步进电机一、步进电机二、步进电机三、钢丝绳传动组件、线轮一、线轮二、线轮三、异形线轮定位套一、异形线轮定位套二、异形线轮定位套三、复位推杆、复位推杆按钮、复位导向杆、复位导向杆固定块、复位弹簧和复位弹簧固定块；所述的电机安装座固定在底座箱体上；底座连接件固定在底座箱体上；步进电机一、步进电机二和步进电机三的壳体均固定在电机安装座上；线轮一和异形线轮定位套一均与步进电机一的输出轴固定，线轮二和异形线轮定位套二均与步进电机二的输出轴固定，线轮三和异形线轮定位套三均与步进电机三的输出轴固定；所述异形线轮定位套一、异形线轮定位套二和异形线轮定位套三的弓形轴段的平面均与复位推杆接触；所述复位推杆的一端固定有复位推杆按钮，且复位推杆与固定在电机安装座上的复位导向杆构成滑动副；复位导向杆上固定有复位导向杆固定块；复位推杆与固定在电机安装座上的复位弹簧固定块通过复位弹簧连接。所述的末端执行器包括指钳一、指钳二、摆动关节、末端连接件、偏转轴和销钉一。所述细长连接管的两端分别与末端连接件和底座连接件固定；所述摆动关节的尾部与末端连接件通过销钉一铰接；所述的偏转轴固定在摆动关节的头部，且与销钉一垂直设置；所述指钳一和指钳二的尾部均与偏转轴构成转动副，且指钳一和指钳二正对设置。线轮一、线轮二和线轮三通过钢丝绳传动组件分别与末端执行器的摆动关节、指钳一和指钳二连接。

优选地，所述的线轮一通过线轮轴向定位套一实现在步进电机一的输出轴上的轴向定位，线轮二通过线轮定位套二实现在步进电机二的输出轴上的轴向定位，线轮三通过线轮定位套三实现在步进电机三的输出轴上的轴向定位。

优选地，所述的复位弹簧固定块和复位弹簧设有三组，复位推杆的三个位置处与三个复位弹簧固定块通过复位弹簧连接。

优选地，所述细长连接管的直径不超过10mm。

优选地，所述的钢丝绳传动组件包括共用导向柱、导向柱一、导向柱二、导向柱三、导向轮一、导向轮二、导向轮三、销钉二、销钉三、钢丝绳一、钢丝绳二和钢丝绳三；电机安装座上固定有一个共用导向柱、两个导向柱一、两个导向柱二和六个导向柱三；导向柱一和导向柱二上均固定有两个V槽轴承，导向柱三上固定有一个V槽轴承；四个导向轮一均分为两组设置在销钉一两端，导向轮一与销钉一构成转动副；所述的销钉二和销钉三均与销钉一平行，且均固定在摆动关节上，销钉二置于销钉三后方；四个导向轮二均分为两组设置在销钉二两端，导向轮二与销钉二构成转动副；四个导向轮三均分为两组设置在销钉三两端，导向轮三与销钉三构成转动副；钢丝绳一依次绕过两个导向柱一上位于上方的V槽轴承、共用导向柱上部的环形V槽、底座连接件的中心孔、末端连接件上部的过孔一、销钉一一端外侧位置的导向轮一、销钉二一端外侧位置的导向轮二、销钉三一端外侧位置的导向轮三、指钳一、销钉三另一端外侧位置的导向轮三、销钉二另一端外侧位置的导向轮二、销钉一另一端外侧位置的导向轮一、末端连接件下部的过孔一、底座连接件的中心孔和两个导向柱一上位于下方的V槽轴承，且钢丝绳一两端均固定在线轮一上；钢丝绳二依次绕过两个导向柱二上位于上方的V槽轴承、共用导向柱下部的环形V槽、底座连接件的中心孔、末端连接件上部的过孔二、销钉一一端内侧位置的导向轮一、销钉二一端内侧位置的导向轮二、销钉三一端内侧位置的导向轮三、指钳二、销钉三另一端内侧位置的导向轮三、销钉二另一端内侧位置的导向轮二、销钉一另一端内侧位置的导向轮一、末端连接件下部的过孔一、底座连接件的中心孔和两个导向柱二上位于下方的V槽轴承，且钢丝绳二两端均固定在线轮二上；钢丝绳三依次绕过其中三个导向柱三上的V槽轴承、底座连接件的中心孔、末端连接件一侧的过孔三、销钉一、末端连接件另一侧的过孔三、底座连接件的中心孔、另外三个导向柱三上的V槽轴承，且钢丝绳三两端均固定在线轮三上。

优选地，所述的钢丝绳一、钢丝绳二和钢丝绳三均包括两个绳段和连接两个绳段的弹簧，且绳段与弹簧的连接处均固定有钢丝绳扣，弹簧穿过钢丝绳扣。

该基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械的使用方法，具体如下：

步骤一、步进电机一、步进电机二和步进电机三均处于断电状态，按下复位推杆按钮，使得复位推杆沿复位导向杆前推，且同时作用于异形线轮定位套一、异形线轮定位套二和异形线轮定位套三，使得异形线轮定位套一、异形线轮定位套二及异形线轮定位套三受推力转回到初始位置，并通过步进电机一、步进电机二和步进电机三的输出轴分别带动线轮一、线轮二和线轮三转回到初始状态，使摆动关节、指钳一和指钳二均准确复位；然后，松开复位推杆按钮，复位推杆在复位弹簧和复位弹簧固定块的作用下回弹至初始位置。

步骤二、首先，控制器控制步进电机一、步进电机二和步进电机三均通电，且控制步进电机一和步进电机二转向相同，步进电机一经线轮一驱动钢丝绳一，进而驱动指钳一，步进电机二经线轮二驱动钢丝绳二，进而驱动指钳二，使指钳一和指钳二同向偏摆到达指定位置；然后步进电机一和步进电机二转向相反，使指钳一和指钳二相互张开；接着，步进电机三经线轮三驱动钢丝绳三，进而驱动摆动关节摆动到指定位置；最后，步进电机一和步进电机二转向相反，使指钳一和指钳二相互闭合。

步骤三、步进电机三经线轮三驱动摆动关节复位，然后，步进电机一和步进电机二转向相反，使指钳一和指钳二相互张开；接着，步进电机一和步进电机二转向相反，使指钳一和指钳二相互闭合，实现指钳一和指钳二的复位。

优选地，所述摆动关节的摆动范围为±90°，指钳一和指钳二的同向偏摆范围为±90°，指钳一和指钳二的开合范围为0°-180°。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够完成摆动关节偏摆、指钳一和指钳二的同向摆动以及开合三种自由度的动作，且通过机械结构实现一键复位功能，保证摆动关节、指钳一和指钳二在术前的高复位精度，以满足医学上使用时的高精度要求。

2、本发明利用滑轮和钢丝绳实现力的传递，通过步进电机的双向转动实现各关节的双向转动，结构简单、紧凑，易于控制。

3、本发明将弹性元件串联到钢丝绳中，使钢丝绳可以一直保持张紧状态，使钢丝绳的传动精度一直处于一个较高水平。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图。

图2是本发明中微器械底座的结构立体图。

图3是本发明中末端执行器的结构立体图。

图4是本发明中钢丝绳一、钢丝绳二和钢丝绳三的排布示意图。

图5是本发明的复位推杆前推与异形线轮定位套一、异形线轮定位套二和异形线轮定位套三接触的示意图。

图6是本发明的异形线轮定位套一、异形线轮定位套二和异形线轮定位套三在复位推杆作用下处于复位状态的示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，并结合附图加以说明。

如图1所示，基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，由微器械底座1、细长连接管2和末端执行器3组成。如图2所示，微器械底座1包括底座箱体4、电机安装座5、底座连接件6、步进电机一7、步进电机二8、步进电机三9、钢丝绳传动组件、线轮一14、线轮二15、线轮三16、异形线轮定位套一17、异形线轮定位套二18、异形线轮定位套三19、复位推杆23、复位推杆按钮24、复位导向杆25、复位导向杆固定块26、复位弹簧27和复位弹簧固定块28；电机安装座5通过螺钉固定在底座箱体4上；底座连接件6固定在底座箱体4上；步进电机一7、步进电机二8和步进电机三9的壳体均通过螺钉固定在电机安装座5上；线轮一14和异形线轮定位套一17均与步进电机一7的输出轴固定，线轮二15和异形线轮定位套二18均与步进电机二8的输出轴固定，线轮三16和异形线轮定位套三19均与步进电机三9的输出轴固定；异形线轮定位套一17、异形线轮定位套二18和异形线轮定位套三19的弓形轴段的平面均与复位推杆23接触；复位推杆23一端固定有复位推杆按钮24，且复位推杆23与固定在电机安装座5上的复位导向杆25构成滑动副；复位导向杆25上固定有复位导向杆固定块26；复位推杆23与固定在电机安装座5上的复位弹簧固定块28通过复位弹簧27连接。如图3所示，末端执行器3包括指钳一32、指钳二33、摆动关节34、末端连接件35、偏转轴36和销钉一39。细长连接管2两端分别与末端连接件35和底座连接件6固定；摆动关节34尾部与末端连接件35通过销钉一39铰接，可实现摆动动作；偏转轴36固定在摆动关节34的头部，且与销钉一39垂直设置；指钳一32和指钳二33的尾部均与偏转轴36构成转动副，且指钳一32和指钳二33正对设置。线轮一14、线轮二15和线轮三16通过钢丝绳传动组件分别与末端执行器3的摆动关节34、指钳一32和指钳二33连接，步进电机一7、步进电机二8和步进电机三9均由控制器控制，步进电机一7经线轮一14和钢丝绳传动组件驱动末端执行器3的摆动关节34实现摆动动作，步进电机二8驱动线轮二15和钢丝绳传动组件，结合步进电机三9驱动线轮三16和钢丝绳传动组件，使得指钳一32和指钳二33同向偏摆或开合。

作为一个优选实施例，如图2所示，线轮一14通过线轮轴向定位套一20实现在步进电机一7的输出轴上的轴向定位，线轮二15通过线轮定位套二21实现在步进电机二8的输出轴上的轴向定位，线轮三16通过线轮定位套三22实现在步进电机三9的输出轴上的轴向定位。

作为一个优选实施例，复位弹簧固定块28和复位弹簧27设有三组，复位推杆23的三个位置处与三个复位弹簧固定块28通过复位弹簧27连接。

作为一个优选实施例，细长连接管2的直径不超过10mm，以满足微创手术的创口大小要求。

作为一个优选实施例，如图2和4所示，钢丝绳传动组件包括共用导向柱10、导向柱一11、导向柱二12、导向柱三13、导向轮一37、导向轮二38、导向轮三、销钉二40、销钉三41、钢丝绳一29、钢丝绳二30和钢丝绳三31；电机安装座5上固定有一个共用导向柱10、两个导向柱一11、两个导向柱二12和六个导向柱三13；导向柱一11和导向柱二12上均固定有两个V槽轴承，导向柱三13上固定有一个V槽轴承，V槽轴承用于钢丝绳的换向及限位；四个导向轮一37均分为两组设置在销钉一39两端，导向轮一37与销钉一39构成转动副；销钉二40和销钉三41均与销钉一39平行，且均固定在摆动关节34上，销钉二40置于销钉三41后方；四个导向轮二38均分为两组设置在销钉二40两端，导向轮二38与销钉二40构成转动副；四个导向轮三均分为两组设置在销钉三41两端，导向轮三与销钉三41构成转动副；钢丝绳一29依次绕过两个导向柱一11上位于上方的V槽轴承、共用导向柱10上部的环形V槽、底座连接件6的中心孔、末端连接件35上部的过孔一、销钉一39一端外侧位置的导向轮一37、销钉二40一端外侧位置的导向轮二38、销钉三41一端外侧位置的导向轮三、指钳一32、销钉三41另一端外侧位置的导向轮三、销钉二40另一端外侧位置的导向轮二38、销钉一39另一端外侧位置的导向轮一37、末端连接件35下部的过孔一、底座连接件6的中心孔和两个导向柱一11上位于下方的V槽轴承，且钢丝绳一29两端均固定在线轮一14上；钢丝绳二30依次绕过两个导向柱二12上位于上方的V槽轴承、共用导向柱10下部的环形V槽、底座连接件6的中心孔、末端连接件35上部的过孔二、销钉一39一端内侧位置的导向轮一37、销钉二40一端内侧位置的导向轮二38、销钉三41一端内侧位置的导向轮三、指钳二33、销钉三41另一端内侧位置的导向轮三、销钉二40另一端内侧位置的导向轮二38、销钉一39另一端内侧位置的导向轮一37、末端连接件35下部的过孔一、底座连接件6的中心孔和两个导向柱二12上位于下方的V槽轴承，且钢丝绳二30两端均固定在线轮二15上；钢丝绳三31依次绕过其中三个导向柱三13上的V槽轴承、底座连接件6的中心孔、末端连接件35一侧的过孔三、销钉一39、末端连接件35另一侧的过孔三、底座连接件6的中心孔、另外三个导向柱三13上的V槽轴承，且钢丝绳三31两端均固定在线轮三16上。

作为一个优选实施例，如图2和4所示，钢丝绳一29、钢丝绳二30和钢丝绳三31均包括两个绳段和连接两个绳段的弹簧，且绳段与弹簧的连接处均固定有钢丝绳扣，弹簧穿过钢丝绳扣。

该基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械的使用方法，具体如下：

步骤一、步进电机一7、步进电机二8和步进电机三9均处于断电状态，按下复位推杆按钮24，使得复位推杆23沿复位导向杆25前推，且同时作用于异形线轮定位套一17、异形线轮定位套二18和异形线轮定位套三19，如图5所示，使得异形线轮定位套一17、异形线轮定位套二18及异形线轮定位套三19受推力转回到初始位置(如图6所示)，并通过步进电机一7、步进电机二8和步进电机三9的输出轴分别带动线轮一14、线轮二15和线轮三16转回到初始状态，使摆动关节34、指钳一32和指钳二33均准确复位；松开复位推杆按钮24后，复位推杆23在复位弹簧27和复位弹簧固定块28的作用下回弹至初始位置。

步骤一执行前，虽然初始时摆动关节34、指钳一32和指钳二33均处于复位状态，但是由于步进电机一7、步进电机二8和步进电机三9难免存在位置控制误差，因此，本发明采用机械式复位措施，保证摆动关节34、指钳一32和指钳二33的高复位精度，以满足医学上使用时的高精度要求。

步骤二、首先，控制器控制步进电机一7、步进电机二8和步进电机三9均通电，且控制步进电机一7和步进电机二8转向相同，步进电机一7经线轮一14驱动钢丝绳一29，进而驱动指钳一32，步进电机二8经线轮二15驱动钢丝绳二30，进而驱动指钳二33，使指钳一32和指钳二33同向偏摆到达指定位置；然后步进电机一7和步进电机二8转向相反，使指钳一32和指钳二33相互张开；接着，步进电机三9经线轮三16驱动钢丝绳三31，进而驱动摆动关节34摆动到指定位置；最后，步进电机一7和步进电机二8转向相反，使指钳一32和指钳二33相互闭合(切除组织)。

步骤三、步进电机三9经线轮三16驱动摆动关节34复位，然后(末端执行器3从体内移出后)，步进电机一7和步进电机二8转向相反，使指钳一32和指钳二33相互张开(放下切除出的组织)；接着，步进电机一7和步进电机二8转向相反，使指钳一32和指钳二33相互闭合，实现指钳一32和指钳二33的复位。

步骤三虽然已经进行了电控式复位，但下次进行医学使用时，为满足高精度要求，仍需执行步骤一的机械式复位。

作为一个优选实施例，摆动关节34的摆动范围为±90°，指钳一32和指钳二33的同向偏摆范围为±90°，指钳一32和指钳二33的开合范围为0°-180°。

Claims (6)

1.基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，由微器械底座、细长连接管和末端执行器组成，其特征在于：所述的微器械底座包括底座箱体、电机安装座、底座连接件、步进电机一、步进电机二、步进电机三、钢丝绳传动组件、线轮一、线轮二、线轮三、异形线轮定位套一、异形线轮定位套二、异形线轮定位套三、复位推杆、复位推杆按钮、复位导向杆、复位导向杆固定块、复位弹簧和复位弹簧固定块；所述的电机安装座固定在底座箱体上；底座连接件固定在底座箱体上；步进电机一、步进电机二和步进电机三的壳体均固定在电机安装座上；线轮一和异形线轮定位套一均与步进电机一的输出轴固定，线轮二和异形线轮定位套二均与步进电机二的输出轴固定，线轮三和异形线轮定位套三均与步进电机三的输出轴固定；所述异形线轮定位套一、异形线轮定位套二和异形线轮定位套三的弓形轴段的平面均与复位推杆接触；所述复位推杆的一端固定有复位推杆按钮，且复位推杆与固定在电机安装座上的复位导向杆构成滑动副；复位导向杆上固定有复位导向杆固定块；复位推杆与固定在电机安装座上的复位弹簧固定块通过复位弹簧连接；所述的末端执行器包括指钳一、指钳二、摆动关节、末端连接件、偏转轴和销钉一；所述细长连接管的两端分别与末端连接件和底座连接件固定；所述摆动关节的尾部与末端连接件通过销钉一铰接；所述的偏转轴固定在摆动关节的头部，且与销钉一垂直设置；所述指钳一和指钳二的尾部均与偏转轴构成转动副，且指钳一和指钳二正对设置；线轮一、线轮二和线轮三通过钢丝绳传动组件分别与末端执行器的摆动关节、指钳一和指钳二连接。

2.根据权利要求1所述基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，其特征在于：所述的线轮一通过线轮轴向定位套一实现在步进电机一的输出轴上的轴向定位，线轮二通过线轮定位套二实现在步进电机二的输出轴上的轴向定位，线轮三通过线轮定位套三实现在步进电机三的输出轴上的轴向定位。

3.根据权利要求1所述基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，其特征在于：所述的复位弹簧固定块和复位弹簧设有三组，复位推杆的三个位置处与三个复位弹簧固定块通过复位弹簧连接。

4.根据权利要求1所述基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，其特征在于：所述细长连接管的直径不超过10mm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，其特征在于：所述的钢丝绳传动组件包括共用导向柱、导向柱一、导向柱二、导向柱三、导向轮一、导向轮二、导向轮三、销钉二、销钉三、钢丝绳一、钢丝绳二和钢丝绳三；电机安装座上固定有一个共用导向柱、两个导向柱一、两个导向柱二和六个导向柱三；导向柱一和导向柱二上均固定有两个V槽轴承，导向柱三上固定有一个V槽轴承；四个导向轮一均分为两组设置在销钉一两端，导向轮一与销钉一构成转动副；所述的销钉二和销钉三均与销钉一平行，且均固定在摆动关节上，销钉二置于销钉三后方；四个导向轮二均分为两组设置在销钉二两端，导向轮二与销钉二构成转动副；四个导向轮三均分为两组设置在销钉三两端，导向轮三与销钉三构成转动副；钢丝绳一依次绕过两个导向柱一上位于上方的V槽轴承、共用导向柱上部的环形V槽、底座连接件的中心孔、末端连接件上部的过孔一、销钉一一端外侧位置的导向轮一、销钉二一端外侧位置的导向轮二、销钉三一端外侧位置的导向轮三、指钳一、销钉三另一端外侧位置的导向轮三、销钉二另一端外侧位置的导向轮二、销钉一另一端外侧位置的导向轮一、末端连接件下部的过孔一、底座连接件的中心孔和两个导向柱一上位于下方的V槽轴承，且钢丝绳一两端均固定在线轮一上；钢丝绳二依次绕过两个导向柱二上位于上方的V槽轴承、共用导向柱下部的环形V槽、底座连接件的中心孔、末端连接件上部的过孔二、销钉一一端内侧位置的导向轮一、销钉二一端内侧位置的导向轮二、销钉三一端内侧位置的导向轮三、指钳二、销钉三另一端内侧位置的导向轮三、销钉二另一端内侧位置的导向轮二、销钉一另一端内侧位置的导向轮一、末端连接件下部的过孔一、底座连接件的中心孔和两个导向柱二上位于下方的V槽轴承，且钢丝绳二两端均固定在线轮二上；钢丝绳三依次绕过其中三个导向柱三上的V槽轴承、底座连接件的中心孔、末端连接件一侧的过孔三、销钉一、末端连接件另一侧的过孔三、底座连接件的中心孔、另外三个导向柱三上的V槽轴承，且钢丝绳三两端均固定在线轮三上。

6.根据权利要求5所述基于柔索牵引串联弹性驱动的微创手术器械，其特征在于：所述的钢丝绳一、钢丝绳二和钢丝绳三均包括两个绳段和连接两个绳段的弹簧，且绳段与弹簧的连接处均固定有钢丝绳扣，弹簧穿过钢丝绳扣。

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