CN113499142B - 前端执行装置、手术器械、从手端及微创手术系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种前端执行装置，通过外管与后端驱动装置连接，前端执行装置包括：连接座、偏转座、两根驱动丝和执行部；连接座第一端与外管同轴连接，连接座绕第一轴转动；偏转座第一端与连接座第二端枢转连接；驱动丝穿设于偏转座上，驱动丝端部与后端驱动装置连接，通过后端驱动装置驱动，驱动丝带动偏转座绕第二轴转动；执行部与偏转座第二端枢转连接，执行部绕第三轴转动；第二轴和第三轴沿第一轴布置，且第一轴、第二轴和第三轴两两相互垂直。本公开提供的前端执行装置不需要额外增加丝补偿装置即获得较高传动精度，能够在获得更大偏转空间的基础上，提高传动效率和精度。

Description

前端执行装置、手术器械、从手端及微创手术系统

技术领域

本公开涉及微创医疗器械领域，尤其涉及一种前端执行装置、手术器械、从手端及微创手术系统。

背景技术

在机器人辅助微创手术实施过程中，手术器械通过戳卡到达病灶部位后，手术器械前端执行装置的初始位置为一个向某方向偏转的位姿，以便实现手术操作动作。手术过程中前端执行装置的运动大多在上述方向范围内完成。为使前端执行装置在手术过程中保持具有偏转角度的位姿，目前大部分己公开的前端执行装置中都会有一过渡关节结构。过渡关节结构会增加钳页做夹持动作时的驱动力臂，使前端执行装置负载能力降低，影响驱动力的传递效率和传动精度。

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装置、手术器械、从手端及微创手术系统，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种前端执行装置，通过外管与后端驱动装置连接，所述前端执行装置包括：

连接座，所述连接座第一端与所述外管同轴连接，所述连接座绕第一轴转动；

偏转座，所述偏转座第一端与所述连接座第二端枢转连接；

两根驱动丝，所述驱动丝穿设于所述偏转座上，所述驱动丝端部与所述后端驱动装置连接，通过所述后端驱动装置驱动，所述驱动丝带动所述偏转座绕第二轴转动；

执行部，所述执行部与所述偏转座第二端枢转连接，所述执行部绕第三轴转动；

所述第二轴和所述第三轴沿所述第一轴布置，且所述第一轴、第二轴和第三轴两两相互垂直。

在本公开的一些实施例中，所述第二轴转动的圆心位于所述连接座和所述偏转座间、所述连接座上或所述偏转座上。

在本公开的一些实施例中，所述驱动丝第一端顺次穿过所述连接座至所述偏转座第一侧面后，所述驱动丝反向向下再次穿过所述偏转座，在所述偏转座第二侧面延伸至第二轴另一侧，向上穿过所述偏转座至所述偏转座第一侧面后，所述驱动丝反向向下再次穿过所述偏转座，所述驱动丝第二端通过所述外管连接至所述后端驱动装置。

在本公开的一些实施例中，所述偏转座上沿第一路径上设置有第一丝孔、第二丝孔、第三丝孔和第四丝孔，且所述第一丝孔、第二丝孔与得到第三丝孔、第四丝孔相对于第二轴线对称设置；所述偏转座上沿第二路径上设置有第五丝孔、第六丝孔、第七丝孔和第八丝孔，且所述第五丝孔、第六丝孔与所述第七丝孔、第八丝孔相对于第二轴线对称设置；

所述连接座上设置有第九丝孔、第十丝孔、第十一丝孔和第十二丝孔，且所述第九丝孔和所述第十丝孔沿第三路径对称设置在所述第二轴两侧，所述第十一丝孔和所述第十二丝孔沿第四路径对称设置在所述第二轴两侧；

所述第一丝孔与第九丝孔同轴设置；所述第四丝孔与所述第十丝孔同轴设置；所述第五丝孔与所述第十一丝孔同轴设置；所述第八丝孔与所述第十二丝孔同轴设置。

在本公开的一些实施例中，所述第一路径、第二路径、第三路径和第四路径为直线或非直线路径。

在本公开的一些实施例中，所述第一路径和所述第二路径呈十字布置；所述第三路径和所述第四路径呈十字布置。

在本公开的一些实施例中，所述第一丝孔至所述第十二丝孔的孔径与所述驱动丝直径的差值不大于0.05mm。

根据本公开的一个方面，还提供了一种前端执行装置，通过外管与后端驱动装置连接，所述前端执行装置包括：

连接座，所述连接座第一端与所述外管同轴连接，所述连接座绕第一轴转动；

偏转座，所述偏转座第一端与所述连接座第二端通过凸轮结构连接；

两根驱动丝，所述驱动丝穿设于所述偏转座上，所述驱动丝端部与所述后端驱动装置连接，通过所述后端驱动装置驱动，所述驱动丝带动所述偏转座绕第二轴转动；

执行部，所述执行部与所述偏转座第二端枢转连接，所述执行部绕第三轴转动；

所述第二轴和所述第三轴沿所述第一轴布置，且所述第一轴、第二轴和第三轴两两相互垂直。

在本公开的一些实施例中，所述凸轮结构包括：

第一凸轮，对称设置在所述连接座第二端的端面，所述第一凸轮回转轴与所述第二轴平行设置；

第二凸轮，对称设置在所述偏转座第一端的端面，所述第二凸轮回转轴与所述第二轴平行设置；

所述第一凸轮与所述第二凸轮压设连接，所述第一凸轮与所述第二凸轮的接触线与所述第二轴相重合；

两根驱动丝分别位于所述第一凸轮和所述第二凸轮两侧，通过所述后端驱动装置驱动，所述驱动丝带动所述第二凸轮在所述第一凸轮上做滚动运动。

在本公开的一些实施例中，所述凸轮结构还包括：

两个限位块，对称设置在所述连接座与偏转座相连的端面上；两个所述限位块与第一凸轮内侧相邻，且所述第二凸轮卡设于两个所述限位块外侧。

在本公开的一些实施例中，所述凸轮结构还包括：

两个导向轮，分别设置在所述连接座与偏转座相连的端面上和所述偏转座与所述连接座相连的端面上，用于所述驱动丝的导向。

在本公开的一些实施例中，还包括：

固定钢丝，安装于两个所述导向轮上，且所述固定钢丝在两个所述导向轮上的布置呈8字型。

在本公开的一些实施例中，所述第一凸轮和所述第二凸轮的轮曲率半径相同。

根据本公开的一个方面，还提供了一种前端执行装置，通过外管与后端驱动装置连接，所述前端执行装置包括：

连接座，所述连接座第一端与所述外管同轴连接，所述连接座绕第一轴转动；

偏转座，所述偏转座第一端与所述连接座第二端通过凸缘结构连接；

两根驱动丝，所述驱动丝穿设于所述偏转座上，所述驱动丝端部与所述后端驱动装置连接，通过所述后端驱动装置驱动，所述驱动丝带动所述偏转座绕第二轴转动；

执行部，所述执行部与所述偏转座第二端枢转连接，所述执行部绕第三轴转动；

所述第二轴和所述第三轴沿所述第一轴布置，且所述第一轴、第二轴和第三轴两两相互垂直。

在本公开的一些实施例中，所述凸缘结构包括：

至少一个凸缘，对称设置在所述连接座第二端的端面；

至少一个凹槽，对称设置在所述偏转座第一端的端面，所述凹槽与所述凸缘的圆心相重合，所述凹槽与所述凸缘配合相连；

两根驱动丝分别位于所述凹槽与所述凸缘两侧，通过所述后端驱动装置驱动，所述驱动丝带动所述凹槽在所述凸缘上转动。

在本公开的一些实施例中，还包括：至少一个过渡关节，设置在所述连接座与所述偏转座间；所述过渡关节第一端设置凸缘，与设置在所述偏转座上的凹槽配合相连；所述过渡关节第二端设置凹槽，与设置在所述连接座上的凸缘配合相连。

在本公开的一些实施例中，还包括：回弹杆，所述回弹杆第一端与所述偏转座固定连接，所述回弹杆第二端穿过所述过渡关节和所述连接座与所述连接座固定连接。

在本公开的一些实施例中，还包括：限位杆，所述限位杆两端分别通过设置在所述连接座和所述翻转座上的轴孔与所述连接座和所述翻转座枢转连接；且所述轴孔的圆心分别与所述凸缘和所述凹槽的圆心相重合。

根据本公开的一个方面，还提供了一种手术器械，包括：

外管，所述外管第一端与如上述的前端执行装置连接；

后端驱动装置，与所述外管第二端连接。

在本公开的一些实施例中，还包括：保护套，套设在所述前端执行装置的所述连接座和所述翻转座外。

根据本公开的一个方面，还提供了一种从手端，包括：

一个第一器械臂，安装内窥镜；

至少一个第二器械臂，安装手术器械；所述手术器械包括：

外管，所述外管第一端与如上述的前端执行装置连接；

后端驱动装置，与所述外管第二端连接。

根据本公开的一个方面，还提供了一种微创手术系统，包括：主手端和如上述的从手端；

三维图像模块，集成于所述主手端，所述三维图像模块接收所述内窥镜采集的手术实施部位的三维图像；

控制模块，集成于所述主手端，所述控制模块接收输入参数，计算得到输出参数，并将所述输出参数输出至所述第一器械臂和所述第二器械臂；

所述三维图像模块接收所述从手端采集的所述三维图像，所述主手端根据所述三维图像调整所述主操作手位姿，根据所述控制模块输出的输出参数控制所述从手端上所述第一器械臂和所述第二器械臂的位姿和动作。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开前端执行装置、手术器械、从手端及微创手术系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开提供的前端执行装置不需要额外增加丝补偿装置即获得较高传动精度。

(2)本申请能够在获得更大偏转空间的基础上，提高传动效率和精度。

(3)本公开采用的驱动丝固定方式结构简单紧凑，无需额外增加固定用零件如丝扣、吊码、螺母等配件，也无需采用粘接或焊接方式，可避免因驱动丝损伤导致的负载能力下降。

附图说明

图1a为本公开实施例微创手术系统中主手端示意图。

图1b为本公开实施例微创手术系统中从手端示意图。

图2为本公开实施例器械臂示意图。

图3为本公开实施例手术器械使用状态示意图。

图4为本公开实施例手术器械示意图。

图5为本公开实施例前端执行装置示意图。

图6为本公开实施例前端执行装置简化模型示意图。

图7为本公开实施例前端执行装置简化模型示意图。

图8为本公开实施例前端执行装置简化模型示意图。

图9和图10为图7对应的前端执行装置示意图。

图11为前端执行装置中偏转运动R2对应的驱动丝布置方式。

图12为图11中偏转座剖视图。

图13为前端执行装置中一个钳页对应的驱动丝布置方式。

图14为前端执行装置中另一个钳页对应的驱动丝布置方式。

图15和图16为图7对应的前端执行装置示意图。

图17为本公开实施例前端执行装置简化模型示意图。

图18为本公开实施例前端执行装置示意图。

图19为图18对应的爆炸示意图。

图20为偏转座在连接座上转动运动状态示意图。

图21为本公开实施例前端执行装置结构简图。

图22为图21拉动一侧驱动丝带动偏转座绕R2轴转动时前端执行装置结构简图。

图23、图24和图25为前端执行装置中偏转座驱动丝安装示意图。

图26为本公开实施例前端执行装置示意图。

图27为图26中连接座和偏转座局部放大图。

图28为图26对应的爆炸示意图。

图29、图30和图31为前端执行装置中偏转座驱动丝安装示意图。

图32为本公开实施例前端执行装置示意图。

图33为图32对应的爆炸示意图。

图34和图35为图32对应的局部结构简图。

图36为本公开实施例前端执行装置示意图。

图37和图38为为前端执行装置中偏转座驱动丝安装示意图。

图39为本公开实施例前端执行装置示意图。

图40和图41为图39对应的局部结构简图。

图42为连接座上端凸缘与凹槽轮廓线示意图。

图43为偏转座下端凸缘与凹槽轮廓线示意图。

图44为本公开实施例前端执行装置示意图。

图45为本公开实施例前端执行装置的辅助装置示意图。

图46为本公开实施例前端执行装置的辅助装置示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种前端执行装置，通过外管与后端驱动装置连接，前端执行装置包括：连接座、偏转座、两根驱动丝和执行部；连接座第一端与外管同轴连接，连接座绕第一轴转动；偏转座第一端与连接座第二端枢转连接；驱动丝穿设于偏转座上，驱动丝端部与后端驱动装置连接，通过后端驱动装置驱动，驱动丝带动偏转座绕第二轴转动；执行部与偏转座第二端枢转连接，执行部绕第三轴转动；第二轴和第三轴沿第一轴布置，且第一轴、第二轴和第三轴两两相互垂直。本公开提供的前端执行装置不需要额外增加丝补偿装置即获得较高传动精度，能够在获得更大偏转空间的基础上，提高传动效率和精度。

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

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

本发明公开了一种用于机器人辅助微创手术系统的手术器械前端执行结构，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。

微创手术系统包括：如图1a所示的主手端01和如图1b所示的从手端02，主手端01还集成有三维图像模块03和控制模块04。主手端01上设置有主操作手011，主操作手011控制从手端02上设置的器械臂022及手术器械023。从手端02设置有多个器械臂022，其中包括一个安装有内窥镜024的器械臂022作为第一器械臂，用于手术中的图像传输。其他器械臂022在手术时将安装不同功能的手术器械023，如组织钳、针持、能量工具、超声刀等，作为第二器械臂，以应对不同手术的术式需要。

在手术实施过程中，安装有内窥镜024的器械臂022通过姿态调整，对内窥镜024进行定位和定向。内窥镜024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上设置的三维图像模块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处观看三维图像模块03上的病灶部同步图像，同时操作主操作手011，通过调整主操作手011的位姿来控制从手端02上多个器械臂022及手术器械023的位姿和动作，以完成手术操作。在上述过程中，医生操纵的主操作手011各关节处设置的编码器能够实时记录关节转动角度数据，可称之为输入参数，数据传输至控制模块04，控制模块04内部的控制器预设置有主操作手011、器械臂022、手术器械023之间相互映射的运动学数学模型，控制器接收输入参数并计算与不同功能手术器械023相对应运动学模型的输出参数，并将输出参数传送至从手端02的器械臂022和手术器械023，实现运动控制。

如图2及图3所示，在器械臂022的带动下手术器械023可完成空间3个自由度运动P1、P2、P3，其中P1为通过不动点O的直线运动，P3、P2为绕不动点O的偏转运动。

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，也可将主手端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器械示意图。如图4所示，手术器械023包括后端驱动装置231、外管232、前端执行装置233。手术器械023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5为本公开实施例前端执行装置示意图。结合图5所示，前端执行装置232与外管232固定连接，其可在后端驱动装置231的驱动下完成多自由度运动，包括绕外管232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。

前端执行装置233包括连接座233a、偏转座233b、执行部、驱动丝233d等。在本实施例中执行部选择钳页233c。连接座233a用于连接外管232与前端执行装置233，连接座233a固定安装在外管232前端，连接座233a的回转轴线与外管232回转轴线重合，外管232的转动可带动前端执行装置233实现自转运动R1。

偏转座233b安装在连接座233a上，在两根驱动丝233d的驱动下偏转座233b可绕轴R2转动。偏转座233b第二端安装有钳页233c，钳页233c可以是夹持钳、剪刀等开合运动工具，也可是能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。钳页233c可绕轴R3转动。

前端执行装置233中连接座233a、偏转座233b可简化为如图6所示结构，连接座233a与偏转座233b通过R2周(图中所示O点)铰接，偏转座233b可在连接座233a上绕O点转动，O点位置介于连接座233a与偏转座233b之间。驱动丝233d第一端与偏转座233b固定连接，第二端穿过连接座233a上设置的穿丝孔连接至后端驱动装置231内部。如图6所示，两根驱动丝233d分布于O点两侧，分别拉动驱动丝233d可实现对偏转座233b绕O点转动的控制。

对照图6中(a)，偏转座233b未发生转动时(初始位姿)，连接座233a与偏转座233b间驱动丝233d长度l_AB＝l_CD，且l_AB+l_CD＝2l_EF。对照图6中(b)，当偏转座233b转动时，转动方向一侧驱动丝长度缩短，另一侧驱动丝长度伸长，对照图中位姿，连接座233a与偏转座233b间驱动丝233d长度l_AB<l_CD，经计算和实际测量验证得出l_AB+l_CD<2l_EF，且l_AB长度变化量与l_CD长度变化量不同。上述结果致使偏转座233b转动时驱动丝233d所受的拉力除预紧力和驱动拉力外还会额外增加一部分因驱动丝弹性变形产生的拉力，有益于提高前端执行装置的运动相应速度。但因两侧驱动丝长度变化量不同，导致前端执行装置运动精度下降，需在后端驱动装置231中额外设置丝补偿装置或在控制程序中对偏转座233b任意偏转角度下的驱动丝长度进行补偿。

图7、图8所示为另外两种前端执行装置实施例结构简图，与前端执行装置233不同点在于，上述两实施例中O点位置分别位于连接座和偏转座上。图7中(a)和(b)分别为O点位于连接座上的静止状态和运动状态。图8中(a)和(b)分别为O点位于偏转座上的静止状态和运动状态。

如图9、图10所示，为图7对应前端执行装置结构的具体实施方式331。前端执行装置331包括：连接座331a、偏转座331b、钳页331c等。连接座331a用于连接外管232与前端执行装置331，连接座331a固定安装在外管232前端，连接座331a的回转轴线与外管232回转轴线重合，外管232的转动可带动前端执行装置331实现自转运动R1。

偏转座331b安装在连接座331a上，在两根驱动丝331d的驱动下偏转座331b可绕轴R2转动。偏转座331b第二端安装有钳页331c，钳页331c可以是夹持钳、剪刀等开合运动工具，也可是能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。钳页331c可绕轴R3转动。

关于具体布丝方式，如图11中(a)和(b)所示，对照图中各零件位姿，驱动丝331d第一端向上穿过连接座331a上的第九丝孔331e、偏转座331b上的第一丝孔331f后，反向弯折向下穿过第二丝孔331g，随后驱动丝331d在偏转座331b下方延伸至R2轴另一侧，向上穿过第三丝孔331h，再次反向弯折向下穿过第四丝孔331i和第十丝孔331j。驱动丝331d两端向下延伸通过外管232后连接至后端驱动装置231内部，后端驱动装置231内部设置有可拉动驱动丝331d的执行装置，本公开不再对后端驱动装置231进行展开描述。

两根驱动丝在偏转座呈十字布置，具体通过偏转座上设置的丝孔进行限定。第九丝孔331e、第一丝孔331f、第二丝孔331g与第三丝孔331h、第四丝孔331i、第十丝孔331j位置相互对称，分别布置于R2轴两侧，其中，在偏转座331b初始位姿下，第九丝孔331e与第一丝孔331f同轴设置，第四丝孔331i与第十丝孔331j同轴设置，驱动丝331d张紧后，其在偏转座331b内丝孔中因丝孔内壁与驱动丝外表面的摩擦力而固定，即驱动丝331d在第一丝孔331f、第二丝孔331g、第三丝孔331h、第四丝孔331i内不会发生滑动，拉动驱动丝331d两端可实现对偏转座331b转动的控制。

如图12所示，驱动丝331d在偏转座331b内安装方式如图所示。偏转座331b上用于安装驱动丝331d的丝孔，如第一丝孔331f、第二丝孔331g、第三丝孔331h、第四丝孔331i可设置共线结构，也可根据前端执行装置中其余零件的布置情况采用非共线结构。通常用于手术器械的驱动丝直径范围在0.4mm～0.8mm内，当丝孔直径与驱动丝直径差值在0.05mm内(丝孔直径大于驱动丝直径)偏转座331b上设置的用于固定驱动丝的丝孔(如第一丝孔331f、第二丝孔331g、第三丝孔331h、第四丝孔331i)数目为2n时，待驱动丝张紧后驱动丝在上述丝孔内无滑动运动，即实现驱动丝在偏转座331b上的固定，其中n＝2,3,4…。

本实施例中提供的驱动丝固定方式结构简单紧凑，无需额外增加固定用零件如丝扣、吊码、螺母等配件，也无需采用粘接或焊接方式，可避免因驱动丝损伤导致的负载能力下降。

图13所示为钳页331c的驱动丝331d布置方式示意图。钳页331c可绕轴R3转动，钳页331c上设置有用于安装驱动丝的丝槽，丝槽回转轴线与R3同轴。驱动丝331d固定设置在丝槽内，驱动丝331d两端绕过丝槽后分别穿过偏转座331b上设置的第五丝孔331k和第六丝孔331l，经过外管232后安装在后端驱动装置231内。图14所示为另一钳页331c的驱动丝331d布置方式示意图。钳页331c可绕轴R3转动，钳页331c上设置有用于安装驱动丝的丝槽，丝槽回转轴线与R3同轴。驱动丝331d固定设置在丝槽内，驱动丝331d两端绕过丝槽后分别穿过偏转座331b上设置的第七丝孔331m和第八丝孔331n，经过外管232后安装在后端驱动装置231内。

第五丝孔331k、第六丝孔331l、第七丝孔331m、第八丝孔331n设置在同一直线上，其中第七丝孔331m、第八丝孔331n位于第五丝孔331k、第六丝孔331l内侧，即用于驱动同一钳页的驱动丝两端同时穿过内侧丝孔或外侧丝孔。该驱动丝布置方式可使各驱动丝间的运动独立互不干涉，同时也可以使钳页绕轴R3的运动解耦。

如图15、图16所示，前端执行装置332包括连接座332a、偏转座332b、钳页332c等。连接座332a用于连接外管232与前端执行装置332，连接座332a固定安装在外管232前端，连接座332a的回转轴线与外管232回转轴线重合，外管232的转动可带动前端执行装置332实现自转运动R1。

偏转座332b安装在连接座332a上，在两根驱动丝332d的驱动下偏转座332b可绕轴R2转动。偏转座332b第二端安装有钳页332c，钳页332c可以是夹持钳、剪刀等开合运动工具，也可是能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。钳页332c可绕轴R3转动。

对照图6、图7、图8，同前端执行装置233相比，前端执行装置331和前端执行装置332的不同之处在于O点位置不同，即R2轴所在位置不同，前端执行装置331的R2轴位于连接座上，前端执行装置332的R2轴位于偏转座上。前端执行装置331、前端执行装置332与前端执行装置233具有类似的特性，如：当偏转座转动时，转动方向一侧驱动丝长度缩短，另一侧驱动丝长度伸长，连接座与偏转座间驱动丝长度l_AB<l_CD，l_AB+l_CD<2l_EF，且l_AB长度变化量与l_CD长度变化量不同。除此之外，前端执行装置331、331还具有其他有益效果。

对照图7，前端执行装置331的偏转座331b转动时，因O设置在连接座331a上，故偏转座331b转动半径较大，进而获得更大的偏转运动空间。对照图8，前端执行装置332的偏转座332b转动时，因O设置在偏转座332b上，故驱动丝332d与连接座332a上平面夹角很小，使驱动丝332d在连接座332a上的丝孔内滑动时具有很小的摩擦力，有益于提高传动效率和精度。

图17所示为另一种前端执行装置333，当拉动一侧驱动丝带动偏转座333b转动时，转动方向一侧驱动丝长度缩短，另一侧驱动丝长度伸长，连接座与偏转座间驱动丝长度l_AB<l_CD。对照图17中(a)至(b)，偏转座333b转动后，四边形ABCD可构成一个以AB、CD为底AC、BD为腰的等腰梯形结构，EF为梯形ABCD中线，则l_AB+l_CD＝2l_EF，l_AB长度变化量与l_CD长度变化量相同，Δl_AB＝Δl_CD，该特性可使前端执行装置333不额外增加丝补偿装置即获得较高传动精度。

图18所示为一种前端执行装置334，前端执行装置334为前端执行装置333的一个实施例。前端执行装置334与前端执行装置333具有相同的偏转运动特性，即偏转座转动后可与驱动丝构成等腰梯形结构，R2轴两侧驱动丝长度变化量相同，不需增加丝补偿装置。

前端执行装置334，包括：连接座334a、偏转座334b、钳页334c等。连接座334a用于连接外管232与前端执行装置334，连接座334a固定安装在外管232前端，连接座334a的回转轴线与外管232回转轴线重合，外管232的转动可带动前端执行装置334实现自转运动R1。

偏转座334b安装在连接座334a上，在两根驱动丝334d的驱动下偏转座334b可绕轴R2转动。偏转座334b第二端安装有钳页334c，钳页334c可以是夹持钳、剪刀等开合运动工具，也可是能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。钳页334c可绕轴R3转动。

如图19所示，连接座334a上设置有两个圆弧形凸轮结构，作为第一凸轮，即上凸轮334d。上凸轮334d对称设置在连接座334a上端面，其回转轴线与第二轴R2平行设置。偏转座334b上设置有两个圆弧形凸轮结构，作为第二凸轮，即下凸轮334e。下凸轮334e对称设置在偏转座334b下端面，其回转轴线与R2轴平行设置。两凸轮曲率半径相同，下凸轮334e的下缘压在上凸轮334d的上缘，两凸轮压紧后，下凸轮334e可在上凸轮334d上做滚动运动，进而实现偏转座334b在连接座334a上的转动运动，转轴R2与两凸轮的接触线重合，如图20中(a)和(b)所示。

如图21所示，两根驱动丝334f分别位于上凸轮334d、下凸轮334e两侧，驱动丝张紧后，下凸轮334e的下缘压在上凸轮334d的上缘，两凸轮压紧后，下凸轮334e可在上凸轮334d上做滚动运动。两个凸轮曲率半径相同，E点为下凸轮334e圆心，F点为上凸轮334d圆心。E、F两点间距l_EF为两凸轮半径之和。偏转座334b未发生转动时(初始位姿)，连接座334a与偏转座334b间驱动丝334f长度l_AB＝l_CD，且l_AB+l_CD＝2l_EF。

如图22所示，当拉动一侧驱动丝带动偏转座334b绕R2轴转动时，下凸轮334e在上凸轮334d向转动方向一侧做滚动运动，偏转座334b转动方向一侧驱动丝长度缩短，另一侧驱动丝长度伸长，连接座与偏转座间驱动丝长度l_AB<l_CD。偏转座334b转动后，四边形ABCD可构成一个以AB、CD为底AC、BD为腰的等腰梯形结构，EF为梯形ABCD中线，此时E、F两点间距l_EF扔为两凸轮半径之和，l_AB+l_CD＝2l_EF，可实现l_AB长度变化量与l_CD长度变化量相同，Δl_AB＝Δl_CD。

对照图18、图19所示，连接座334a上端面设置有两限位块334g，限位块334g分别与两上凸轮334d内侧相邻，当下凸轮334e安装在上凸轮334d上后，两下凸轮334e内侧恰好卡在两限位块334g外侧，限位块334g用于限制偏转座334b在R2轴线方向的移动。在连接座334a上端和偏转座334b下端分别设置有上导向轮334h和下导向轮334i，两导向轮用于驱动丝导向。

图23、图24、图25所示，驱动丝334f第一端向上穿过连接座334a上设置的丝孔334j，沿着上导向轮334h和下导向轮334i的圆弧面向上穿过偏转座334b上设置的丝孔334k，到达偏转座334b上端面后反向弯折向下穿过丝孔334l，沿着偏转座334b下端面进入丝孔334m，向上穿过丝孔334m后再次到达偏转座334b上端面，随后沿着偏转座334b上端面进入丝孔334n，向下穿过丝孔334n、向上穿过丝孔334o、向下穿过丝孔334p，绕过下导向轮334i和上导向轮334h，穿过连接座334a、经过外管232后安装在后端驱动装置231内。偏转座334b上设置的用于固定驱动丝的丝孔数目为2n，(n＝3)，待驱动丝张紧后驱动丝在上述丝孔内无滑动运动，即实现驱动丝在偏转座334b上的固定。

如图26所示，前端执行装置335与前端执行装置333具有相同的偏转运动特性，即偏转座转动后可与驱动丝构成等腰梯形结构，R2轴两侧驱动丝长度变化量相同，不需增加丝补偿装置。

前端执行装置335，包括：连接座335a、偏转座335b、钳页335c等。连接座335a用于连接外管232与前端执行装置335，连接座335a固定安装在外管232前端，连接座335a的回转轴线与外管232回转轴线重合，外管232的转动可带动前端执行装置335实现自转运动R1。

偏转座335b安装在连接座335a上，在两根驱动丝的驱动下偏转座335b可绕轴R2转动。偏转座335b第二端安装有钳页335c，钳页335c可以是夹持钳、剪刀等开合运动工具，也可是能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。钳页335c可绕轴R3转动。

如图27、图28所示，连接座335a上设置有两个圆弧形凸轮结构，上凸轮335d。上凸轮335d对称设置在连接座335a上端面，其回转轴线与R2轴平行设置。偏转座335b上设置有两个圆弧形凸轮结构，下凸轮335e。下凸轮335e对称设置在偏转座334b下端面，其回转轴线与R2轴平行设置。两凸轮曲率半径相同，下凸轮335e的下缘压在上凸轮335d的上缘，两凸轮压紧后，下凸轮335e可在上凸轮335d上做滚动运动，进而实现偏转座335b在连接座335a上的转动运动，转轴R2与两凸轮的接触线重合，如图26所示。

对照图27，连接座335a上端面设置有两限位块335f，限位块335f分别与两上凸轮335d内侧相邻，当下凸轮335e安装在上凸轮335d上后，两下凸轮335e内侧恰好卡在两限位块335f外侧，限位块335f用于限制偏转座335b在R2轴线方向的移动。

在连接座335a上端和偏转座335b下端分别设置有上导向轮335g和下导向轮335h。如图29、图30所示，上导向轮335g和下导向轮335h上安装有用于压紧上凸轮335d与下凸轮335e的固定钢丝335i，当固定钢丝335i安装张紧后，上凸轮335d压紧在下凸轮335e上，同时固定钢丝335i在两导向轮上采用交叉布置的方式安装，可以防止上凸轮335d在下凸轮335e上滑动，以确保梯形结构的构建，进而提高传动精度。

如图所示，两导向轮上设置有丝孔，固定钢丝335e两端从偏转座335b上端面向下穿过丝孔335k，随后沿着上导向轮335g的圆弧面向下延伸并交叉绕过下导向轮335l的圆弧面，进入丝孔335l到达连接座335a下端面，在连接座335a下端面处用丝扣335j对压紧钢丝335k进行张紧固定。如图31所示，压紧钢丝335i交叉绕过两导向轮的布置方式，能够实现不限制凸轮间的滚动运动的同时防止凸轮间的滑动。

如图32所示，前端执行装置336与前端执行装置333具有相同的偏转运动特性，即偏转座转动后可与驱动丝构成等腰梯形结构，R2轴两侧驱动丝长度变化量相同，不需增加丝补偿装置。

前端执行装置336，包括：连接座335a、偏转座335b、钳页335c等。连接座336a用于连接外管232与前端执行装置336，连接座336a固定安装在外管232前端，连接座336a的回转轴线与外管232回转轴线重合，外管232的转动可带动前端执行装置336实现自转运动R1。

偏转座336b安装在连接座336a上，在两根驱动丝的驱动下偏转座336b可绕轴R2转动。偏转座336b第二端安装有钳页336c，钳页336c可以是夹持钳、剪刀等开合运动工具，也可是能量工具、负压吸引工具等，各类工具均为通用结构，不再详述。钳页336c可绕轴R3转动。

如图33所示，连接座336a上端设置有凸缘336d结构，在偏转座336b下端设置有凹槽336e结构，凸缘336d可与凹槽336e配合安装，安装后凸缘336d与凹槽336e之间可做偏转方向上无滑移的转动运动。对照图34，凸缘336d的几何中心为O点，即凸缘336d的轮廓线基于O点创建，对照图中各零件位姿，O点设置在连接座336a上基圆M的上象限点，基圆M圆心为E；凹槽336e的几何中心为O点，即凹槽336e的轮廓线基于O点创建，对照图中各零件位姿，O点设置在偏转座336b基圆N的下象限点，基圆N圆心为F。基圆M与基圆N半径相同，凹槽336e在凸缘336d上的转动运动可视为基圆N在基圆M上的滚动运动，即偏转座336b在连接座336a上的偏转运动如同基圆N在基圆M上的滚动运动，如图35所示，凸缘336d与凹槽336e保持配合的状态下，偏转座336b在连接座a上做绕轴R2转动过程中E、F两点件距离l_EF保持不变。

偏转座336b在连接座a上做绕轴R2转动过程中，凸缘336d与凹槽336e需始终保持配合状态，为增大偏转座336b的转动角度，可在偏转座336b与连接座336a间增加过渡关节336，如图36所示。过渡关节336f下端设置有可与凸缘336d配合的凹槽，过渡关节336f上端设置有可与凹槽336e配合的凸缘。过渡关节336f端面设置有与连接座336a相同的丝孔，用于驱动丝的安装，如图37、图38所示。过渡关节336f数量不限于1，当过渡关节336f数量大于0时，前端执行装置336构型形式由刚性关节结构变为离散关节结构。离散关节结构为欠驱动结构，可在前端执行装置336上设置回弹杆336g，用于增强前端执行装置的可控性，并为偏转座336b的回正运动提供回弹力。回弹杆336g由弹性材料制成，如形状记忆合金、弹簧钢等。如图38所示，回弹杆336g设置在驱动丝所在平面的正交平面上，回弹杆336g第一端与偏转座336b固定连接，第二端穿过过渡关节336f、连接座336a上的丝孔。

上述在偏转座与连接座间增加过渡关节336f的布置方式目的在于增加偏转座的偏转角度，以增大前端执行装置的工作空间，下面叙述另外一种增加偏转座偏转角度的实施方式。

如图39所示，前端执行装置337与前端执行装置336具有相同的凸缘和凹槽结构，不同之处在于前端执行装置337上设置的凸缘与凹槽数量大于1。对照图40，连接座337a上设置有除凸缘337c外，还分别在凸缘337c相邻两侧设置有凹槽337d、和凹槽337e，凸缘337c、凹槽337d、凹槽337e的几何中心均设置在基圆M上；偏转座337b上设置有除凹槽337f外，还分别在凹槽337f相邻两侧设置有凸缘337g、和凸缘337h，凹槽337f、凸缘337g、凸缘337h的几何中心均设置在基圆N上。凸缘337c与凹槽337f配合、凹槽337d与凸缘337g配合，凹槽337e与凸缘337h配合。

如图41所示，当偏转座337b位于起始位置时，凸缘337c与凹槽337f配合，其余各凸缘与凹槽处于分离状态。当偏转座337b在连接座337a上转动范围超过一定角度后，凸缘337g与凹槽337d进入配合状态，继续转动凸缘337c与凹槽337f分离。反向转动亦然。

图42所示，各凸缘与凹槽的轮廓线可视为基圆M上连续相切的几何圆337i的部分圆弧，几何圆337i圆心设置在基圆M上，各几何圆半径相同。如图43所示，各凸缘与凹槽的轮廓线可视为基圆N上连续相切的几何圆337i的部分圆弧，几何圆337i圆心设置在基圆N上，各几何圆半径相同。前端执行装置337中连接座337a与偏转座337b的几何圆个数为5，通过增加几何圆的数量可扩大偏转座337b的转动角度，图44所示为几何圆个数为9的前端执行装置示意图。目前常用的前端执行装置外径大多不超过10mm，对于外径10mm及以下的手术器械前端执行装置，经实验测试表明，几何圆数量超过9的前端执行装置运动过程中会出现凸缘脱出凹槽的现象，使偏转座337b在连接座337a上发生滑移。综合考虑目前手术器械零部件加工技术和加工成本，设置几何圆数量应小于等于9。

图45所示，构件为限位连杆337j，用于限制偏转座337b在连接座337a上沿R2轴向的运动。限位杆337j两端有转轴，两转轴轴线间距与l_EF相同，安装在前端执行装置内部，分别安装在偏转座337b和连接座337a上设置的轴孔内。其中，连接座337a上的轴孔与基圆M圆心重合设置，偏转座337b上的轴孔与基圆N圆心重合设置。由于限位杆337j两端转轴轴线间距与l_EF相同，故限位杆337j在偏转座337b转动方向上为虚约束构建，仅限制偏转座337b在轴R2轴向的移动。

图46所示，两构件为保护套337k，分别安装在连接座337a和偏转座337b外部。保护套337k由绝缘材料制成，当前端执行装置为能量工具时，保护套337k可防止前端执行装置意外漏电。保护套337k安装后可覆盖连接座337a和偏转座337b上设置的凸缘、凹槽，该结构可有效防止手术实施过程中偏转座337b运动时误损伤人体组织。

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。

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 (8)

1.一种前端执行装置，通过外管与后端驱动装置连接，所述前端执行装置包括：

连接座，所述连接座第一端与所述外管同轴连接，所述连接座绕第一轴转动；

偏转座，所述偏转座第一端与所述连接座第二端枢转连接；

两根驱动丝，所述驱动丝穿设于所述偏转座上，所述驱动丝端部与所述后端驱动装置连接，通过所述后端驱动装置驱动，所述驱动丝带动所述偏转座绕第二轴转动；

执行部，所述执行部与所述偏转座第二端枢转连接，所述执行部绕第三轴转动；

所述第二轴和所述第三轴沿所述第一轴布置，且所述第一轴、第二轴和第三轴两两相互垂直其中，所述偏转座上沿第一路径上设置有第一丝孔、第二丝孔、第三丝孔和第四丝孔，且所述第一丝孔、第二丝孔与得到第三丝孔、第四丝孔相对于第二轴线对称设置；所述偏转座上沿第二路径上设置有第五丝孔、第六丝孔、第七丝孔和第八丝孔，且所述第五丝孔、第六丝孔与所述第七丝孔、第八丝孔相对于第二轴线对称设置；

所述连接座上设置有第九丝孔、第十丝孔、第十一丝孔和第十二丝孔，且所述第九丝孔和所述第十丝孔沿第三路径对称设置在所述第二轴两侧，所述第十一丝孔和所述第十二丝孔沿第四路径对称设置在所述第二轴两侧；

所述第一丝孔与第九丝孔同轴设置；所述第四丝孔与所述第十丝孔同轴设置；所述第五丝孔与所述第十一丝孔同轴设置；所述第八丝孔与所述第十二丝孔同轴设置；

其中，所述驱动丝第一端顺次穿过所述连接座至所述偏转座第一侧面后，所述驱动丝反向向下再次穿过所述偏转座，在所述偏转座第二侧面延伸至第二轴另一侧，向上穿过所述偏转座至所述偏转座第一侧面后，所述驱动丝反向向下再次穿过所述偏转座，所述驱动丝第二端通过所述外管连接至所述后端驱动装置；

其中，所述第一路径和所述第二路径呈十字布置；所述第三路径和所述第四路径呈十字布置，以将所述驱动丝固定在所述偏转座上。

2.根据权利要求1所述的前端执行装置，其中，所述第二轴转动的圆心位于所述连接座和所述偏转座间、所述连接座上或所述偏转座上。

3.根据权利要求1所述的前端执行装置，其中，所述第一路径、第二路径、第三路径和第四路径为直线或非直线路径。

4.根据权利要求1所述的前端执行装置，其中，所述第一丝孔至所述第十二丝孔的孔径与所述驱动丝直径的差值不大于0.05mm。

5.一种手术器械，包括：

外管，所述外管第一端与如权利要求1至4中任一项所述的前端执行装置连接；

后端驱动装置，与所述外管第二端连接。

6.根据权利要求5所述的手术器械，还包括：

保护套，套设在所述前端执行装置的所述连接座和所述偏转座外。

7.一种从手端，包括：

一个第一器械臂，安装内窥镜；

至少一个第二器械臂，安装手术器械；所述手术器械包括：

外管，所述外管第一端与如权利要求1至4中任一项所述的前端执行装置连接；

后端驱动装置，与所述外管第二端连接。

8.一种微创手术系统，包括：主手端和如权利要求7所述的从手端；

三维图像模块，集成于所述主手端，所述三维图像模块接收所述内窥镜采集的手术实施部位的三维图像；

控制模块，集成于所述主手端，所述控制模块接收输入参数，计算得到输出参数，并将所述输出参数输出至所述第一器械臂和所述第二器械臂；

所述三维图像模块接收所述从手端采集的所述三维图像，所述主手端根据所述三维图像调整主操作手位姿，根据所述控制模块输出的输出参数控制所述从手端上所述第一器械臂和所述第二器械臂的位姿和动作。