CN113598949A - 面向人体自然腔道的柔性手术机器人 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种面向人体自然腔道的柔性手术机器人，包括手术执行器和驱动系统；其中，手术执行器包括一级柔性臂和二级柔性臂，二级柔性臂滑动穿设在一级柔性臂内，一级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的一级活动端，二级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的二级活动端；驱动系统包括一级驱动模块和二级驱动模块，一级驱动模块包括用于带动一级柔性臂移动的一级主驱动模块和用于带动一级活动端轴向移动和弯曲的一级副驱动模块；二级驱动模块包括用于带动二级柔性臂移动的二级主驱动模块和用于带动二级活动端移动二级副驱动模块。本申请解决了相关技术中支气管含有多级解剖结构，部分支气管的腔道内径狭窄，使得单一的手术器械难以到达深层病灶的问题。
Description
技术领域
本申请涉及外科医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种面向人体自然腔道的柔性手术机器人。
背景技术
经人体自然腔道内镜手术是使手术器械经过人体的自然腔道(如口腔、食管、支气管、胃、结肠、直肠等)进入人体腔并进行诊断和治疗。与传统的切开手术相比，该手术方式无须在人体表面形成切口，对内环境干扰较小，具有对患者的创伤小、术后恢复时间短，并发症少等优点，是现阶段外科手术发展的趋势。
以肺部微小结节微创诊断为例，对肺部微小结节进行活检可以提高微小结节的良恶性诊断准确性，其结果可作为肺癌早期诊断的重要依据。传统的经皮肺穿刺活检诊断率虽高，但会损伤肺部组织，易发生术后并发症；经支气管镜活检安全性虽好，但诊断率较低。为提高肺部微小结节的诊断率和安全性，利用微创手术机器人经支气管自然腔道对微小结节进行活检和取样，成为微小结节精确诊断的迫切需求。然而，由于人体支气管内部空间狭窄、入路结构异型动态复杂，现有手术器械(机器人)存在难以到达支气管深层病灶，以及在复杂支气管树运动状态下难以精准定位的问题。随着机器人技术的不断发展，有望通过设计具有足够灵活性和精度，能够顺利进入人体曲折狭窄支气管腔道，并实施定位操作的手术执行器，实现肺部复杂微小结节的检测。
利用手术器械或机器人在人体腔道内实施手术操作时，机械臂之间、机械臂与人体组织之间容易发生碰撞，导致机器人损坏或使患者受到伤害，因此机械臂需要具备一定的柔顺性，使用柔性机构是提高手术安全性的主要方法。然而，支气管含有多级解剖结构，6级及以上的支气管的腔道内径狭窄，使得单一的手术器械难以到达深层病灶。
针对相关技术中支气管含有多级解剖结构，部分支气管的腔道内径狭窄，使得单一的手术器械难以到达深层病灶的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种面向人体自然腔道的柔性手术机器人，以解决相关技术中支气管含有多级解剖结构，部分支气管的腔道内径狭窄，使得单一的手术器械难以到达深层病灶的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种面向人体自然腔道的柔性手术机器人，该面向人体自然腔道的柔性手术机器人包括：手术执行器和驱动系统；其中，
所述手术执行器包括一级柔性臂和二级柔性臂，所述二级柔性臂滑动穿设在所述一级柔性臂内，所述一级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的一级活动端，所述二级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的二级活动端，二级柔性臂内设置有工作通道；
所述驱动系统包括一级驱动模块和二级驱动模块，所述一级驱动模块包括用于带动所述一级柔性臂移动的一级主驱动模块和用于带动一级活动端轴向移动和弯曲的一级副驱动模块；
所述二级驱动模块包括用于带动所述二级柔性臂移动的二级主驱动模块和用于带动二级活动端轴向移动和弯曲的二级副驱动模块。
进一步的，一级柔性臂包括：
一级护套，所述一级护套为柔性结构，一级护套与所述一级主驱动模块传动连接；
一级腕关节连接件，固设于所述一级护套的第一端；
一级弯曲套管，设置为三个，所述一级弯曲套管穿设在所述一级护套内，一级弯曲套管的第一端穿过所述一级护套的第一端并与所述一级腕关节连接件固定连接；所述二级柔性臂依次穿过所述一级护套和一级腕关节连接件；
一级弯曲柔性丝，设置为三个并逐一穿设在所述一级护套内，所述一级弯曲柔性丝的第一端与所述一级副驱动模块传动连接，第二端穿过所述一级腕关节连接件；
所述一级活动端包括一级腕关节法兰，所述一级弯曲柔性丝的第二端穿过所述一级腕关节连接件后与所述一级腕关节法兰连接。
进一步的，还包括一级光源、一级摄像头和一级光纤传感器，所述一级光源、一级摄像头和一级光纤传感器穿过所述一级腕关节连接件和一级腕关节法兰后可拆卸的固定在所述一级腕关节法兰上。
进一步的，二级柔性臂包括：
二级护套，滑动套设在所述一级护套、一级腕关节连接件和一级腕关节法兰内，二级护套为柔性结构，二级护套与所述二级主驱动模块传动连接；
二级腕关节连接件，固设于所述二级护套的第一端；
二级弯曲套管，设置为三个，所述二级弯曲套管穿设在所述二级护套内，二级弯曲套管的第一端穿过所述二级护套并与所述二级腕关节连接件固定连接；
二级弯曲柔性丝，设置为三个并逐一穿设在所述二级护套内，所述二级弯曲柔性丝的第一端与所述二级副驱动模块传动连接，第二端穿过所述二级腕关节连接件；
所述二级活动端包括二级腕关节法兰，所述二级弯曲柔性丝的第二端穿过所述二级腕关节连接件后与所述二级腕关节法兰连接。
进一步的，还包括二级光源、二级摄像头和二级光纤传感器，所述二级光源、二级摄像头和二级光纤传感器穿过所述二级腕关节连接件和二级腕关节法兰后可拆卸的固定在所述二级腕关节法兰上。
进一步的，还包括采样针，所述采样针穿过所述二级腕关节连接件和二级腕关节法兰。
进一步的，三个所述一级弯曲柔性丝和三个所述二级弯曲柔性丝均沿周向均匀分布。
进一步的，一级主驱动模块包括：
外框架；
第一滑轨，设于所述外框架上；
第一滑块，滑动设于所述第一滑轨上，所述一级副驱动模块固设于所述第一滑块上；
第一主丝杠，穿过所述第一滑块，并与第一滑块螺纹连接；
第一主电机，设于所述外框架的端部并与所述第一主丝杠传动连接。
进一步的，一级副驱动模块包括：
一级驱动支架，呈U形设置，并固定在所述第一滑块上，一级弯曲套管的第二端延伸出一级护套的第二端并与所述一级副驱动模块的一级驱动支架固定；
第一副丝杠，设置为三个并转动设于所述一级驱动支架上，所述第一副丝杠与所述一级弯曲柔性丝对应；
第一驱动滑块，设置为与第一副丝杠对应的三个，所述第一驱动滑块与所述第一副丝杠螺纹连接；
第一导向轴，设置为与第一驱动滑块对应的三个，第一导向轴固定在第一驱动支架上，所述第一驱动滑块滑动穿设在对应的第一导向轴上并与对应的一级弯曲柔性丝连接；
第一副电机，固设于所述一级驱动支架上，所述第一副电机设置为三个并逐一与对应的第一副丝杠传动连接；
所述一级护套的端面与所述一级驱动支架固定连接。
进一步的，二级主驱动模块包括：
第二滑轨，与所述第一滑轨并排设于所述外框架上；
第二滑块，滑动设于所述第二滑轨上，所述二级副驱动模块固设于所述第二滑块上；
第二主丝杠，穿过所述第二滑块，并与第二滑块螺纹连接；
第二主电机，设于所述外框架的端部并与所述第二主丝杠传动连接。
进一步的，二级副驱动模块包括：
二级驱动支架，呈U形设置，并固定在所述第二滑块上，二级弯曲套管的第二端延伸出二级护套的第二端并与所述二级副驱动模块的二级驱动支架固定；
二级护套的端部穿过一级护套和一级驱动支架后固定在所述二级驱动支架上。
第二副丝杠，设置为三个并转动设于所述二级驱动支架上，所述第二副丝杠与所述二级弯曲柔性丝对应；
第二驱动滑块，设置为与第二副丝杠对应的三个，所述第二驱动滑块与所述第二副丝杠螺纹连接；
第二导向轴，设置为与第二驱动滑块对应的三个，第二导向轴固定在第二驱动支架上，所述第二驱动滑块滑动穿设在对应的第二导向轴上并与对应的二级弯曲柔性丝连接；
第二副电机，固设于所述二级驱动支架上，所述第二副电机设置为三个并逐一与对应的第二副丝杠传动连接。
在本申请实施例中，通过设置手术执行器和驱动系统；其中，所述手术执行器包括一级柔性臂和二级柔性臂，所述二级柔性臂滑动穿设在所述一级柔性臂内，所述一级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的一级活动端，所述二级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的二级活动端；所述驱动系统包括一级驱动模块和二级驱动模块，所述一级驱动模块包括用于带动所述一级柔性臂移动的一级主驱动模块和用于带动一级活动端轴向移动和弯曲的一级副驱动模块；所述二级驱动模块包括用于带动所述二级柔性臂移动的二级主驱动模块和用于带动二级活动端轴向移动和弯曲的二级副驱动模块，达到了在一级柔性臂无法进入的狭窄腔道时，可控制二级驱动模块带动二级柔性臂在腔道狭窄位置进行移动的目的，从而实现了更适应于人体自然腔道环境，对于腔道狭窄位置依然可深入操作的技术效果，进而解决了相关技术中支气管含有多级解剖结构，部分支气管的腔道内径狭窄，使得单一的手术器械难以到达深层病灶的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的结构示意图；
图2是根据本申请实施例中手术执行器的结构示意图；
图3是根据本申请实施例中二级柔性臂的结构示意图；
图4是根据本申请实施例中一级腕关节连接件的结构示意图；
图5是根据本申请实施例中驱动系统的结构示意图；
图6是根据本申请实施例中一级副驱动模块的结构示意图；
图7是根据本申请实施例中外框架的结构示意图；
图8是根据本申请实施例中一种使用状态的结构示意图；
图9是根据本申请实施例中另一种使用状态的结构示意图；
其中，1手术执行器，2驱动系统，3二级活动端，31二级腕关节法兰，4二级柔性臂，41二级护套，42二级弯曲套管，43二级弯曲柔性丝，44二级光纤传感器，45采样针，46二级摄像头，47二级光源，48二级腕关节连接件，5一级活动端，51一级腕关节法兰，6一级柔性臂，61一级腕关节连接件，62一级护套，63一级弯曲套管，64一级弯曲柔性丝，65一级光源，66一级光纤传感器，67一级摄像头，68工作通道，69一级光源安装部，70一级弯曲柔性丝安装部，71一级摄像头安装部，72一级光纤传感器安装部，8一级副驱动模块，81一级驱动支架，82第一副电机，83第一导向轴，84第一副丝杠，85第一驱动滑块，9二级副驱动模块，91二级驱动支架，92第二副电机，10一级主驱动模块，101第一主丝杠，102第一滑轨，103第一滑块，104外框架，105第一内过渡管，11二级主驱动模块，110第二主丝杠，111第二滑轨，112第二滑块。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1至图9所示，本申请实施例提供了一种面向人体自然腔道的柔性手术机器人，该面向人体自然腔道的柔性手术机器人包括：手术执行器1和驱动系统2；其中，
手术执行器1包括一级柔性臂6和二级柔性臂4，二级柔性臂4滑动穿设在一级柔性臂6内，一级柔性臂6包括可轴向移动和弯曲的一级活动端5，二级柔性臂4包括可轴向移动和弯曲的二级活动端3，二级柔性臂4内设置有工作通道68；
驱动系统2包括一级驱动模块和二级驱动模块，一级驱动模块包括用于带动一级柔性臂6移动的一级主驱动模块10和用于带动一级活动端5轴向移动和弯曲的一级副驱动模块8；
二级驱动模块包括用于带动二级柔性臂4移动的二级主驱动模块11和用于带动二级活动端3轴向移动和弯曲的二级副驱动模块9。
本实施例中，一级柔性臂6和二级柔性臂4的结构类似，二级柔性臂4的直径小于一级柔性臂6，以使其可在一级柔性臂6内移动，一级柔性臂6和二级柔性臂4均为柔性结构，以适应于人体腔道复杂的环境。由于二级柔性臂4穿设在一级柔性臂6内，因此一级柔性臂6内具有用于二级柔性臂4移动的工作通道68，若病患部位处在自然腔道尺寸相对较大的环境中，如一级、二级支气管。首先将一级柔性臂6置于患者自然腔道内，末端朝向病患部位，控制一级主驱动模块10带动一级柔性臂6在腔道内整体移动，当自然腔道出现转弯的时候可以根据相应的弯道方向控制一级副驱动模块8带动一级活动端5弯曲。当到达病患部位的时候，采样针45等手术器械通过一级柔性臂6中的工作通道68进入，完成手术操作。
若病患部位处在自然腔道尺寸相对较小的环境中，如五级、六级支气管，该情况下一级柔性臂6无法进入。因此可首先让一级柔性臂6进入到其能够到达的最小自然腔道处，将二级柔性臂4从一级柔性臂6的工作通道68内进入，此时，一级柔性臂6与二级柔性臂4组成多级耦合的手术器械，可控制二级主驱动模块11带动二级柔性臂4穿过一级柔性臂6进入狭窄腔道，此时一级柔性臂6的弯曲不会影响二级柔性臂4的弯曲，当自然腔道出现转弯的时候，可根据相应的弯道方向控制二级副驱动模块9带动二级活动端3弯曲。由于二级柔性臂4和一级柔性臂6的结构类似，因此二级柔性臂4内也设置工作通道68，当到达病患部位的时候，采样针45等手术器械通过二级柔性臂4中的工作通道68进入，完成手术操作。
本实施例达到了在一级柔性臂6无法进入的狭窄腔道时，可控制二级驱动模块带动二级柔性臂4在腔道狭窄位置进行移动的目的，从而实现了更适应于人体自然腔道环境，对于腔道狭窄位置依然可深入操作的技术效果，进而解决了相关技术中支气管含有多级解剖结构，部分支气管的腔道内径狭窄，使得单一的手术器械难以到达深层病灶的问题。
如图1至图9所示，一级柔性臂6包括：
一级护套62，一级护套62为柔性结构，一级护套62与一级主驱动模块10传动连接；
一级腕关节连接件61，固设于一级护套62的第一端；
一级弯曲套管63，设置为三个，一级弯曲套管63穿设在一级护套62内，一级弯曲套管63的第一端穿过一级护套62并与一级腕关节连接件61固定连接，一级弯曲套管63的第二端延伸出一级护套62的第二端并与一级副驱动模块8的一级驱动支架81固定；二级柔性臂4依次穿过一级护套62和一级腕关节连接件61；
一级弯曲柔性丝64，设置为三个并逐一穿设在一级护套62内，一级弯曲柔性丝64的第一端与一级副驱动模块8传动连接，第二端穿过一级腕关节连接件61；
一级活动端5包括一级腕关节法兰51，一级弯曲柔性丝64的第二端穿过一级腕关节连接件61后与一级腕关节法兰51连接。
具体的，需要说明的是，一级护套62呈中空设置，一级护套62可起到对穿设在其内部的一级弯曲套管63和一级弯曲柔性丝64起到保护的作用，一级护套62用于与腔道直接接触，具有良好的柔顺性。可通过控制一级主驱动模块10动作带动一级护套62移动，即可带动一级柔性臂6整体移动，实现柔性臂整体移动。
一级弯曲套管63为一种柔性套管，用于辅助一级弯曲柔性丝64传递动力，一级腕关节连接件61固定在一级护套62的端部，腕关节连接件是侧壁带有个通孔，一端带有三处凹槽的管状结构，用于固定3个一级弯曲套管63和一级护套62，腕关节法兰是侧壁带有六个通孔的管状结构，可实现弯曲和轴向移动功能。通过一级副驱动模块8逐一带动一级弯曲柔性丝64动作，从而控制一级腕关节法兰51的移动和弯曲，具体的，可带动三个一级弯曲柔性丝64同步前后移动，从而带动一级腕关节法兰51前后移动，当其中一个一级弯曲柔性丝64为拉动，另外两个为推动时，一级腕关节法兰51将产生指向拉动方向弯曲运动，实现柔性臂局部移动。
由于相关技术中，在执行活检等精细手术操作时，柔性机构往往难以保证足够的精度和操作力。目前存在的矛盾是，在人体自然腔道的复杂空间手术环境下，通过设计单一刚性机构或柔性机构难以使机械臂同时满足深层次、精准、灵活和安全的手术操作。因此，通过术中刚度实时可调的模块化多级耦合并联机构可解决以上问题。通过模块化的多级并联机构到达深层次解剖结构的同时，让手术器械的刚度在术中实时可调以满足灵活性和精准性的手术需求，更适合临床手术操作环境。
因此，本实施例中由于一级腕关节连接件61的一端与3个一级弯曲套管63相连接，3个一级弯曲套管63与一级副驱动模块8的一级驱动支架81固定相连接。当同时拉动三个一级弯曲柔性丝64使一级腕关节法兰51与一级腕关节连接件61紧贴，此时一级腕关节连接件61具有推动3个一级弯曲套管63的趋势，而3个一级弯曲套管63的另一侧被一级驱动支架81顶着，因此3个一级弯曲套管63会被绷紧，使得柔性臂刚度增加。当3个一级弯曲套管63同时推动时，3个一级弯曲套管63处于放松状态，柔性臂刚度降低，具有柔顺性，实现柔性臂变刚度。
如图1至图9所示，还包括一级光源65、一级摄像头67和一级光纤传感器66，一级光源65、一级摄像头67和一级光纤传感器66穿过一级腕关节连接件61和一级腕关节法兰51后可拆卸的固定在一级腕关节法兰51上。
具体的，需要说明的是，一级摄像头67和一级光源65是一种市购普通内镜摄像头及光源，具有实时照明和采集视频信息的功能，用于获得柔性执行机构及操作目标的影像信息，采样针45是市购普通医用穿刺针，用于对病变组织进行穿刺操作；光纤传感器是普通市购光纤传感器，用来获取病变组织的生理信息，穿设在一级腕关节连接件61和一级腕关节上的光纤传感器设置为4个并分布在两侧，一级摄像头67和一级光源65设于上部。
一级腕关节连接件61上具有一级摄像头67安装部、一级光源65安装部、三个呈三角形分布的一级弯曲柔性丝64安装部、四个光纤传感器安装部。
如图1至图9所示，二级柔性臂4包括：
二级护套41，滑动套设在一级护套62、一级腕关节连接件61和一级腕关节法兰51内，二级护套41为柔性结构，二级护套41与二级主驱动模块11传动连接；
二级腕关节连接件48，固设于二级护套41的第一端；
二级弯曲套管42，设置为三个，二级弯曲套管42的第一端穿过二级护套41并与二级腕关节连接件48固定连接，二级弯曲套管42的第二端延伸出二级护套41的第二端并与二级副驱动模块9的二级驱动支架91固定；
二级弯曲柔性丝43，设置为三个并逐一穿设在二级护套41内，二级弯曲柔性丝43的第一端与二级副驱动模块9传动连接，第二端穿过二级腕关节连接件48；
二级活动端3包括二级腕关节法兰31，二级弯曲柔性丝43的第二端穿过二级腕关节连接件48后与二级腕关节法兰31连接。
还包括二级光源47、二级摄像头46和二级光纤传感器44，二级光源47、二级摄像头46和二级光纤传感器44穿过二级腕关节连接件48和二级腕关节法兰31后可拆卸的固定在二级腕关节法兰31上。
本实施例中，二级光源47和二级摄像头46与一级光源65和一级摄像头67结构类似，二者仅是安装位置不同，由于具有不同的安装位置，因此可在不同的条件下进行使用。例如，病患部位处在自然腔道尺寸相对较大的环境中，如一级、二级支气管，此时使用一级柔性臂6即可满足需求，由于二级柔性臂4不需要单独使用，因此二级光源47和二级摄像头46可不安装在二级柔性臂4上，仅将一级光源65和一级摄像头67安装在一级柔性臂6上即可。
对于病患部位处在自然腔道尺寸相对较小的环境中，则需要单独使用到二级柔性臂4，因此可选择不将一级光源65和一级摄像头67安装在一级柔性臂6上，仅选择将二级光源47和二级摄像头46安装在二级柔性臂4上即可。还包括采样针45，采样针45穿过二级腕关节连接件48和二级腕关节法兰31。
具体的，需要说明的是，二级柔性臂4中的二级护套41穿设在一级柔性臂6的工作通道68内二级柔性臂4的结构和工作原理与一级柔性臂6相同，因此二级柔性臂4也具有整体位移、局部位移和变刚度的优点，对于其具体工作过程和原理可参考一级柔性臂6的描述，此处不再赘述。
如图1至图9所示，三个一级弯曲柔性丝64和三个二级弯曲柔性丝43均沿周向均匀分布，便于控制一级腕关节和二级腕关节的弯曲和移动。
进一步的，一级主驱动模块10包括：
外框架104；
第一滑轨102，设于外框架104上；
第一滑块103，滑动设于第一滑轨102上，一级副驱动模块8固设于第一滑块103上；
第一主丝杠101，穿过第一滑块103，并与第一滑块103螺纹连接；
第一主电机，设于外框架104的端部并与第一主丝杠101传动连接，第一主电机可通过联轴器与第一主丝杠101连接。
具体的，需要说明的是，通过控制第一主电动机带动第一主丝杠101旋转，从而带动与其螺纹连接的第一滑块103沿第一滑轨102实现直线位移，从而带动一级副驱动模块8整体实现直线位移，即控制一级柔性臂6整体移动。
如图1至图9所示，一级副驱动模块8包括：
一级驱动支架81，呈U形设置，并固定在第一滑块103上，一级弯曲套管63的第二端延伸出一级护套62的第二端并与一级副驱动模块8的一级驱动支架81固定；
第一副丝杠84，设置为三个并转动设于一级驱动支架81上，第一副丝杠84与一级弯曲柔性丝64对应；
第一驱动滑块85，设置为与第一副丝杠84对应的三个，第一驱动滑块85与第一副丝杠84螺纹连接；
第一导向轴83，设置为与第一驱动滑块85对应的三个，第一导向轴83固定在第一驱动支架上，第一驱动滑块85滑动穿设在对应的第一导向轴83上并与对应的一级弯曲柔性丝64连接；
第一副电机82，固设于一级驱动支架81上，第一副电机82设置为三个并逐一与对应的第一副丝杠84传动连接，第一副电机82可通过联轴器与对应的第一副丝杠84连接；
一级护套62的端部滑动穿过外框架104的端部固定在一级驱动支架81上，由一级驱动支架81的移动带动一级护套62移动。
具体的，需要说明的是，一级副驱动模块8为单独的直线位移机构，当一级副驱动模块8直线移动时可通过推动或拉动一级柔性臂6整体移动。通过控制第一副电机82旋转带动与其传动连接的第一副丝杠84旋转，从而带动与其螺纹连接的第一驱动滑块85移动，由于第一驱动滑块85的旋转运动被第一导向轴83限制，因此可使第一驱动滑块85仅做直线位移，从而带动与第一驱动滑块85连接的一级弯曲柔性丝64拉动或推动，实现对一级腕关节的控制。为减小第一驱动滑块85的占用空间，第一驱动滑块85设置为扇形。
如图1至图9所示，二级主驱动模块11包括：
第二滑轨111，与第一滑轨102并排设于外框架104上；
第二滑块112，滑动设于第二滑轨111上，二级副驱动模块9固设于第二滑块112上；
第二主丝杠110，穿过第二滑块112，并与第二滑块112螺纹连接；
第二主电机，设于外框架104的端部并与第二主丝杠110传动连接。
如图1至图9所示，二级副驱动模块9包括：
二级驱动支架91，呈U形设置，并固定在第二滑块112上，二级弯曲套管42的第二端延伸出二级护套41的第二端并与二级副驱动模块9的二级驱动支架91固定；
第二副丝杠，设置为三个并转动设于二级驱动支架91上，第二副丝杠与二级弯曲柔性丝43对应；
第二驱动滑块，设置为与第二副丝杠对应的三个，第二驱动滑块与第二副丝杠螺纹连接；
第二导向轴，设置为与第二驱动滑块对应的三个，第二导向轴固定在第二驱动支架上，第二驱动滑块滑动穿设在对应的第二导向轴上并与对应的二级弯曲柔性丝43连接；
第二副电机92，固设于二级驱动支架91上，第二副电机92设置为三个并逐一与对应的第二副丝杠传动连接；
二级护套41的端部穿过一级护套62和一级驱动支架81后固定在所述二级驱动支架91上，通过二级主驱动模块11带动二级驱动支架91的移动，从而带动二级护套41移动，即可带动二级柔性臂4整体移动。
本实施例中二级主驱动模块11和二级副驱动模块9的结构和工作过程与一级主驱动模块10和一级副驱动模块8类似，区别在于二级主驱动模块11用于带动二级柔性臂实现整体移动，二级副驱动模块9则用于带动二级柔性臂实现局部移动和变刚度。
外框架104的端部还设置有第一过渡管105，第一过渡管105具有一定的刚度，一级护套62穿过第一过渡管105后再与一级驱动支架81连接。一级驱动支架81上设置有用于二级护套41穿过的通孔，以使二级护套41在穿过一级护套62后可通过通孔延伸至与二级驱动支架91连接。
第一过渡管105在本实施例中起限制柔性臂(包括一级柔性臂4和二级柔性臂6)移动的作用。比如进行肺结节穿刺的时候，柔性臂伸到肺支气管里面，但因为柔性臂是柔软的，直接推动的话柔性臂会弯曲，前进不了。而第一过渡管105就是包裹住柔性护套，一端固定在外框架上，一端只停留在嘴巴处，并没有进去，这样推动柔性臂的时候就能保证柔性臂是能够前进的，而不会弯曲。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，包括：手术执行器和驱动系统；其中，
所述手术执行器包括一级柔性臂和二级柔性臂，所述二级柔性臂滑动穿设在所述一级柔性臂内，所述一级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的一级活动端，所述二级柔性臂包括可轴向移动和弯曲的二级活动端，二级柔性臂内设置有工作通道；
所述驱动系统包括一级驱动模块和二级驱动模块，所述一级驱动模块包括用于带动所述一级柔性臂移动的一级主驱动模块和用于带动一级活动端轴向移动和弯曲的一级副驱动模块；
所述二级驱动模块包括用于带动所述二级柔性臂移动的二级主驱动模块和用于带动二级活动端轴向移动和弯曲的二级副驱动模块。
2.根据权利要求1所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，所述一级柔性臂包括：
一级护套，所述一级护套为柔性结构，一级护套与所述一级主驱动模块传动连接；
一级腕关节连接件，固设于所述一级护套的第一端；
一级弯曲套管，设置为三个，所述一级弯曲套管穿设在所述一级护套内，一级弯曲套管的第一端穿过所述一级护套的第一端并与所述一级腕关节连接件固定连接；所述二级柔性臂依次穿过所述一级护套和一级腕关节连接件；
一级弯曲柔性丝，设置为三个并逐一穿设在所述一级护套内，所述一级弯曲柔性丝的第一端与所述一级副驱动模块传动连接，第二端穿过所述一级腕关节连接件；
所述一级活动端包括一级腕关节法兰，所述一级弯曲柔性丝的第二端穿过所述一级腕关节连接件后与所述一级腕关节法兰连接。
3.根据权利要求2所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，还包括一级光源、一级摄像头和一级光纤传感器，所述一级光源、一级摄像头和一级光纤传感器穿过所述一级腕关节连接件和一级腕关节法兰后可拆卸的固定在所述一级腕关节法兰上。
4.根据权利要求2所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，所述二级柔性臂包括：
二级护套，滑动套设在所述一级护套、一级腕关节连接件和一级腕关节法兰内，二级护套为柔性结构，二级护套与所述二级主驱动模块传动连接；
二级腕关节连接件，固设于所述二级护套的第一端；
二级弯曲套管，设置为三个，所述二级弯曲套管穿设在所述二级护套内，二级弯曲套管的第一端穿过所述二级护套并与所述二级腕关节连接件固定连接；
二级弯曲柔性丝，设置为三个并逐一穿设在所述二级护套内，所述二级弯曲柔性丝的第一端与所述二级副驱动模块传动连接，第二端穿过所述二级腕关节连接件；
所述二级活动端包括二级腕关节法兰，所述二级弯曲柔性丝的第二端穿过所述二级腕关节连接件后与所述二级腕关节法兰连接。
5.根据权利要求4所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，还包括二级光源、二级摄像头和二级光纤传感器，所述二级光源、二级摄像头和二级光纤传感器穿过所述二级腕关节连接件和二级腕关节法兰后可拆卸的固定在所述二级腕关节法兰上。
6.根据权利要求5所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，还包括采样针，所述采样针穿过所述二级腕关节连接件和二级腕关节法兰。
7.根据权利要求2或3所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，所述一级主驱动模块包括：
外框架；
第一滑轨，设于所述外框架上；
第一滑块，滑动设于所述第一滑轨上，所述一级副驱动模块固设于所述第一滑块上；
第一主丝杠，穿过所述第一滑块，并与第一滑块螺纹连接；
第一主电机，设于所述外框架的端部并与所述第一主丝杠传动连接。
8.根据权利要求7所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，所述一级副驱动模块包括：
一级驱动支架，呈U形设置，并固定在所述第一滑块上，一级弯曲套管的第二端延伸出一级护套的第二端并与所述一级副驱动模块的一级驱动支架固定；
第一副丝杠，设置为三个并转动设于所述一级驱动支架上，所述第一副丝杠与所述一级弯曲柔性丝对应；
第一驱动滑块，设置为与第一副丝杠对应的三个，所述第一驱动滑块与所述第一副丝杠螺纹连接；
第一导向轴，设置为与第一驱动滑块对应的三个，第一导向轴固定在第一驱动支架上，所述第一驱动滑块滑动穿设在对应的第一导向轴上并与对应的一级弯曲柔性丝连接；
第一副电机，固设于所述一级驱动支架上，所述第一副电机设置为三个并逐一与对应的第一副丝杠传动连接；
所述一级护套的端部固定在所述一级驱动支架上。
9.根据权利要求8所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，所述二级主驱动模块包括：
第二滑轨，与所述第一滑轨并排设于所述外框架上；
第二滑块，滑动设于所述第二滑轨上，所述二级副驱动模块固设于所述第二滑块上；
第二主丝杠，穿过所述第二滑块，并与第二滑块螺纹连接；
第二主电机，设于所述外框架的端部并与所述第二主丝杠传动连接。
10.根据权利要求9所述的面向人体自然腔道的柔性手术机器人，其特征在于，所述二级副驱动模块包括：
二级驱动支架，呈U形设置，并固定在所述第二滑块上，二级弯曲套管的第二端延伸出二级护套的第二端并与所述二级副驱动模块的二级驱动支架固定；
第二副丝杠，设置为三个并转动设于所述二级驱动支架上，所述第二副丝杠与所述二级弯曲柔性丝对应；
第二驱动滑块，设置为与第二副丝杠对应的三个，所述第二驱动滑块与所述第二副丝杠螺纹连接；
第二导向轴，设置为与第二驱动滑块对应的三个，第二导向轴固定在第二驱动支架上，所述第二驱动滑块滑动穿设在对应的第二导向轴上并与对应的二级弯曲柔性丝连接；
第二副电机，固设于所述二级驱动支架上，所述第二副电机设置为三个并逐一与对应的第二副丝杠传动连接；
所述二级护套的端部穿过一级护套和一级驱动支架后固定在所述二级驱动支架上。
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|---|---|---|---|
| CN202110754557.4A CN113598949A (zh) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | 面向人体自然腔道的柔性手术机器人 |
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