CN113729970B - 手术机器人、手术器械和力传递装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人、手术器械和力传递装置，手术机器人包括机械臂、动力系统和力传递装置，动力系统设置在机械臂上并与力传递装置传动连接，手术器械包括伸缩杆、末端执行器和力传递装置，伸缩杆近端连接力传递装置，力传递装置用于驱动伸缩杆平移，以致动末端执行器运动；力传递装置包括驱动模块、力传递模块和致动模块；力传递模块与驱动模块连接，并能够在驱动模块的驱动下执行预定运动；致动模块与力传递模块连接，并能够在力传递模块的驱动下执行目标运动，且致动模块用于与手术器械刚性接触，并用于致动手术器械的伸缩杆平移。本发明能够提高力传递效率，改善运动控制精度，并简化力传递结构，降低力传递的装配和制造难度。

Description

手术机器人、手术器械和力传递装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人、手术器械和力传递装置。

背景技术

微创伤手术与传统的开放切口外科手术相比，具有更少的患者创伤、更少的失血以及更快的恢复时间，因此成为广泛应用的手术方式。而目前微创伤手术通常由远程操作的外科手术系统(例如，至少部分地利用计算机辅助来操作外科手术器械的系统，诸如利用机器人技术进行操作的器械)来执行。与手动微创伤手术相比，远程操作的外科手术系统允许外科医生以更直观的控制和更高的精度实现手术操作，手术成功率和手术效率更高。为了执行由外科医生指导的动作，可以使用一个或多个致动元件来移动外科手术器械。常规外科手术器械包括用于以多于一个自由度来移动外科手术器械的驱动系统，该驱动系统可以致动手术器械的伸缩杆平移，进而由伸缩杆的平移致动手术器械末端的执行器开合。但是在现有的平移驱动方式中，大多通过丝传动来实现，存在运动控制精度低，力传递效率低，传动结构复杂，装配和制造难度大等问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种手术机器人、手术器械和力传递装置，能够提高运动控制精度和力传递效率，并简化力传递结构，降低装配和制造难度。

为实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种力传递装置，用于手术器械，包括：

驱动模块；

力传递模块，与所述驱动模块连接，并能够在所述驱动模块的驱动下执行预定运动；以及，

致动模块，与所述力传递模块连接，并能够在所述力传递模块的驱动下执行目标运动，且所述致动模块用于与所述手术器械刚性接触，并用于致动所述手术器械的伸缩杆沿第一方向平移。

可选地，所述驱动模块包括相连接的驱动轴和移动件，所述驱动轴能够自转，以驱动所述移动件移动；所述力传递模块与所述移动件连接，并能够在所述移动件的驱动下执行所述预定运动，所述预定运动包括移动或转动，且所述第一方向平行于所述驱动轴的自转轴线。

可选地，所述驱动轴与所述移动件刚性接触或柔性接触，所述力传递模块与所述移动件柔性接触或刚性接触，所述力传递模块与所述致动模块刚性接触。

可选地，所述目标运动包括以下运动中的一种：

沿第一方向的平移；

绕第二方向的摆动和沿第一方向的平移，绕第二方向的所述摆动能够致动沿第一方向的所述平移；

绕第一方向的开合；以及，

绕第二方向的转动；

其中，所述第二方向和所述第一方向垂直。

可选地，所述目标运动包括沿第一方向的平移；

所述力传递模块能够在所述移动件的驱动下执行沿第一方向的平移，并驱动所述致动模块沿第一方向平移。

可选地，所述驱动轴为丝杠，所述移动件为螺母，所述螺母与所述丝杠配合连接；

所述力传递模块包括传动杆，所述传动杆的一端与所述螺母固定连接，另一端与所述致动模块固定连接；

所述力传递装置被配置为，所述丝杠的旋转运动驱动所述螺母沿第一方向移动，所述螺母驱动所述传动杆沿第一方向移动，所述传动杆驱动所述致动模块沿第一方向平移。

可选地，所述力传递装置还包括器械盒，所述力传递模块还包括限位轴和导向杆；所述传动杆具有限位槽；

所述限位轴的一端固定在所述器械盒的底部上，另一端穿过所述限位槽；所述限位槽能够限制所述传动杆绕第一方向的转动；

所述器械盒的底部上还设置有导向块，所述导向块具有沿第一方向延伸的导向槽；所述导向杆穿过所述传动杆，且所述导向杆的相对两端分别在对应的一个所述导向槽内移动。

可选地，所述导向杆的两端端部分别设置有导向部，所述导向部具有第一导向斜面，且每个所述导向槽具有与所述第一导向斜面配合的第二导向斜面；或者，所述导向杆的两端端部分别设置有轴承，所述轴承与所述导向槽的平面配合以相对于所述平面滑动。

可选地，所述致动模块包括两个致动件；

所述传动杆的另一端设置有容纳槽，所述容纳槽用于容纳所述伸缩杆的近端；两个所述致动件对称设置在所述容纳槽中，两个所述致动件的一端均与所述传动杆固定连接，另一端均轴向限位于所述伸缩杆的近端上；所述伸缩杆能够相对于所述致动模块自转。

可选地，所述目标运动包括绕第二方向的摆动和沿第一方向的平移；

所述力传递模块被配置为，能够在所述移动件的驱动下执行沿第三方向的平移，并驱动所述致动模块绕第二方向摆动和沿第一方向平移；所述第三方向、所述第二方向和所述第一方向相互垂直。

可选地，所述移动件被配置为连杆，所述连杆的一端与所述驱动轴固定连接；所述力传递装置还包括器械盒；

所述力传递模块包括滑块；所述连杆的另一端与所述滑块可滑动地连接；

所述致动模块包括驱动杆和平行四边形结构；所述平行四边形结构包括从动杆和摆动杆；两根所述摆动杆平行设置且一端均与所述从动杆铰接，另一端与所述器械盒的底部铰接；所述驱动杆的一端与所述滑块固定连接，另一端与所述从动杆可滑动地连接；

所述力传递装置被配置为，所述驱动轴的旋转运动通过所述连杆驱动所述滑块沿第三方向平移，所述滑块驱动所述驱动杆沿第三方向平移，所述驱动杆驱动两根所述摆动杆绕第二方向同步摆动，两根所述摆动杆驱动所述从动杆沿第一方向平移。

可选地，所述力传递模块还包括第一插销和第二插销，均固定设置在所述滑块上；所述连杆的所述另一端与所述第一插销可滑动地连接，所述驱动杆的所述一端与所述第二插销固定连接。

可选地，所述致动模块包括两个对称设置的所述平行四边形结构，两个所述平行四边形结构中的两根所述从动杆布置成U形结构并与所述伸缩杆的近端卡接，且所述伸缩杆还能够相对于所述致动模块自转。

可选地，所述目标运动包括绕第一方向的开合；

所述力传递模块被配置为，能够在所述移动件的驱动下执行沿第三方向的平移，并驱动所述致动模块绕第一方向开合；所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互垂直。

可选地，所述移动件被配置为连杆；所述连杆的一端与所述驱动轴固定连接；

所述力传递模块包括滑块，所述滑块的相对两侧分别设置有第一斜面；

所述致动模块包括两个相对布置的旋转臂、第一弹性结构和第二弹性结构；两个所述旋转臂能够绕第一方向开合；两个所述旋转臂之间连接所述第一弹性结构；所述第二弹性结构连接所述伸缩杆的近端；每个所述旋转臂相向的一侧设置有第二斜面和第三斜面，所述第二斜面和所述第三斜面分别设置在所述旋转臂的两端；

所述连杆的另一端与所述滑块可滑动地连接；所述滑块的相对两侧的第一斜面与两个所述旋转臂的第二斜面配合；两个所述旋转臂的第三斜面与所述伸缩杆上的斜面配合；

所述力传递装置被配置为，所述驱动轴的旋转运动通过所述连杆驱动所述滑块沿第三方向平移，所述滑块驱动两个所述旋转臂绕第一方向相向或背向旋转以实现开合。

可选地，所述致动模块还包括旋转轴，两个所述旋转臂能够绕所述旋转轴转动。

可选地，所述目标运动包括绕第二方向的转动；

所述力传递模块被配置为，能够在所述移动件的驱动下执行绕第二方向的转动，并驱动所述致动模块绕第二方向转动。

可选地，所述移动件包括两根驱动丝；所述力传递模块包括旋转杆；

两根所述驱动丝的一端均固定在所述驱动轴上，另一端均固定在所述旋转杆上，两根所述驱动丝以相反的方向缠绕在所述驱动轴上；

所述力传递装置被配置为，所述驱动轴的旋转运动通过两根所述驱动丝驱动所述旋转杆绕第二方向转动。

可选地，所述力传递模块还包括转轴，所述旋转杆的一端可转动地套设在所述转轴上，所述转轴的轴线与第二方向一致。

可选地，所述力传递装置还包括若干导向轮，两根所述驱动丝分别通过不同的导向轮进行导向。

可选地，所述力传递装置还包括器械盒，所述驱动模块、所述力传递模块和所述致动模块均设置在所述器械盒内。

为实现上述目的，根据本发明的第二个方面，提供一种手术器械，包括伸缩杆、末端执行器以及任一项所述的力传递装置，所述伸缩杆的末端连接所述末端执行器，所述伸缩杆的近端连接所述力传递装置，所述力传递装置用于驱动所述伸缩杆平移，以致动所述末端执行器运动。

为实现上述目的，根据本发明的第三个方面，提供一种手术机器人，包括机械臂、动力系统以及任一项所述的力传递装置，所述动力系统设置在所述机械臂上并与所述力传递装置传动连接。

上述手术机器人、力传递装置和手术器械中，所述驱动模块驱动力传递模块执行预定运动，最终力传递模块驱动致动模块执行目标运动，且所述致动模块用于与手术器械刚性接触，并用于通过目标运动致动手术器械的伸缩杆平移；该力传递方式的力传递效率高，而且运动控制精度高，同时还能够通过较简单的结构实现，降低装配和制造难度，降低成本。

上述手术机器人、力传递装置和手术器械中，所述驱动模块优选包括相连接的驱动轴和移动件，通过驱动轴的转动转换为移动件的移动，且移动件驱动力传递模块移动或转动，以简化力传递装置的结构。

上述手术机器人、力传递装置和手术器械中，所述驱动轴与所述移动件刚性接触或柔性接触，所述力传递模块与所述移动件柔性接触或刚性接触，所述力传递模块与所述致动模块刚性接触，优选所述驱动轴与所述移动件刚性接触，所述力传递模块与所述移动件刚性接触，所述力传递模块与所述致动模块刚性接触，此时力传递装置中的更多结构之间为刚性接触，且刚性接触的结构为刚性部件，力传递效率更好，运动控制也更为精确，并且相比于丝传动，也可通过更简单的机械结构来实现力的传递，更进一步降低力传递的装配和制造难度。

上述手术机器人、力传递装置和手术器械中，所述驱动模块优选为丝杠螺母组件，不仅结构简单，装配方便，制作工艺难度低，而且可以实现等比传动，力传递效率高，运动控制精确，承载力大。

上述手术机器人、力传递装置和手术器械中，所述力传递模块优选为滑块，所述致动模块优选包括平行四边形结构，使得驱动轴的旋转运动能够转换为滑块的平移运动，进而由滑块的平移驱动平行四边形结构摆动，该力传递方式的传递效率高，而且承载能力强，运动精度可以得到更好的保证。

上述手术机器人、力传递装置和手术器械中，所述致动模块优选包括交叉布置的旋转臂，通过旋转臂的开合来驱动伸缩杆平移，该方式结构更简单，装配也便捷，同时还具有较大的承载力。

上述手术机器人、力传递装置和手术器械中，所述驱动模块优选包括两根驱动丝，所述力传递模块优选包括旋转杆，通过两根驱动丝驱动旋转杆的转动来驱动伸缩杆平移，该力传递方式的结构也简单，装配亦便捷，同时驱动丝具有弹性，使得力传递过程更为平稳。

附图说明

本发明的实施方法以及相关实施例的特征、性质和优势将通过结合下列附图进行描述，其中：

图1为本发明优选实施例的手术机器人系统的从端的结构示意图；

图2为根据本发明优选实施例的力传递装置的动力输入和动力输出的原理图；

图3为本发明第一优选实施例的力传递装置的内部结构示意图；

图4为本发明第一优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图；

图5和图6分别为本发明第一优选实施例的力传递装置的导向杆与导向槽配合的结构示意图；

图7为本发明第一优选实施例的力传递装置的致动模块分别与伸缩杆的近端和传动杆配合的结构示意图；

图8为本发明第二优选实施例的力传递装置的内部结构示意图；

图9为本发明第二优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图；

图10为本发明第二优选实施例的力传递装置的主视结构示意图；

图11为本发明第二优选实施例的力传递装置的致动模块的平行四边形结构与伸缩杆配合的结构示意图；

图12为本发明第三优选实施例的力传递装置的内部结构示意图；

图13为本发明第三优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图；

图14为本发明第三优选实施例致动模块与伸缩杆配合的结构示意图；

图15为图14结构的局部放大图；

图16为本发明第四优选实施例的力传递装置的内部结构示意图；

图17为本发明第四优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图；

图18为本发明第四优选实施例的力传递装置的主视结构示意图。

图中：100-手术机器人；101-机械臂；102-手术台车；

200-手术器械；201-伸缩杆；202-末端执行器；

300-力传递装置；301-丝杠螺母组件；3011-丝杠；3012-螺母；302-传动杆；3021-容纳槽；303-致动件；304-限位轴；305-限位槽；306-导向杆；3061-导向部；3062-轴承；307-旋转组件；3071、3181-驱动轴；3072-连杆；3073-滑动槽；308、313-滑块；309-驱动杆；310-平行四边形结构；3111-从动杆；3112-摆动杆；311-第一插销；312-第二插销；314-旋转臂；315-第一弹性结构；316-第二弹性结构；317-旋转轴；318-丝传动组件；3182-驱动丝；319-旋转杆；320-转轴；321-导向轮；400-器械盒；401-导向块；402-导向槽；403-固定部。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。在本申请中，为了便于理解，使用了“近端”和“远端”等术语，这些术语是指从使用该医疗器械的医生角度来看相对于彼此的元件或动作的相对方位、相对位置、方向。“近端”和“远端”并非是限制性的，但是“近端”或“后端”通常指该构件在正常操作过程中靠近操作者的一端，而“远端”或“末端”或“前端”通常是指远离操作者的一端。如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。

如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“多个”、“若干”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。

本文中，“刚性接触”是指两个连接件之间，当第一个连接件产生位移时，与之相连的第二个连接件产生相对应的位移，但第二个连接件的位移与第一个连接件本身的结构变形不相关，此时，可以理解为，两个连接件都为刚性部件，刚性部件自身结构几乎不产生变形而不损耗力传递的功率；本文中，“柔性接触”是指两个连接件之间，当第一个连接件产生位移时，与之相连的第二个连接件产生一定的位移，但第二个连接件的位移与第一个连接件本身的结构变形相关，也即，第一个连接件本身的结构变形会影响第二个连接件的位移，此时，可以理解为，两个连接件中的至少一个为柔性部件。本文中，“刚性部件”是指结构在外力作用下不产生变形或变形很小；“柔性部件”是相对于“刚性部件”而言的，是指结构在外力作用下产生变形，并在去外力作用后还能够恢复形状。

以下结合附图和优选实施例对本发明做更详细的说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互补充或相互组合。

图1示出了本发明一优选实施例的手术机器人系统的从端的结构。如图1所示，本发明一优选实施例提供一种手术机器人系统，包括相互通信的主端、控制端和从端；所述主端和控制端均未在图中显示；其中所述主端包括操作单元，所述从端包括手术机器人100；所述控制端分别与所述操作单元及手术机器人100通信连接，以根据接收到的所述操作单元的运动信息和预设的主从映射关系，控制手术机器人100运动。例如，所述控制端根据获取的操作单元的移动速度，控制手术机器人100以驱动手术器械移动，并根据获取的操作单元的转动角度或转动速度，控制手术机器人100以驱动手术器械转动。操作者及主端优选与从端位于不同的房间，以实现操作者与患者的物理隔离。主端、从端两者也可分置在不同医院，不同地区，通过远程通信技术通信连接。如此，例如在呼吸道疾病诊断和治疗过程中，操作者在另外一个房间、另一个医院或另外一个城市根据内窥镜采集的图像信息完成所需要的手术操作，而手术机器人100复现操作者的所有动作，由此实现操作者与患者在手术过程中的物理隔离。本发明对控制端所在的位置没有特别的限制，可以设置在主端上或者主端所在的房间，也可以设置在从端上或者从端所在的房间，或者可以设置在独立的房间。

进一步，所述操作单元用于接受位置指令和/或速度指令，并向所述控制端反馈位置信息和/或速度信息。所述控制端用于对所述接收到的位置信息和/或速度信息进行主从映射计算，以分别计算出期望的手术器械末端的位置和/或速度，并据此控制手术机器人100，驱使手术器械按照期望的速度运动和/或运动到期望位置，以使手术器械的末端达到人体中期望的位姿。本申请对手术器械的种类不作限定，可以是执行手术操作的器械，也可以是获取体内图像的内窥镜。

在一示例中，所述操作单元可包括操作手柄，所述操作手柄包括壳体和可相对于壳体运动的操作件。所述操作件用于遥操作手术机器人100运动，即所述控制端根据接收到的所述操作件相对于壳体的运动信息(例如速度、角度等)和预设的主从映射关系，控制手术机器人100运动。所述操作件可以为一个或多个。所述操作件为一个时，具有三个自由度，例如为球铰，用于与手术机器人100的三个关节建立映射关系。所述操作件还可以为两个，即为转动控制件、移动控制件。所述转动控制件包括两个自由度，例如为虎克铰，轨迹球或游戏摇杆，分别与手术机器人100的自转关节、旋转关节建立映射关系。所述移动控制件，与手术机器人100的移动关节建立映射关系。所述操作件还可以为三个，用于分别与手术机器人100的三个关节建立映射关系。

在另一示例中，所述操作单元包括人机交互装置，所述人机交互装置包括各种控件，可以控制手术器械的移动、弯曲、偏转、自转、俯仰、开合等任意一种或多种运动。所述控制端根据所述人机交互装置上各个控件对应的预设的运动信息(例如速度、角度等)和预设的主从映射关系，控制手术机器人100运动。在本实施例中，所述控件可以为实体按键，也可以是虚拟按键。

进一步，所述主端还包括显示单元。所述显示单元与所述控制端通信连接，所述显示单元包括用于显示的主端界面。所述人机交互装置设置于所述主端界面。另外，所述主端界面还可显示手术图像。相应的，所述控制端还包括所述图像信号处理及传输模块，所述图像信号处理及传输模块与内窥镜通信连接，以接收来自所述内窥镜的关于手术环境(例如手术器械，目标病灶、组织器官及其周围组织器官、血管)的图像信号，并对图像信号进行诸如消噪、增锐等图像处理。进一步，所述图像信号处理及传输模块还与所述显示单元通信连接，以使所述显示单元根据处理后的所述图像信号显示图像，从而使得操作者能够基于所述内窥镜捕获的图像信号进行下一步操作。所述从端还包括用于与所述控制端通信连接的辅助显示单元。所述辅助显示单元包括用于显示的从端界面。所述控制端传送的由内窥镜采集的图像信息和/或交互软件提示设置于所述从端界面。所述辅助显示单元设置在手术室，与从端处于一个房间。

参阅图1，本发明的手术机器人100包括机械臂101，机械臂101的末端用于可拆卸地连接手术器械，以驱动手术器械运动，从而调整手术器械的位置和姿态，使手术器械以合适的角度插入人体。手术器械插入人体后，通过机械臂101的摆动和手术器械末端的摆动来实现一定工作空间，以此实现对手术床上的患者的病灶的手术操作。但是本申请对机械臂101的数量不作任何限定，机械臂101的数量应根据手术需要设定，如本实施例中，可通过多个机械臂101分别携带一把手术器械进行手术操作。

一般的，手术机器人100还可包括手术台车102，所有机械臂101设置在手术台车102上。通过手术台车102可实现手术机器人100在手术室内的大范围移动，使手术过程更为方便。

此外，如图2所示，本发明一优选实施例还提供一种力传递装置300，设置在机械臂101的末端，以通过力传递装置300控制手术器械200的末端执行器202的开合。此外，手术机器人100还包括动力系统，设置在机械臂101上，通常设置在机械臂101的末端，由所述动力系统向力传递装置300提供驱动力，所述动力系统一般包括电机组件，由电机的转动驱动力传递装置300运动，且所述动力系统和力传递装置300通过传动接口传动连接，以实现两者间动力的传递。

图2示出了根据本发明优选实施例的力传递装置300的动力输入和动力输出的原理。如图2所示，所述手术器械200具体包括伸缩杆201和末端执行器202；末端执行器202与伸缩杆201的末端连接，末端执行器202包括但不限于能够开合。其中伸缩杆201的近端连接力传递装置300，力传递装置300用于控制伸缩杆201的平移，并通过伸缩杆201的平移致动末端执行器202开合。

本实施例中，力传递装置300具体包括驱动模块、力传递模块和致动模块。所述力传递模块与所述驱动模块连接，并能够在所述驱动模块的驱动下执行预定运动，所述预定运动优选包括移动或转动；所述致动模块与所述力传递模块连接，并能够在所述力传递模块的驱动下执行目标运动，且所述致动模块用于与手术器械刚性接触，并用于致动伸缩杆201沿第一方向平移。在一优选实施例中，所述驱动模块包括相连接的驱动轴和移动件；所述驱动轴能够自转，以驱动所述移动件移动，且所述第一方向平行于所述驱动轴的自转轴线，但第一方向不限于为竖直方向。

在现有技术中，主要通过丝传动来致动手术器械的伸缩杆的移动，而传动丝本身存在一定的弹性，摩擦力也大，并且不能承载较大的力，使得丝传动的力传递效率低，运动控制精度也低。而本发明的力传递装置300至少部分结构之间为刚性接触，如至少致动模块需要与手术器械刚性接触，以提高致动模块与手术器械之间的力传递效率，并使运动控制更为精确，最终提高手术的准确度，缩短手术时间，同时还能够通过较简单的结构实现力传递，降低力传递的装配和制造难度。

此外，在一优选实施例中，所述驱动模块中的移动件与驱动轴之间可以是刚性接触或柔性接触，优选为刚性接触，使力传递效率更高，运动控制更为精确。另外，所述力传递模块与所述移动件之间可以是柔性接触或刚性接触，优选为刚性接触，使力传递效率更高，运动控制更为精确。再者，所述力传递模块与所述致动模块之间优选刚性接触。这些实施方式之间可以任意的组合。而且通过更多结构之间的刚性接触，力传递效率将更高，运动控制也更精确。

在一优选实施例中，所述驱动模块中的移动件与驱动轴之间为刚性接触，所述力传递模块与所述移动件之间为刚性接触，所述力传递模块与所述致动模块之间为刚性接触，此时，力传递装置300中的所有结构之间为刚性接触而无任何的柔性接触，力传递效率更好，运动控制也更为精确，并且相比于柔性传动，也可通过更简单的机械结构来实现力的传递，更进一步降低力传递的装配和制造难度。

另外，本发明一优选实施例还提供一种手术器械200，除包括以上伸缩杆201和末端执行器202外，还包括力传递装置300，该力传递装置300用于驱动伸缩杆201平移，以致动末端执行器202运动，末端执行器202的运动不限于为开合运动。

接下去对本发明提出的力传递装置300控制伸缩杆201平移的优选方式作进一步的说明。且以下描述中，以驱动模块包括驱动轴和移动件作为示意进行说明，但并不以此限定本申请中驱动模块的结构。

<第一实施例>

图3示出了本发明第一优选实施例的力传递装置的内部结构示意图，图4示出了本发明第一优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图。

在本发明第一优选实施例中，提供一种力传递装置，其中致动模块的目标运动包括沿第一方向的平移，且所述力传递模块能够在所述移动件的驱动下执行沿第一方向的平移，并驱动所述致动模块沿第一方向平移，最终驱动伸缩杆201沿第一方向平移。该方式中，力传递装置整体都为刚性接触，也即力传递装置整体为刚性部件，使得驱动轴与手术器械之间功率的传递损耗小，力传递效率高，运动控制更精确，而且力传递的结构较简单，结构上更容易装配和制造。

所需理解，本申请对力传递模块能够在移动件的驱动下执行沿第一方向的平移，并驱动致动模块沿第一方向平移的具体实现方式不作特别的限定。以下描述中，驱动模块除为丝杆螺母组件外，还可以是其他能够将旋转运动转换为直线移动的结构，如齿轮齿条系统传动、涡轮蜗杆系统传动等，也就是说，本领域的技术人员在本申请公开内容的基础上应当知晓如何实现驱动模块。

如图3和图4所示，在一具体实施例中，所述驱动模块包括丝杆螺母组件301，其中丝杆螺母组件301的丝杠3011即为驱动轴，丝杆螺母组件301的螺母3012为移动件，螺母3012与丝杠3011配合连接。所述力传递模块包括传动杆302，所述致动模块包括致动件303。传动杆302的一端与螺母3012固定连接，另一端与致动件303固定连接。致动件303与伸缩杆201的近端刚性接触即致动件303为刚性部件，而伸缩杆201可以是刚性部件或柔性部件，如伸缩杆201可以是软轴。本申请对传动杆302与螺母3012以及致动件303之间固定连接的方式不作特别的限定。本实施例中，传动杆302的一端与螺母3012通过螺钉抱紧固定。

在具体使用时，本实施例的力传递装置被配置为：由丝杠3011接收动力系统所输出的驱动力，使丝杠3011如箭头a1所示做自转运动，丝杠3011的自转轴线与第一方向b1平行；在丝杠301的驱动下，螺母3012沿第一方向b1移动，第一方向b1可以理解为包括往复运动；同时在螺母3012的驱动下，传动杆302同步沿第一方向b1移动，并带动致动件303和伸缩杆201沿第一方向b1平移，最终伸缩杆201的平移致动末端执行器202如箭头a2所示做开合运动。

优选的，所述力传递装置还包括器械盒400，所述驱动模块、力传递模块和致动模块均设置在器械盒400内。该器械盒400可拆卸地设置在机械臂101的末端。且为便于理解，图中仅显示了器械盒400的底座，但器械盒400的结构为现有技术，本领域的技术人员应当知晓如何获取完整的器械盒400。

优选的，所述力传递模块还包括限位结构，用于限制传动杆302随螺母3012做旋转运动。更优选的，所述限位结构包括限位轴304和限位槽305，限位轴304的一端固定在器械盒400的底部(即底座)上，另一端穿过限位槽305；限位槽305能够限制传动杆302绕第一方向b1的转动。本申请对限位槽305的形状不加限制，例如不限于图示的腰形孔。

优选的，所述力传递模块还包括导向杆306，用于对传动杆302的移动方向进行导向，以确保运动精度。导向杆306的数量通常为两根，沿第一方向b1间隔布置。此外，器械盒400的底部上还设置有导向块401，所述导向块401具有沿第一方向延伸的导向槽402；导向杆306穿过传动杆302，且导向杆306的相对两端分别在对应的一个导向槽402内移动。

如图5所示，在一示例中，导向杆306的两端端部分别设置有带第一导向斜面的导向部3061，且每个导向槽402具有与第一导向斜面配合的第二导向斜面。因此，导向杆306通过斜面进行导向，以降低运动阻力。

如图6所示，在另一示例中，导向杆306的两端端部分别设置有轴承3062，如滚动轴承、滑动轴承，且所述轴承3062与导向槽402的平面配合即可，从而轴承3062相对平面滑动，以减小运动阻力。

如图7所示，并结合图4，在一具体实施例中，所述致动模块包括两个致动件303，传动杆302的另一端设置有容纳槽3021，所述容纳槽3021用于容纳伸缩杆201的近端；两个致动件303对称设置在容纳槽3021中，两个致动件303的一端均与传动杆302固定连接，另一端均轴向限位于伸缩杆201的近端上并实现刚性接触，但伸缩杆201能够相对于所述致动模块自转，也即致动件303仅与伸缩杆201在轴向上保持相对静止，但致动件303不限制伸缩杆201的自转运动。本实施例中，伸缩杆201的近端形成有环形凹槽(未标注)，致动件303的一端卡入环形凹槽内连接。但是致动件303的形状不限定，如致动件303可选为圆柱体结构。因此，环形凹槽的设置，既可以允许致动件303带动伸缩杆201平移，又使致动件303不干涉伸缩杆201的自转运动。

本实施例中，通过丝杠螺母组件301和传动杆302实现力的传递，结构简单，装配方便，制作工艺难度低，而且可以实现等比传动，力传递效率高，运动控制精确，而且承载力大。

<第二实施例>

图8示出了本发明第二优选实施例的力传递装置的内部结构示意图，图9示出了本发明第二优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图，图10示出了本发明第二优选实施例的力传递装置的主视结构示意图。

在本发明第二优选实施例中，提供一种力传递装置，其中致动模块的目标运动包括绕第二方向的摆动和沿第一方向的平移，绕第二方向的所述摆动能够致动沿第一方向的所述平移，且所述力传递模块能够在所述移动件的驱动下执行沿第三方向的平移，并驱动所述致动模块绕第二方向摆动和沿第一方向平移；所述第三方向、所述第二方向和所述第一方向相互垂直。该方式中，力传递装置整体也为刚性接触，也即力传递装置整体为刚性部件，使得驱动轴与手术器械之间功率的传递损耗也小，力传递效率高，而且力传递的结构也较简单，只要将旋转运动转换为滑块的平移运动，并通过滑块的平移带动平行四边形结构运动，最后由平行四边形结构来致动伸缩杆进行平移，该方式在结构上也容易装配和制造，特别是平行四边形结构的承载能力强，能够保证运动精度。

还应理解，本申请对力传递模块能够在所述移动件的驱动下执行沿第三方向的平移，并驱动所述致动模块绕第二方向摆动和沿第一方向平移的具体实现方式亦不作限定。如在以下描述中，除了驱动杆、平行四边形结构外，还可以是其他能够将滑块的直线移动转换为摆动，并由摆动转换为直线移动的结构，如凸轮机构、连杆机构等，也即，本领域的技术人员在本申请公开内容的基础上应当知晓如何实现力传递模块。

如图8至图10所示，在一具体实施例中，所述驱动模块包括旋转组件307，旋转组件307包括驱动轴3071和连杆3072，连杆3072即为移动件。连杆3072的一端与驱动轴3071固定连接。所述力传递模块包括滑块308，连杆3072的另一端与滑块308可滑动地连接。所述致动模块包括驱动杆309和平行四边形结构310；平行四边形结构310包括从动杆3111和摆动杆3112；两根摆动杆3112平行设置且一端均与从动杆3111铰接，另一端与器械盒400的底部铰接；驱动杆309的一端与滑块308固定连接，另一端与从动杆3111可滑动地连接；从动杆3111用于与手术器械的近端刚性接触。

在具体使用时，该力传递装置被配置为：由驱动轴3071接收动力系统所输出的动力，使驱动轴3071如箭头a3所示做自转运动，驱动轴3071的自转轴线平行于第一方向b1；在驱动轴3071的驱动下，连杆3072由于受到转动约束而仅能移动；且在连杆3072的驱动下，滑块308沿第三方向b2移动，第三方向b2垂直于第二方向和第一方向b1，第三方向可以理解为包括往复运动；同时在滑块308的驱动下，驱动杆309亦沿第三方向b2移动，并驱动两根摆动杆3112如箭头a4所示绕第二方向同步摆动，最终两根摆动杆3112驱动从动杆3111沿第一方向b1平移。

进一步地，所述力传递模块还包括第一插销311和第二插销312，均固定设置在滑块308上。连杆3072的另一端与第一插销311可滑动地连接，驱动杆309的一端与第二插销312固定连接。可选的，连杆3072的另一端设置有滑动槽3073，滑动槽3073中插入第一插销311。

如图11所示，在一具体的实施例中，所述致动模块包括两个对称设置的平行四边形结构310，两个平行四边形结构310中的两根从动杆3111布置成U形结构并与伸缩杆201的近端卡接，且所述伸缩杆201还能够相对于所述致动模块自转。更具体地，平行四边形结构310对称设置在伸缩杆201的两相对侧，每个平行四边形结构310中的从动杆3111卡入伸缩杆201近端的工字型的环形凹槽中进行刚性接触，既可以带动伸缩杆201平移，又不干涉伸缩杆201自转。同理，本实施例中，伸缩杆201可以是刚性部件或柔性部件，如伸缩杆201可以是软轴。

本实施例中，通过滑块308带动平行四边形结构310摆动，该方式的力传递效率高，承载力大，可有效保证运动控制精度。

<第三实施例>

图12示出了本发明第三优选实施例的力传递装置的内部结构示意图，图13示出了本发明第三优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图，图14示出了本发明第三优选实施例致动模块与伸缩杆配合的结构示意图，图15为图14结构的局部放大图。

在本发明第三优选实施例中，提供一种力传递装置，其中致动模块的目标运动包括绕第一方向的开合，且所述力传递模块被配置为，能够在所述移动件的驱动下执行沿第三方向的平移，并驱动所述致动模块绕第一方向开合；所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互垂直。该方式中，力传递装置整体也为刚性接触，也即力传递装置整体为刚性部件，亦使得驱动轴与手术器械之间功率的传递损耗小，力传递效率高，运动控制更精确，而且力传递的结构简单，结构上容易装配和制造。具体而言，只要将旋转运动转换为滑块的移动，并通过滑块的移动来带动结构进行开合，而开合运动最终致动伸缩杆进行平移，其中开合结构的承载能力好。

同样应理解，本申请对力传递模块能够在所述移动件的驱动下执行沿第三方向的平移，并驱动所述致动模块绕第一方向开合的具体实现方式亦不作限定。如在以下描述中，除了滑块外，还可以通过另一连杆来驱动旋转臂开合，此外，旋转臂也不限于通过斜面来驱动伸缩杆移动，如可以是推拉杆来实现，因此，本领域的技术人员根据公知技术也应当知晓如何实现机构的开合以及将开合运动转换为直线移动。

如图12至图15所示，在一具体的实施例中，所述驱动模块包括旋转组件307，所述旋转组件307包括驱动轴3071和连杆3072，连杆3072即为移动件。连杆3072的一端与驱动轴3071固定连接。与第二优选实施例不同的是，本实施例的力传递模块中的滑块313的结构作了改进，其中连杆3072的另一端与滑块313可滑动地连接，且滑块313的相对两侧分别设置有第一斜面(未标注)。所述致动模块包括两个相对布置的旋转臂314、第一弹性结构315和第二弹性结构316。两个旋转臂314能够绕第一方向b开合，即沿箭头a5所示方向开合；且两个旋转臂314之间连接第一弹性结构315，第一弹性结构315能够提供弹性力，以实现旋转臂314的开合复位；所述第二弹性结构316连接伸缩杆201的近端，第二弹性结构316能够提供弹性力，以实现伸缩杆201的移动复位。其中每个旋转臂314相向的一侧设置有第二斜面和第三斜面，所述第二斜面和所述第三斜面分别设置在旋转臂314的两端；旋转臂314与伸缩杆201的近端刚性接触。

在具体使用时，所述滑块313的相对两侧的第一斜面与两个旋转臂314的第二斜面配合，从而通过第二斜面与第一斜面的配合驱动旋转臂314开合。此外，两个旋转臂314的第三斜面与伸缩杆201上的斜面配合，从而通过第三斜面与伸缩杆201近端的斜面刚性接触来驱动伸缩杆201沿第一方向b1平移。

本实施例中，由驱动轴3071接收动力系统所输出的动力，使驱动轴3071做自转运动，驱动轴3071的自转轴线平行于第一方向；在驱动轴3071的驱动下，连杆3072由于受到转动约束而仅能移动；且在连杆3072的驱动下，滑块313沿第三方向b2移动，第三方向b2垂直于第二方向和第一方向b1，第三方向可以理解为包括往复运动；同时在滑块313的驱动下，两个旋转臂314绕第一方向相向或背向旋转以实现开合，最终带动伸缩杆201沿第一方向b1平移。

更详细地，当滑块313朝第三方向b2的正向运动时，带动两个旋转臂314闭合，第一弹性结构315压缩并存储弹性势能；而当滑块313朝第三方向b2的负向运动时，第一弹性结构315释放弹性势能，使两个旋转臂314打开。应理解，旋转臂314的闭合或打开实际与第二弹性结构316共同作用，带动伸缩杆201平移。如两个旋转臂314闭合运动时，带动伸缩杆201竖直向上运动，第一弹性结构315和第二弹性结构316被压缩；反之，当两个旋转臂314打开运动时，第一弹性结构315和第二弹性结构316释放弹性势能，驱动伸缩杆201竖直向下运动。

进一步地，所述致动模块还包括旋转轴317，两个旋转臂314能够绕旋转轴317朝不同方向转动，旋转轴317的轴线与第一方向平行。

可选地，每个旋转臂314相向的一侧设置有安装部，可用于套设第一弹性结构315。此外，器械盒400的底部上可设置固定部403，第二弹性结构316套设在伸缩杆201的近端，且第二弹性结构316的一端固定在固定部403上，另一端可连接或抵接伸缩杆201的一端面。所述第一弹性结构315和第二弹性结构316优选为弹簧。

在本实施例中，通过两个交叉的旋转臂来实现平移运动的输出，不仅结构简单，装配和制造方便，而且力传递效率高，运动控制精度好，同时承载力也大。

<第四实施例>

图16示出了本发明第四优选实施例的力传递装置的内部结构示意图，图17示出了本发明第四优选实施例的力传递装置的俯视结构示意图，图18示出了本发明第四优选实施例的力传递装置的主视结构示意图。

在本发明第四优选实施例中，提供一种力传递装置，其中致动模块的目标运动包括绕第二方向的转动，且所述力传递模块被配置为，能够在所述移动件的驱动下执行绕第二方向的转动，并驱动所述致动模块绕第二方向转动。该方式中，力传递装置一部分为刚性接触，另一部分为柔性接触，也即力传递装置的一部分结构为刚性部件，一部分结构为柔性部件。具体的，所述移动件为柔性部件，其余为刚性部件，此时，在保证足够力传递效率和运动控制精度的同时，能够改善运动的平稳性，同时结构的装配和制造难度也会得到了降低。具体而言，只要将旋转运动转换为丝的移动，并通过丝的移动来带动结构进行摆动，而摆动运动最终致动伸缩杆进行平移。

如图16至图18所示，在一具体实施例中，所述驱动模块包括丝传动组件318，丝传动组件318包括驱动轴3181和驱动丝3182，其中驱动丝3182即为移动件。与上述实施例不同的是，本实施例的力传递模块包括旋转杆319。两根驱动丝3182的一端均固定在驱动轴3181上，另一端均固定在旋转杆319上。两根驱动丝3182以相反的方向缠绕在驱动轴3181上。且两根驱动丝3182与旋转杆319固定连接的位置对称设置在旋转杆319的相对两侧，以能够驱动旋转杆319绕第二方向转动。

本实施例中，由驱动轴3181接收动力系统所输出的动力，使驱动轴3181做自转运动，驱动轴3181的自转轴线平行于第一方向；在驱动轴3181的驱动下，两根驱动丝3182一根收紧一根放松，拉动旋转杆319沿箭头a6所示方向绕第二方向转动；旋转杆319的转动也同步带动致动件303绕第二方向转动，但由于致动件303绕第二方向的转动受到约束，使得致动件303仅能带动器械杆201沿第一方向b1平移。

进一步地，所述力传递模块还包括转轴320，所述旋转杆319的一端可转动地套设在转轴320上，所述转轴320的轴线与第二方向一致。进一步地，所述力传递装置还包括若干导向轮321，两根驱动丝3082分别通过不同的导向轮321进行导向，使得两根驱动丝3082沿不同的方向延伸，同时通过导向轮321实现传动过程中的张紧。

进一步地，所述致动模块中的致动件303优选卡入伸缩杆201近端的环形凹槽中进行刚性接触，既能够带动伸缩杆201移动，又不干涉伸缩杆201的自转。

在本实施例中，通过两根驱动丝3182驱动旋转杆319的转动来驱动伸缩杆201平移，该力传递方式的结构更简单，装配和制造更方便，同时驱动丝3182具有弹性，使得力传递过程更为平稳。

所应理解，以上所述，仅为本发明的优选实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，而且本发明的创新虽然来源于末端执行器为开合运动，但本领域的技术人员可以理解，本发明的力传递装置也可应用于驱动末端执行器做俯仰、偏转等运动。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种力传递装置，用于手术器械，所述手术器械包括伸缩杆和末端执行器，所述伸缩杆的末端连接所述末端执行器，其特征在于，包括：

驱动模块；

力传递模块，与所述驱动模块连接，并能够在所述驱动模块的驱动下执行预定运动；以及，

致动模块，与所述力传递模块连接，并能够在所述力传递模块的驱动下执行目标运动，且所述致动模块用于与所述伸缩杆的近端连接并刚性接触，并用于致动所述手术器械的伸缩杆沿第一方向平移；

所述驱动模块包括相连接的驱动轴和移动件，所述驱动轴能够自转，所述第一方向平行于所述驱动轴的自转轴线；

所述驱动轴为丝杠，所述移动件为螺母，所述螺母与所述丝杠配合连接；所述力传递模块包括传动杆，所述传动杆的一端与所述螺母固定连接，另一端与所述致动模块固定连接；所述目标运动包括沿第一方向的平移，所述丝杠的旋转运动驱动所述螺母沿第一方向移动，所述螺母驱动所述传动杆沿第一方向移动，所述传动杆驱动所述致动模块沿第一方向平移。

2.根据权利要求1所述的力传递装置，其特征在于，所述驱动轴与所述移动件刚性接触或柔性接触，所述力传递模块与所述移动件柔性接触或刚性接触，所述力传递模块与所述致动模块刚性接触。

3.根据权利要求1所述的力传递装置，其特征在于，所述力传递装置还包括器械盒，所述力传递模块还包括限位轴和导向杆；所述传动杆具有限位槽；

所述限位轴的一端固定在所述器械盒的底部上，另一端穿过所述限位槽；所述限位槽能够限制所述传动杆绕第一方向的转动；

所述器械盒的底部上还设置有导向块，所述导向块具有沿第一方向延伸的导向槽；所述导向杆穿过所述传动杆，且所述导向杆的相对两端分别在对应的一个所述导向槽内移动。

4.根据权利要求3所述的力传递装置，其特征在于，所述导向杆的两端端部分别设置有导向部，所述导向部具有第一导向斜面，且每个所述导向槽具有与所述第一导向斜面配合的第二导向斜面；或者，所述导向杆的两端端部分别设置有轴承，所述轴承与所述导向槽的平面配合以相对于所述平面滑动。

5.根据权利要求3所述的力传递装置，其特征在于，所述致动模块包括两个致动件；

所述传动杆的另一端设置有容纳槽，所述容纳槽用于容纳所述伸缩杆的近端；两个所述致动件对称设置在所述容纳槽中，两个所述致动件的一端均与所述传动杆固定连接，另一端均轴向限位于所述伸缩杆的近端上；所述伸缩杆能够相对于所述致动模块自转。

6.根据权利要求3所述的力传递装置，其特征在于，所述导向杆的数量为两根，两根所述导向杆沿第一方向间隔布置。

7.根据权利要求1所述的力传递装置，其特征在于，所述致动模块包括致动件，所述传动杆的另一端与所述致动件固定连接，所述伸缩杆的近端形成有环形凹槽，所述致动件的一端卡入所述环形凹槽内连接。

8.根据权利要求1所述的力传递装置，其特征在于，还包括器械盒，所述驱动模块、所述力传递模块和所述致动模块均设置在所述器械盒内。

9.一种手术器械，其特征在于，包括伸缩杆、末端执行器以及如权利要求1-8中任一项所述的力传递装置，所述伸缩杆的末端连接所述末端执行器，所述伸缩杆的近端连接所述力传递装置，所述力传递装置用于驱动所述伸缩杆平移，以致动所述末端执行器运动。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括机械臂、动力系统以及如权利要求1-8中任一项所述的力传递装置，所述动力系统设置在所述机械臂上并与所述力传递装置传动连接。