CN113855107A - 基于平面运动机构的手术工具驱动传动系统及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平面运动机构的手术工具驱动传动系统及手术机器人，包括柔性连续体结构和驱动机构；其中，柔性连续体结构包括相互关联的近端连续体和远端连续体，驱动机构为平面运动机构，平面运动机构具有与近端连续体的至少一部分能够相对上下滑动和/或旋转的输出部；近端连续体被配置成在平面运动机构的输出部上下滑动和/或旋转状态下能够产生弯曲运动，而远端连续体则被配置成在近端连续体弯曲状态下能够产生与近端连续体反向的弯曲运动。本发明可以避免对柔性连续体的驱动丝进行直接的推拉，在驱动数量较多的驱动丝时，可以不受限于驱动机构的数量，同时结构紧凑，原理简单，易于实现，具有很高的可靠性和灵活性。

Description

基于平面运动机构的手术工具驱动传动系统及手术机器人

技术领域

本发明涉及一种驱动传动机构，具体是关于一种基于平面运动机构的手术工具驱动传动系统及含该手术工具驱动传动系统的手术机器人。

背景技术

微创术式对病人创伤更小、术后产出更高，已经在外科手术中占据了重要的地位。微创术式利用手术工具，以及包括视觉照明模块和手术操作臂在内的手术器械均通过切口或者自然腔道进入人体中达到术部进行手术。现有手术器械的远端结构主要为多杆件的串联铰接，采用钢丝绳拉力驱动，使手术器械在铰接关节处实现弯转。由于钢丝绳须通过滑轮保持持续的张紧状态，因此该驱动方式难以实现手术器械的进一步小型化，亦难以进一步提升器械的运动性能。

相较传统的通过在关节处相互转动从而实现弯转运动的刚性运动链，柔性连续体结构通过其近端结构变形实现远端结构的弯转变形，其结构主体可以同时成为驱动的传递结构，故可在小尺寸空间范围内实现极高的自由度配置，因而柔性连续体结构被广泛应用于柔性操作臂、内窥镜、可控导管等医疗器械，以及工业用深腔探测内窥镜、柔性机械臂等新型特种装备的研发。

现有的连续体结构一般通过驱动机构对连续体结构中的驱动丝进行直接推拉，从而实现连续体结构向任意方向弯曲，但是随着对连续体结构提出的精度高、响应快、弯转灵活性高、稳定性好等更严格的要求，现有的驱动结构已逐渐不能满足上述要求，且现有的驱动方式均为直接推拉驱动丝进行运动，故当驱动丝的数量较多时，驱动机构的数量也会相应的增加，使得结构复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供一种基于平面运动机构的手术工具驱动传动系统，以避免对柔性连续体的驱动丝进行直接的推拉，在驱动数量较多的驱动丝时，可以不受限于驱动机构的数量，同时结构紧凑，原理简单，易于实现，具有很高的可靠性和灵活性；本发明的另一个目的是提供一种包含有该手术工具驱动传动系统的手术机器人。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于平面运动机构的手术工具驱动传动系统，包括柔性连续体结构和驱动机构；其中，所述柔性连续体结构包括相互关联的近端连续体和远端连续体，所述驱动机构为平面运动机构，所述平面运动机构具有与所述近端连续体的至少一部分能够相对上下滑动和/或旋转的输出部；所述近端连续体被配置成在所述平面运动机构的输出部上下滑动和/或旋转状态下能够产生弯曲运动；所述远端连续体被配置成在所述近端连续体弯曲状态下能够产生与所述近端连续体方向相反的弯曲运动。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述近端连续体包括：近端基盘、第一近端止盘和第二近端止盘，三者间隔布置；第一结构骨，多根所述第一结构骨的近端与所述第二近端止盘固定连接，多根所述第一结构骨的远端穿过所述第一近端止盘并与所述近端基盘固定连接；所述平面运动机构的输出部与所述第二近端止盘能够相对上下滑动和旋转，所述平面运动机构带动所述第二近端止盘运动翻转，使固定在所述近端基盘和第二近端止盘之间的各所述第一结构骨被迫弯曲，以使所述近端连续体产生对偶弯曲。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述远端连续体包括：远端基盘和远端止盘，二者间隔布置，且所述远端基盘与所述近端基盘相邻；第二结构骨，多根所述第二结构骨的近端与所述第一近端止盘固定连接，多根所述第二结构骨的远端穿过所述近端基盘和远端基盘并与所述远端止盘固定连接；当所述第二近端止盘翻转时，所述第一近端止盘随之产生协同翻转，实现对端部固定在所述第一近端止盘上的各所述第二结构骨的推拉，从而实现所述远端连续体产生与所述近端连续体靠近所述近端基盘部分的反向弯曲。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述平面运动机构为平面连杆机构。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述平面连杆机构包括平面五杆机构，所述平面五杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第一输入轴和第二输入轴；所述第一连杆固定设置，且所述第一输入轴和第二输入轴可旋转地设置在所述第一连杆上；所述第二连杆的一端与所述第一输入轴固定连接，所述第二连杆的另一端与所述第三连杆的一端铰接；所述第五连杆的一端与所述第二输入轴固定连接，所述第五连杆的另一端与所述第四连杆的一端铰接，所述第四连杆的另一端亦与所述第三连杆的另一端铰接，所述第三连杆或所述第四连杆的另一端形成所述平面五杆机构的输出部，所述输出部与所述第二近端止盘活动连接，以使所述输出部与所述第二近端止盘能够相对上下滑动和/或旋转。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述第四连杆的另一端与所述第三连杆的另一端呈环状的旋转轴并套设在所述第二近端止盘的外周，且所述旋转轴与所述第二近端止盘能够相对上下滑动和/或旋转。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述第一连杆为一环状基座，所述第三连杆被限制在所述环状基座内，以实现对所述第三连杆运动轨迹的约束。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述柔性连续体结构还包括连接在所述近端基盘和远端基盘之间的结构骨引导管束，多根所述第二结构骨的远端依次穿过所述近端基盘、结构骨引导管束和远端基盘并与所述远端止盘固定连。

优选地，所述第一结构骨和第二结构骨采用由超弹性材料制成的弹性细杆或细管，所述结构骨引导管束采用钢管束。

所述的手术工具驱动传动系统，优选地，所述远端连续体还包括设置在所述远端基盘和远端止盘之间的至少一片远端保持盘，各所述第二结构骨穿过所述远端保持盘。

一种手术机器人，包含有至少一个上述的手术工具驱动传动系统。

优选地，该手术机器人采用两个以上的所述手术工具驱动传动系统串联或者并联；

优选地，两个以上所述手术工具驱动传动系统上下设置在支架上，两个以上所述柔性连续体结构的近端基盘分别与所述支架固定连接，或者所述近端基盘直接形成所述支架的一部分；下层的所述结构骨引导管束的近端与下层所述近端连续体的近端基盘固定连接，所述结构骨引导管束的远端整体依次穿过所述支架、上层的所述第二近端止盘、所述第一近端止盘、所述近端基盘的远端和上层的所述结构骨引导管束一起在所述远端基盘处固定且被束成一簇，所述远端基盘与所述支架固定连接，或者所述远端基盘直接形成所述支架的一部分。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供的手术工具驱动传动系统只需要通过一个驱动机构驱动近端连续体的近端止盘翻转，即可实现对结构骨的推拉，从而带动近端连续体弯曲，并最终驱动远端连续体在空间的任意弯曲，避免了对结构骨进行直接的推拉，而且在驱动数量较多的结构骨时，不受限于驱动传动机构的数量，同时结构紧凑，原理简单，易于实现，从而具有很高的可靠性。2、本发明相较传统的通过在关节处相互转动从而实现弯转运动的刚性运动链，柔性连续体结构通过其近端结构变形实现远端结构的弯转变形，其结构主体同时成为驱动的传递结构，因此可在小尺寸空间范围内实现极高的自由度配置，故可以被广泛应用于柔性操作臂、内窥镜、可控导管等医疗器械，以及工业用深腔探测内窥镜、柔性机械臂等新型特种装备的研发。

附图说明

图1为本发明一实施例中手术工具驱动传动系统的结构示意图；

图2为本发明该实施例中远端连续体的结构示意图；

图3为本发明一实施例中驱动机构的立体结构示意图；

图4为本发明该实施例中驱动机构的俯视图；

图5为本发明该实施例中第三连杆的结构示意图；

图6为本发明该实施例中第四连杆的结构示意图；

图7为本发明一实施例中手术机器人的结构示意图；

图8为本发明该实施例中直线进给组件的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“近端”、“远端”、“上”、“下”、“内”、“外”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保护范围的限制。在本发明中，当提及“远侧或远端”时，该术语是指相对远离操作者的一侧或一端。当提及“近侧或近端”时，该术语是指相对靠近操作者的一侧或一端。

如图1、图2所示，本实施例提供的手术工具驱动传动系统包括柔性连续体结构和驱动机构14。

其中，柔性连续体结构包括相互关联的近端连续体1和远端连续体3，驱动机构14为平面运动机构，平面运动机构具有与近端连续体1的至少一部分能够相对上下滑动和/或旋转的输出部。近端连续体1被配置成在平面运动机构的输出部上下滑动和/或旋转状态下能够产生弯曲运动，而远端连续体3则被配置成在近端连续体1弯曲状态下能够产生与近端连续体1方向相反的弯曲运动。

在上述实施例中，优选地，近端连续体1包括：近端基盘4、第一近端止盘7和第二近端止盘8，三者间隔布置；第一结构骨13，多根第一结构骨13的近端与第二近端止盘8固定连接，多根第一结构骨13的远端穿过第一近端止盘7并与近端基盘4固定连接。平面运动机构的输出部与第二近端止盘8能够相对上下滑动和旋转。在本实施例中，多根第一结构骨13相对于近端基盘4、第一近端止盘7和第二近端止盘8沿周向分布。

在上述实施例中，优选地，远端连续体3包括：远端基盘9和远端止盘11，二者间隔布置，且远端基盘9与近端基盘4相邻；第二结构骨12，多根第二结构骨12的近端与第一近端止盘7固定连接，多根第二结构骨12的远端穿过近端基盘4和远端基盘9并与远端止盘11固定连接。在本实施例中，多根第二结构骨12相对于远端基盘9和远端止盘11沿周向分布。

如图3、图4所示，驱动机构14采用平面五杆机构，该平面五杆机构包括第一连杆141、第二连杆142、第三连杆143、第四连杆144、第五连杆145和第一输入轴146和第二输入轴147。第一连杆141固定设置，且第一输入轴146和第二输入轴147可旋转地设置在第一连杆141上；第二连杆142的一端与第一输入轴146固定连接，第二连杆142的另一端与第三连杆143的一端铰接；第五连杆145的一端与第二输入轴147固定连接，第五连杆145的另一端与第四连杆144的一端铰接，第四连杆144的另一端亦与第三连杆143的一端铰接，第三连杆143或第四连杆144的另一端形成平面五杆机构的输出部，该输出部与第二近端止盘8采用圆柱副连接，以使该输出部与第二近端止盘8能够相对上下滑动和/或旋转。

由此，当驱动第一输入轴146和/或第二输入轴147旋转时，带动平面五杆机构的连接部在平面内自由移动，从而驱动第二近端止盘8运动，使得近端基盘4和第二近端止盘8产生错位，两者轴线不再重合。因各第一结构骨13两端分别与近端基盘4和第二近端止盘8固定，各第一结构骨13被迫弯曲，从而使近端连续体1在近端和远端之间产生对偶弯曲；同时第一近端止盘7随之产生协同翻转，从而对端部固定在第一近端止盘7上的各第二结构骨12产生推拉，均布固定在第一近端止盘7上的各第二结构骨12，一侧受拉从而使得对应第二结构骨12处在近端连续体1中的长度增加，另一侧受压从而使得对应第二结构骨12处在近端连续体1中的长度减少。但各第二结构骨12的总长不变，各第二结构骨12处在结构骨引导管束2中的长度不变，导致各第二结构骨12位于远端连续体1中的长度发生相应的变化，从而驱动远端连续体3产生与近端连续体1靠近近端基盘4部分的反向弯曲。近端连续体1和远端连续体3的弯曲比例与对应第二结构骨12分别在两者中的分布半径(在本实施例中，近端连续体1和远端连续体3中的第二结构骨12沿周向分布，其可以分布在圆周上或者分布在其他封闭形状的周向上，并且可以均匀分布或者非均匀分布，在此不加以限定)呈反比。在应用时可通过调整第二结构骨12在近端连续体1和远端连续体3中的分布半径，以满足实际弯曲比例需求。由此，通过平面五杆机构的第三连杆143与第二近端止盘8采用圆柱副连接，实现第二近端止盘8与平面五杆机构的第三连杆143可上下滑动和旋转，从而可以满足近端连续体1在对偶弯曲时产生的沿轴向方向上的寄生运动(上下滑动)，以及向任意方向的弯曲运动(旋转)，寄生运动可避免远端连续体3在弯曲的过程中，产生沿轴向的伸缩运动，导致包覆在远端连续体3外周的封皮起皱或者过度拉伸，影响封皮的使用寿命。

在上述实施例中，优选地，如图5、图6所示，第四连杆144的另一端与第三连杆143的另一端呈环状的旋转轴并套设在第二近端止盘8的外周，且该旋转轴与第二近端止盘8可以相对上下滑动和/或旋转。

在上述实施例中，优选地，如图3、图4所示，第一连杆141可以为一环状基座，第三连杆143被限制在该环状基座内，以实现对第三连杆143运动轨迹的约束。

在上述实施例中，优选地，如图1、图2所示，柔性连续体结构还包括结构骨引导管束2，该结构骨引导管束2的近端连接在近端基盘4上，结构骨引导管束2的远端连接在远端基盘9上，多根第二结构骨12的远端依次穿过近端基盘4、结构骨引导管束2和远端基盘9并与远端止盘11固定连接。结构骨引导管束2的作用是引导和约束位于近端基盘4和远端基盘9之间的第二结构骨12。

在上述实施例中，优选地，远端连续体3还包括设置在远端基盘9和远端止盘11之间的至少一片远端保持盘10，各第二结构骨12穿过远端保持盘10，远端保持盘10用于从第二结构骨12的径向支撑第二结构骨12，从而使得各第二结构骨12在弯曲变形的过程中仍然保持平行状态，防止第二结构骨12在弯曲运动时失稳。

在上述实施例中，优选地，第一结构骨13和第二结构骨12可以采用由超弹性材料制成的弹性细杆或细管，一般可以采用镍钛合金等高强度、高韧性、具有弹性的金属材料制造；结构骨引导管束2可以采用钢管束。

基于上述实施例提供的手术工具驱动传动系统，本发明还提供了一种手术机器人，该手术机器人包含有至少一个上述的手术工具驱动传动系统。

在上述实施例中，优选地，手术机器人采用两个上述的手术工具驱动传动系统串联或者并联，从而增加臂体的灵活性。在本实施例中，如图7所示，以两个上述的手术工具驱动传动系统串联举例来说，两个手术工具驱动传动系统上下设置，上下两个第一连杆141和近端基盘4通过连接杆形成一整体支架15，下层的结构骨引导管束2一端与下层的近端基盘4固定连接，另一端依次穿过上层的第一连杆141、第二近端止盘8、第一近端止盘7和近端基盘4并和上层的结构骨引导管束2一起与远端止盘9固定连接，远端止盘9与支架15固定连接，或者远端止盘9直接成为支架15的一部分。由此，通过各自的驱动机构14驱动各自的第二近端止盘8运动，分别带动各自的近端连续体1运动，实现各自的远端连续体3的弯转，进而增加远端连续体3的自由度，从而增加手术机器人的灵活性。

在上述实施例中，优选地，两个柔性连续体结构中的远端连续体3的长度可以相同或者不同。

在上述实施例中，优选地，如图7、图8所示，手术机器人还包括与近端连续体1并列布置的直线进给组件16，该直线进给组件16包括导杆161、丝杆162、滑块163和丝杆螺母164。导杆161固定连接在支架15上，丝杆162转动连接在支架15上，丝杆螺母164转动连接在丝杠162上，滑块163固定连接在丝杆螺母164上，同时滑块163滑动穿设在导杆161上。由于导杆161的限位作用使得滑块163不能发生旋转，因此丝杆螺母164也不能旋转，当丝杆162旋转时，带动丝杆螺母164上下移动，从而带动滑块163沿导杆161上下移动，由于弹性驱动细杆17一端与滑块163固定，从而带动弹性驱动细杆17上下移动。由直线进给组件16推拉弹性驱动细杆17，弹性驱动细杆17一端与滑块163固定，穿过保护管18，到达远端连续体3，另外一端与手术执行器固定，用以驱动手术执行器(如夹钳、持针器等)。保护管18除用于驱动手术执行器的弹性驱动细杆17的导向外，还可用于通过导线，给手术执行器供电。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二””等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于平面运动机构的手术工具驱动传动系统，其特征在于，包括柔性连续体结构和驱动机构(14)；

其中，所述柔性连续体结构包括相互关联的近端连续体(1)和远端连续体(3)，所述驱动机构(14)为平面运动机构，所述平面运动机构具有与所述近端连续体(1)的至少一部分能够相对上下滑动和/或旋转的输出部；

所述近端连续体(1)被配置成在所述平面运动机构的输出部上下滑动和/或旋转状态下能够产生弯曲运动；

所述远端连续体(3)被配置成在所述近端连续体(1)弯曲状态下能够产生与所述近端连续体(1)方向相反的弯曲运动。

2.根据权利要求1所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述近端连续体(1)包括：

近端基盘(4)、第一近端止盘(7)和第二近端止盘(8)，三者间隔布置；

第一结构骨(13)，多根所述第一结构骨(13)的近端与所述第二近端止盘(8)固定连接，多根所述第一结构骨(13)的远端穿过所述第一近端止盘(7)并与所述近端基盘(4)固定连接；

所述平面运动机构的输出部与所述第二近端止盘(8)能够相对上下滑动和旋转，所述平面运动机构带动所述第二近端止盘(8)运动翻转，使固定在所述近端基盘(4)和第二近端止盘(8)之间的各所述第一结构骨(13)被迫弯曲，以使所述近端连续体(1)产生对偶弯曲。

3.根据权利要求2所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述远端连续体(3)包括：

远端基盘(9)和远端止盘(11)，二者间隔布置，且所述远端基盘(9)与所述近端基盘(4)相邻；

第二结构骨(12)，多根所述第二结构骨(12)的近端与所述第一近端止盘(7)固定连接，多根所述第二结构骨(12)的远端穿过所述近端基盘(4)和远端基盘(9)并与所述远端止盘(11)固定连接；

当所述第二近端止盘(8)翻转时，所述第一近端止盘(7)随之产生协同翻转，实现对端部固定在所述第一近端止盘(7)上的各所述第二结构骨(12)的推拉，从而实现所述远端连续体(3)产生与所述近端连续体(1)靠近所述近端基盘(4)部分的反向弯曲。

4.根据权利要求2所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述平面运动机构为平面连杆机构。

5.根据权利要求4所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述平面连杆机构包括平面五杆机构，所述平面五杆机构包括第一连杆(141)、第二连杆(142)、第三连杆(143)、第四连杆(144)、第五连杆(145)、第一输入轴(146)和第二输入轴(147)；

所述第一连杆(141)固定设置，且所述第一输入轴(146)和第二输入轴(147)可旋转地设置在所述第一连杆(141)上；所述第二连杆(142)的一端与所述第一输入轴(146)固定连接，所述第二连杆(142)的另一端与所述第三连杆(143)的一端铰接；所述第五连杆(145)的一端与所述第二输入轴(147)固定连接，所述第五连杆(145)的另一端与所述第四连杆(144)的一端铰接，所述第四连杆(144)的另一端亦与所述第三连杆(143)的一端铰接，所述第三连杆(143)或所述第四连杆(144)的另一端形成所述平面五杆机构的输出部，所述输出部与所述第二近端止盘(8)活动连接，以使所述输出部与所述第二近端止盘(8)能够相对上下滑动和/或旋转。

6.根据权利要求5所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述第四连杆(144)的另一端与所述第三连杆(143)的另一端呈环状的旋转轴并套设在所述第二近端止盘(8)的外周，且所述旋转轴与所述第二近端止盘(8)能够相对上下滑动和/或旋转。

7.根据权利要求5所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述第一连杆(141)为一环状基座，所述第三连杆(143)被限制在所述环状基座内，以实现对所述第三连杆(143)运动轨迹的约束。

8.根据权利要求3所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述柔性连续体结构还包括连接在所述近端基盘(4)和远端基盘(9)之间的结构骨引导管束(2)，多根所述第二结构骨(12)的远端依次穿过所述近端基盘(4)、结构骨引导管束(2)和远端基盘(9)并与所述远端止盘(11)固定连接；

优选地，所述第一结构骨(13)和第二结构骨(12)采用由超弹性材料制成的弹性细杆或细管，所述结构骨引导管束(2)采用钢管束。

9.根据权利要求3所述的手术工具驱动传动系统，其特征在于，所述远端连续体(3)还包括设置在所述远端基盘(9)和远端止盘(11)之间的至少一片远端保持盘(10)，各所述第二结构骨(12)穿过所述远端保持盘(10)。

10.一种手术机器人，其特征在于，包含有至少一个如权利要求1至9任一项所述的手术工具驱动传动系统；

优选地，该手术机器人采用两个以上的所述手术工具驱动传动系统串联或者并联；

优选地，两个以上所述手术工具驱动传动系统上下设置在支架(15)上，两个以上所述柔性连续体结构的近端基盘(4)分别与所述支架(15)固定连接，或者所述近端基盘(4)直接形成所述支架(15)的一部分；下层的所述结构骨引导管束(2)的近端与下层所述近端连续体(1)的近端基盘(4)固定连接，所述结构骨引导管束(2)的远端整体依次穿过所述支架(15)、上层的所述第二近端止盘(8)、所述第一近端止盘(7)、所述近端基盘(4)的远端和上层的所述结构骨引导管束(2)一起在所述远端基盘(9)处固定且被束成一簇，所述远端基盘(9)与所述支架(15)固定连接，或者所述远端基盘(9)直接形成所述支架(15)的一部分。

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