CN113974838A - 手术器械系统和手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术器械系统以及手术机器人，手术机器人包括机械臂和手术器械系统，手术器械系统与机械臂的末端连接并包括手术工具、动力系统和驱动系统；手术工具包括从近端至远端依次连接的近端柔性组件、连接结构、远端柔性组件和腕部结构，动力系统设置在手术工具的近端，驱动系统与动力系统传动连接并包括驱动装置，驱动装置的丝驱动组件在动力系统的驱动下控制远端柔性组件和腕部结构的弯转，且近端柔性组件和远端柔性组件均为运动约束结构；运动约束结构的近端关节受力弯转时，远端关节随动于近端关节，且远端关节的姿态与近端关节的姿态保持相同；从而增大手术工具前端和末端的有效工作空间，降低手术操作的难度。

Description

手术器械系统和手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术器械系统和手术机器人。

背景技术

随着微创伤手术在腹腔外科、泌尿外科、妇科、胸外科等领域的广泛应用与发展，手术机器人技术在全世界都获得了高度重视并逐渐融入临床。以业内先驱IntuitiveSurgical,Inc.的Da Vinci多孔腹腔镜手术机器人系统为例，其稳定、便捷、精准、安全等优秀的特性，大大减轻了患者与医生的压力与负担。然而，越来越多的临床案例显示经多切口手术介入的手术机器人系统，在一些手术执行过程中，无法有效地到达术式区域。而且，进一步减少、减小患者的创口以帮助其术后恢复的需求也在逐渐增长，由此催生了经单一手术切口的腹腔镜手术机器人系统的临床应用。对比多孔手术机器人系统的手术器械设计，单孔手术机器人系统需要多把器械与内窥镜同时进入单一切口，为了避免器械执行末端在病人体内相互干涉和碰撞，势必需要远端提供更多的自由度。对于器械近端，由于多个器械盒与电机对接的空间布局，“传统”的直杆结构也不再适用。为此，设计一种适配经单一手术切口腹腔镜手术的手术器械系统，成为了一个刚性需求。

在目前的手术器械系统中，国内主要采用柔性连续体结构，通过多个结构骨紧固的方式，实现柔性连续的设计，而国外主要采用远端平行运动机构，以便于器械伸入伸出导管。但是无论是国内还是国外提供的手术器械系统都存在以下问题：(1)丝传动布局和丝预紧方式复杂，装配效率低，不容易产品化；(2)单一远端平行运动机构可达空间有限，致使现有执行末端有效工作空间狭小；(3)柔性连续体结构存在刚度不足的问题，而且柔性连续体的运动学动力学建模过程复杂，控制稳定性差。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的一个目的在于提供一种手术器械系统和手术机器人，能够增大手术工具前端和末端的工作空间，降低手术操作的难度。

为了解决现有技术中的问题，本发明的另一个目的在于提供一种手术器械系统和手术机器人，能够减少电机的数量，降低丝传动布局和预紧的难度，降低手术工具与外部器械的装配难度，提高装配效率。

为实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种手术器械系统，包括：

手术工具，包括从近端至远端依次连接的近端柔性组件、连接结构、远端柔性组件和腕部结构；

动力系统，设置在所述手术工具的近端；以及，

驱动系统，与所述动力系统传动连接；所述驱动系统包括驱动装置，所述驱动装置包括丝驱动组件，所述丝驱动组件与所述远端柔性组件和所述腕部结构连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述远端柔性组件和所述腕部结构的弯转；

其中，所述近端柔性组件和所述远端柔性组件均为运动约束结构；所述运动约束结构包括近端关节和远端关节；所述运动约束结构被配置为当所述近端关节受力弯转时，所述远端关节随动于所述近端关节，且所述远端关节的姿态与所述近端关节的姿态保持相同。

可选地，所述丝驱动组件还与所述近端柔性组件连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述近端柔性组件的弯转。

可选地，所述近端柔性组件包括近端偏摆关节和近端俯仰关节，所述近端偏摆关节的旋转轴与所述近端俯仰关节的旋转轴正交设置；

所述丝驱动组件包括近端驱动丝组件，所述近端驱动丝组件包括四根驱动丝；所述近端驱动丝组件的两根驱动丝用于控制所述近端偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述近端俯仰关节俯仰；

所述动力系统包括近端电机模组，所述近端电机模组包括两个电机；所述近端电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述近端偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述近端俯仰关节进行俯仰。

可选地，所述近端电机模组具有第一驱动模式和第二驱动模式；

当所述近端电机模组处于所述第一驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述近端偏摆关节进行偏摆；

当所述近端电机模组处于所述第二驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述近端俯仰关节进行俯仰。

可选地，所述近端电机模组的两个所述电机的角位移被配置为不相同。

可选地，所述远端柔性组件包括远端偏摆关节和远端俯仰关节，所述远端偏摆关节的旋转轴与所述远端俯仰关节的旋转轴正交设置；

所述丝驱动组件包括远端驱动丝组件，所述远端驱动丝组件包括四根驱动丝；所述远端丝驱动组件的两根驱动丝用于控制所述远端偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述远端俯仰关节俯仰；

所述动力系统包括远端电机模组，所述远端电机模组包括两个电机；所述远端电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述远端偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述远端俯仰关节进行俯仰。

可选地，所述远端电机模组具有第三驱动模式和第四驱动模式；

当所述远端电机模组处于所述第三驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述远端偏摆关节进行偏摆；

当所述远端电机模组处于所述第四驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述远端俯仰关节进行俯仰。

可选地，所述远端电机模组的两个所述电机的角位移被配置为不相同。

可选地，所述腕部结构包括腕部俯仰关节和腕部偏摆关节，所述腕部偏摆关节的旋转轴与所述腕部俯仰关节的旋转轴正交设置；

所述丝驱动组件包括腕部驱动丝组件，所述腕部驱动丝组件包括四根驱动丝；所述腕部驱动丝组件的两根驱动丝用于控制所述腕部偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述腕部俯仰关节俯仰；

所述动力系统包括腕部电机模组，所述腕部电机模组包括两个电机；所述腕部电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述腕部偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述腕部俯仰关节进行俯仰。

可选地，所述腕部电机模组具有第五驱动模式和第六驱动模式；

当所述腕部电机模组处于所述第五驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述腕部偏摆关节进行偏摆；

当所述腕部电机模组处于所述第六驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述腕部俯仰关节进行俯仰。

可选地，所述腕部电机模组的两个所述电机的角位移被配置为不相同。

可选地，所述手术工具还包括末端执行器，所述末端执行器与所述腕部结构的远端连接；

所述驱动装置还包括第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述末端执行器连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述末端执行器的自转；和/或，所述驱动装置还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构还与所述末端执行器连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述末端执行器的开合。

可选地，所述手术器械系统还包括伸缩关节，所述动力系统包括动力盒和多个电机，一部分所述电机设置在所述动力盒内，另一部分所述电机设置在所述动力盒外以驱动所述伸缩关节移动，所述动力盒设置在所述伸缩关节上，多个所述电机用于驱动以下结构的运动：所述近端柔性组件围绕正交轴弯转；所述远端柔性组件围绕正交轴弯转；所述腕部结构围绕正交轴弯转；所述末端执行器的自转；以及所述末端执行器的开合。

为实现上述目的，根据本发明的第二个方面，提供一种手术机器人，包括机械臂以及任一项所述的手术器械系统，所述手术器械系统与所述机械臂的末端连接，所述机械臂用于驱动所述手术器械系统运动。

可选地，所述手术机器人还包括与所述动力系统通信连接的控制装置；

所述控制装置被配置为，根据经通信获取预设的控制信息生成对应所述动力系统的驱动信号，使所述动力系统根据所述驱动信号驱动所述驱动装置运动，以使所述手术工具的各关节运动至期望位置。

可选地，所述控制装置还被配置为，根据所述手术工具的关节期望的状态信息和所述手术工具的关节实际的状态信息调整所述驱动信号，使所述动力系统根据调整后的所述驱动信号驱动所述驱动装置运动，以使所述手术工具的各关节运动至期望位置；所述关节的状态信息包括关节角位移和关节角速度。

可选地，所述控制装置还被配置为基于预设的控制信息生成执行驱动所述手术工具的各关节运动的截止条件；

所述控制装置还被配置为，根据反馈的信息判断所述手术工具的各关节的位置是否符合所述截止条件，若符合，则所述控制装置控制所述动力系统停止运行。

上述手术器械系统和手术机器人中，通过在手术工具的近端和远端都设置运动约束结构，能够增大手术工具前端和末端的有效工作空间，不仅保证手术工具前端和末端的自由度，还有效防止各手术工具之间的碰撞，从而降低手术操作的难度，尤其是单孔手术操作的难度，同时还能提供足够的刚度，并简化运动学建模过程，提高运动控制稳定性。

上述手术器械系统和手术机器人中，可通过两个电机共同驱动近端柔性组件的俯仰和偏转，和/或通过两个电机共同驱动远端柔性组件的俯仰和偏转，和/或通过两个电机共同驱动腕部结构的俯仰和偏转，如此构造，可有效减少电机的数量，并降低丝传动布局和预紧的难度，提高装配效率。

上述手术器械系统和手术机器人中，所述近端柔性组件可以与驱动系统连接，也可与驱动系统不连接；当所述近端柔性组件与驱动系统不连接时，能够使近端柔性组件实现被动弯转，而便于将手术工具的近端插入不同轴的外部器械中，由此降低与外部器械的装配难度，提高装配效率。

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示出了本发明一优选实施例的手术器械系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明一优选实施例的驱动系统的结构；

图3示出了根据本发明优选实施例的近端柔性组件的结构示意图；

图4示出了根据本发明优选实施例的连接结构的部分结构示意图；

图5示出了根据本发明优选实施例的远端柔性组件的结构示意图；

图6示出了根据本发明优选实施例的腕部结构的结构示意图；

图7示出了根据本发明优选实施例的末端执行器的结构示意图；

图8示出了根据本发明一优选实施例的手术器械系统的总控制流程图；

图9示出了根据本发明一优选实施例的调整驱动信号的控制流程图；

图10示出了根据本发明一优选实施例的监控电机运行情况以及电机截止运行的控制流程图；

图11示出了根据本发明一优选实施例的监控手术工具各关节运行情况的控制流程图；

图12示出了本发明优选实施例中的手术工具的运动学建模的原理图。

图中：200-手术工具；210-柔性臂体；211-腕部结构；2111-腕部俯仰关节；2112-腕部偏摆关节；212-远端柔性组件；2121-远端第一关节；2122-远端第二关节；2123-远端主体段；213-连接结构；2131-管体近侧主体段；2132-管体远侧主体段；214-近端柔性组件；2141-近端第一关节；2142-近端第二关节；2143-近端主体段；220-末端执行器；221-末端自转关节；222-末端开合关节；300-控制装置；400-驱动系统；401-器械盒；500-动力系统；2、3、4、5、6、7、8、9-传动接口。

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”、“前端”和“远端”、“末端”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”、“前端”和“远端”、“末端”并非是限制性的，但是“近端”或“前端”通常指器械在正常操作过程中靠近操作者的一端，而“远端”或“末端”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”、“第三”、……“第九”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”、“第三”、……“第九”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。在本文中，“刚性管体结构”或“刚性结构”是指结构在使用过程(手术过程)自身几乎不会产生弯曲、扭曲变形，具有足够的刚度。

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。且以下描述中，以单孔手术操作为示意进行说明，但本发明实际不局限于在单孔腹腔镜手术中使用。

本发明一优选实施例提供了一种手术器械系统，用于单一手术切口腹腔镜手术(即单孔腹腔镜手术)。该手术器械系统可设置在机械臂的末端，并由机械臂驱动手术器械系统运动，以进行单孔手术操作。该手术器械系统能够实现较多的自由度，如9个自由度，灵活性更好，同时能够确保足够的刚度，提高运动控制稳定性。应理解，本申请的手术器械系统不采用柔性连续体结构，而是结合刚性管体和运动约束结构，以确保足够的刚度，如此，无需实施复杂的运动学建模过程，同时控制稳定性更好。除此之外，该手术器械系统在其手术工具的近端和远端都设置有运动约束结构，使得手术工具的末端(即远端)和前端(即近端)的有效工作空间更大，可以有效的防止多把手术工具之间的碰撞，从而当实施单孔腹腔镜手术时，多把手术工具便于同时插入患者体内，也便于同时在体内进行手术操作，由此降低单孔手术操作的难度。

图1示出了本发明一优选实施例的手术器械系统的结构。如图1所示，所述手术器械系统包括手术工具200，所述手术工具200包括柔性臂体210，所述柔性臂体210包括从远端E至近端H依次连接的腕部结构211、远端柔性组件212、连接结构213和近端柔性组件214。所述近端柔性组件214和远端柔性组件212均为运动约束结构，所述运动约束结构包括近端关节和远端关节。

在实际使用时，所述运动约束结构被配置为当所述近端关节受力向任意方向进行弯转时，所述远端关节能够同步进行弯转(即远端关节能够随动于近端关节)，且所述近端关节和远端关节的姿态保持一致。可以理解的是，同一个运动约束结构中的近端关节和远端关节之间设置连接结构，该连接结构优选为刚性结构，且近端关节和远端关节在结构上关联，具体通过从动丝将近端关节和远端关节连接，从而约束近端关节和远端关节的运动，使近端关节和远端关节呈现姿态映射关系，保持姿态的相同。更详细地，所述远端柔性组件212和近端柔性组件214均具有两个关节(即近端关节和远端关节)，每个关节至少具有一个自由度。运动约束结构可以理解为，当近端关节转动时，远端关节同步转动，因此，同一个运动约束结构中的两个关节连接在一起，它们彼此不独立地操作。以每个关节具有两个正交的自由度为例，虽然两个关节各自具有两个自由度，但整个运动约束结构可以被认为是具有两个自由度(即俯仰和偏摆)的单个关节，因此运动约束结构的运动是“映射的”，因为随着运动约束结构改变远端的位置，运动约束结构的近端和远端的相对取向保持恒定。因此，所述近端柔性组件214与远端柔性组件212具有相同的结构，通过其特殊结构，可以实现两端关节对称解耦的姿态映射，即改变两端关节的位置坐标但不改变两端关节的姿态坐标。

所述手术器械系统还包括驱动系统400和动力系统500。所述动力系统500设置在手术工具200的近端，以提供驱动手术工具200的各关节运动的动力。所述动力系统500可包括动力盒和设置在动力盒内的电机。在一具体的实施例中，所述手术器械系统还包括伸缩关节，所述伸缩关节可移动地设置在机械臂的末端，且所述动力系统500的动力盒设置在伸缩关节上，所述伸缩关节驱动手术工具200移动，此时，所述动力系统500的一部分电机设置在动力盒外以驱动伸缩关节移动。当然也可通过其他伸缩结构来控制手术工具200的移动，而且可以单独驱动手术工具200移动而不带动动力系统500。

所述驱动系统400与动力系统500传动连接，以传递来自动力系统500的动力。所述驱动系统400可包括器械盒和设置在器械盒内的驱动装置。所述器械盒设置在手术工具200的近端并设置有传动接口，所述动力盒上也设置有传动接口，使器械盒内的所述驱动装置与所述动力盒内的电机通过传动接口传动连接。

本申请中，所述驱动装置包括丝驱动组件，所述丝驱动组件与远端柔性组件212和腕部结构211连接，所述丝驱动组件用于在动力系统500的驱动下控制远端柔性组件212和腕部结构211的弯转，以实现远端柔性组件212和腕部结构211的主动弯转。此处，“主动弯转”指的是，由动力系统500和驱动系统400所驱动的运动；而下文中“被动弯转”指的是，不是由动力系统500和驱动系统400所驱动的运动，而是通常人为驱动的运动。而且当所述远端柔性组件212的近端关节在丝驱动组件的控制下向任意方向弯转时，所述远端柔性组件212的远端关节能够与近端关节保持相同的姿态；如此便于增加单孔手术所使用的多个手术工具末端之间在患者体内的工作空间，不仅保证手术工具末端的自由度，还有效防止各手术工具之间的碰撞和干涉，降低单孔手术操作难度。此外，所述近端柔性组件214的近端关节不管是主动运动还是被动运动，其近端关节也能够向任意方向弯转，并同步带动对应的远端关节弯转且姿态保持相同，从而进一步增加了单孔手术所使用的多个手术工具前端之间在患者体外的空间，不仅保证手术工具前端的自由度，还有效防止各手术工具之间的碰撞和干涉，进一步降低单孔手术操作难度，而且也方便将手术工具的近端插入外部器械，如穿刺器等外部器械，降低手术工具与外部器械的装配难度。还需理解的是，以上描述的“所述丝驱动组件用于在动力系统500的驱动下控制远端柔性组件212和腕部结构211的弯转”指的是，所述丝驱动组件既用于控制远端柔性组件212的弯转，还用于控制腕部结构211的弯转，但不应理解为同时控制远端柔性组件212和腕部结构211的弯转的情况，实际上，远端柔性组件212和腕部结构211可以同时弯转，也可以不同时弯转，对此没有任何的限定。

在一具体的实施例中，所述动力系统500包括一定数量的电机，所述驱动装置还包括一定数量的驱动轴和驱动轮，所述驱动轴与电机的输出轴传动连接，所述驱动轮套设在所述驱动轴上，并在驱动轴的驱动下转动。所述丝驱动组件包括若干驱动丝，每根所述驱动丝与对应的驱动轮关联，并在驱动轮的驱动下移动，最终可带动手术工具200的各关节弯转。

进一步地，所述手术工具200还包括末端执行器220，所述末端执行器220与腕部结构211的远端连接。本申请对末端执行器220的种类不作要求，其可为机械式手术执行器，如手术钳、剪刀、止血钳等，也可为能量式手术执行器，如电切刀、电凝头等。

在一些示例中，所述驱动装置还包括与动力系统500传动连接的第一驱动机构；所述第一驱动机构与末端执行器220连接，并能够在动力系统500的驱动下控制末端执行器220的自转。

在另一些示例中，所述驱动装置还包括与动力系统500传动连接的第二驱动机构，所述第二驱动机构与末端执行器220连接，并能够在动力系统500的驱动下控制末端执行器220的开合。

在其他实施例中，所述驱动装置同时包括所述第一驱动机构和所述第二驱动机构，以控制末端执行器220的自转和开合。

在一些实施例中，所述近端柔性组件214不与任何的驱动系统400连接，以实现被动的弯转；如此，便于将手术工具200的近端与外部器械进行装配，即使外部器械与手术工具200的近端不同轴，也能够通过手动方式驱动近端柔性组件214的弯转来适配外部器械，从而降低与外部器械的装配难度。但是所述外部器械不限于为穿刺器，还可以是其他需要与手术工具200的近端配合的器械。在另一些实施例中，所述近端柔性组件214与所述丝驱动组件连接，从而能够在丝驱动组件的控制下实现主动弯转。

本申请实施例中，所述腕部结构211、远端柔性组件212和近端柔性组件214的主动弯转都由不同的丝驱动组件控制实现。如所述丝驱动组件包括近端驱动丝组件、远端驱动丝组件和腕部驱动丝组件；所述近端驱动丝组件用于控制近端柔性组件214的弯转；所述远端驱动丝组件用于控制远端柔性组件212的弯转；所述腕部驱动丝组件用于控制腕部结构211的弯转。

在一优选实施例中，所述腕部结构211能够围绕正交的旋转轴转动。在一优选实施例中，所述远端柔性组件212能够围绕正交的旋转轴转动。在一优选实施例中，所述近端柔性组件214能够围绕正交的旋转轴转动。

在本申请实施例中，所述手术工具200优选具有9个自由度，具体参见表一。

表一：手术工具的自由度和对应的关节

在本申请实施例中，所述动力系统500优选包括9个电机，具体参见表二。

表二：手术工具的关节和对应的电机

电机名称	关节名称
		第一电机	伸缩关节
第三电机和第四电机	近端偏摆关节
		第三电机和第四电机	近端俯仰关节
第二电机和第五电机	远端偏摆关节
		第二电机和第五电机	远端俯仰关节
第六电机和第七电机	腕部俯仰关节
		第六电机和第七电机	腕部偏摆关节
第八电机	末端自转关节
		第九电机	末端开合关节

如表一所示，所述手术工具200具有伸缩关节、近端偏摆关节、近端俯仰关节、远端偏摆关节、远端俯仰关节、腕部俯仰关节、腕部偏摆关节、末端自转关节和末端开合关节，以实现9个自由度。

其中所述伸缩关节用于驱动整个手术工具200移动，伸缩关节包括但不限于为导轨。

所述近端柔性组件214包括近端偏摆关节和近端俯仰关节；所述近端偏摆关节的旋转轴和近端俯仰关节的旋转轴正交布置。所述近端驱动丝组件包括四根驱动丝，所述近端驱动丝组件的两根驱动丝用于控制所述近端偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述近端俯仰关节俯仰。可以理解的是，此时，所述近端柔性组件214的近端关节和远端关节均包括偏摆关节和俯仰关节，且近端的偏摆关节与远端的偏摆关节的姿态相同，近端的俯仰关节与远端的俯仰关节的姿态相同。

所述远端柔性组件212包括远端偏摆关节和远端俯仰关节；所述远端偏摆关节的旋转轴和远端俯仰关节的旋转轴正交布置。所述远端驱动丝组件亦包括四根驱动丝，所述远端驱动丝组件的两根驱动丝用于控制所述远端偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述远端俯仰关节俯仰。同理，可以理解的是，所述远端柔性组件212的近端关节和远端关节均包括偏摆关节和俯仰关节，且近端的偏摆关节与远端的偏摆关节的姿态相同，近端的俯仰关节与远端的俯仰关节的姿态相同。

如图6所示，在一优选实施例中，所述腕部结构211包括腕部俯仰关节2111和腕部偏摆关节2112；所述腕部俯仰关节2111的旋转轴和腕部偏摆关节2112的旋转轴正交布置。所述腕部驱动丝组件包括四根驱动丝，所述腕部驱动丝组件的两根驱动丝用于控制腕部偏摆关节2112的偏摆，另外两根驱动丝用于腕部俯仰关节2111的俯仰。

如图7所示，在一优选实施例中，所述末端执行器220具有末端自转关节221和末端开合关节222。所述第一驱动机构用于控制末端自转关节221的自转。所述第二驱动机构用于控制末端开合关节222的开合。所述第一驱动机构的结构不作限定，例如可为穿设在柔性臂体210中的软轴，由软轴驱动末端自转关节221自转。所述第二驱动机构的结构亦不作限定，例如可包括另一软轴和转换装置，所述转换装置能够将所述另一软轴的轴向移动转换为末端执行器220的开合运动。当然在其他实施例中，所述末端执行器220也可以是其他结构，如可以增加其他自由度，如俯仰、偏摆，或者还可以减少自由度。

因此，在一优选的方案中，所述手术工具200能够实现9个自由度，灵活度好。当然在其他情况下，所述手术工具200亦可以具有更多自由度，如末端执行器220还能够偏摆和俯仰，或者手术工具200整体还可以自转，又或者手术工具200还可以具有少于9个自由度的情况，如减少末端执行器220的自由度。故本申请对手术工具200的自由度数目不作特别的限定。

还应理解，在本实施例中，所述动力系统500包括动力盒和设置在动力盒内的多个电机；其中一部分电机设置在动力盒外，用于驱动导轨(即伸缩关节)移动；其余电机设置在动力盒内，以驱动手术工具的其余关节运动。

为了减少电机的数量，并降低驱动丝的布局难度和预紧难度，所述动力系统500中的电机优选两两一组通过耦合的方式驱动腕部结构211、近端柔性组件214和远端柔性组件212中的至少一个的弯转。在现有技术中，每个自由度由两根驱动丝控制，且每根驱动丝由一个电机控制，因此，2个自由度配置4个电机。而本申请中的2个自由度仅需要2个电机控制，有效地减少了电机的数量，从而也降低了驱动丝的布局难度和预紧难度。

在一些示例中，所述动力系统500包括近端电机模组，所述近端电机模组包括两个电机，如表二的第三电机和第四电机；且所述近端电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述近端偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述近端俯仰关节进行俯仰。更详细地，通过改变所述第三电机和第四电机的输出模式，即可转换近端柔性组件214的运动模式。

在一具体实施例中，所述近端电机模组具有第一驱动模式和第二驱动模式；当所述近端电机模组处于所述第一驱动模式时，所述第三电机和第四电机共同驱动近端偏摆关节做偏摆运动；当所述近端电机模组处于所述第二驱动模式时，所述第三电机和第四电机共同驱动近端俯仰关节做俯仰运动。可选地，所述第一驱动模式为第三电机的角位移大于第四电机的角位移，此时，两个电机所输出的角位移不一致，且第三电机的角位移更大时能够通过近端驱动丝组件控制近端偏摆关节弯转；而第二驱动模式为第三电机的角位移小于第四电机的角位移时，两个电机所输出的角位移不一致，且第四电机的角位移更大时能够通过近端驱动丝组件控制近端俯仰关节弯转。其中第三电机和第四电机控制两根驱动丝。

另在一些示例中，所述动力系统500包括远端电机模组，所述远端电机模组包括两个电机，如表二的第二电机和第五电机；且所述远端电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述远端偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述远端俯仰关节进行俯仰。更详细地，通过改变所第二电机和第五电机的输出模式，即可转变远端柔性组件212的运动模式。

如在具体实施例中，所述远端电机模组具有第三驱动模式和第四驱动模式；当所述远端电机模组处于所述第三驱动模式时，所述第二电机和所述第五电机共同驱动所述远端偏摆关节进行偏摆；当所述远端电机模组处于所述第四驱动模式时，所述第二电机和所述第五电机共同驱动所述远端俯仰关节进行俯仰。可选地，所述第三驱动模式为第二电机的角位移大于第五电机的角位移，此时，两个电机所输出的角位移不一致，且第二电机的角位移更大时能够通过远端驱动丝组件控制远端偏摆关节弯转；而第四驱动模式为第二电机的角位移小于第五电机的角位移时，两个电机所输出的角位移不一致，且第五电机的角位移更大时能够通过远端驱动丝组件控制远端俯仰关节弯转。其中第二电机和第五电机控制两根驱动丝。

在一其他示例中，所述动力系统500包括腕部电机模组，所述腕部电机模组包括两个电机，如表二的第六电机和第七电机；且所述腕部电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述腕部偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述腕部俯仰关节进行俯仰。同样地，通过改变所述第六电机和第七电机的输出模式，即可转变腕部结构211的运动模式。

在一具体实施例中，所述腕部电机模组具有第五驱动模式和第六驱动模式；当所述腕部电机模组处于所述第五驱动模式时，所述第六电机和第七电机共同驱动所述腕部偏摆关节进行偏摆；当所述腕部电机模组处于所述第六驱动模式时，所述第六电机和第七电机共同驱动所述腕部俯仰关节进行俯仰。可选地，所述第五驱动模式为第六电机的角位移大于第七电机的角位移，此时，两个电机所输出的角位移不一致，且第六电机的角位移更大时能够通过腕部驱动丝组件控制腕部偏摆关节弯转；而第六驱动模式为第六电机的角位移小于第七电机的角位移时，两个电机所输出的角位移不一致，且第七电机的角位移更大时能够通过腕部驱动丝组件控制腕部俯仰关节弯转。其中第六电机和第七电机控制两根驱动丝。

当然本申请并不局限于通过角位移来限定驱动模式，例如还可通过角速度、转动时长等来限定驱动模式。

继续参阅表二，所述动力系统500还可包括第一电机，所述第一电机用于驱动伸缩关节移动，第一电机设置在动力盒外。所述动力系统500还可包括第八电机，用于独立地驱动末端自转关节221自转。所述动力系统500还可包括第九电机，用于独立地驱动末端开合关节222开合。

图2示出了根据本发明一优选实施例的驱动系统的结构，其显示了器械盒401上的传动接口与电机的对应关系。

如图2所示，所述驱动系统400包括器械盒401，所述器械盒401上设置有与各个电机传动连接的传动接口(如传动盘)。如在本申请实施例中，设置有8个传动接口，用标号2-9表示。每个传动接口与对应的一个电机的输出轴传动连接，如标号2表示与第二电机传动连接的传动接口，标号3表示与第三电机传动连接的传动接口，标号4表示与第四电机传动连接的传动接口，标号5表示与第五电机传动连接的传动接口，标号6表示与第六电机传动连接的传动接口，标号7表示与第七电机传动连接的传动接口，标号8表示与第八电机传动连接的传动接口，标号9表示与第九电机传动连接的传动接口。

图3示出了根据本发明优选实施例的近端柔性组件214的结构。如图3所示，所述近端柔性组件214包括近端第一关节2141和近端第二关节2142，还包括位于近端第一关节2141和近端第二关节2142之间的近端主体段2143。所述近端第一关节2141构成运动约束结构的近端关节，所述近端第二关节2142构成运动约束结构的远端关节。所述近端第一关节2141相对于近端第二关节2142更靠近手术工具的近端。且所述近端第一关节2141和近端第二关节2142均具有传动连接的近侧连接盘和远侧连接盘，该两个连接盘可以是滚动接触、点接触或滑动接触。优选地，近端第一关节2141能够围绕正交轴转动，近端第二关节2142能够围绕正交轴转动。所述近端主体段2143优选为刚性管体结构。

所述近端柔性组件214的操作原理为：以近端柔性组件214绕旋转轴进行偏摆为例，两根从动丝定位在近端柔性组件214的相对侧且将近端第一关节2141中的近侧连接盘连接到近端第二关节2142的远侧连接盘，且所述近端驱动丝组件中的两根驱动丝连接到近端第一关节2141中的远侧连接盘并穿过管体近侧主体段2131返回到器械盒内与驱动轮关联。当所述第三电机和第四电机处于第一驱动模式时，通过近端驱动丝组件驱动近端第一关节2141围绕旋转轴偏摆，且近端第二关节2142随动于近端第一关节2141而同步地偏摆，且近端第二关节2142的偏摆姿态与近端第一关节2141的偏摆姿态保持相同。而近端柔性组件214绕旋转轴进行俯仰的方式与此类似，不再详细描述。如此，近端第一关节2141和近端第二关节2142整体提供2个自由度，为近端平行偏摆和近端平行俯仰。

图4示出了根据本发明优选实施例的连接结构213。结合图3、图4和图1所示，所述连接结构213包括位于近端柔性组件214和远端柔性组件212之间的管体远侧主体段2132，以及位于近端柔性组件214的近端一侧的管体近侧主体段2131。所述连接结构213用于提供足够的刚性支撑，并不提供关节，并可插入戳卡中，以限制手术工具的移动范围。戳卡固定在患者皮肤的切口处，通常用于防止手术工具或导管摩擦患者组织。戳卡可用于切口或自然孔口。所述连接结构213优选为刚性管体结构。

图5示出了根据本发明优选实施例的远端柔性组件212的结构。所述远端柔性组件212的结构和操作原理与近端柔性组件214的结构和操作原理类似。如图5所示，所述远端柔性组件212包括远端第一关节2121和远端第二关节2122，还包括位于远端第一关节2121和远端第二关节2122之间的远端主体段2123。所述远端第一关节2121构成运动约束结构的近端关节，所述远端第二关节2122构成运动约束结构的远端关节。所述远端第一关节2121相对于远端第二关节2122更靠近手术工具的近端。且所述远端第一关节2121和远端第二关节2122均具有近侧连接盘和远侧连接盘，该两个连接盘也可以是滚动接触、点接触或滑动接触。优选地，远端第一关节2121能够围绕正交轴转动，远端第二关节2122能够围绕正交轴转动。所述远端主体段2123优选为刚性管体结构。

所述远端柔性组件212的操作原理为：以远端柔性组件212绕旋转轴进行偏摆为例，另外两根从动丝定位在远端柔性组件212的相对侧且将远端第一关节2121中的近侧连接盘连接到远端第二关节2122的远侧连接盘，所述远端驱动丝组件中的两根驱动丝连接到远端第一关节2121中的远侧连接盘并穿过管体远侧主体段2132、近端柔性组件214和管体近侧主体段2131返回到器械盒内与驱动轮关联。当所述第二电机和第五电机处于第三驱动模式时，通过远端驱动丝组件驱动远端第一关节2121围绕旋转轴偏摆，且远端第二关节2122随动于远端第一关节2121而同步地偏摆，且远端第二关节2122的偏摆姿态与远端第一关节2121的偏摆姿态保持相同。而远端柔性组件212绕旋转轴进行俯仰的方式与偏摆类似，也不作详细描述。如此，远端第一关节2121和远端第二关节2122整体提供2个自由度，为远端平行偏摆和远端平行俯仰。

进一步地，本发明一优选实施例还提供一种手术机器人，包括机械臂和手术器械系统，所述手术器械系统与所述机械臂的末端连接，所述机械臂用于驱动所述手术器械系统运动。

优选的，如图1所示，所述手术机器人还包括与动力系统500通信连接的控制装置300。所述控制装置300用于控制动力系统500的运行，实现手术工具的各关节运动的精准控制。

进一步地，所述控制装置300被配置为，根据经通信获取预设的控制信息生成对应动力系统500的驱动信号，使动力系统500根据所述驱动信号驱动驱动装置运动，以使手术工具的各关节运动至期望位置。

在一些示例中，所述控制信息用于限制电机所输出的驱动信号，例如限制驱动信号的电压/电流的幅值、或时长等。例如所述控制装置300利用逆运动学方程将所接收的控制信息转换为用于驱动电机的驱动信号，并将该驱动信号设置为控制条件中的阈值，利用所述控制条件中对应阈值的判断条件和当前电机的驱动状态，向电机输出用于改变驱动状态的差分的驱动信号。其中，所述驱动状态的信息举例为反映电机的转矩、电机的角位移等的驱动信号。

在另一些示例中，所述控制装置300基于预设的控制信息生成执行驱动电机运行的截止条件。以控制信息包括关节期望位置为例，所述截止条件包括：关节的实际位置在基于关节期望位置而设置的关节位置误差范围内，以及基于该关节位置误差范围而设置的关节位置判断条件；以及关节的实际角速度在基于角速度期望值而设置的关节角速度误差范围内，以及基于该关节角速度误差范围而设置的关节角速度判断条件。其中，各误差范围可以是数据值或数据区间。因此，根据关节位置判断条件和/或关节角速度判断条件，可以确定关节的实际状态是否符合控制信息所设定的要求。

在一些具体实施例中，所述控制装置300可根据逆运动学模型计算符合截止条件的驱动信号，以及根据反馈的关节信息(如关节角速度、关节角位移)来判断电机实际驱动的偏差是否维持在相应的误差范围内。例如驱动的偏差在误差范围内，则不调整驱动信号，反之则调整驱动信号。

在另一具体实施例中，所述控制装置300可根据手术工具的关节期望的状态信息和所述手术工具的关节实际的状态信息调整所述驱动信号，使动力系统500根据调整后的所述驱动信号驱动驱动装置运动，以使手术工具的各关节运动至期望位置。所述关节期望的状态信息包括关节期望角位移和关节期望角速度；所述关节实际的状态信息包括关节实际角位移和关节实际角速度。

进一步地，所述控制装置300可基于预设的控制信息生成执行驱动手术工具的各关节运动的截止条件；所述控制装置300还可根据反馈的信息判断手术工具的各关节的位置是否符合所述截止条件，若符合，则所述控制装置300控制动力系统500停止运行。例如，所述控制装置300可根据预设的限位阈值控制动力系统500的工作状态，以限定近端柔性组件214、远端柔性组件212和腕部结构211中的至少一个的关节角位移。如可以是结构上进行机械限位或软件限位来控制这些部件的转动角度，当关节的位置超过限位阈值时，则控制装置300控制电机停止运行，使对应的关节不再转动，以确保关节的安全性。

以近端柔性组件214的俯仰和偏摆为例，为近端偏摆关节设置第一限位阈值，为近端俯仰关节设置第二限位阈值，第一限位阈值和第二限位阈值可以是关联的，如倍数关系，或者毫无关联。如近端柔性组件214的俯仰和偏摆均受第三电机和第四电机控制，其中第一限位阈值小于第二限位阈值，则当受第三电机和第四电机控制时，近端偏摆关节达到第一限位阈值时，该近端偏摆关节不再偏转，而近端俯仰关节还可以受第三电机和第四电机的控制继续俯仰。

本实施例中，近端柔性组件214的偏摆角度θ2∈[-45°，45°]；近端柔性组件214的俯仰角度θ3∈[-45°，45°]；远端柔性组件212的偏摆角度θ4∈[-45°，45°]；远端柔性组件212的俯仰角度θ5∈[-45°，45°]；腕部结构211的俯仰角度θ6∈[-80°，80°]；腕部结构211的偏摆角度θ7∈[-80°，80°]；末端自转关节221的自转角度θ8∈[-90°，90°]。这些角度范围基本上能够满足现有手术要求。

接下去对本发明的手术器械系统的控制方式作进一步的说明。

图8示出了根据本发明一优选实施例的手术器械系统的总控制流程图。如图8所示，所述控制装置300用于实现手术工具200的关节运动控制，在一优选实施例中，该控制装置300的控制原理为：

首先，控制装置300接收经通信获取的关节期望位置参考输入C1；具体地，可在医生主控制台处输入关节期望位置；所述关节期望位置包括关节角位移等的输入信息；

其次，控制装置300根据关节期望位置参考输入C1的信息，生成对应于电机的驱动信号；所述驱动信号如包括参考电枢输入电压或参考电枢输入电流等的驱动信号；

接着，动力系统500根据驱动信号控制手术工具200的各关节运动，且在手术工具200的各关节运动过程中，实时地将关节实际位置C2(主要为关节角位移)反馈至控制装置300，进而控制装置300根据反馈的关节实际位置信息，调整驱动信号，将关节的实际位置与关节期望位置控制在误差范围内，使手术工具各关节能够能跟随操作端输入的关节期望位置，实现关节运动的精准控制。

本申请实施例中，所述控制装置300可根据关节期望的角位移的参考输入生成预设的控制信息，所述预设的控制信息包括参考关节转矩(即关节期望转矩)、参考关节角速度(即关节期望角速度)、参考关节角加速度(即关节期望角加速度)等的控制信息，进而所述控制装置300根据预设的控制信息生成对应电机的驱动信号，所述驱动信号例如包括参考电枢输入电压(即电机期望输入电压)或参考电枢输入电流(即电机期望输入电流)等的驱动信号。

图9示出了一优选实施例中的控制装置300调整驱动信号的控制流程图。如9所示，在控制手术工具各关节运动的过程中，所述控制装置300可根据关节位置偏差Δθ和关节角速度偏差

获取参考关节转矩301，并进一步基于减速比302获取参考电机转矩303，再进一步根据参考电机转矩303获取参考电枢输入电压304，最后将参考电枢输入电压304输出至动力系统500，以参考电枢输入电压304控制动力系统500的驱动。

在具体实施时，所述控制装置300可通过一个比较器比较关节实际角位移305和关节角位移参考输入306(即关节期望角位移)的差值，并得到关节位置偏差Δθ；并通过另一个比较器比较关节角速度参考输入(即关节期望角速度)和关节实际角速度307的差值，并得到关节角速度偏差

在一具体实施例中，微分器根据关节角位移参考输入306获取关节角速度参考输入。在一具体实施例中，电流环可根据参考电机转矩303获取参考电枢输入电压304。由于微分器和电流环均为现有技术，故本申请对此结构不作详细描述。

本实施例中，操作者可通过医生主控制台输入关节角位移参考输入306，并通过有线或无线通信方式传输至控制装置300；而关节实际角位移305和关节实际角速度307均可通过计算或传感器检测得到。因此，所述控制装置300将生成的参考电枢输入电压304发送至电机，使电机在参考电枢输入电压304下运行，而且控制装置300亦可根据反馈的关节实际角位移和关节实际角速度来调整电机的输入电压或输入电流，以使关节的位置跟随医生主控制台处的输入信号。

图10示出了一优选实施例中的控制装置300监控电机运行情况以及电机截止运行的控制流程图。

如图10所示，在控制手术工具各关节运动的过程中，所述控制装置300可通过又一个比较器比较参考电枢输入电压304和电枢动生电动势308的差值，得到电压差值ΔU后，利用基尔霍夫定律309计算得到电枢电流310，进一步根据电枢电流310和电机转矩常数311获取电机转矩312，最后基于牛顿第二定律的转动表达式，结合电机转矩312、关节负载转矩313与黏性摩擦转矩314，将电机转矩312、关节负载转矩313与黏性摩擦转矩314的合力转矩除以转子转动惯量315，即可得到电机角加速度316，然后根据电机角加速度316可获取电机角速度317，最后根据电机角速度317可获取电机角位移318，并最终输出电机角位移318，该电机角位移318可构成电机运行的截止条件。

所应理解，可根据电机角速度317的反馈来获取电枢动生电动势308，而通过积分器可根据电机角加速度316获取电机角速度317，进而积分器还可根据电机角速度317获取电机角位移318。因此，所述控制装置300能够根据生成的参考电枢输入电压304获取电机角位移，从而获取电机的截止条件，还能够通过反馈的电机转矩来监控电机的运行情况。

图11示出了一优选实施例中的控制装置300监控手术工具关节的运行情况的流程图。

如图11所示，所述控制装置300可监控手术工具各关节的运行状态，具体地，所述控制装置300可通过一个比较器比较电机角位移318和电机角位移换算量的差值Δθ，其中电机角位移换算量根据关节角位移305乘以减速比302换算得到。进而控制装置300将角位移的差值Δθ作为弹性形变输入到弹性形变动力学模型319，并由此获取关节负载转矩313，进一步基于牛顿第二定律的转动表达式，结合关节负载转矩313、黏性摩擦转矩314和库仑摩擦转矩320，将关节负载转矩313、黏性摩擦转矩314和库仑摩擦转矩320的合力转矩除以关节转动惯量321，即可得到关节角加速度322，然后根据关节角加速度322获取关节角速度323，最后根据关节角速度323可获取关节角位移305，该关节角位移可作为驱动信号调整的控制条件。所应理解，关节角速度323可通过积分器根据关节角加速度322来获取，还可利用积分器根据关节角速度323获取关节角位移305。此外，本申请对弹性形变动力学模型不作限制，此为本领域的技术人员容易根据设定的力传动模型并基于现有技术中的动力学建模原理来获取，因此，本申请对弹性形变动力学模型的结构不作详细的描述，此为本领域的公知常识。故通过图11中的控制方式可获取关节角位移、关节角速度、关节负载转矩等的关节状态信息，以此来监控关节的状态、电机的运行以及调整电机的驱动信号。

图12示出了本发明优选实施例中的手术工具的运动学建模的原理图。可以理解，控制装置300可根据图12所示的运动学模型，对手术工具中的各关节进行控制和驱动，反之，图11所示的手术工具的各关节的转动控制过程可利用图12的运动学模型进行描述。

如在本申请实施例中，手术工具200具有9个自由度，其运动学模型如图12所示。在该运动学模型中，为手术工具200建立了13个坐标系，为P0至P13；P0为世界坐标系，具体位置不作限定，如可设置在手术工具200的近端；而P1至P13为各节点坐标系，并给出了在笛卡尔坐标系下的坐标轴方向。其中为了更清晰，将P2至P11的坐标绘制在手术工具的两旁，但实际上位于对应虚线与手术工具的中轴交点处。

接下去根据自由度定义的各关节，描述各坐标系在世界坐标系下的位置描述。

具体地，定义坐标系P1(x1，y1，z1)为伸缩关节的基坐标，伸缩关节的移动轴在世界坐标系P0(x0，y0，z0)下的描述可表示为[0 0 1]^T，即伸缩关节1位于导轨上，可以带动整个手术工具200上下运动。一般地，坐标系P1与世界坐标系P0重合，可以简化计算过程。

定义坐标系P2(x2，y2，z2)为近端第一关节2141的近端偏摆关节的基坐标，近端第一关节2141的近端偏摆关节的旋转轴在世界坐标系P₀下的描述可表示为[0 1 0]^T。

定义坐标系P3(x3，y3，z3)为近端第一关节2141的近端俯仰关节的基坐标，近端第一关节2141的近端俯仰关节的旋转轴在世界坐标系P₀下的描述可表示为[1 0 0]^T。

定义坐标系P4(x4，y4，z4)为近端第二关节2142的近端偏摆关节的基坐标，近端第二关节2142的近端偏摆关节的旋转轴在世界坐标系P0下的描述可表示与坐标系P2相同。

定义坐标系P5(x5，y5，z5)为近端第二关节2142的近端俯仰关节的基坐标，近端第二关节2142的近端俯仰关节的旋转轴在世界坐标系P0下的描述可表示与坐标系P3相同。

定义坐标系P6(x6，y6，z6)为远端第一关节2121的远端偏摆关节的基坐标，远端第一关节2121的远端偏摆关节的旋转轴在世界坐标系P0下的描述可表示为[0 1 0]^T。

定义坐标系P7(x7，y7，z7)为远端第一关节2121的远端俯仰关节的基坐标，远端第一关节202的远端俯仰关节的旋转轴在世界坐标系P0下的描述可表示为[1 0 0]^T。

定义坐标系P8(x8，y8，z8)为远端第二关节2122的远端偏摆关节的基坐标，远端第二关节2122的远端偏摆关节的旋转轴在世界坐标系P0下的描述可表示为[1 0 0]^T。

定义坐标系P9(x9，y9，z9)为远端第二关节2122的远端俯仰关节的基坐标，远端第二关节2122的远端俯仰关节的旋转轴在世界坐标系P0下的描述可表示为[0 1 0]^T。

定义坐标系P10(x10，y10，z10)为腕部结构211的腕部俯仰关节的基坐标，腕部结构211的腕部俯仰关节的旋转轴在世界坐标系P₀下的描述可表示为[1 0 0]^T。

定义坐标系P11(x11，y11，z11)为腕部结构211的腕部偏摆关节的基坐标，腕部结构211的腕部偏摆关节的旋转轴在世界坐标系P₀下的描述可表示为[0 1 0]^T。

定义坐标系P12(x12，y12，z12)为末端自转关节221的基坐标，末端自转关节221的旋转轴在世界坐标系P₀下的描述可表示为[0 0 1]^T。

定义坐标系P13(x13，y13，z13)为末端开合关节222的基坐标，末端开合关节222的旋转轴在世界坐标系P₀下的描述可表示为[0 1 0]^T。

所需理解，所述近端柔性组件214由于运动约束结构对称解耦的特性，在坐标系P4与P5所在的节点的笛卡尔位置坐标相较P2与P3发生了变化，但其欧拉角姿态将保持不变，即映射先前的姿态，不增加额外自由度。同样地，远端柔性组件212由于运动约束结构对称解耦的特性，在坐标系P8与P9所在的节点的笛卡尔位置坐标相较P6与P7发生了变化，但其欧拉角姿态将保持不变，即映射先前的姿态，不增加额外自由度。

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 (17)

1.一种手术器械系统，其特征在于，包括：

手术工具，包括从近端至远端依次连接的近端柔性组件、连接结构、远端柔性组件和腕部结构；

动力系统，设置在所述手术工具的近端；以及，

驱动系统，与所述动力系统传动连接；所述驱动系统包括驱动装置，所述驱动装置包括丝驱动组件，所述丝驱动组件与所述远端柔性组件和所述腕部结构连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述远端柔性组件和所述腕部结构的弯转；

其中，所述近端柔性组件和所述远端柔性组件均为运动约束结构；所述运动约束结构包括近端关节和远端关节；所述运动约束结构被配置为当所述近端关节受力弯转时，所述远端关节随动于所述近端关节，且所述远端关节的姿态与所述近端关节的姿态保持相同。

2.根据权利要求1所述的手术器械系统，其特征在于，所述丝驱动组件还与所述近端柔性组件连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述近端柔性组件的弯转。

3.根据权利要求2所述的手术器械系统，其特征在于，所述近端柔性组件包括近端偏摆关节和近端俯仰关节，所述近端偏摆关节的旋转轴与所述近端俯仰关节的旋转轴正交设置；

所述丝驱动组件包括近端驱动丝组件，所述近端驱动丝组件包括四根驱动丝；所述近端驱动丝组件的两根驱动丝用于控制所述近端偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述近端俯仰关节俯仰；

所述动力系统包括近端电机模组，所述近端电机模组包括两个电机；所述近端电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述近端偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述近端俯仰关节进行俯仰。

4.根据权利要求3所述的手术器械系统，其特征在于，所述近端电机模组具有第一驱动模式和第二驱动模式；

当所述近端电机模组处于所述第一驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述近端偏摆关节进行偏摆；

当所述近端电机模组处于所述第二驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述近端俯仰关节进行俯仰。

5.根据权利要求4所述的手术器械系统，其特征在于，所述近端电机模组的两个所述电机的角位移被配置为不相同。

6.根据权利要求1所述的手术器械系统，其特征在于，所述远端柔性组件包括远端偏摆关节和远端俯仰关节，所述远端偏摆关节的旋转轴与所述远端俯仰关节的旋转轴正交设置；

所述丝驱动组件包括远端驱动丝组件，所述远端驱动丝组件包括四根驱动丝；所述远端丝驱动组件的两根驱动丝用于控制所述远端偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述远端俯仰关节俯仰；

所述动力系统包括远端电机模组，所述远端电机模组包括两个电机；所述远端电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述远端偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述远端俯仰关节进行俯仰。

7.根据权利要求6所述的手术器械系统，其特征在于，所述远端电机模组具有第三驱动模式和第四驱动模式；

当所述远端电机模组处于所述第三驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述远端偏摆关节进行偏摆；

当所述远端电机模组处于所述第四驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述远端俯仰关节进行俯仰。

8.根据权利要求7所述的手术器械系统，其特征在于，所述远端电机模组的两个所述电机的角位移被配置为不相同。

9.根据权利要求1所述的手术器械系统，其特征在于，所述腕部结构包括腕部俯仰关节和腕部偏摆关节，所述腕部偏摆关节的旋转轴与所述腕部俯仰关节的旋转轴正交设置；

所述丝驱动组件包括腕部驱动丝组件，所述腕部驱动丝组件包括四根驱动丝；所述腕部驱动丝组件的两根驱动丝用于控制所述腕部偏摆关节的偏摆，另外两根驱动丝用于控制所述腕部俯仰关节俯仰；

所述动力系统包括腕部电机模组，所述腕部电机模组包括两个电机；所述腕部电机模组的两个所述电机用于共同驱动所述腕部偏摆关节进行偏摆，并还用于共同驱动所述腕部俯仰关节进行俯仰。

10.根据权利要求9所述的手术器械系统，其特征在于，所述腕部电机模组具有第五驱动模式和第六驱动模式；

当所述腕部电机模组处于所述第五驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述腕部偏摆关节进行偏摆；

当所述腕部电机模组处于所述第六驱动模式时，两个所述电机共同驱动所述腕部俯仰关节进行俯仰。

11.根据权利要求10所述的手术器械系统，其特征在于，所述腕部电机模组的两个所述电机的角位移被配置为不相同。

12.根据权利要求1所述的手术器械系统，其特征在于，所述手术工具还包括末端执行器，所述末端执行器与所述腕部结构的远端连接；

所述驱动装置还包括第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述末端执行器连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述末端执行器的自转；和/或，

所述驱动装置还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述末端执行器连接，并能够在所述动力系统的驱动下控制所述末端执行器的开合。

13.根据权利要求12所述的手术器械系统，其特征在于，所述手术器械系统还包括伸缩关节，所述动力系统包括动力盒和多个电机，一部分所述电机设置在所述动力盒内，另一部分所述电机设置在所述动力盒外以驱动所述伸缩关节移动，所述动力盒设置在所述伸缩关节上，多个所述电机用于驱动以下结构的运动：

所述近端柔性组件围绕正交轴弯转；

所述远端柔性组件围绕正交轴弯转；

所述腕部结构围绕正交轴弯转；

所述末端执行器的自转；以及，

所述末端执行器的开合。

14.一种手术机器人，其特征在于，包括机械臂以及如权利要求1-13中任一项所述的手术器械系统，所述手术器械系统与所述机械臂的末端连接，所述机械臂用于驱动所述手术器械系统运动。

15.根据权利要求14所述的手术机器人，其特征在于，还包括与所述动力系统通信连接的控制装置；

所述控制装置被配置为，根据经通信获取预设的控制信息生成对应所述动力系统的驱动信号，使所述动力系统根据所述驱动信号驱动所述驱动装置运动，以使所述手术工具的各关节运动至期望位置。

16.根据权利要求15所述的手术机器人，其特征在于，所述控制装置还被配置为，根据所述手术工具的关节期望的状态信息和所述手术工具的关节实际的状态信息调整所述驱动信号，使所述动力系统根据调整后的所述驱动信号驱动所述驱动装置运动，以使所述手术工具的各关节运动至期望位置；所述关节的状态信息包括关节角位移和关节角速度。

17.根据权利要求15或16所述的手术机器人，其特征在于，所述控制装置还被配置为基于预设的控制信息生成执行驱动所述手术工具的各关节运动的截止条件；

所述控制装置还被配置为，根据反馈的信息判断所述手术工具的各关节的位置是否符合所述截止条件，若符合，则所述控制装置控制所述动力系统停止运行。

Images