CN115068015A - 基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，包括：远端压缩弹簧；近端压缩弹簧；中间连接块；远端连接块；近端连接块；镍钛合金支撑杆；镍钛合金支撑管；远端镍钛合金套管，远端镍钛合金套管配合在近端连接块的远端滑动孔、中间连接块的中间滑动孔和镍钛合金支撑管内；近端镍钛合金套管，近端镍钛合金套管配合在近端连接块的近端滑动孔内；远端钢丝绳，远端钢丝绳固定在远端止挡部；近端钢丝绳，近端钢丝绳固定在中间连接块。根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械能够调节弯曲长度、曲率和刚度，具有柔顺性好、稳定性强、负载能力大、可控性高、可靠性好等优点。

Description

基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械

技术领域

本发明涉及医疗器械制造技术领域，具体而言，涉及一种基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械。

背景技术

随着科学技术的发展，微创手术因创伤小，疼痛轻，恢复周期短等诸多优点越来越受到医生和患者的青睐。传统的开腹手术逐渐被多孔或单孔腹腔镜手术，经人体自然腔道手术的术式所取代。同时随着机器人技术的发展，机器人辅助的腹腔镜手术和机器人辅助的经人体自然腔道的手术方式也逐步应用到临床中。实际上，传统微创手术和机器人辅助的微创手术方式都会因为手术切口的减小而增大手术的难度，因此对手术工具提出了很高的要求。

弯曲可控的线驱动器械在微创外科领域应用广泛并发挥着重要的作用。细小的手术器械便于通过微小创口进入人体，器械末端弯曲可控的特性方便医生对人体内的手术部位的组织进行灵活的操作。然而，有些手术场景比如肺支气管和心脑血管等对柔性手术器械提出了更高的要求。柔性器械不仅需要避免与周边组织发生碰撞，穿过弯曲狭长的腔道，还需要在到达手术目标区域后具有一定的刚性支撑末端工具的操作。

相关技术中的多段柔性器械，有连杆关节式的柔性手术器械，也有采用蛇骨结构的柔性手术器械。但是很难平衡支撑刚度和器械自身柔顺性和顺应性问题，更关键的是手术器械的多段结构之间相互耦合，相互影响，不仅运动学关系相互影响，力的传递方面也相互影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，该基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械能够调节弯曲长度、曲率和刚度，具有柔顺性好、稳定性强、负载能力大、可控性高、可靠性好等优点。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，所述基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械包括：远端压缩弹簧，所述远端压缩弹簧具有远端和近端；近端压缩弹簧，所述近端压缩弹簧具有远端和近端；中间连接块，所述中间连接块包括中间止挡部、远端中间配合部和近端中间配合部，所述远端中间配合部配合在所述远端压缩弹簧内且所述远端压缩弹簧的近端与所述中间止挡部抵接，所述近端中间配合部配合在所述近端压缩弹簧内且所述近端压缩弹簧的远端与所述中间止挡部抵接；远端连接块，所述远端连接块包括远端止挡部和远端配合部，所述远端配合部配合在所述远端压缩弹簧内且所述远端压缩弹簧的远端与所述远端止挡部抵接；近端连接块，所述近端连接块包括近端止挡部和近端配合部，所述近端配合部配合在所述近端压缩弹簧内且所述近端压缩弹簧的近端与所述近端止挡部抵接；镍钛合金支撑杆，所述镍钛合金支撑杆位于所述远端压缩弹簧的径向内侧且两端分别与所述远端连接块和所述中间连接块相连；镍钛合金支撑管，所述镍钛合金支撑管位于所述近端压缩弹簧的径向内侧且两端分别与所述近端连接块和所述中间连接块相连；远端镍钛合金套管，所述近端连接块上设有沿轴向贯通所述近端连接块的远端滑动孔，所述中间连接块上设有沿轴向贯通所述中间连接块的中间滑动孔，所述远端镍钛合金套管可沿轴向滑动地配合在所述远端滑动孔、所述中间滑动孔和所述镍钛合金支撑管内；近端镍钛合金套管，所述近端连接块上设有沿轴向贯通所述近端连接块的近端滑动孔，所述近端镍钛合金套管可沿轴向滑动地配合在所述近端滑动孔内；远端钢丝绳，所述远端钢丝绳的一端设有远端固定块，所述远端止挡部远离所述远端配合部的端面上设有远端沉孔，所述远端连接块上设有与所述远端沉孔连通的远端过孔，所述远端固定块固定配合在所述远端沉孔内且所述远端钢丝绳穿过所述远端过孔和所述远端镍钛合金套管且与所述远端镍钛合金套管可滑动地配合；近端钢丝绳，所述近端钢丝绳的一端设有近端固定块，所述中间连接块上设有中间沉孔，所述中间连接块上设有与所述中间沉孔连通的中间过孔，所述近端固定块固定配合在所述中间沉孔内且所述近端钢丝绳穿过所述中间过孔和所述近端镍钛合金套管且与所述近端镍钛合金套管可滑动地配合。

根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，能够调节弯曲长度、曲率和刚度，具有柔顺性好、稳定性强、负载能力大、可控性高、可靠性好等优点。

另外，根据本发明上述实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述中间过孔与所述镍钛合金支撑杆的中心轴线重合，所述中间滑动孔与所述镍钛合金支撑管的中心轴线重合。

根据本发明的一个实施例，所述中间滑动孔与所述镍钛合金支撑杆在所述中间连接块的周向上相对，所述中间过孔与所述镍钛合金支撑管在所述中间连接块的周向上相对。

根据本发明的一个实施例，所述中间连接块上设有中间支撑管安装孔和中间支撑杆安装孔，所述近端连接块上设有近端支撑管安装孔，所述远端连接块上设有远端支撑杆安装孔，所述镍钛合金支撑杆的两端分别固定配合在所述远端支撑杆安装孔和所述中间支撑杆安装孔内，所述镍钛合金支撑管的两端分别固定配合在所述中间支撑管安装孔和所述近端支撑管安装孔内。

根据本发明的一个实施例，所述中间支撑管安装孔与所述中间滑动孔的中心轴线重合，所述中间支撑杆安装孔与所述中间过孔的中心轴线重合，所述中间支撑管安装孔与所述中间过孔在所述中间连接块的周向上相对，所述中间支撑杆安装孔与所述中间滑动孔在所述中间连接块的周向上相对，所述远端滑动孔与所述近端支撑管安装孔的中心轴线重合，所述远端滑动孔与所述近端滑动孔在所述近端连接块的周向上相对，所述远端支撑杆安装孔与所述远端过孔在所述远端连接块的周向上相对。

根据本发明的一个实施例，所述镍钛合金支撑杆与所述远端压缩弹簧的内侧贴合，所述镍钛合金支撑管与所述近端压缩弹簧的内侧贴合。

根据本发明的一个实施例，所述远端压缩弹簧、所述近端压缩弹簧、所述中间连接块、所述远端连接块和所述近端连接块的中心轴线重合。

根据本发明的一个实施例，所述远端固定块与所述远端沉孔所在表面平齐，所述近端固定块与所述中间沉孔所在表面平齐。

根据本发明的一个实施例，所述远端止挡部、所述中间止挡部、所述近端止挡部、所述远端压缩弹簧和所述近端压缩弹簧的外径相等。

根据本发明的一个实施例，所述远端连接块、所述近端连接块和所述中间连接块的径向中心处均设有贯通轴向的预留通道。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的结构示意图。

图5是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的结构示意图。

图6是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的结构示意图。

图7是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的局部结构示意图。

图8是根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械的局部结构示意图。

附图标记：基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1、远端压缩弹簧10、近端压缩弹簧20、中间连接块30、中间止挡部31、远端中间配合部32、近端中间配合部33、中间滑动孔34、中间支撑管安装孔35、中间支撑杆安装孔36、中间沉孔37、中间过孔38、远端连接块40、远端止挡部41、远端配合部42、远端沉孔43、远端过孔44、远端支撑杆安装孔45、近端连接块50、近端止挡部51、近端配合部52、近端支撑管安装孔53、远端滑动孔54、近端滑动孔55、镍钛合金支撑杆60、镍钛合金支撑管70、远端镍钛合金套管80、近端镍钛合金套管90、远端钢丝绳100、远端固定块101、近端钢丝绳110、近端固定块111、预留通道120。

具体实施方式

本发明是基于本申请的发明人对以下事实和问题的发现作出的：

相关技术中的用于微创手术的柔性可控工具，包括：

连杆关节式工具，连杆关节式工具由两个及以上刚性连杆通过运动副的方式串联，中间多个线孔穿线来进行弯曲控制，相对其他类型的可控工具其最大的特点是稳定性高、负载力大，但是该类工具在弯曲时呈现多段折线首尾相连的状态，关节处存在棱角，这在手术场景中通常是比较危险的结构形态，而且工具本身没有柔顺性，即和周边组织发生碰撞时工具不能柔顺避让组织，从而对周边组织产生较大的组织损伤；

柔性工具，柔性工具一般是由柔性材料组成，柔性工具的刚性连杆的长度可以认为是零，同时关节之间的运动副也退化消失，该类工具可以通过线驱的方式控制也可以通过流体等其他方式进行弯曲控制，其特点是柔性的工具本体弯曲自然，具有柔顺性，但是该类工具普遍存在稳定性差，负载能力弱的问题，导致使用此类工具时不能有很好的支撑，使用场景受限；

连续性工具，连续性工具则是介于上述两种工具之间，刚性连杆的长度很小但依然存在，连杆之间的运动仍以运动副的形式存在，通过线驱的方式进行弯曲控制，连续性工具结合了连杆关节式工具和柔性工具的优点，即有一定的稳定性、刚性，也能产生比较自然的弯曲状态，同时也具备较大的工具末端负载能力，但该类工具为保证一定的长度，其连杆或者蛇骨的数量会明显增大，会加大工具安装调试的难度，降低工具的可靠性，而且该类工具一般是欠驱动的，这会导致一种驱动状态下工具可以有多种形态，这会增加工具使用的不确定性。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。此外，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更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考附图描述根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1。

如图1-图8所示，根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1包括远端压缩弹簧10、近端压缩弹簧20、中间连接块30、远端连接块40、近端连接块50、镍钛合金支撑杆60、镍钛合金支撑管70、远端镍钛合金套管80、近端镍钛合金套管90、远端钢丝绳100和近端钢丝绳110。

远端压缩弹簧10具有远端和近端。近端压缩弹簧20具有远端和近端。中间连接块30包括中间止挡部31、远端中间配合部32和近端中间配合部33，远端中间配合部32配合在远端压缩弹簧10内且远端压缩弹簧10的近端与中间止挡部31抵接，近端中间配合部33配合在近端压缩弹簧20内且近端压缩弹簧20的远端与中间止挡部31抵接。远端连接块40包括远端止挡部41和远端配合部42，远端配合部42配合在远端压缩弹簧10内且远端压缩弹簧10的远端与远端止挡部41抵接。近端连接块50包括近端止挡部51和近端配合部52，近端配合部52配合在近端压缩弹簧20内且近端压缩弹簧20的近端与近端止挡部51抵接。

镍钛合金支撑杆60位于远端压缩弹簧10的径向内侧且两端分别与远端连接块40和中间连接块30相连。镍钛合金支撑管70位于近端压缩弹簧20的径向内侧且两端分别与近端连接块50和中间连接块30相连。

近端连接块50上设有沿轴向贯通近端连接块50的远端滑动孔54，中间连接块30上设有沿轴向贯通中间连接块30的中间滑动孔34，远端镍钛合金套管80可沿轴向滑动地配合在远端滑动孔54、中间滑动孔34和镍钛合金支撑管70内。近端连接块50上设有沿轴向贯通近端连接块50的近端滑动孔55，近端镍钛合金套管90可沿轴向滑动地配合在近端滑动孔55内。

远端钢丝绳100的一端设有远端固定块101，远端止挡部41远离远端配合部42的端面上设有远端沉孔43，远端连接块40上设有与远端沉孔43连通的远端过孔44，远端固定块101固定配合在远端沉孔43内且远端钢丝绳100穿过远端过孔44和远端镍钛合金套管80且与远端镍钛合金套管80可滑动地配合。近端钢丝绳110的一端设有近端固定块111，中间连接块30上设有中间沉孔37，中间连接块30上设有与中间沉孔37连通的中间过孔38，近端固定块111固定配合在中间沉孔37内且近端钢丝绳110穿过中间过孔38和近端镍钛合金套管90且与近端镍钛合金套管90可滑动地配合。

具体而言，基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1常态下如图1所示，当需要控制远端压缩弹簧10进行弯曲时，如图2-如6所示，对远端钢丝绳100施加拉力，远端压缩弹簧10的一侧在远端钢丝绳100的驱动下压缩而另一侧由于镍钛合金支撑杆60的支撑不会发生轴向压缩，从而使远端压缩弹簧10向远端钢丝绳100的一侧弯曲。

当需要控制近端压缩弹簧20进行弯曲时，如图2-如6所示，对近端钢丝绳110施加拉力，近端压缩弹簧20的一侧在近端钢丝绳110的驱动下压缩而另一侧由于镍钛合金支撑管70的支撑不会发生轴向压缩，从而使近端压缩弹簧20向近端钢丝绳110的一侧弯曲。

如图2-图6所示，通过调整远端镍钛合金套管80的轴向位置，可以调节远端压缩弹簧10的弯曲长度、曲率和刚度，通过调整近端镍钛合金套管90的轴向位置，可以调节远端压缩弹簧10的弯曲长度、曲率和刚度。

根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1，通过使中间连接块30包括中间止挡部31、远端中间配合部32和近端中间配合部33，可以使远端中间配合部32配合在远端压缩弹簧10内且远端压缩弹簧10的近端与中间止挡部31抵接，近端中间配合部33配合在近端压缩弹簧20内且近端压缩弹簧20的远端与中间止挡部31抵接，通过使远端连接块40包括远端止挡部41和远端配合部42，可以使远端配合部42配合在远端压缩弹簧10内且远端压缩弹簧10的远端与远端止挡部41抵接，通过使近端连接块50包括近端止挡部51和近端配合部52，可以使近端配合部52配合在近端压缩弹簧20内且近端压缩弹簧20的近端与近端止挡部51抵接，从而可以利用配合部配合在压缩弹簧内，并利用止挡部止挡压缩弹簧的两端，以实现三个连接块的安装和定位。

通过设置镍钛合金支撑杆60和镍钛合金支撑管70，使镍钛合金支撑杆60位于远端压缩弹簧10的径向内侧且两端分别与远端连接块40和中间连接块30相连，使镍钛合金支撑管70位于近端压缩弹簧20的径向内侧且两端分别与近端连接块50和中间连接块30相连，可以利用镍钛合金支撑杆60在轴向上支撑远端连接块40和中间连接块30，避免远端压缩弹簧10在镍钛合金支撑杆60支撑的一侧发生轴向压缩，保证远端压缩弹簧10只向远端钢丝绳100的一侧弯曲，利用镍钛合金支撑管70在轴向上支撑中间连接块30和近端连接块50，避免近端压缩弹簧20在镍钛合金支撑管70支撑的一侧发生轴向压缩，保证镍钛合金支撑管70只向近端钢丝绳110的一侧弯曲。

通过设置远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90，在近端连接块50上设有沿轴向贯通近端连接块50的远端滑动孔54，中间连接块30上设有沿轴向贯通中间连接块30的中间滑动孔34，使远端镍钛合金套管80可沿轴向滑动地配合在远端滑动孔54、中间滑动孔34和镍钛合金支撑管70内，在近端连接块50上设有沿轴向贯通近端连接块50的近端滑动孔55，使近端镍钛合金套管90可沿轴向滑动地配合在近端滑动孔55内，可以使远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90能够沿各自的轴向移动，调节各自的轴向位置，调节覆盖的钢丝绳的长度，从而对压缩弹簧的弯曲长度、曲率和刚度进行调节。

通过在远端钢丝绳100的一端设有远端固定块101，在远端止挡部41远离远端配合部42的端面上设有远端沉孔43，远端连接块40上设有与远端沉孔43连通的远端过孔44，使远端固定块101固定配合在远端沉孔43内且远端钢丝绳100穿过远端过孔44和远端镍钛合金套管80且与远端镍钛合金套管80可滑动地配合，通过在近端钢丝绳110的一端设有近端固定块111，在中间连接块30上设有中间沉孔37，中间连接块30上设有与中间沉孔37连通的中间过孔38，近端固定块111固定配合在中间沉孔37内且近端钢丝绳110穿过中间过孔38和近端镍钛合金套管90且与近端镍钛合金套管90可滑动地配合。这样可以通过拉动钢丝绳驱动压缩弹簧的一侧发生压缩，从而促使压缩弹簧向钢丝绳的一侧弯曲。

也就是说，基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1相比相关技术中的连杆关节式工具，弹簧具有更好的柔顺性，能够柔顺避让组织，相比相关技术中的柔性工具，弹簧具有更好的稳定性和负载能力，相比相关技术中的连续性工具，通过镍钛合金支撑杆60和镍钛合金支撑管70的支撑以及钢丝绳的驱动，可以保证压缩弹簧的弯曲位姿，保证在一种驱动状态下只对应一种弯曲状态，从而提高基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的可控性。

此外，由于设置远端压缩弹簧10和近端压缩弹簧20，远端压缩弹簧10由远端钢丝绳100控制，近端压缩弹簧20由近端钢丝绳110控制，可以分别控制两个压缩弹簧的弯曲，从而实现更加复杂灵活的弯曲位姿。

并且，通过设置远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90，可以利用远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90调节压缩弹簧的弯曲长度、曲率和刚度，从而进一步实现更加灵活多样的控制方式，进一步提高基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的可控性。

综上，在基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1中，钢丝绳的作用是用来驱动基于弹簧的柔性器械进行弯曲动作的。在钢丝绳上套用镍钛合金套管这一设计，使得该器械的远近两个弯曲段可以进一步得到分段控制，有套管的部分因为刚度的增大而减小了弯曲曲率，另一部分则呈现出较大的弯曲曲率。通过控制远近两个套管的伸缩量和两根钢丝绳的伸缩量，并且结合器械整体的转动角度和前后伸缩量，该器械具有很高的运动灵活性。同时，套管的使用，使得整个器械从远端到近端的弯曲刚度逐渐增大，这有助于器械操作时的稳定性和负载能力。另外，该多段柔性器械组成零件少，结构简单，有助于工具设计的小型化，使得工具可以应用到狭窄的腔道手术环境中比如肺支气管活检等。

该基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1一共有六个控制变量：远端和近端钢丝绳相对近端连接块的伸缩量，远端和近端镍钛合金套管末端分别相对中间连接块和近端连接块的伸缩量，整个器械的前后伸缩量和转动角度。通过对前面四个运动变量的协调控制，可以实现该多段柔性器械的变刚度、变曲率、变弯曲长度的设计。综合六个运动变量，可以使得该多段柔性器械在可行空间内具有很好的操作灵活性。

基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1构成了线驱动的两段柔性器械。驱动绳上套用了可以相对前后移动的镍钛合金套管，这使得器械分成四个弯曲段，明显增强了器械的灵活性，同时赋予器械弯曲刚度、曲率和长度可调的能力。使得该器械可以进行复杂狭长腔道环境下的微创手术。该两段结构由中间的连接块分离，同时远端钢丝绳上套的镍钛合金管对钢丝绳的驱动有约束，并且将驱动与近段器械隔开，从而实现了两段结构运动学角度上的解耦合；另外，整个器械从远端到近端的四个弯曲段刚度依次增大，这样不仅有助于器械使用时的稳定性，同时也实现了力传递角度的解耦合，避免远段器械驱动时对近段器械产生影响，反之亦然。

因此，根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1能够调节弯曲长度、曲率和刚度，具有柔顺性好、稳定性强、负载能力大、可控性高、可靠性好等优点。

下面参考附图描述根据本发明具体实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1。

在本发明的一些具体实施例中，如图1-图8所示，根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1包括远端压缩弹簧10、近端压缩弹簧20、中间连接块30、远端连接块40、近端连接块50、镍钛合金支撑杆60、镍钛合金支撑管70、远端镍钛合金套管80、近端镍钛合金套管90、远端钢丝绳100和近端钢丝绳110。

具体地，如图1和图8所示，中间过孔38与镍钛合金支撑杆60的中心轴线重合，中间滑动孔34与镍钛合金支撑管70的中心轴线重合。这样可以使近端钢丝绳110与镍钛合金支撑杆60同轴设置，使远端镍钛合金套管80和远端钢丝绳100与镍钛合金支撑管70同轴设置，从而便于各个结构合理的连接，便于保证基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的弯曲方向。

更为具体地，如图1和图8所示，中间滑动孔34与镍钛合金支撑杆60在中间连接块30的周向上相对，中间过孔38与镍钛合金支撑管70在中间连接块30的周向上相对。这样可以避免产生其余方向的分力，保证压缩弹簧的压缩方向，从而保证基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的弯曲方向。

进一步地，如图8所示，中间连接块30上设有中间支撑管安装孔35和中间支撑杆安装孔36，近端连接块50上设有近端支撑管安装孔53，远端连接块40上设有远端支撑杆安装孔45，镍钛合金支撑杆60的两端分别固定配合在远端支撑杆安装孔45和中间支撑杆安装孔36内，镍钛合金支撑管70的两端分别固定配合在中间支撑管安装孔35和近端支撑管安装孔53内。这样可以便于镍钛合金支撑杆60和镍钛合金支撑管70的安装。

更近一步地，如图8所示，中间支撑管安装孔35与中间滑动孔34的中心轴线重合，中间支撑杆安装孔36与中间过孔38的中心轴线重合，中间支撑管安装孔35与中间过孔38在中间连接块30的周向上相对，中间支撑杆安装孔36与中间滑动孔34在中间连接块30的周向上相对，远端滑动孔54与近端支撑管安装孔53的中心轴线重合，远端滑动孔54与近端滑动孔55在近端连接块50的周向上相对，远端支撑杆安装孔45与远端过孔44在远端连接块40的周向上相对。这样可以便于各个结构合理的连接，避免产生其余方向的分力，使基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的弯曲具有经过镍钛合金支撑杆60和镍钛合金支撑管70的中心轴线的中性层，保证压缩弹簧的压缩方向，便于保证基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的弯曲方向，而且，有助于减小钢丝绳上需要的拉力。

有利地，如图1-图6所示，镍钛合金支撑杆60与远端压缩弹簧10的内侧贴合，镍钛合金支撑管70与近端压缩弹簧20的内侧贴合。这样可以使镍钛合金支撑管70和镍钛合金支撑杆60能够在压缩弹簧弯曲时保持与压缩弹簧贴合，从而避免压缩弹簧被支撑的一侧发生轴向压缩，提高压缩弹簧弯曲的稳定性，从而提高基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的稳定性。

更为有利地，如图1所示，远端压缩弹簧10、近端压缩弹簧20、中间连接块30、远端连接块40和近端连接块50的中心轴线重合。由此可以便于保证钢丝绳、镍钛合金支撑杆60、镍钛合金支撑管70与压缩弹簧的相对位置，从而便于对基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1进行弯曲控制。

图1示出了根据本发明一些实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1。如图1所示，远端固定块101与远端沉孔43所在表面平齐，近端固定块111与中间沉孔37所在表面平齐。这样可以避免固定块凸出沉孔所在的表面，避免凸出的结构干扰手术过程，而且可以避免干扰其他结构的连接。

有利地，如图1所示，远端止挡部41、中间止挡部31、近端止挡部51、远端压缩弹簧10和近端压缩弹簧20的外径相等。这样可以避免连接块的设置增大基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的径向尺寸，而且可以使基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的周面更加整齐，减小凹凸不平的结构对手术过程的影响。

具体地，如图8所示，远端连接块40、近端连接块50和中间连接块30的径向中心处均设有贯通轴向的预留通道120。这样可以便于在预留通道120内穿设其他器械，例如光纤、探头、活检钳的驱动绳等。

具体而言，基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的控制变量如下：

如图5和图6所示，远端钢丝绳100和近端钢丝绳110相对近端连接块50的伸缩量s远和s近，远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90的末端分别相对中间连接块30和近端连接块50的伸缩量L远和L近，整个工具的前后伸缩量和转动角度。

当L远＝L近＝0时，即此时的远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90不发挥作用，在拉力F远和F近作用下，远端钢丝绳100和近端钢丝绳110分别被拉动，此时有s远>0和s近>0。在该条件下，器械的远端和近端发生方向相反的弯曲，并且远近端的弯曲各自是均匀一致的，远端弯曲角度是θ远，近端的弯曲角度是θ近，如图5所示。

当L远>0且L近>0时，此时的远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90开始发挥作用，在拉力F远和F近作用下，远端钢丝绳100和近端钢丝绳110分别被拉动，此时有s远>0和s近>0。在该条件下，基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的远端和近端发生方向相反的弯曲，此时远近端各自被分成了两个弯曲段，分界线就是远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90末端所在的位置。远端有远端镍钛合金套管80的部分，即S远1部分，弯曲角度是θ远1，没有远端镍钛合金套管80的部分，即S远2部分，弯曲角度是θ远2；近端有近端镍钛合金套管90的部分，即S近1部分，弯曲角度是θ近1，没有近端镍钛合金套管90的部分，即S近2部分，弯曲角度是θ近2,如图6所示。

远端钢丝绳100的拉力F远作用在远端连接块40上，在远端连接块40点P远上产生弯曲力矩M远。在该力矩M远的作用下，基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1远端部分发生弯曲，但是可以明显看出弯曲角度θ远2>θ远1。这是因为远端镍钛合金套管80在L远部分增强了该部分的弯曲刚度k远1，因此弯曲角度θ远1减小。近端的弯曲分段的原理与远端相似。

如图5和图6所示，图6相对图5，镍钛合金套管的存在使得S远1部分和S近1部分的弯曲刚度改变，并且根据基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的具体应用场景，可以调整镍钛合金套管的内外径尺寸，从而进一步丰富弯曲刚度变化。另外，远端镍钛合金套管80经过近端时，对近端整体的弯曲刚度也进行了提升。根据图6，将压缩弹簧、镍钛合金支撑管70、镍钛合金套管和镍钛合金支撑杆60都视为均匀弹性体，我们可以推导出基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1每个弯曲段的弯曲刚度：

k近1＝k弹簧+k支撑管+2k套管；

k近2＝k弹簧+k支撑管+k套管；

k远1＝k弹簧+k杆+k套管；

k远2＝k弹簧+k杆。

假设整个器械是分段常曲率的，远端压缩弹簧10和近端压缩弹簧20的弯曲刚度均为k弹簧，远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90的弯曲刚度均为k套管，并且镍钛合金支撑管70的刚度k支撑管大于镍钛合金支撑杆60的刚度k杆，则有不等式：

k近1>k近2>k远1>k远2。

这就意味着整个基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1从远端到近端的弯曲刚度逐渐增加，这有利于基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1作为手术工具操作时的稳定性和负载能力。

通过改变远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90的伸缩量L远和L近，S远2部分和S近2部分的自由弯曲长度(没有镍钛合金套管增强弯曲刚度的部分)发生变化，配合控制远端钢丝绳100和近端钢丝绳110的伸缩量s远和s近，可以实现对基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的S远2部分和S近2部分的弯曲曲率进行调整，从而实现对整个柔性器械弯曲长度、曲率和刚度的调整。

加上整体基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的转动角度和前后伸缩量，基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的有效操作空间类似一个圆柱体，从而可以使用基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1作为柔性手术工具进行某些手术操作。又因为远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90的存在，使得基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的灵活性大大提升，因此基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1可以用于缝合等对手术器械灵活性要求很高的手术操作中。

此外，如果图6中的远端镍钛合金套管80的伸缩量L远<0,此时远端镍钛合金套管的末端在近端压缩弹簧20中，基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1远端只有一个弯曲部分S远，如图5所示。基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的近端会进一步根据远端镍钛合金套管80末端点所在的位置分成三个弯曲部分，这在一定程度上又提高了基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的控制灵活性。

在该柔性器械设计阶段，调整远端压缩弹簧10和近端压缩弹簧20的长度、线径和直径，调整远端镍钛合金套管80和近端镍钛合金套管90的内外直径，镍钛合金支撑杆60，镍钛合金支撑管70内外直径等尺寸，会使得基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1作为手术工具具有很广阔的手术应用场景。

根据本发明实施例的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，包括：

远端压缩弹簧，所述远端压缩弹簧具有远端和近端；

近端压缩弹簧，所述近端压缩弹簧具有远端和近端；

中间连接块，所述中间连接块包括中间止挡部、远端中间配合部和近端中间配合部，所述远端中间配合部配合在所述远端压缩弹簧内且所述远端压缩弹簧的近端与所述中间止挡部抵接，所述近端中间配合部配合在所述近端压缩弹簧内且所述近端压缩弹簧的远端与所述中间止挡部抵接；

远端连接块，所述远端连接块包括远端止挡部和远端配合部，所述远端配合部配合在所述远端压缩弹簧内且所述远端压缩弹簧的远端与所述远端止挡部抵接；

近端连接块，所述近端连接块包括近端止挡部和近端配合部，所述近端配合部配合在所述近端压缩弹簧内且所述近端压缩弹簧的近端与所述近端止挡部抵接；

镍钛合金支撑杆，所述镍钛合金支撑杆位于所述远端压缩弹簧的径向内侧且两端分别与所述远端连接块和所述中间连接块相连；

镍钛合金支撑管，所述镍钛合金支撑管位于所述近端压缩弹簧的径向内侧且两端分别与所述近端连接块和所述中间连接块相连；

远端镍钛合金套管，所述近端连接块上设有沿轴向贯通所述近端连接块的远端滑动孔，所述中间连接块上设有沿轴向贯通所述中间连接块的中间滑动孔，所述远端镍钛合金套管可沿轴向滑动地配合在所述远端滑动孔、所述中间滑动孔和所述镍钛合金支撑管内；

近端镍钛合金套管，所述近端连接块上设有沿轴向贯通所述近端连接块的近端滑动孔，所述近端镍钛合金套管可沿轴向滑动地配合在所述近端滑动孔内；

远端钢丝绳，所述远端钢丝绳的一端设有远端固定块，所述远端止挡部远离所述远端配合部的端面上设有远端沉孔，所述远端连接块上设有与所述远端沉孔连通的远端过孔，所述远端固定块固定配合在所述远端沉孔内且所述远端钢丝绳穿过所述远端过孔和所述远端镍钛合金套管且与所述远端镍钛合金套管可滑动地配合；

近端钢丝绳，所述近端钢丝绳的一端设有近端固定块，所述中间连接块上设有中间沉孔，所述中间连接块上设有与所述中间沉孔连通的中间过孔，所述近端固定块固定配合在所述中间沉孔内且所述近端钢丝绳穿过所述中间过孔和所述近端镍钛合金套管且与所述近端镍钛合金套管可滑动地配合。

2.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述中间过孔与所述镍钛合金支撑杆的中心轴线重合，所述中间滑动孔与所述镍钛合金支撑管的中心轴线重合。

3.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述中间滑动孔与所述镍钛合金支撑杆在所述中间连接块的周向上相对，所述中间过孔与所述镍钛合金支撑管在所述中间连接块的周向上相对。

4.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述中间连接块上设有中间支撑管安装孔和中间支撑杆安装孔，所述近端连接块上设有近端支撑管安装孔，所述远端连接块上设有远端支撑杆安装孔，所述镍钛合金支撑杆的两端分别固定配合在所述远端支撑杆安装孔和所述中间支撑杆安装孔内，所述镍钛合金支撑管的两端分别固定配合在所述中间支撑管安装孔和所述近端支撑管安装孔内。

5.根据权利要求4所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述中间支撑管安装孔与所述中间滑动孔的中心轴线重合，所述中间支撑杆安装孔与所述中间过孔的中心轴线重合，所述中间支撑管安装孔与所述中间过孔在所述中间连接块的周向上相对，所述中间支撑杆安装孔与所述中间滑动孔在所述中间连接块的周向上相对，所述远端滑动孔与所述近端支撑管安装孔的中心轴线重合，所述远端滑动孔与所述近端滑动孔在所述近端连接块的周向上相对，所述远端支撑杆安装孔与所述远端过孔在所述远端连接块的周向上相对。

6.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述镍钛合金支撑杆与所述远端压缩弹簧的内侧贴合，所述镍钛合金支撑管与所述近端压缩弹簧的内侧贴合。

7.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述远端压缩弹簧、所述近端压缩弹簧、所述中间连接块、所述远端连接块和所述近端连接块的中心轴线重合。

8.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述远端固定块与所述远端沉孔所在表面平齐，所述近端固定块与所述中间沉孔所在表面平齐。

9.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述远端止挡部、所述中间止挡部、所述近端止挡部、所述远端压缩弹簧和所述近端压缩弹簧的外径相等。

10.根据权利要求1所述的基于弹簧的变刚度变曲率变弯曲长度的多段柔性器械，其特征在于，所述远端连接块、所述近端连接块和所述中间连接块的径向中心处均设有贯通轴向的预留通道。

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