CN116058968A - 手术器械组件、手术器械装置及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术器械组件、手术器械装置以及手术机器人；手术机器人包括动力系统、机械臂和手术器械装置，手术器械装置的手术器械组件与机械臂的末端可拆卸的连接；动力系统设置在机械臂上，并与手术器械组件传动连接；手术器械组件与手术器械可拆卸的连接；手术器械组件包括丝驱动系统、伸缩驱动系统和丝长约束系统；丝驱动系统的传动丝用于与手术器械连接，以控制手术器械的姿态；伸缩驱动系统用于与手术器械的近端连接，以驱动手术器械做伸缩运动；丝长约束系统与传动丝连接，并用于限制传动丝在手术器械伸缩过程中的总长度不变；从而降低电机连接排线难道，减小手术机器人的体积，降低手术机器人的成本。

Description

手术器械组件、手术器械装置及手术机器人

技术领域

本发明涉及手术器械技术领域，特别涉及一种手术器械组件、手术器械装置及手术机器人。

背景技术

传统腹腔镜手术中，内窥镜通过医生手持操作，内窥镜自身存在较大重量，长时间操作对医生手部负担较重。为解决这一问题，手术机器人以及各种半自动机械臂被引入到腹腔镜手术中。手术机器人运用机械臂来控制手术器械，在进入人体后，对病灶进行相应操作。手术前，需要将灭菌的手术器械装配到机器人上。在手术过程中，器械的自由度和工作空间决定了主刀医生对病灶的可操作度。器械的自由度包括旋转、偏摆、俯仰、伸缩等。目前，腹腔镜机器人的器械末端实现的姿态控制(偏摆、俯仰)基本都采用线驱动方式，线驱动系统被设置在器械盒内。然而，受限于线驱动模式，控制器械整体伸缩的驱动系统，因为会影响线驱动系统，往往被设置在器械盒外，不包含在可拆卸器械本身的器械盒内。这导致控制器械的动力系统非一体式，而是两套动力系统的叠加，从而造成手术机器人存在多个动力系统叠加的问题，不仅结构复杂，而且手术机器人系统整体体积增大，成本增加。

如现有的多自由度集成一体化的单孔腔镜手术器械，其中手术器械的伸缩通过滑轨来实现，且动力装置设置在滑轨上，使得动力装置不固定，需要随器手术械的伸缩而一起运动，不仅电机连接排线困难，而且整个器械的体积大，结构复杂，控制难度大，尤其每次手术后需要拆卸动力装置以便手术器械的灭菌，操作非常繁琐，使用不方便；不止于此，当该手术器械安装于机械臂的末端时，由于滑轨的设计，导致手术过程中机械臂的体积大，不仅机械臂之间容易干涉，而且需要配置较大的无菌隔离装置，而且无菌隔离装置需要预留出更大的伸缩空间，增加了无菌隔离装置的设计困难，并且部分无菌隔离装置因为器械的伸缩运动也更容易损坏，导致无菌屏障的破坏，给患者带来感染风险。

发明内容

针对上述技术问题中的一个或多个，本发明提供了一种手术器械组件、手术器械装置及手术机器人，能够降低电机连接排线难度，减小器械的体积，简化器械结构，降低控制难度。

为实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种手术器械组件，包括丝驱动系统、伸缩驱动系统和丝长约束系统；

所述丝驱动系统包括若干传动丝，所述传动丝用于与手术器械连接，以控制所述手术器械的姿态；

所述伸缩驱动系统用于与所述手术器械的近端连接，以驱动所述手术器械做伸缩运动；

所述丝长约束系统与所述传动丝连接，并用于限制所述传动丝在所述手术器械伸缩过程中的总长度不变。

可选地，所述丝长约束系统包括可移动架和丝长控制驱动系统；所述可移动架上设置有导向轮，所述导向轮用于对所述传动丝进行导向；

所述丝长控制驱动系统被配置为：在所述手术器械进行伸缩的过程中，驱动所述可移动架进行与所述手术器械的伸缩方向相同的移动。

可选地，所述丝长控制驱动系统还与所述伸缩驱动系统连接；所述丝长控制驱动系统还被配置为在所述伸缩驱动系统的驱动下控制所述可移动架移动，以使所述可移动架与所述手术器械同步移动。

可选地，所述手术器械的伸缩行程与所述可移动架的移动行程呈预定的比例。

可选地，所述可移动架的移动行程与所述手术器械的伸缩行程的比值为0.2～1.0。

可选地，所述手术器械组件还包括底座，所述丝长控制驱动系统包括控制丝和动滑轮；所述可移动架可移动地设置在所述底座上；所述动滑轮设置在所述可移动架上；所述可移动架设置在所述底座的前端或后端；

所述控制丝被配置为，一端用于与所述手术器械的近端连接，另一端绕过所述动滑轮后与所述底座的前端连接。

可选地，所述手术器械组件还包括底座，所述丝长控制驱动系统包括控制丝、动滑轮和定滑轮；所述可移动架可移动地设置在所述底座上；所述动滑轮设置在所述可移动架上，所述底座的前端和后端均设置有所述定滑轮；所述可移动架设置在所述底座的前端或后端；

所述控制丝被配置为，一端用于与所述手术器械的近端连接，且所述控制丝的本体绕过所述前端上的所述定滑轮后，所述本体继续绕过所述后端上的所述定滑轮，最后另一端绕过所述动滑轮后与所述底座的后端连接。

可选地，所述丝长控制驱动系统包括连杆机构，所述连杆机构包括驱动连杆和从动连杆，所述驱动连杆的一端与所述伸缩驱动系统连接，另一端能够关于一支点旋转；所述手术器械的近端连接在所述驱动连杆的中部；所述从动连杆的一端与所述可移动架连接，另一端连接在所述驱动连杆除所述中部外的其他位置；

所述手术器械和所述驱动连杆连接形成第一连接点，所述从动连杆和所述驱动连杆连接形成第二连接点，所述第一连接点到所述支点的距离与所述第二连接点到所述支点的距离成预定的比例。

可选地，所述丝长控制驱动系统包括齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括若干传动齿轮，所述可移动架设置有与所述传动齿轮啮合的齿条结构，所述齿轮传动机构中的一个所述传动齿轮能够与所述伸缩驱动系统同步接收一动力系统所出的动力。

可选地，所述手术器械组件还包括底座，所述可移动架可移动地设置于所述底座上，且所述底座设置有直线限位槽，所述可移动架用于在所述直线限位槽内移动。

可选地，所述手术器械组件还包括动力输入系统，分别与所述丝驱动系统、所述伸缩驱动系统和所述丝长约束系统连接，以传递一动力系统所输出的动力。

可选地，所述丝驱动系统包括第一丝驱动系统和第二丝驱动系统；所述第一丝驱动系统用于驱动所述手术器械的柔性关节转动；所述第二丝驱动系统用于驱动所述手术器械的末端器械运动。

可选地，所述伸缩驱动系统包括齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构中的齿条与所述手术器械的近端连接，所述齿轮齿条传动机构中的齿轮旋转后驱动所述齿条移动，所述齿条驱动所述手术器械做伸缩运动。

可选地，所述手术器械组件还包括底座，所述可移动架可移动地设置在所述底座上；所述伸缩驱动系统设置在所述底座上并包括驱动轮和驱动丝组，所述驱动丝组包括第一驱动丝和第二驱动丝；

所述第一驱动丝和所述第二驱动丝的一端均与所述手术器械的近端连接，另一端朝相反的方向延伸并缠绕在同一个所述驱动轮上；

所述驱动轮旋转后驱动所述第一驱动丝组运动，所述第一驱动丝组驱动所述手术器械做伸缩运动；其中，所述第一驱动丝的本体绕过所述底座的前端上的定滑轮进行导向，所述第二驱动丝的本体绕过所述可移动架上的导向轮进行导向。

可选地，所述伸缩驱动系统包括驱动轮和连杆滑块机构，所述连杆滑块机构中的连杆的一端与所述驱动轮铰接，另一端与所述连杆滑块机构中的滑块铰接，所述滑块与所述手术器械的近端连接；所述驱动轮旋转后通过所述连杆拉动所述滑块和所述器械杆移动。

可选地，所述伸缩驱动系统被配置为通过带传动、链条传动、涡轮蜗杆传动、丝杆螺母传动中的一种方式驱动所述手术器械做伸缩运动。

为实现上述目的，根据本发明的第二个方面，提供一种手术器械装置，包括手术器械以及任一项所述的手术器械组件，所述手术器械组件与所述手术器械可拆卸的连接，以驱动所述手术器械运动。

为实现上述目的，根据本发明的第三个方面，提供一种手术器械装置，包括器械盒以及任一项所述的手术器械组件，所述手术器械组件的一部分设置在所述器械盒内。

为实现上述目的，根据本发明的第四个方面，提供一种手术机器人，包括动力系统、机械臂以及任一项所述的手术器械装置；所述手术器械装置的手术器械组件与所述机械臂的末端可拆卸的连接；所述动力系统设置在所述机械臂上，并与所述手术器械组件传动连接。

可选地，所述动力系统设置在所述机械臂的末端。

上述手术器械组件、手术器械装置及手术机器人通过在器械盒内同时集成丝驱动系统和伸缩驱动系统，并将动力系统设置在机械臂上，使得动力系统不需要随手术器械的伸缩而一起运动，不仅电机连接排线更容易，而且整个手术机器人的体积减小，结构更简单，降低了控制难度，减小了手术机器人的成本，而且每次手术后无需拆装动力系统即可进行手术器械的灭菌，简化了术后灭菌操作，手术更为方便；尤其省去滑轨后，当手术机器人配置多个机械臂时，机械臂之间不容易干涉或影响，各机械臂的运动范围也可得到提升，机械臂的灵活性更好，同时无菌隔离装置的设计难度也被降低，且无菌隔离装置也更不容易被破坏，手术安全性更好。

上述手术器械组件、手术器械装置及手术机器人通过将可移动架和手术器械连动设置，可以进一步简化结构，如减少电机、驱动轴和传动接口的数量，从而进一步降低成本。

上述手术器械组件、手术器械装置及手术机器人还可通过将可移动架的移动行程配置为小于手术器械的伸缩行程，可进一步简化结构，减小器械盒的体积，降低成本。

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器械装置的内部结构示意图；

图2为本发明优选实施例的手术器械装置的整体结构示意图；

图3为本发明优选实施例的手术机器人的应用场景图；

图4为对比实施例的机械臂以及安装于机械臂末端的器械盒与手术器械的结构示意图；

图5为本发明优选实施例的机械臂以及安装于机械臂末端的手术器械装置的结构示意图；

图6a为本发明优选实施例的手术器械的自由度示意图；

图6b为本发明优选实施例的末端器械的偏转自由度示意图；

图6c为本发明优选实施例的末端器械的开合自由度示意图；

图6d为本发明优选实施例的末端器械的俯仰自由度示意图；

图7a和图7b分别为本发明优选实施例的手术器械的弯曲姿态的控制原理图；

图8a和图8b分别为本发明优选实施例的末端器械的偏转姿态的控制原理图；

图9a和图9b分别为本发明优选实施例的手术器械整体伸缩对丝驱动系统的影响的结构原理图；

图10为本发明优选实施例的手术器械通过齿轮齿条传动机构实现伸缩的结构原理图；

图11为本发明优选实施例的手术器械通过驱动丝实现伸缩的结构原理图；

图12为本发明优选实施例的手术器械通过连杆滑块机构实现伸缩的结构原理图；

图13a和图13b分别为本发明优选实施例的丝长约束系统通过动滑轮和控制丝实现丝长控制的结构原理图；

图14a和图14b分别为本发明优选实施例的丝长约束系统通过动滑轮、定滑轮和控制丝实现丝长控制的结构原理图；

图15为本发明优选实施例的丝长约束系统通过连杆机构实现丝长控制的结构原理图；

图16a和图16b分别为本发明优选实施例的丝长约束系统通过连杆机构实现丝长控制的结构示意图；

图17a和图17b为本发明优选实施例的丝长约束系统通过齿轮传动机构实现丝长控制的结构原理图。

图中：100-手术器械；101-器械杆；102-末端器械；103-拉环结构；

200-手术器械组件；

300-器械盒；301-器械盒的底座的前端；302-直线限位槽；303-器械盒的底座的后端；304-支点；

400-丝驱动系统；401-传动丝；402-第一丝驱动系统；4021-第一驱动丝轮；4011-第一传动丝；4012-第二传动丝；403-第二丝驱动系统；4031-第三传动丝；4032-第四传动丝；4033-第二驱动丝轮；

500-伸缩驱动系统；501-齿轮；502-齿条；503-驱动轮；504-第一驱动丝；505-第二驱动丝；506-连杆；507-滑块；

600-丝长约束系统；601-导向轮；602-可移动架；603-控制丝；604-动滑轮；605-定滑轮；606-驱动连杆；607-从动连杆；608-传动齿轮；609-齿条结构；

700-动力输入系统；701-第一驱动轴；702-第二驱动轴；703-第三驱动轴；710-传动接口；

800-手术机器人；810-机械臂；820-动力系统；

S1-柔性关节；S2-偏转关节；R1-第一自转自由度；S-伸缩自由度；R2-第一转动自由度；R3-第二转动自由度；R4-第二自转自由度；R5-开合自由度；R6-偏转自由度；R7-俯仰自由度；

10-手术床；20-患者；1-滑轨；2-目标器械；3-工具臂；4-动力盒；5-动力包。

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手术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”、“第三”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”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。

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为根据本发明优选实施例的手术器械装置的内部结构示意图，且为了便于熟悉内部结构，图1中没有显示完整的器械盒，图2为根据本发明优选实施例的手术器械装置的整体结构示意图。

如图1和图2所示，本发明一优选实施例提供一种手术器械装置，包括手术器械100和手术器械组件200；这里的手术器械100可以理解为手术工具或非手术工具，非手术工具例如为图像采集装置(如内窥镜)。所述手术器械组件200与手术器械100连接，两者通常可拆卸的连接。进一步的，所述手术器械装置还可配置器械盒300，所述手术器械组件200的一部分设置在器械盒300内，另一部分主要为传动丝，传动丝需部分伸出器械盒300与手术器械100连接。

所述手术器械100包括轴向依次连接的器械杆101和末端器械102。本申请对末端器械102的种类不作限定；如末端器械102可以是进行手术操作的手术工具，如钳子、止血夹、剪刀、手术刀等，以在病人体内展开一定工作空间，使末端器械102对病灶进行操作；末端器械102还可以是柔性探测器，如内窥镜等图像采集装置，以获取体内手术环境的图像。本实施例中，所述末端器械102为手术工具，手术工具例如为能够开合的器械。

所述手术器械组件200包括丝驱动系统400、伸缩驱动系统500和丝长约束系统600。进一步的，所述丝驱动系统400、伸缩驱动系统500和丝长约束系统600设置在器械盒300内。具体地，所述器械盒300包括底座和封闭底座的盖子，所述丝驱动系统400、伸缩驱动系统500和丝长约束系统600均设置在底座上。

所述丝驱动系统400用于与器械杆101的远端连接，以控制手术器械100的姿态和末端器械102的自由度。具体地，所述丝驱动系统400能够驱动器械杆101的单个柔性关节朝不同方向转动，以控制手术器械100的弯曲姿态。进一步的，所述丝驱动系统400还能够驱动末端器械102进行开合、偏转和俯仰。本实施例中，所述手术器械100在丝驱动系统400的控制下具有多种自由度。所述伸缩驱动系统500用于与器械杆101的近端连接，以驱动手术器械100做伸缩运动。本申请对伸缩驱动系统500驱动手术器械100进行伸缩的结构不作限定。所述丝长约束系统600与丝驱动系统400中的传动丝401连接，并用于限制传动丝401在手术器械100整体伸缩过程中的总长度保持不变，也即传动丝401的传动量保持不变，从而当手术器械100整体进行伸缩运动时，不会影响或不会干涉丝驱动系统400，由此实现了器械盒300内同时集成有丝驱动系统400和伸缩驱动系统500。

还应理解，本发明中用于提供动力的动力系统设置在手术机器人的机械臂上，使得动力系统不会随手术器械100整体伸缩而移动，不仅便于电机组件的排线，而且无需在灭菌时频繁拆装电机组件，同时也可省去机械臂末端的滑轨。

图3为根据本发明优选实施例的手术机器人的应用场景图。如图3所示，本发明一优选实施例还提供一种手术机器人800，包括若干机械臂810，机械臂810的末端用于可拆卸地连接手术器械装置，以驱动手术器械装置运动，从而调整手术器械装置的位置和姿态。

本申请对机械臂810的数量不作限定。如至少一个机械臂810用于末端装载携带手术器械的手术器械装置；至少一个机械臂810用于末端装载携带柔性探测器的手术器械装置，此时机械臂又称为持镜臂或图像臂。所述机械臂810能够调整手术器械100，使手术器械100以合适的角度插入人体，手术器械100插入人体后，通过机械臂810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10上的患者20的病灶的手术操作或实现手术环境影像的采集。

为了更清楚地了解本发明的特点，以图4提供的对比实施例对本发明所要解决的技术问题作进一步的说明。

如图4所示，在现有技术中，手术机器人使用滑轨1来实现目标器械2的伸缩运动。其中滑轨2设置于工具臂3的末端并设置于动力盒4的外部，动力盒4内设置线驱动系统，并在滑轨2上设置动力包5，动力包5与动力盒4传动连接。在此结构下，滑轨2在进行伸缩运动的同时，动力包5、动力盒4和目标器械2将一起移动，因此，动力包5中的电机组件也需要一起移动。因此，电机组件(即动力系统)不完全固定，动力包5的电气连接线会跟随动力盒4的伸缩一起运动，不仅使电机连接排线困难，而且使手术机器人的体积变大，存在手术过程中滑轨1或者工具臂3间干涉打架的现象，同时结构也复杂，增加了控制难度，也增加了手术机器人本身的成本。除此之外，还需要在术后频繁拆装动力包5，操作非常不便，同时也增加了无菌隔离装置的设计难度，也容易使无菌隔离装置在手术过程中出现破损，影响手术的安全性。这里的动力盒4用于接收电机所输出的动力以驱动目标器械2运动。

图5示出了根据本发明优选实施例的机械臂以及安装于机械臂末端的手术器械装置。

如图5所示，所述手术机器人800还包括动力系统820，所述动力系统820固定在机械臂810上，如可固定在机械臂810的末端或机械臂810的其他位置。所述动力系统820通常不可拆卸的固定在机械臂810上，并随同机械臂810由无菌隔离装置进行隔离，无需频繁拆装动力系统820。所述动力系统820与手术器械组件200传动连接，如通过传动盘连接，以给手术器械组件200提供驱动手术器械100运动的动力。一般，所述动力系统820包括电机组件，由电机驱动手术器械组件200中的相应驱动系统运动。

与对比实施例相比，本发明在器械盒300内设置伸缩驱动系统500，从而可省去滑轨，并将动力系统820完全固定在手术机器人的机械臂810上，动力系统820和器械盒300不会跟随手术器械100的伸缩一起运动，电机连接排线固定，降低电机连接排线难度，而且减小了手术机器人的体积，避免伸缩过程中机械臂810干涉打架的现象，同时结构更为简单，降低了器械控制难度，也降低了手术机器人本身的成本。当然，本发明还可简化手术过程中的无菌隔离措施的设计难度，简化无菌隔离装置的结构，降低无菌隔离装置因伸缩运动出现损坏的风险，提高手术安全性。尤其省去滑轨后，当手术机器人800配置多个机械臂810时，机械臂810之间不容易干涉或影响，各机械臂810的运动范围能够更大，机械臂810的灵活性更好。

此外，由于伸缩驱动系统500和丝驱动系统400均集成于器械盒300内，此时，为了避免手术器械100的伸缩运动对传动丝401的影响，本发明还利用丝长约束系统600对传动丝401进行丝长控制，可以保证传动丝401在手术器械100整体伸缩过程中总长度一致，保证传动丝401上的张紧力一致，避免传动丝401过分收紧或松弛，保持传动丝401的传动效率。本实施例中，所述丝长约束系统600还可对传动丝401进行导向，以改变传动丝401的延伸方向。

返回参阅图1，所述手术器械组件200还包括动力输入系统700，分别与丝驱动系统400、伸缩驱动系统500和丝长约束系统600连接，以传递手术机器人端的动力系统820输出的动力。参阅图17a，所述动力输入系统700包括驱动轴和输入传动接口710，输入传动接口710用于传递来自动力系统820的输出传动接口的动力，驱动轴与输入传动接口710连接。所述输入传动接口710通常为传动盘。

参阅图1，并结合图6a、图7a～图7b，本实施例中，所述丝驱动系统400包括独立设置的第一丝驱动系统402和第二丝驱动系统403；所述第一丝驱动系统402用于驱动器械杆101的柔性关节S1转动，以控制整个手术器械100的姿态；所述第二丝驱动系统403用于驱动末端器械102运动，例如驱动末端器械102进行开合、俯仰、偏转和自转等运动。

图6a至图6d示出了优选实施例的手术器械的自由度的情况。如图6a所示，所述手术器械100整体能够自转而具有第一自转自由度R1，并还具有沿轴向移动的伸缩自由度S，而且任意柔性关节S1能够朝不同方向弯曲，如每个柔性关节S1具有转动方向垂直的第一转动自由度R2和第二转动自由度R3。如图6a和图6c所示，所述末端器械102还具有第二自转自由度R4和开合自由度R5。如图6b所示，所述末端器械102还能够偏转而具有偏转自由度R6。如图6d所示，所述末端器械102还能够俯仰而具有俯仰自由度R7。所述偏转自由度R6和俯仰自由度R7的转动方向垂直。因此，本实施例中，所述手术器械100为多自由度器械，可以达到一定的工作空间对病灶进行手术操作。

如图7a和图7b所示，每个柔性关节S1的单个转动自由度由第一丝驱动系统402驱动，且每个柔性关节S1的单个转动自由度由两根传动丝401控制实现。以单个柔性关节S1的转动的控制为示意，对第一丝驱动系统402的工作原理做进一步的说明。

为了便于叙述，将控制柔性关节S1的单个转动自由度的两根传动丝401定义为第一传动丝4011和第二传动丝4012。更详细地，所述动力输入系统700包括第一驱动轴701，所述第一丝驱动系统402包括第一驱动丝轮4021和第一传动丝组，所述第一传动丝组包括第一传动丝4011和第二传动丝4012。所述第一传动丝4011和第二传动丝4012的一端均连接同一个柔性关节S1，另一端延伸穿过器械杆101后连接同一个第一驱动丝轮4021，第一驱动丝轮4021由第一驱动轴701驱动转动。此外，所述第一传动丝4011和第二传动丝4012的本体还分别绕过丝长约束系统600中的不同导向轮601，由导向轮601对弯曲姿态控制的传动丝401进行导向。应理解，控制柔性关节S1的单个转动自由度的两根传动丝在同一个第一驱动丝轮4021上的缠绕方向相反；当第一驱动轴701接收动力系统820的动力后旋转，使第一驱动丝轮4021跟随旋转，使其中一根传动丝进一步缠绕在第一驱动丝轮4021上，另一根传动丝逐渐释放，从而保持传动丝上的张紧力不变，同时改变器械杆101的弯曲姿态，如其中一个柔性关节S1转动后，使器械杆101从图7a中的弯曲姿态转变至图7b中的弯曲姿态。

如图8a和图8b所示，所述末端器械102的偏转由第二丝驱动系统403驱动，类似的，所述末端器械102的偏转也由两根传动丝401控制实现。为了便于叙述，将控制末端器械102偏转的两根传动丝定义为第三传动丝4031和第四传动丝4032。更详细地，所述动力输入系统700包括第二驱动轴702，所述第二丝驱动系统403包括第二驱动丝轮4033和第二传动丝组，所述第二传动丝组包括第三传动丝4031和第四传动丝4032。所述第三传动丝4031和第四传动丝4032的一端均连接末端器械102的偏转关节S2，另一端穿过器械杆101后连接同一个第二驱动丝轮4033，第二驱动丝轮4033由第二驱动轴702驱动转动。此外，第三传动丝4031和第四传动丝4032的本体还绕过丝长约束系统600的不同导向轮601，由导向轮601对偏转控制的传动丝401进行导向。应理解，控制末端器械102的偏转自由度的2根传动丝在同一个第二驱动丝轮4033上的缠绕方向相反；当第二驱动轴702接收动力系统820的动力后旋转，使第二驱动丝轮4033跟随旋转，使其中一根传动丝进一步缠绕在第二驱动丝轮4033上，另一根传动丝逐渐释放，保持传动丝上的张紧力不变，同时改变末端器械102的偏转状态，如从图8a中的偏转姿态转变至图8b中的偏转姿态。所应知晓，不同的传动丝由不同的导向轮601进行导向，也即一个导向轮601仅用于同一根传动丝的导向。

进一步参阅图7a～图7b，以及图8a～图8b，所述丝长约束系统600进一步包括可移动架602和若干导向轮601，若干导向轮601设置在可移动架602上，每个导向轮601用于对传动丝401移动过程中的方向引导，当然也能够张紧传动丝401，可以有效地调节传动丝401的松紧度，有效实现传动丝401移动的平稳高效。本申请对导向轮601的数量不作限制，其只要根据需要导向的传动丝401的数量而定。所述可移动架602可移动地设置在器械盒300内，并能够跟随手术器械100的伸缩一起运动，并且手术器械的伸缩行程与可移动架602的移动行程呈预定的比例，该预定的比例能够确保传动丝401的传动量不变，并优选呈预定的减速比设置，即手术器械的伸缩行程大于可移动架602的移动行程。

更详细地，结合图9a和图9b，当手术器械100整体如从图9a的位置向前移动至图9b的位置的过程中，为了保持传动丝401长度的一致，配置了一个可移动架602，不仅用于传动丝401的导向，而且用于使传动丝401在手术器械伸缩运动时的总长度保持不变，也即保证传动丝401上的张紧力一致，避免传动丝401过分张紧或松弛，保持丝传动效率。本实施例中，可移动架602的移动方式需保证行程与手术器械100的伸缩行程呈一定减速比，以减小可移动架602的移动行程，减小器械盒的体积，尤其是减小长度和宽度方向上的尺寸。其中可移动架的移动行程x＝L*i；x为可移动架的移动行程，L为手术器械的伸缩行程，i为预定比例，i的取值小于或等于1。

本实施例中，所述可移动架602的移动行程x与手术器械的伸缩行程L的比值可为0.2～1.0。优选的，所述可移动架602的移动行程x与手术器械的伸缩行程L的比值小于1.0，更优选为0.2～0.5，更优选为0.5。应理解，基于可移动架602移动方向和传动丝401的夹角的不同，移动行程比值也会随之不同，因此，移动行程比值的取值视传动丝401相对于移动方向的夹角而定。本实施例中，可移动架602的移动方向与传动丝401大致平行，此时，可移动架602的移动行程x与手术器械的伸缩行程L的比值为0.5，该结构更简单，而且整个手术器械装置的体积较小。本实施例中，选用了最佳移动行程比值0.5，可以理解为，从图9a的位置向前移动至图9b的位置，手术器械100的伸缩行程为L，可移动架602的移动行程为0.5L。

如图10所示，在一些示例中，所述动力输入系统700包括第三驱动轴703，所述伸缩驱动系统500包括齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构中的齿轮501与第三驱动轴703连接，第三驱动轴703驱动齿轮501旋转，齿轮501的旋转驱动齿轮齿条传动机构中的齿条502移动，齿条502与器械杆101的近端连接。器械杆101的近端通常自带拉环结构103，从而齿条502与拉环结构103连接。齿条50的移动驱使器械杆101沿轴向移动。

如图11所示，在另一些示例中，所述伸缩驱动系统500包括驱动轮503和驱动丝组，所述驱动丝组包括第一驱动丝504和第二驱动丝505。所述第一驱动丝504和第二驱动丝505的一端均与器械杆101的近端连接，如连接在拉环结构103上，另一端均缠绕在同一个驱动轮503上。驱动轮503与第三驱动轴703连接。驱动轮503在第三驱动轴703的驱动下转动，并通过第一驱动丝504或第二驱动丝505拉动器械杆101做伸缩运动。此外，所述第一驱动丝504的本体绕过器械盒的底座的前端301上的定滑轮605进行导向，第二驱动丝505的本体绕过可移动架602上的导向轮601(即定滑轮)进行导向。

如图12所示，在其他示例中，所述伸缩驱动系统500包括驱动轮503和连杆滑块机构，所述连杆滑块机构中的连杆506的一端与驱动轮503铰接，另一端与连杆滑块机构中的滑块507铰接。滑块507与器械杆101的近端连接，驱动轮503与第三驱动轴703连接。当驱动轮503在第三驱动轴703的驱动下转动时，即可通过连杆506拉动滑块507和器械杆101做伸缩运动。

当然，实现器械杆整体伸缩的实现方式不限于上述优选实施例，在其他情况下，也可以通过例如带传动、链条传动、蜗轮蜗杆传动、丝杆螺母传动等来实现。

此外，所述手术器械装置优选设置有限位结构，用于限制器械杆101的伸缩方向，保证器械杆101的伸缩运动为直线运动。如在一具体的实施例中，可限定齿条502的移动方向。

接下去对丝长约束系统600控制传动丝401总长度不变的优选实施方式作进一步的说明。

所述丝长约束系统600除了以上可移动架602和导向轮601外，还包括丝长控制驱动系统。所述丝长控制驱动系统在手术器械100进行伸缩的过程中，驱动可移动架602做与手术器械100的伸缩方向相同的移动，并使可移动架602的移动行程与器械杆的伸缩行程呈预定的比例。优选的，所述丝长控制驱动系统还连接伸缩驱动系统500，以实现器械杆101和可移动架602的伸缩连动，即可移动架602和器械杆101同步移动，如此可以减少动力部分的数量，如减少电机、驱动轴和传动接口的数量，结构更简单。当然在其他实施例中，可移动架602和器械杆101也可不连动，即各自独立的移动。本实施例中，当伸缩驱动系统500驱动器械杆101移动时，可通过丝长控制驱动系统驱动可移动架602以相同方向同步连动。

如图13a和图13b所示，在一些示例中，所述丝长控制驱动系统包括控制丝603和动滑轮604。动滑轮604设置在可移动架602上，如可与导向轮601设置在可移动架602的不同侧。可移动架602可设置在器械盒300的底座的前端或后端。控制丝603的一端固定在器械杆101的近端，如拉环结构103上，另一端在绕过可移动架602上的动滑轮604后，固定在器械盒300的底座的前端301(即远端)。当伸缩驱动系统500驱动器械杆101向后(即向近端)运动过程中，控制丝603的一部分收紧，拉动动滑轮604和可移动架602向后呈比例移动，从而实现连动。优选的，所述器械盒300的底座上设置有直线限位槽302，可移动架602在直线限位槽302内做直线移动，以对可移动架602的移动方向和移动行程进行限制，确保运动控制的精确性。应理解，器械杆101向前(即向远端)运动过程中，亦通过基本类似的操作控制可移动架602移动即可。

如图14a和图14b所示，在另一些示例中，所述丝长控制驱动系统同样包控制丝603和动滑轮604，与以上实施例不同的是，还增设了定滑轮605，器械盒300的底座的前端和后端均设置有定滑轮605。此时，可移动架602可设置在器械盒300的底座的前端或后端。控制丝603的一端固定器械杆101的近端后，控制丝603的本体绕过器械盒的底座的前端301上的定滑轮605，然后，控制丝603的本体继续绕过器械盒的底座的后端303(即近端)上的定滑轮605，最后控制丝603的另一端绕过可移动架602上的动滑轮604后，与器械盒的底座的后端303固定连接。当伸缩驱动系统500驱动器械杆101向前(即向远端)运动过程中，控制丝603的另一部分收紧，拉动动滑轮604和可移动架602向前呈比例移动。类似的，器械杆101向后运动过程中，亦通过基本相同的操作控制可移动架602的移动即可。

如图15，以及图16a和图16b所示，在另一些示例中，所述丝长控制驱动系统包括连杆机构，且所述伸缩驱动系统500包括齿轮齿条传动机构。所述连杆机构包括驱动连杆606和从动连杆607。驱动连杆606的一端铰接在齿条502上，当齿条502运动时，驱动连杆606做关于支点304的旋转运动。所述从动连杆607的一端与驱动连杆606铰接，另一端与可移动架602连接。所述器械杆101上的拉环结构103连接在驱动连杆606的中部，驱动连杆606的运动带动器械杆101伸缩，并同步通过从动连杆607带动可移动架602移动，从而实现可移动架和器械杆的同步移动。其中齿条502的移动方向通过伸缩移动限位槽306进行限定，伸缩移动限位槽306设置在器械盒300的底座上。在该结构中，器械杆101和驱动连杆606连接形成第一连接点，从动连杆607和驱动连杆606连接形成第二连接点，所述第一连接点到支点304的距离与第二连接点到支点304的距离成预定的比例，从而使可移动架602的移动行程和器械杆的伸缩行程呈预定的比例，保证丝传动的效率。进一步地，所述第一连接点到支点304的距离与第二连接点到支点304的距离的比值为0.2～1.0，优选为0.2～0.5，更优选为0.5。应理解，该结构应用杠杆原理，放大了对器械杆驱动的作用力，也放大了对可移动架驱动的作用力。当然，所述连杆机构不限于与齿轮齿条传动机构配合，连杆机构还可与其他伸缩方式配合，从而实现可移动架602和器械杆101的伸缩连动。优选，所述从动连杆607通过导向槽进行移动方向的限位，确保直线运动的精度。

如图17a和图17b所示，在另一些示例中，所述丝长控制驱动系统包括齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括若干传动齿轮608，且可移动架602上设置有与最后一个传动齿轮608啮合传动的齿条结构609。其中齿轮501与最前一个传动齿轮608(即主动齿轮)均与第三驱动轴703连接，从而同时输入动力系统820输出的动力。齿轮501通过齿条502直接带动器械杆101移动，最前一个传动齿轮608通过若干其余传动齿轮608带动可移动架602移动。该传动方式通过齿轮的模数和齿数的比例来达到可移动架602的运动和器械杆101的运动呈一定比例。其中传动齿轮608的模数和齿数的比例根据需要设定的减速比而定。

综上，根据本发明实施例提供的技术方案，使用本发明后，不仅电机连接排线更容易，而且整个手术机器人的体积更小，结构更简单，控制难度降低，最终可以减小手术机器人本身的成本。此外，每次手术后，医护人员只要单独拆装手术器械装置，而无需拆装动力系统，即可进行手术器械的灭菌，简化了术后灭菌操作，手术更为方便。尤其省去滑轨后，当手术机器人配置多个机械臂时，机械臂之间不容易干涉或影响，各机械臂的运动范围可以更大，，机械臂的灵活性和可操作性更好，同时无菌隔离装置的设计难度也被降低，且无菌隔离装置也更不容易被破坏，手术安全性更好。

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器械为开合结构技术领域，但本领域的技术人员可以理解，本发明的末端器械也可应用于其他非开合结构或内窥镜导管技术。

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 (20)

1.一种手术器械组件，其特征在于，包括丝驱动系统、伸缩驱动系统和丝长约束系统；

所述丝驱动系统包括若干传动丝，所述传动丝用于与手术器械连接，以控制所述手术器械的姿态；

所述伸缩驱动系统用于与所述手术器械的近端连接，以驱动所述手术器械做伸缩运动；

所述丝长约束系统与所述传动丝连接，并用于限制所述传动丝在所述手术器械伸缩过程中的总长度不变。

2.如权利要求1所述的手术器械组件，其特征在于，所述丝长约束系统包括可移动架和丝长控制驱动系统；所述可移动架上设置有导向轮，所述导向轮用于对所述传动丝进行导向；

所述丝长控制驱动系统被配置为：在所述手术器械进行伸缩的过程中，驱动所述可移动架进行与所述手术器械的伸缩方向相同的移动。

3.如权利要求2所述的手术器械组件，其特征在于，所述丝长控制驱动系统还与所述伸缩驱动系统连接；所述丝长控制驱动系统还被配置为在所述伸缩驱动系统的驱动下控制所述可移动架移动，以使所述可移动架与所述手术器械同步移动。

4.如权利要求2或3所述的手术器械组件，其特征在于，所述手术器械的伸缩行程与所述可移动架的移动行程呈预定的比例。

5.如权利要求4所述的手术器械组件，其特征在于，所述可移动架的移动行程与所述手术器械的伸缩行程的比值为0.2～1.0。

6.如权利要求3所述的手术器械组件，其特征在于，还包括底座，所述丝长控制驱动系统包括控制丝和动滑轮；所述可移动架可移动地设置在所述底座上；所述动滑轮设置在所述可移动架上；所述可移动架设置在所述底座的前端或后端；

所述控制丝被配置为，一端用于与所述手术器械的近端连接，另一端绕过所述动滑轮后与所述底座的前端连接。

7.如权利要求3所述的手术器械组件，其特征在于，还包括底座，所述丝长控制驱动系统包括控制丝、动滑轮和定滑轮；所述可移动架可移动地设置在所述底座上；所述动滑轮设置在所述可移动架上，所述底座的前端和后端均设置有所述定滑轮；所述可移动架设置在所述底座的前端或后端；

所述控制丝被配置为，一端用于与所述手术器械的近端连接，且所述控制丝的本体绕过所述前端上的所述定滑轮后，所述本体继续绕过所述后端上的所述定滑轮，最后另一端绕过所述动滑轮后与所述底座的后端连接。

8.如权利要求3所述的手术器械组件，其特征在于，所述丝长控制驱动系统包括连杆机构，所述连杆机构包括驱动连杆和从动连杆，所述驱动连杆的一端与所述伸缩驱动系统连接，另一端能够关于一支点旋转；所述手术器械的近端连接在所述驱动连杆的中部；所述从动连杆的一端与所述可移动架连接，另一端连接在所述驱动连杆除所述中部外的其他位置；

所述手术器械和所述驱动连杆连接形成第一连接点，所述从动连杆和所述驱动连杆连接形成第二连接点，所述第一连接点到所述支点的距离与所述第二连接点到所述支点的距离成预定的比例。

9.如权利要求3所述的手术器械组件，其特征在于，所述丝长控制驱动系统包括齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括若干传动齿轮，所述可移动架设置有与所述传动齿轮啮合的齿条结构，所述齿轮传动机构中的一个所述传动齿轮能够与所述伸缩驱动系统同步接收一动力系统所出的动力。

10.如权利要求2所述的手术器械组件，其特征在于，还包括底座，所述可移动架可移动地设置于所述底座上，且所述底座设置有直线限位槽，所述可移动架用于在所述直线限位槽内移动。

11.如权利要求2所述的手术器械组件，其特征在于，所述伸缩驱动系统包括齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构中的齿条与所述手术器械的近端连接，所述齿轮齿条传动机构中的齿轮旋转后驱动所述齿条移动，所述齿条驱动所述手术器械做伸缩运动。

12.如权利要求2所述的手术器械组件，其特征在于，还包括底座，所述可移动架可移动地设置在所述底座上；所述伸缩驱动系统设置在所述底座上并包括驱动轮和驱动丝组，所述驱动丝组包括第一驱动丝和第二驱动丝；

所述第一驱动丝和所述第二驱动丝的一端均与所述手术器械的近端连接，另一端朝相反的方向延伸并缠绕在同一个所述驱动轮上；

所述驱动轮旋转后驱动所述第一驱动丝组运动，所述第一驱动丝组驱动所述手术器械做伸缩运动；其中，所述第一驱动丝的本体绕过所述底座的前端上的定滑轮进行导向，所述第二驱动丝的本体绕过所述可移动架上的导向轮进行导向。

13.如权利要求2所述的手术器械组件，其特征在于，所述伸缩驱动系统包括驱动轮和连杆滑块机构，所述连杆滑块机构中的连杆的一端与所述驱动轮铰接，另一端与所述连杆滑块机构中的滑块铰接，所述滑块与所述手术器械的近端连接；所述驱动轮旋转后通过所述连杆拉动所述滑块和所述器械杆移动。

14.如权利要求2所述的手术器械组件，其特征在于，所述伸缩驱动系统被配置为通过带传动、链条传动、涡轮蜗杆传动、丝杆螺母传动中的一种方式驱动所述手术器械做伸缩运动。

15.如权利要求1所述的手术器械组件，其特征在于，还包括动力输入系统，分别与所述丝驱动系统、所述伸缩驱动系统和所述丝长约束系统连接，以传递一动力系统所输出的动力。

16.如权利要求1所述的手术器械组件，其特征在于，所述丝驱动系统包括第一丝驱动系统和第二丝驱动系统；所述第一丝驱动系统用于驱动所述手术器械的柔性关节转动；所述第二丝驱动系统用于驱动所述手术器械的末端器械运动。

17.一种手术器械装置，其特征在于，包括手术器械以及如权利要求1-16中任一项所述的手术器械组件，所述手术器械组件与所述手术器械可拆卸的连接，以驱动所述手术器械运动。

18.一种手术器械装置，其特征在于，包括器械盒以及如权利要求1-16中任一项所述的手术器械组件，所述手术器械组件的一部分设置在所述器械盒内。

19.一种手术机器人，其特征在于，包括动力系统、机械臂以及如权利要求17或18所述的手术器械装置；所述手术器械装置的手术器械组件与所述机械臂的末端可拆卸的连接；所述动力系统设置在所述机械臂上，并与所述手术器械组件传动连接。

20.如权利要求19所述的手术机器人，其特征在于，所述动力系统设置在所述机械臂的末端。

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