CN116264990A - 自由度调节机构、手术器械及手术机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种自由度调节机构、手术器械及手术机器人，自由度调节机构包含手柄、驱动单元组以及差速机构；驱动单元组包含N个驱动单元，其中N为3或4，每个驱动单元可转动地或可线性移动地设置于手柄；差速机构设置于手柄，差速机构包含行星齿轮系及对应的旋转机构，行星齿轮系的任意两个齿轮被配置为各自独立转动并分别与一个驱动单元耦合，差速机构能在锁定状态与释放状态之间转换；其中，差速机构于锁定状态下，行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构沿旋转方向被相互固定，以使自由度调节机构的自由度为N‑1个，差速机构于释放状态下，行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构之间可独立旋转，以使自由度调节机构的自由度为N个。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种自由度调节机构、手术器械及手术机器人。
背景技术
微创手术通常是在患者体表形成一至多个小切口，并通过切口的套管针将各种器械和手术工具的末端执行器插入患者体内，用于诊断或治疗。由于缩减了术后恢复时间和疤痕尺寸，微创手术通常比开放手术更受欢迎。
机器人辅助微创手术器械可以通过赋予传统微创手术工具更多的自由度，模拟人手腕的运动，给医生提供更灵活的操作体验。一般铰接于手术工具远端的末端执行器使用轮绳机构驱动，移动驱动缆绳能够将末端执行器旋转到指定位置。但是轮绳机构在不同工况下容易出现缆绳容易松弛和组装繁琐的问题，为了使末端执行器及整个驱动机构具有一致且可预测的性能，必须通过优化设计和工艺来克服传动和制造的缺陷。
发明内容
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够保证任意工况下缆绳均处于张紧状态的自由度调节机构。
本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有上述自由度调节机构的手术器械。
本发明的又一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有上述手术器械的手术机器人。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供一种自由度调节机构，其中：所述自由度调节机构包含手柄、驱动单元组以及差速机构；所述驱动单元组包含N个驱动单元，其中N为3或4，每个所述驱动单元可转动地或可线性移动地设置于所述手柄；所述差速机构设置于所述手柄，所述差速机构包含行星齿轮系及对应的旋转机构，所述行星齿轮系的任意两个齿轮被配置为各自独立转动并分别与一个所述驱动单元耦合，所述差速机构能在锁定状态与释放状态之间转换；其中，所述差速机构于锁定状态下，所述行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构沿旋转方向被相互固定，以使所述自由度调节机构的自由度为N-1个，所述差速机构于释放状态下，所述行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构之间可独立旋转，以使所述自由度调节机构的自由度为N个。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：N为3；所述旋转机构为可旋转轮轴，所述可旋转轮轴与所述行星齿轮系共轴且可转动地设置于所述手柄；所述行星齿轮系的齿轮与其耦合的所述驱动单元之间为双向驱动，所述可旋转轮轴与一个所述驱动单元耦合，所述可旋转轮轴与其耦合的所述驱动单元之间为双向驱动；所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间具有锁定机构，所述锁定机构用于限制所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间的相对旋转。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间设置有定位结构，所述定位结构被配置为通过卡合配合，以实现所述行星齿轮系与所述可旋转轮轴在旋转方向上的相对固定。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述定位结构为分别设置于所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴的爪盘状结构，两个所述爪盘状结构的卡爪卡合配合；或者，所述定位结构为分别设置于所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴的其中之一的键和设置于其中另一的键槽，所述键与所述键槽卡合配合。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间设置有共轴布置的定位孔，所述定位孔被配置为供轴向移动的销轴锁定，以实现所述行星齿轮系与所述可旋转轮轴在旋转方向上的相对固定。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：N为4；所述旋转机构为另一组行星齿轮系，两组所述行星齿轮系共轴且可转动地设置于所述手柄；每组所述行星齿轮系的齿轮与其耦合的所述驱动单元之间为双向驱动；所述两组行星齿轮系的从动轮之间具有锁定机构，所述锁定机构用于限制所述两组行星齿轮系的从动轮之间的相对旋转。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述两组行星齿轮系的从动轮之间设置有定位结构，所述定位结构被配置为通过卡合配合，实现所述两组行星齿轮系在旋转方向上的相对固定。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述定位结构为分别设置于所述两组行星齿轮系的从动轮的爪盘状结构，两个所述爪盘状结构的卡爪卡合配合；或者，所述定位结构为分别设置于所述两组行星齿轮系的从动轮的其中之一的键和设置于其中另一的键槽，所述键与所述键槽卡合配合。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述两组行星齿轮系的从动轮之间设置有共轴布置的定位孔，所述定位孔被配置为供轴向移动的销轴锁定，以实现所述两组行星齿轮系在旋转方向上的相对固定。
根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述差速机构与所述驱动单元组之间连接有传动机构，所述传动机构包含柔性轮绳传动机构或者刚性传动机构。
根据本发明的其中一个实施方式，其中，所述手柄可拆装地设置有防护罩，所述防护罩与所述手柄共同形成腔体，用以容纳所述驱动单元和所述差速机构。
根据本发明的另一个方面，提供一种手术器械，其中：所述手术器械包含末端工具、缆绳以及本发明提出的并在上述实施方式中所述的自由度调节机构；所述驱动单元通过所述缆绳连接于所述末端工具，以驱动所述末端工具动作；其中，所述手术器械被配置为通过所述自由度调节机构调节所述末端工具的自由度。
根据本发明的又一个方面，提供一种手术机器人，所述手术机器人包含本发明提出的并在上述实施方式中所述的手术器械。
由上述技术方案可知，本发明提出的自由度调节机构、手术器械及手术机器人的优点和积极效果在于：
本发明提出的自由度调节机构包含驱动单元及传送机构，利用差速机构的行星齿轮系的能独立转动的任意两个齿轮分别与一个驱动单元耦合，使得差速机构于锁定状态下，行星齿轮系的从动轮与对应的旋转机构沿旋转方向被相互固定，自由度在驱动单元数量基础上减少一个，并使差速机构于释放状态下，行星齿轮系的从动轮与对应的旋转机构之间可独立旋转，自由度于驱动单元数量相同。通过上述设计，本发明可以保证轮绳机构在不同工况下均处于张紧状态。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的一种自由度调节机构与一腕转机构组合的立体结构示意图；
图2是图1示出的腕转机构的支架及末端工具的立体结构示意图；
图3是图1示出的自由度调节机构的立体结构示意图；
图4是图3示出的差速机构的立体结构示意图；
图5是图4的剖视图；
图6是图3示出的差速机构的分解示意图；
图7是另一示例性实施方式中的行星齿轮系的立体结构示意图；
图8是图7示出的行星齿轮系的分解示意图；
图9是图6示出的行星架的立体结构示意图；
图10是另一示例性实施方式中的行星架的立体结构示意图；
图11是图3示出的差速机构的转动原理示意图；
图12是图1示出的自由度调节机构的手柄与防护罩的立体装配示意图。
附图标记说明如下：
100.支架； 423.限位挡环；
110.套管； 430.差速机构；
111.外齿； 431.行星齿轮系；
200.末端工具； 431’.行星齿轮系；
210.子部； 4311.行星架；
310.缆绳； 43111.定位结构；
320.缆绳； 4312.太阳齿轮；
400.自由度调节机构； 4313.齿圈；
410.手柄； 4314.随动齿轮；
411.转接口； 4315.行星齿轮；
420.驱动轴； 432.可旋转轮轴；
421.传动齿轮； 440.转向轴；
422.导向结构； 441.转向齿轮
450.防护罩。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。
在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。
参阅图1，其代表性地示出了本发明提出的自由度调节机构与一腕转机构组合的立体图。在该示例性实施方式中，本发明提出的腕转机构是以应用于腹腔镜手术的相关器械为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本发明的相关设计应用于其他类型的医疗器械中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的自由度调节机构的原理的范围内。
如图1所示，在本实施方式中，自由度调节机构400包含手柄410、驱动单元组以及差速机构430；配合参阅图2至图12，图2中代表性地示出了支架100及末端工具200的立体结构示意图；图3中代表性地示出了自由度调节机构400的立体结构示意图；图4中代表性地示出了差速机构430的立体结构示意图；图5中代表性地示出了图4的剖视图；图6中代表性地示出了差速机构430的分解示意图；图7中示出了另一示例性实施方式中的行星齿轮系431的立体结构示意图；图8中示出了图7示出的行星齿轮系431的分解示意图；图9中代表性地示出了行星架4311的立体结构示意图；图10中示出了另一示例性实施方式中的行星架4311的立体结构示意图；图11中代表性地示出了差速机构430的转动原理示意图；图12中代表性地示出了腕转机构的手柄410与防护罩450的立体装配示意图。以下将结合上述附图，对本发明提出的腕转机构的各主要组成部分的结构、连接方式和功能关系进行详细说明。
如图1、图3和图4所示，在本实施方式中，驱动单元组可以包含N个驱动单元，其中N为4，每个驱动单元可转动地设置于手柄410。差速机构430设置于手柄410，差速机构430包含行星齿轮系及对应的旋转机构，行星齿轮系的任意两个齿轮能够各自独立转动并分别与一个驱动单元耦合，差速机构430能在锁定状态与释放状态之间转换。据此，差速机构430于锁定状态下，行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构沿旋转方向被相互固定，以使自由度调节机构400的自由度为N-1个，差速机构430于释放状态下，行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构之间可独立旋转，以使自由度调节机构400的自由度为N个。通过上述设计，本发明可以保证轮绳机构在不同工况下均处于张紧状态。例如，机器人辅助微创手术器械末端通常具有2个铰连的末端执行器，这2个执行器各自具有一个旋转自由度；将本发明机构用于驱动这两个末端执行器时，可以保证在驱动单元与电机耦合或分离两种状态下绳子均处于张紧状态，使末端执行器及整个驱动机构具有一致且可预测的性能。在一些实施方式中，驱动单元组亦可包含三个驱动单元，即N亦可为3，且每个驱动单元亦可采用可线性移动的方式设置于手柄410，均不以此为限。
需说明的是，本申请的自由度调节机构400是用于调节例如腕转机构的医疗器械的自由端，具体是用于调节腕转机构末端的两个或者三个自由度，例如末端工具200的开合、俯仰或者偏摆。因此本申请的自由度调节机构400的驱动单元的数量为3个或者4个，自由度调节机构400可以将驱动单元的自由度根据实际使用工况进行调节，并适配上述腕转机构的自由度。。
如图1至图4所示，腕转机构可以包含支架100以及末端工具200，末端工具200可以包含两个子部210，两个子部210分别可转动地连接于支架100的远端。支架100和两个子部210分别设置有导槽，两根缆绳分别经过两个子部210的导槽和支架100的导槽并由支架100的近端伸出。两根缆绳分别为缆绳310和缆绳320，且每根缆绳的两个绳端分别由支架100的近端伸出，即共计四个绳端，这四个绳端分别连接于四个驱动单元。
具体地，如图1、图3和图4所示，在本实施方式中，驱动单元可以为驱动轴420，即驱动单元组包含四个可转动地设置于手柄410的驱动轴420，且每根驱动轴420可以分别由一个电机驱动，利用驱动轴420能够将电机的驱动端的旋转运动转化为缆绳上的线性运动。驱动轴420设置有传动齿轮421。多根缆绳分别对应多组驱动轴420，每一根缆绳的两个绳端分别连接并卷绕于同对的两根驱动轴420。其中，旋转机构可以为另一组行星齿轮系。换言之，差速机构430可以包含两组行星齿轮系431，两组行星齿轮系431共轴地且可转动地设置于手柄410。每组行星齿轮系431的齿轮与其耦合的驱动轴420之间为双向驱动。两组行星齿轮系431的从动轮之间具有锁定机构，锁定机构用于限制两组行星齿轮系的从动轮之间的相对旋转。
可选地，如图1、图3和图4所示，在本实施方式中，每组行星齿轮系431的齿圈4313具有外齿111。其中，多对驱动轴420分别对应两组行星齿轮系431，同对的两根驱动轴420的传动齿轮421分别啮合于一组行星齿轮系431的太阳齿轮4312和齿圈4313的外齿111，各传动齿轮421互不干涉。在一些实施方式中，行星齿轮系与驱动轴之间，即差速机构与驱动单元组之间亦可通过其他结构作为传动机构连接，例如传动机构亦可包含柔性轮绳传动机构或者刚性传动机构，并不以此为限。
通过上述设计，本发明应用于腕转机构时，能够通过多根缆绳在驱动单元的驱动下，实现末端工具200的多个自由度的调节，保证任意工况下缆绳均处于张紧状态。在此基础上，具有差速机构430的自由度调节机构400能够补偿缆绳的松弛，可以使得缆绳在整个生命周期保持张紧，提高器械的操作精度和可靠性。另外，自由度调节机构400能够将电机的驱动转化为缆绳的线性运动，并且通过差速机构430能够消除器械装载前多余的一个自由度，防止多根缆绳松脱，相比于现有方案进一步简化了结构复杂程度，并减少了零件数量。
同时，基于本申请的自由度调节机构400的上述设计构思，腕转机构的末端的三个自由度(末端工具200的开合、俯仰和偏摆)，是需要由两根缆绳的四个绳端联合驱动，因此要求在驱动过程中需要保持两根缆绳的四段的总长度不变(可以扣除手柄410内驱动轴420上的重复缠绕部分)。为了保证腕转机构未装载到驱动单元时缆绳不被松脱，装载后可以正常工作，在没有驱动单元控制的情况下，自由度调节机构400中仍具备保持缆绳总长度不变的功能。
具体地，如图1至图3所示，在本实施方式中，两根缆绳的四个绳端分别连接并卷绕于四根驱动轴420。连接缆绳310的两个绳端的两根驱动轴420(例如图示的1号和2号驱动轴420)的传动齿轮421，分别啮合于一组行星齿轮系431，连接缆绳320的两个绳端的两根驱动轴420(例如图示的3号和4号驱动轴420)的传动齿轮421，分别啮合于另一组行星齿轮系431。
另外，如图1和图3所示，上述附图中在驱动轴420或者邻近驱动轴420的位置标记出了标记“1”、“2”、“3”(另一根驱动轴420或其附近位置的标记“4”由于遮挡而未示出)，对此，可以采用一体成型的凸起、凹槽实现标记的设置，亦可采用印刷等方式实现。再者，亦可采用其他方式区分各驱动轴420，例如采用涂覆不同图案或者颜色等，均不以本实施方式为限。另外，在一些实施方式中，亦可不设置上述标记，即附图中的上述标记可以理解为示意性标记，仅作便于理解和说明之用。
具体地，在装载驱动单元之前，可以由差速机构430保证缆绳的长度不变。且驱动单元装载后，可以由驱动单元保证缆绳长度不变，此时差速机构430可以选择随动或者不工作。当缆绳发生松弛时，可以通过驱动单元收紧缆绳。在此基础上，差速机构430采用单向啮合的设计，可以保证使用时差速机构430不会影响驱动单元收紧缆绳的功能。据此，本发明能够通过差速机构430实现缆绳的恒定长度的保持，即将N+1驱动方案中的多余的一个自由度通过差速机构430限制住。
具体地，如图3至图6所示，在本实施方式中，手柄410可以固定连接有可旋转轮轴432，且两组行星齿轮系431分别转动设置于可旋转轮轴432。对于任一组行星齿轮系431而言，可旋转轮轴432可以穿设于行星架4311的中心孔及太阳齿轮4312。太阳齿轮4312固定有共轴的随动齿轮4314。齿圈4313与太阳齿轮4312共轴且间隔布置。行星架4311于太阳齿轮4312与齿圈4313之间设置有多个行星齿轮4315，行星齿轮4315分别与太阳齿轮4312和齿圈4313的内齿啮合。在此基础上，同对的两根驱动轴420的传动齿轮421分别啮合于一个行星齿轮系431的随动齿轮4314和齿圈4313的外齿111。
进一步地，在本实施方式中，对于一组行星齿轮系431而言，太阳齿轮4312与随动齿轮4314可以为一体结构。另外，在一些实施方式中，太阳齿轮4312亦可与随动齿轮4314固定连接。
进一步地，如图6所示，在本实施方式中，对于一组行星齿轮系431而言，行星齿轮4315的数量可以为三个。另外，在一些实施方式中，行星齿轮4315的数量亦可为一个、两个、四个或四个以上。
承上所述，每个随动齿轮4314(包含太阳齿轮4312)和齿圈4313分别能够被驱动轴420上对应位置的传动齿轮421驱动而旋转，从而带动行星架4311旋转，行星架4311的转速可以通过调整齿轮系的传动比调整。其中，两组行星齿轮系431沿轴向相对布置，由于两个行星架4311存在定位关系而无法相对旋转，可知每组行星齿轮系431具有两个自由度，而两个行星架4311的定位关系限制了一个旋转自由度，因此将整个腕转机构的四个自由度减为三个。
如图11所示，以支架100腕部发生俯仰为例，俯仰关节沿图示的顺时针方向旋转，末端工具200保持不动，则缆绳320的两段被收紧，缆绳310的两段会被释放。依照图11中的两根缆绳与驱动轴420的绕接方向，四根驱动轴420均沿图11示出的顺时针方向旋转。在一些实施方式中，四段缆绳(即两根缆绳的四个绳端)与对应的驱动轴420的绕接方向也可以与图11示出的状态相反，不限于完全按图示关系绕接，且缆绳之间的绕接方向不必一致，只要满足缆绳可以按需求被驱动端收紧或释放即可。
如图11所示，四根驱动轴420上的传动齿轮421会相应地驱动差速机构430上的随动齿轮4314(即太阳齿轮4312)和齿圈4313沿图示的方向逆时针转动。在该附图中，两个行星架4311将按照图示方向逆时针旋转。当然，图11示出的两组行星齿轮系431的各部件的旋转状态仅为示例性的，实际上差速机构430亦可理解为差速器，通过调整传动比可以使得每个行星架4311的转速等于对应的一对驱动轴420的转速之差。
具体而言，假设1号驱动轴420的转速为n1，2号驱动轴420的转速为n2，三号驱动轴420的转速为n3，4号驱动轴420的转速为n4，图示的位于上方的行星架4311的转速为nC1，图示的位于下方的行星架4311转速为nC2。驱动轴420与差速机构430对应的直齿轮(随动齿轮4314或齿圈4313)的传动比分别为GR1，GR2，GR3，GR4；GR1对应太阳轮齿数为zS1，GR2对应内齿轮齿数为zI1，GR4对应太阳轮齿数为zS2，GR3对应内齿轮齿数为zI2.则当满足以下关系时，该差速机构430可以消除腕转机构的一个自由度，使其在任意状态下都能够保持缆绳张紧。
zS1*n1*GR1+zI1*n2*GR2＝(zS1+zI1)*nC1
zS2*n4*GR4+zI2*n3*GR3＝(zS2+zI2)*nC2
nC1＝nC2
可选地，如图4至图6所示，在本实施方式中，多根驱动轴420可以环绕可旋转轮轴432的周向布置。在此基础上，随动齿轮4314的外径可以大于齿圈4313的外径，且啮合于随动齿轮4314的传动齿轮421的外径，可以小于啮合于齿圈4313的外齿111的传动齿轮421的外径。
进一步地，基于多根驱动轴420环绕可旋转轮轴432的周向布置的设计，在本实施方式中，各驱动轴420与可旋转轮轴432的间距可以均相等。
进一步地，如图3至图6所示，基于多根驱动轴420环绕可旋转轮轴432的周向布置的设计，在本实施方式中，各驱动轴420的传动齿轮421在驱动轴420的轴向上的布置高度均不相同。并且，各传动齿轮421的布置高度，可以分别与各自相啮合的随动齿轮4314或者齿圈4313的布置高度相对应。据此，本发明能够保证各传动齿轮421在空间上互不干涉。
可选地，如图5和图6所示，在本实施方式中，行星齿轮4315的轴向可以与可旋转轮轴432的轴向相互平行。具体而言，对于一组行星齿轮系431而言，可旋转轮轴432的一端部穿过行星架4311的中心孔，太阳齿轮4312设置于可旋转轮轴432的该端部上，随动齿轮4314位于太阳齿轮4312的背向行星架4311的一侧。齿圈4313环绕太阳齿轮4312的周向布置，并大致位于行星架4311与随动齿轮4314之间，齿圈4313的内圈设置有内齿。行星齿轮4315设置在行星架4311的朝向随动齿轮4314的一侧，并位于太阳齿轮4312与齿圈4313之间形成的环形空间中，行星齿轮4315同时与太阳齿轮4312的外齿111和齿圈4313的内齿啮合。
另外，行星齿轮系亦可采用其他结构形式的齿轮组设计。例如，如图7和图8所示，在一些实施方式中，行星齿轮系431’的行星齿轮的轴向可以与可旋转轮轴的轴向相互垂直，亦可在本发明中作为差速机构之用。
可选地，如图6和图9所示，在本实施方式中，两个行星齿轮系431的行星架4311的相对一侧可以分别设置有定位结构43111。据此，两个行星架4311以各自相对的一侧接触，且两个行星架4311的定位结构43111卡合配合，从而使得两个行星架4311在旋转方向上相对固定，无法相对旋转。
具体地，如图6和图9所示，在本实施方式中，两个行星架4311的定位结构43111可以分别为爪盘状结构，两个行星架4311的爪盘状结构的卡爪卡合配合，从而实现两个行星架4311的定位。
另外，行星架4311亦可采用其他结构形式的定位结构43111。例如，如图10所示，在一些实施方式中，以两个行星齿轮系431为例，其中一个行星架4311的定位结构43111可以为键(例如单向键或者双向键)，其中另一个行星架4311的定位结构43111可以为键槽，键与键槽卡合配合，从而实现两个行星架4311的定位。
另外，在一些实施方式中，两组行星齿轮系的从动轮之间落设置有共轴布置的定位孔，该定位孔能够供轴向移动的销轴锁定，从而实现两组行星齿轮系在旋转方向上的相对固定。
可选地，如图3所示，在本实施方式中，定义驱动轴420具有第一端和第二端，第一端转动连接于手柄410。在此基础上，驱动轴420的第二端可以设置有导向结构422，缆绳的绳端连接并卷绕于导向结构422，且传动齿轮421位于导向结构422与第二端之间。
具体地，基于驱动轴420的第二端设置有导向机构的设计，在本实施方式中，导向结构422可以包含导向弧面或者导向柱等。
具体地，如图3所示，基于驱动轴420的第二端设置有导向机构的设计，在本实施方式中，导向结构422沿驱动轴420轴向的两端可以分别设置有限位挡环423，限位挡环423能够限制缆绳在导向结构422上的卷绕位置。
可选地，如图3所示，在本实施方式中，支架100的近端可以连接有套管110，伸出支架100的近端的缆绳可以穿过套管110，并由套管110的近端伸出，最终连接卷绕至驱动轴420。在此基础上，套管110的近端可以设置有外齿111。自由度调节机构400还可以包含转向轴440，转向轴440可转动地设置于手柄410，并由一驱动单元驱动，转向轴440设置有转向齿轮441，转向齿轮441与套管110的外齿111啮合。通过上述设计，本发明能够通过驱动单元驱动转向轴440，带动套管110以自身轴线为轴旋转，从而带动位于套管110远端的支架100和末端工具200旋转。
可选地，如图12所示，在本实施方式中，手柄410可以设置有多个转接口411，并且该转接口411是以可旋转的方式设置于手柄410。在此基础上，多根驱动轴420可以分别固定于多个转接口411，从而通过多个转接口411分别转接多个驱动单元，驱动单元连接并驱动转接口411转动，即可带动对应的驱动轴420同步转动。另外，以本实施方式中的自由度调节机构400包含四根驱动轴420为例，手柄410上设置的转接口411的数量可以多于驱动轴420的数量，多出的转接口411可以用于选择性地设置其他构件(例如转向轴440)或者空置备用。
可选地，如图12所示，在本实施方式中，自由度调节机构400还可以包含防护罩450。具体而言，防护罩450可拆装地设置于手柄410，例如但不限于采用卡扣结构。防护罩450与手柄410连接时，两者能够共同形成一腔体，该腔体能够容纳自由度调节机构400的其他构件，例如驱动轴420和差速机构430。另外，驱动单元可以设置于该腔体内，亦可设置于腔体之外，例如手柄410的背向防护罩450的另一侧。
基于上述对本发明一实施方式的详细说明，以下相对本发明的另一实施方式进行简要说明，在该实施方式中，驱动单元组包含三个驱动单元，即N为3。其中，本发明提出的自由度调节机构在该实施方式中，采用与上述实施方式大致相同的设计，区别在于，N为3时，差速机构的旋转机构为可旋转轮轴，即差速机构包含一组行星齿轮系以及可旋转轮轴。
在一些实施方式中，当驱动单元组包含三个驱动单元，即N为3时，旋转机构亦可为可旋转轮轴，可旋转轮轴与行星齿轮系共轴且可转动地设置于手柄。行星齿轮系的齿轮与其耦合的驱动单元之间为双向驱动，可旋转轮轴与一个驱动单元耦合，可旋转轮轴与其耦合的驱动单元之间为双向驱动。行星齿轮系的从动轮与可旋转轮轴之间具有锁定机构，锁定机构用于限制行星齿轮系的从动轮与可旋转轮轴之间的相对旋转。
在一些实施方式中，当驱动单元组包含三个驱动单元，即N为3时，行星齿轮系的从动轮与可旋转轮轴之间设置有定位结构，该定位结构能够通过卡合配合，实现行星齿轮系与可旋转轮轴在旋转方向上的相对固定。
在一些实施方式中，当驱动单元组包含三个驱动单元，即N为3时，定位可以结构为分别设置于行星齿轮系的从动轮与可旋转轮轴的爪盘状结构，两个爪盘状结构的卡爪卡合配合。或者，定位结构亦可为分别设置于行星齿轮系的从动轮与可旋转轮轴的其中之一的键和设置于其中另一的键槽，键与键槽卡合配合。
在一些实施方式中，当驱动单元组包含三个驱动单元，即N为3时，行星齿轮系的从动轮与可旋转轮轴之间可以设置有共轴布置的定位孔，该定位孔能够供轴向移动的销轴锁定，以实现行星齿轮系与可旋转轮轴在旋转方向上的相对固定。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的自由度调节机构仅仅是能够采用本发明原理的许多种自由度调节机构中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的自由度调节机构的任何细节或任何部件。
基于上述对本发明提出的腕转机构的几个示例性实施方式的详细说明，以下将对本发明提出的手术器械的示例性实施方式进行说明。
在本实施方式中，本发明提出的手术器械包含末端工具、缆绳以及本发明提出的并在上述实施方式中详细说明的自由度调节机构。其中，自由度调节机构的驱动单元通过缆绳连接于末端工具，以驱动末端工具动作。由于驱动单元的数量允许比末端工具的自由度多一个，当末端工具未装载到驱动单元时，自由度调节机构可以减去该多余的自由度，同时保证缆绳张紧；当末端工具装载到驱动单元上时，自由度调节机构可选的释放该自由度，当采用释放多余自由度的状态时，由驱动单元耦合地运动保证缆绳张紧，当选择继续限制该自由度时，自由度调节机构可以防止松弛。据此，本发明提出的手术器械能够通过自由度调节机构适配末端工具的自由度，保证任意工况下缆绳均处于张紧状态。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的手术器械仅仅是能够采用本发明原理的许多种手术器械中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的手术器械的任何细节或任何部件。
基于上述对本发明提出的手术器械的一示例性实施方式的详细说明，以下将对本发明提出的手术机器人的示例性实施方式进行说明。
在本实施方式中，本发明提出的手术机器人包含本发明提出的并在上述实施方式中详细说明的手术器械。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的手术机器人仅仅是能够采用本发明原理的许多种手术机器人中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的手术机器人的任何细节或任何部件。
以上详细地描述和/或图示了本发明提出的自由度调节机构、手术器械及手术机器人的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的自由度调节机构、手术器械及手术机器人进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。
Claims (13)
1.一种自由度调节机构，其特征在于：
所述自由度调节机构包含手柄、驱动单元组以及差速机构；
所述驱动单元组包含N个驱动单元，其中N为3或4，每个所述驱动单元可转动地或可线性移动地设置于所述手柄；
所述差速机构设置于所述手柄，所述差速机构包含行星齿轮系及对应的旋转机构，所述行星齿轮系的任意两个齿轮被配置为各自独立转动并分别与一个所述驱动单元耦合，所述差速机构能在锁定状态与释放状态之间转换；
其中，所述差速机构于锁定状态下，所述行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构沿旋转方向被相互固定，以使所述自由度调节机构的自由度为N-1个，所述差速机构于释放状态下，所述行星齿轮系的从动轮，与对应的旋转机构之间可独立旋转，以使所述自由度调节机构的自由度为N个。
2.根据权利要求1所述的自由度调节机构，其特征在于：
N为3；
所述旋转机构为可旋转轮轴，所述可旋转轮轴与所述行星齿轮系共轴且可转动地设置于所述手柄；
所述行星齿轮系的齿轮与其耦合的所述驱动单元之间为双向驱动，所述可旋转轮轴与一个所述驱动单元耦合，所述可旋转轮轴与其耦合的所述驱动单元之间为双向驱动；
所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间具有锁定机构，所述锁定机构用于限制所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间的相对旋转。
3.根据权利要求2所述的自由度调节机构，其特征在于：
所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间设置有定位结构，所述定位结构被配置为通过卡合配合，以实现所述行星齿轮系与所述可旋转轮轴在旋转方向上的相对固定。
4.根据权利要求3所述的腕转机构，其特征在于：
所述定位结构为分别设置于所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴的爪盘状结构，两个所述爪盘状结构的卡爪卡合配合；或者
所述定位结构为分别设置于所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴的其中之一的键和设置于其中另一的键槽，所述键与所述键槽卡合配合。
5.根据权利要求2所述的自由度调节机构，其特征在于：
所述行星齿轮系的从动轮与所述可旋转轮轴之间设置有共轴布置的定位孔，所述定位孔被配置为供轴向移动的销轴锁定，以实现所述行星齿轮系与所述可旋转轮轴在旋转方向上的相对固定。
6.根据权利要求1所述的自由度调节机构，其特征在于：
N为4；
所述旋转机构为另一组行星齿轮系，两组所述行星齿轮系共轴且可转动地设置于所述手柄；
每组所述行星齿轮系的齿轮与其耦合的所述驱动单元之间为双向驱动；
所述两组行星齿轮系的从动轮之间具有锁定机构，所述锁定机构用于限制所述两组行星齿轮系的从动轮之间的相对旋转。
7.根据权利要求6所述的自由度调节机构，其特征在于：
所述两组行星齿轮系的从动轮之间设置有定位结构，所述定位结构被配置为通过卡合配合，实现所述两组行星齿轮系在旋转方向上的相对固定。
8.根据权利要求7所述的自由度调节机构，其特征在于：
所述定位结构为分别设置于所述两组行星齿轮系的从动轮的爪盘状结构，两个所述爪盘状结构的卡爪卡合配合；或者
所述定位结构为分别设置于所述两组行星齿轮系的从动轮的其中之一的键和设置于其中另一的键槽，所述键与所述键槽卡合配合。
9.根据权利要求6所述的自由度调节机构，其特征在于：
所述两组行星齿轮系的从动轮之间设置有共轴布置的定位孔，所述定位孔被配置为供轴向移动的销轴锁定，以实现所述两组行星齿轮系在旋转方向上的相对固定。
10.根据权利要求1所述的自由度调节机构，其特征在于：
所述差速机构与所述驱动单元组之间连接有传动机构，所述传动机构包含柔性轮绳传动机构或者刚性传动机构。
11.根据权利要求1所述的自由度调节机构，其特征在于，所述手柄可拆装地设置有防护罩，所述防护罩与所述手柄共同形成腔体，用以容纳所述驱动单元和所述差速机构。
12.一种手术器械，其特征在于：
所述手术器械包含末端工具、缆绳以及权利要求1～11任一项所述的自由度调节机构；
所述驱动单元通过所述缆绳连接于所述末端工具，以驱动所述末端工具动作；
其中，所述手术器械被配置为通过所述自由度调节机构调节所述末端工具的自由度。
13.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包含权利要求12所述的手术器械。
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