CN116531097A - 一种柔性连续体及ercp手术用抬钳器及微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性连续体及ERCP手术用抬钳器及微创手术机器人，所述柔性连续体包括多个刚性段，其中：任意相邻两个刚性段之间连接设置呈弹簧状的螺旋段；多个所述螺旋段包括多个顺时针螺旋段以及多个逆时针螺旋段，所述顺时针螺旋段与逆时针螺旋段呈交替布置；各个所述螺旋段的中空内部配合设置有与相邻两个刚性段相连接的球面副离散关节，所述球面副离散关节由多个相互之间以球面接触的方式进行连接的球窝关节构成，所述螺旋段分别缠绕于多个所述球窝关节上。本发明所述柔性连续体与传统微创手术机器人用远端柔性关节相比，能够有效减少和防止弯曲变形中对末端定位精度有较大影响的轴向压缩情况，并具有较好的弯曲性能和负载能力。

Description

一种柔性连续体及ERCP手术用抬钳器及微创手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种柔性连续体及ERCP手术用抬钳器及微创手术机器人。

背景技术

机器人辅助ERCP手术(经内镜逆行性胰胆管造影术)因相比于传统开放型外科手术具有创伤小、手术时间短、安全性高、术后恢复快等优点，是目前业内公认的诊断胰胆管疾病的金标准。但是，由于ERCP手术部位位于消化系统深处，因此相比于其他应用柔性内镜技术的消化内科手术，操作难度更大，对于医生而言学习曲线更长，使目前实施ERCP手术仍具有许多局限性，具体体现在以下两个方面：

(1)ERCP手术机器人远端柔性关节主要采用连续体结构。国内外的研究人员已经对连续体的构型进行了大量研究。根据其构型，连续体可以分为离散关节式连续体结构和连续式连续体结构；其中：离散关节式连续体结构具有刚度较大、负载能力较高、加工难度较小等优势，但由于关节离散化的设计，导致其恒曲率特性和柔顺性较差，并且运动的精确性很大程度上受加工装配精度和运动副之间摩擦的影响；连续式连续体结构由于其结构连续完整，具有柔顺性和恒曲率特性好的优势，但其刚度较小，难以承受较大的负载，并且在弯曲变形过程中会引起轴向收缩，导致精确控制困难。

目前，可应用于胰胆部位疾病诊治的连续体机器人较少，并且多数连续体结构不能同时具备较好的灵活性和较高的负载能力，进而使得在内镜介入过程中可能会导致患者发生穿孔、出血、胰腺炎等并发症，对患者的生命安全带来一定的威胁。

(2)ERCP手术难点主要发生于手术步骤中第二阶段插入内镜至十二指肠降部以及第三阶段通过乳头插入导丝导管。该难点一方面是由于内镜末端灵活性差、负载能力不足，另一方面主要是由于目前用于ERCP手术的商业化内镜末端抬钳器具有一定局限性，其一，抬钳器通过镊调位器调整插管角度，只具有单一自由度，自由度缺乏、运动精度有限；其二，抬钳器结构复杂造成清洁消毒困难，可能引起外因性感染。因此，有必要开发一种内镜末端配有多自由度抬钳器的连续体机器人系统，以提高手术效率、降低手术难度及降低手术风险和二次伤害的可能性。

发明内容

基于现有ERCP手术机器人存在的上述缺陷和不足，本发明的目的之一是提供一种弯曲变形性能好，同时具有较高抗轴向压缩能力及负载能力的柔性连续体，该柔性连续体应用于ERCP手术机器人远端时，可以有效提高末端关节的控制精度，进而降低手术难度及手术风险。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种柔性连续体，包括多个刚性段，其中：

任意相邻两个刚性段之间连接设置呈弹簧状的螺旋段；

多个所述螺旋段包括多个顺时针螺旋段以及多个逆时针螺旋段，所述顺时针螺旋段与逆时针螺旋段呈交替布置；

各个所述螺旋段的中空内部配合设置有与相邻两个刚性段相连接的球面副离散关节，所述球面副离散关节由多个相互之间以球面接触的方式进行连接的球窝关节构成，所述螺旋段分别缠绕于多个所述球窝关节上。

进一步地，所述球窝关节包括凹球面以及关节主体，所述凹球面开设于关节主体上，并在关节主体上限定开口，所述关节主体上设置有凸球面；多个所述球窝关节之间，前一个球窝关节的凸球面与后一个球窝关节的凹球面以曲面接触的方式进行配合连接。

作为优选，所述顺时针螺旋段的设置数量与逆时针螺旋段的设置数量相同，且顺时针螺旋段中的弹簧圈数及节距与逆时针螺纹段中的弹簧圈数及节距相同。

作为优选，所述柔性连续体可由3D打印技术一体加工成型。

本发明还提供了一种ERCP手术用抬钳器，与上述柔性连续体一端相连接，所述抬钳器可改变微创手术用导管或导丝的抬升角度，包括内壳、内滑块；其中：

所述内滑块嵌设于内壳内，并可在外力推拉作用下，相对于内壳进行前后移动；

所述内壳上装配有第一滚子，内滑块上装配有第二滚子，所述第一滚子与第二滚子的中心轴线相互平行并分别与内壳的中心轴线垂直相交于一点；

所述导管或导丝一端与第二滚子的下部接触，另一端穿引至抵靠在第一滚子的上部。

作为优选，所述抬钳器还包括外壳，所述内壳嵌设于外壳内，并与外壳转动连接；所述内滑块可在外力作用下带动内壳相对于外壳进行旋转。

作为优选，所述内滑块上固定有钢丝软轴，所述钢丝软轴通过柔性连续体的内部中央孔道穿引至与旋转驱动装置相连接，所述旋转驱动装置包括旋转驱动电机，所述旋转驱动电机与第一滚珠丝杆相连接，第一滚珠丝杆上螺纹配合有第一导轨滑块，第一导轨滑块滑配安装于直线导轨上；所述钢丝软轴与第一导轨滑块相连接。

在上述柔性连续体及抬钳器的基础上，本发明还提供一种微创手术机器人，其中：所述柔性连续体的另一端与近端驱动装置相连接，且柔性连续体上沿圆周方向均匀布设有至少四根连接各关节的驱动丝，至少四根所述驱动丝两两为一组，每组所述驱动丝可在近端驱动装置驱动下，控制柔性连续体实现一个方向上的弯曲运动。

进一步地，所述近端驱动装置包括安装框架、至少两组丝驱动部件以及至少两个驱动电机；其中：

至少两组丝驱动部件分别转动设置于安装框架上；

所述丝驱动部件包括两个驱动丝缠绕轮以及驱动电机连接轴；两个所述驱动丝缠绕轮中：一个设置有正向螺纹段，另一个设置有反向螺纹段；两个所述驱动丝缠绕轮分别通过顶丝固定于驱动电机连接轴上，所述驱动电机连接轴由对应的驱动电机驱动旋转；

至少两组所述驱动丝分别缠绕于两组丝驱动部件上，且每组中的两根驱动丝分别缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上和设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上。

作为优选，所述近端驱动装置设置于整体进给驱动模块上，所述整体进给驱动模块包括模块框架、进给驱动电机以及第二滚珠丝杠；其中：

模块框架上设有线性导轨，线性导轨上滑配安装第二导轨滑块；

进给驱动电机与第二滚珠丝杠相连接；

第二滚珠丝杠转动设置于模块框架上，且第二滚珠丝杠上螺纹配合有前支架；

所述前支架固定于第二导轨滑块上，并与近端驱动装置的安装框架相连接。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、与传统微创手术机器人用远端柔性关节相比，本发明提供的柔性连续体具有以下优势：

(a)所述连续体采用交替设置的弹簧状螺旋段和刚性段作为主要弯曲变形区域；其中：若干刚性段的设置既确保了柔性关节工作空间的设计需求，也可为柔性关节的负载能力提供更多的支持；同时，若干设置于任意相邻两个刚性段之间的弹簧状螺旋段，可使得连续体具有更长的疲劳寿命和更好的弯曲变形重复性；

(b)所述连续体的多个弹簧状螺旋段中，顺时针螺旋段和逆时针螺旋段呈交替布置；这种设置方式，使得连续体在进行弯曲变形时，可以均匀地吸收能量，使应力均匀分布，进而减少应力集中现象，确保弯曲变形的均匀性；同时，弯曲变形的均匀性可使连续体弯曲曲率几乎恒定，并使得常曲率假设可以成功地应用于运动学建模中，以相应提高手术机器人末端关节的运动控制精度；

(c)通常柔性关节是通过拉紧驱动丝产生弯曲变形效果，因此在发生弯曲变形时，会产生轴向力压缩柔性关节；本申请所述柔性连续体中，通过在各个弹簧状螺旋段的中空内部连接设置球面副离散关节，当有轴向力产生时，球面副离散关节中的凸球面会与相邻球窝关节的凹腔相贴紧，进而有效限制连续体在弯曲变形时产生轴向间的压缩，使得柔性关节在弯曲变形过程中的末端定位精度及稳定性更高、弯曲性能更好。

2、为了验证本发明所述柔性连续体在轴向刚度、负载性能和弯曲性能等方面的优势，本发明利用SolidWorksSimulation模块分别对单螺旋结构式连续体、顺逆螺旋结构式连续体以及本申请中基于球面接触的顺逆螺旋结构式连续体进行仿真实验，分析其在受到相同轴向载荷F_N、扭矩M及径向载荷Fr情形下的变形情况；通过仿真实验得出，本发明所提出的柔性连续体所具有的抗轴向压缩能力、抗扭性能及承载能力方面均优于比于其他两种连续体。

3、本发明还提供了一种与上述柔性连续体配套设置的抬钳器，所述抬钳器包括依次嵌套的外壳、内壳以及内滑块，所述内壳与外壳转动连接，内滑块滑配安装于内壳上，且内壳以及内滑块上分别设置有轴心位于抬钳器轴线上的滚子；其中：通过改变两个滚子之间的中心距离，即可改变由抬钳器内两滚子引出的导管或导丝的抬升角度；通过转动内滑块，即可带动内壳旋转，进而实现导管/导丝插入方向的偏转；综上，本发明所设置的抬钳器除了使导管/导丝具备常规的进给自由度外，还具备导管抬升自由度以及偏转自由度，能够实现更为灵活的多自由度运动。

4、本发明所述微创手术机器人包括柔性连续体、设置于柔性连续体远端的抬钳器以及设置于连续体近端的驱动装置，该驱动装置可驱动柔性连续体进行至少两自由度弯曲运动以及连续体与抬钳器整体的进给运动；其中，由于本申请所提出的球面接触顺逆螺旋结构连续体相比于其他类型的连续式柔性关节具有更好的弯曲变形性能、抗轴向压缩性能好、较好的恒曲率特性以及更好的负载能力，使其应用于ERCP手术时，可以有效确保内镜介入的安全性，降低手术风险；同时，配套设置的多自由度抬钳器可以有效提高导管或导丝插入的精准性，进而提高手术效率，降低手术难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述柔性连续体的立体结构示意图。

图2为本发明实施例所述柔性连续体的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例所述柔性连续体中球面副离散关节的结构示意图。

图4为本发明实施例所述柔性连续体在远端关节设置抬钳器的结构示意图。

图5为本发明实施例所述抬钳器立体结构示意图。

图6为本发明实施例所述抬钳器结构分解示意图。

图7为本发明实施例所述抬钳器剖面结构示意图。

图8为本发明实施例所述微创手术机器人整体结构示意图。

图9为本发明实施例所述微创手术机器人中，连续体装配模块结构示意图。

图10为本发明实施例所述微创手术机器人中，近端驱动装置中丝驱动模块结构分解示意图。

图11为本发明实施例所述丝驱动模块中，丝驱动部件结构分解示意图。

图12为本发明实施例所述旋转驱动模块结构示意图。

图13为本发明实施例所述近端驱动装置中，整体进给驱动模块结构示意图。

图14为本发明实施例7中，单螺旋结构式连续体、顺逆螺旋结构式连续体以及球面接触顺逆螺旋结构式连续体结构对比示意图。

图15为验证本发明所述柔性连续体相关性能的实验装置图。

标号说明：1、柔性连续体；11、顺时针螺旋段；12、逆时针螺旋段；13、球面副离散关节；131、球窝关节；132、凹球面；133、凸球面；134、环形边沿；14、刚性主体；15、远端关节；16、近端关节；2、抬钳器；21、外壳；22、内壳；221、第一滚子安装部；222、第一滚子；223、斜面结构；23、连接轴承；24、内滑块；241、第二滚子安装部；242、第二滚子；3、近端驱动装置；31、安装框架；311、框架顶板；312、框架底板；313、框架侧板；32、丝驱动部件；321、驱动电机连接轴；322、驱动丝缠绕轮；323、轴承；33、驱动电机；34、导向短柱；4、连续体装配模块；41、连续体装配框架；42、连续体连接座；43、导丝鞘；44、导丝鞘连接板；45、驱动丝导向柱；5、整体进给驱动模块；51、模块框架；511、模块底板；512、轴承支架；52、线性导轨；53、第二导轨滑块；54、第二滚珠丝杆；55、前支架；56、后支架；57、进给驱动电机；6、旋转驱动装置；61、轴承支架；62、旋转驱动电机；63、第一滚珠丝杆；64、直线导轨；65、第一导轨滑块；7、导管；8、驱动丝；9、电源；10、伺服电机驱动器组；17、运动控制器；18、相机；19、计算机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图1至3所示，本实施例提供了一种柔性连续体，包括多个刚性段，其中：

如图1所示，任意相邻两个刚性段之间连接设置呈弹簧状的螺旋段，多个所述螺旋段包括多个顺时针螺旋段11以及多个逆时针螺旋段12，所述顺时针螺旋段11与逆时针螺旋段12呈交替布置；

进一步地，如图2所示，各个所述螺旋段的中空内部配合设置有与相邻两个刚性段相连接的球面副离散关节13；

如图3所示，所述球面副离散关节13由多个相互之间以球面接触的方式进行连接的球窝关节131构成，所述螺旋段分别缠绕于多个所述球窝关节131上。

具体地，本实施例1所述的柔性连续体中：

如图1、2所示，所述刚性段设置呈柱状，多个所述刚性段由若干刚性主体14以及设置于连续体两端的近端关节16与远端关节15构成；其中：近端关节16用于与驱动连续体进行多自由度运动的装置相连接，远端关节15用于与末端手术器械相连接。

如图2、3所示，所述球窝关节131包括凹球面132以及关节主体；其中：所述凹球面132开设于关节主体上，并在关节主体上限定开口；所述关节主体上设置有凸球面133；本实施例中，多个所述球窝关节131相互之间以球面接触的方式进行连接，解释为：前一个球窝关节的凸球面133与后一个球窝关节的凹球面132之间以曲面接触的方式进行配合连接。

进一步地，如图3所示，本实施例所述的球窝关节131中：

所述凸球面133可设置呈大致半球体形状；所述凹球面132设置呈与所述凸球面相匹配的半球形凹腔；

所述凹球面132与凸球面133贯通设置，各个相互连接的球窝关节131内部之间形成有与相邻两个刚性段相连通的中央孔道，所述中央孔道可用于微创手术用内镜、导管或导丝等手术器械的通过，以便于进行手术环境探查及手术操作。

所述关节主体上还包括用于限定所述开口的环形边沿134，所述凸球面133与环形边沿134相连接，呈弹簧状的各个所述螺旋段分别缠绕连接于若干球窝关节的多个环形边沿134上。

更进一步地，如图2、3所示，本实施例所述的球面副离散关节中，所述球窝关节131的数量设置、凸球面133和凹球面132的半径、凸球面和凹球面的球心距离以及环形边沿134的高度和半径设置，应与弹簧状螺旋段中弹簧的圈数和节距相适配，以在最大程度上减少连续体弯曲变形过程中柔性关节间的轴向压缩情况及对关节末端定位精度的影响。

本发明实施例所提出的柔性连续体与现有离散式连续体以及连续式连续体相比，具有更好的弯曲变形性能、较高抗轴向压缩能力、较好的恒曲率特性以及更好的负载能力，分析原因如下：

(1)本实施例中，柔性连续体采用弹簧状的螺旋段和刚性段交替排列；其中：刚性段的设置，既确保了连续体中柔性关节工作空间符合设计需求，也为连续体的负载能力提供更多的支持；另一方面，与刚性段交替设置的螺旋结构也使得连续体具有更长的疲劳寿命和更好的弯曲变形重复性；

(2)结构设计中，将顺、逆交替布置的螺旋段作为连续体的主要弯曲变形区域，这种设置方式使得连续体在驱动丝作用下，进行弯曲变形时，可以均匀吸收能量，使应力均匀分布，进而减少应力集中现象的出现。同时，弯曲变形的均匀性使得连续体的弯曲曲率几乎恒定，有利于运动学建模的准确性；

(3)通常柔性关节是通过拉紧驱动丝产生弯曲变形效果，因此在发生弯曲变形时，会产生轴向力压缩柔性关节；本实施例所述柔性连续体中，通过在各个弹簧状螺旋段的中空内部连接设置多个以球面接触方式相互连接的球窝关节构成，当有轴向力产生时，球窝关节中的凸球面会与相邻球窝关节的凹腔相贴紧，以限制连续体在弯曲变形时产生的轴向压缩，使柔性连续体在弯曲变形过程中的末端定位精度及稳定性更好；同时，由于球面接触的特性，这种设置方式并不影响柔性关节整体的弯曲变形效果。

实施例2：如图1至2所示，为了进一步提高本发明所述柔性连续体弯曲变形的均匀性，本实施例在实施例1的基础上，进一步限定如下：

所述顺时针螺旋段11的设置数量与逆时针螺旋段12的设置数量相同，且顺时针螺旋段11中的弹簧圈数及节距与逆时针螺纹段12中的弹簧圈数及节距相同。

具体地，如图1所示，本实施例中，设置有两个顺时针螺旋段11以及两个逆时针螺旋段12，顺时针及逆时针螺旋段中，弹簧圈数为3。

其中：将顺时针螺旋段11与逆时针螺旋段12以成对布置的方式作为柔性连续体的主要弯曲变形区域；当连续体弯曲变形时，成对设置且参数相同的顺时针螺旋段与逆时针螺旋段可以更为均匀地吸收能量，使应力分布更加均匀，进而进一步减少应力集中现象的出现，使得连续体具有更好的柔顺性及恒曲率特性。

进一步地，本发明实施例1、实施例2所述的柔性连续体为一体化设计，连续体外径设置为12mm，内部中空通道直径为3.5mm，全长设计为100mm，制备时可采用3D打印技术，激光烧结PA12尼龙材料一体化加工成型，具有加工容易，制备成本较低的特点。

实施例3：如图4至7所示，本发明还提供了一种可装配于柔性连续体远端关节15的抬钳器2，所述抬钳器2可实现机器人辅助的ERCP手术用导管7或导丝抬升角度的改变；其中：

如图5、6、7所示，所述抬钳器2包括内壳22、内滑块24，所述内滑块24嵌设于内壳22内部，并可在外力推拉作用下，相对于内壳22进行前后移动；

所述内壳22上装配有第一滚子222，内滑块24上装配有第二滚子242，所述第一滚子222与第二滚子242的中心轴线相互平行并分别与内壳的中心轴线垂直相交于一点；

所述导管7或导丝一端与第二滚子242的下部接触，另一端穿引至抵靠在第一滚子222的上部。

如图7所示，本发明实施例3所述抬钳器可实现微创手术用导管7或导丝抬升角度的增大或减小，进而改变手术操作时，导管7/导丝的插入角度，工作原理如下：(本实施例中，具体以导管为例)

抬钳器中，第一滚子222与第二滚子242的中心轴线位于同一高度并分别与抬钳器内壳22的中心轴线相交于一点(A点、B点)，当进行插管操作时，导管7一端与第二滚子242的下部接触，另一端穿引至紧靠在第一滚子222的上半部分；

此时，在外力推拉作用下，即可使内滑块24与内壳22之间产生平移运动时，进而增大或减小第一滚子222和第二滚子242两中心轴线之间的距离，从而改变导管7的抬升角度θ_b的；其中：当两中心轴线距离变大时导管的抬升角度降低，两中心轴线距离变小时导管7的抬升角度提高。

进一步地，如图6、10、12所示，本实施例中，可通过以下方式实现内滑块24的平移运动：

通过在内滑块24上固定钢丝软轴(附图中未显示)，所述钢丝软轴通过柔性连续体1的内部中央孔道穿引至与旋转驱动装置6相连接，所述旋转驱动装置包括旋转驱动电机62，所述旋转驱动电机62与转动设置于轴承支架61上的第一滚珠丝杆63相连接，第一滚珠丝杆63上螺纹配合有第一导轨滑块65，第一导轨滑块65滑配安装于直线导轨64上，所述钢丝软轴与第一导轨滑块65相连接；当旋转驱动电机62启动时，第一滚珠丝杆63旋转，螺纹配合于第一滚珠丝杠63上的第一导轨滑块65可沿直线导轨64进行前后移动，进而带动钢丝软轴推拉内滑块24，实现第一滚子222与第二滚子242两中心轴线距离的改变，进而改变导管的抬升角度。

实施例4：如图4至7所示，本实施例在实施例3的基础上，提供了另一抬钳器，该抬钳器可带动微创手术用导管7进行偏转运动，进而改变导管的插入方向；具体地，本实施例所述抬钳器与与实施例3的区别在于：

所述抬钳器2还包括外壳21，所述内壳22嵌设于外壳21内，并与外壳22转动连接；

所述内滑块24可在外力作用下带动内壳22相对于外壳21进行旋转，进而带动设置于第一滚子222与第二滚子242之间的导管7进行偏转运动。

具体地，如图6所示，本实施例所述抬钳器中，可在内滑块24一端连接设置钢丝软轴(附图中未显示)，通过手动旋捻钢丝软轴的方式，即可驱动内滑块进行旋转，进而带动内壳转动。

另外，本发明实施例3、4所述抬钳器中，通过推拉导管7的方式，还可使导管具备常规的进给自由度，即沿当前方向进行前进或后退。

进一步地，本发明实施例4所述的抬钳器中：

(1)如图6所示，所述外壳21主体呈中空圆柱结构，壳体上开设有便于导管、导丝或内窥镜穿引的槽口；

所述内壳22的形状与外壳相似，包括空腔圆柱及一体设置的弧形曲面；其中：弧形曲面上设置有第一滚子安装部221，所述第一滚子222通过圆柱销安装于第一滚子安装部221上，所述第一滚子安装部221通过连接轴承23转动连接于外壳21上；

所述内滑块24为圆柱形结构，与所述内壳22的空腔圆柱相匹配，所述内滑块24的端部设有第二滚子安装部241，所述第二滚子242通过圆柱销固定于第二滚子安装部242上。

(2)如图6所示，作为优选，所述内壳22上设置有位于第一滚子222与第二滚子242之间的斜面结构223，所述导管7通过所述斜面结构223穿引至抵靠在第一滚子222的上部。其中：所述斜面结构223主要起支撑及导向作用，便于将导管从第二滚子242的外圆柱面导向至第一滚子222的外圆柱面；本施例中，对斜面结构223的坡度并无具体要求，便于实现将导管导向至第一滚子的外圆柱面上即可。

(3)如图6所示，所述内滑块24与内壳22之间设置有移动副；作为其中一种实施方式，所述内壳22的空腔圆柱体上对称设置有两个凸起部，所述内滑块24上对称开设有两个凹槽，内滑块24与内壳22之间通过凸起与凹槽的相互配合的方式进行滑配安装，并可在外力推拉作用下，产生平移运动。

综上，本发明实施例4所述抬钳器除了使导管7或导丝具备常规的进给自由度外，还具备导管/导丝抬升自由度以及偏转自由度，能够实现更为灵活的多自由度运动。

实施例5：如图2、8所示，本发明在实施例1、2所述柔性连续体以及实施例3、4所述抬钳器的基础上，提供了一种微创手术机器人，包括柔性连续体1，

如图8所示，所述柔性连续体1的远端关节与抬钳器2相连接，近端关节与近端驱动装置3相连接；

如图2所示，所述柔性连续体1上沿圆周方向均匀布设有至少四根连接各关节的驱动丝8，至少四根所述驱动丝8两两为一组，每组所述驱动丝可在近端驱动装置驱动下，控制柔性连续体实现一个方向上的弯曲运动。

本实施例中，当驱动丝8的数量设置为4时，所述近端驱动装置3可驱动柔性连续体进行两自由度的弯曲运动。

具体地，如图8、10、11所示，本实施例中，所述近端驱动装置3包括安装框架31、至少两组丝驱动部件32以及至少两个驱动电机33；其中：

至少两组丝驱动部件32分别通过轴承323装配于安装框架31上；

如图11所示，所述丝驱动部件32包括两个驱动丝缠绕轮322以及驱动电机连接轴321；两个所述驱动丝缠绕轮322中：一个设置有正向螺纹段，另一个设置有反向螺纹段，两个所述驱动丝缠绕轮分别通过顶丝固定于驱动电机连接轴321上，所述驱动电机连接轴321由对应的驱动电机33驱动旋转；

至少两组所述驱动丝分别缠绕于两组丝驱动部件32上，且每组中的两根驱动丝分别缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上和设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上。

进一步地，如图8、9、10所示，本实施例所述的微创手术机器人中：

(1)所述柔性连续体1通过连续体装配模块4与近端驱动装置3相连接，所述连续体装配模块4包括连接体连接座42以及连续体装配框架41；其中：

如图9所示，连续体连接座42上设有多个限位凹槽，柔性连续体1的近端关节16上设置有相对应的多个凸起部，通过凸起与凹槽相互配合及顶丝固定的方式可对连续体的轴向和周向进行定位，进而减小安装过程中的系统误差；

所述连续体装配框架41上设置有导丝鞘43、导丝鞘连接板44以及驱动丝导向柱45，多根所述驱动丝8自连续体近端关节引出后依次穿过导丝鞘、导丝鞘连接板，并在驱动丝导向柱的导向作用下，与驱动丝缠绕轮相连接，其中：所述导丝鞘43的设置可减小驱动丝与装配部件之间的摩擦；驱动丝导向柱45的设置可使多根驱动丝有序排列，防止其互相纠缠。

(2)如图10所示，所述近端驱动装置3中，安装框架31由框架顶板311、框架底板312以及两个框架侧板313构成；所述框架顶板311、框架底板312上分别设有多个导向短柱34；本实施例中，当驱动丝设置有四组(8根)时，导向短柱34的数量为8，4个连接在框架顶板311上，4个连接在框架底板312上，分别为四组丝驱动部件32中上、下反向设置的8个驱动丝缠绕轮上的驱动丝进行导向，防止在驱动电机33工作，柔性连续体1发生弯曲变形时，发生驱动丝缠绕的情形。

(3)如图11所示，所述丝驱动部件32中，驱动丝缠绕轮322上设有螺旋凹槽和驱动丝固定孔，对于控制单个弯曲自由度的两根驱动丝，在经过导向后，以相反的的缠绕方向，缠绕在螺纹凹槽内，并固定于螺纹凹槽终点的驱动丝固定孔上，这种设置方式可以在驱动丝缠绕过程中起到限位作用，防止驱动丝缠绕过程中相互堆叠，造成摩擦增大，丝长控制不准确等系统误差。同时，由于驱动丝缠绕轮322上驱动丝螺旋凹槽的旋向和驱动丝特定的缠绕方式，可以实现每组两根驱动丝的拮抗运动，即：一根丝长增加同时另一根丝长减小的效果。本实施例中，近端驱动装置最多可装配四个控制丝长的驱动电机，实现八根驱动丝的控制。

(4)所述丝驱动部件32中，为了实现驱动丝预紧力的调节，可旋松指定驱动丝缠绕轮322上的顶丝，使其与驱动电机连接轴321可发生相对转动，通过旋转驱动电机连接轴321微调驱动丝预紧力，从而实现每根驱动丝预紧力独立、快速、方便的调节。

(5)如图10所示，所述旋转驱动装置6装配于近端驱动装置的框架底板312上。

本实施例所述的微创手术机器人可应用于ERCP手术中，其远端连续体具有更好的弯曲变形性能、较好的恒曲率特性以及更好的负载能力；同时设置于远端连续体上的抬钳器使得导管除了具备常规的进给自由度外，还具备导管抬升自由度以及偏转自由度，能够实现更为灵活的多自由度运动。

实施例6：如图8、图13所示，本实施例提供了另一微创手术机器人，与实施例5的区别在于：所述近端驱动装置3设置于整体进给驱动模块5上，所述整体进给驱动模块5包括模块框架51、进给驱动电机57以及第二滚珠丝杠54；其中：

模块框架51由底板511和设置于底板511上的轴承支架512构成，所述底板511上设有线性导轨52，线性导轨52上滑配安装第二导轨滑块53；

进给驱动电机57与第二滚珠丝杠54相连接；

第二滚珠丝杠54转动设置于轴承支架512上，且第二滚珠丝杠54上螺纹配合有前支架55；

所述前支架55固定于第二导轨滑块53上，并与近端驱动装置的安装框架31相连接。

作为优选，本实施例所述的整体进给驱动模块5还包括后支架56，所述后支架56与前支架55相平行，并滑配安装于线性导轨53上，可以确保驱动电机57启动时，平稳地带动近端驱动装置3沿线性导轨53进行前后移动。

综上，本实施例所提供的微创手术机器人，可实现至少6自由度运动，包括：远端柔性连续体至少两弯曲自由度、抬钳器导管抬升自由度+偏转自由度+进给自由度以及连续体机器人整体进给自由度；其中，远端柔性关节的设计，有效减少和防止弯曲变形中对末端定位精度有较大影响的轴向压缩情况，并具有较好的柔顺性和负载能力；抬钳器设计可实现3自由度运动，相比现有商用单自由度抬钳器，提高了手术操作灵活性。

实施例7：如图14所示，为了验证本发明实施例1、实施例2所述柔性连续体在轴向刚度和弯曲性能等方面的优势，本发明利用SolidWorksSimulation模块分别仿真分析了单螺旋结构式连续体、顺逆螺旋结构式连续体以及球面接触顺逆螺旋结构式连续体(即：本发明所提供的柔性连续体)在受到相同载荷下的变形情况。

其中：限定三种类型的连续体尺寸外形相同，材料、弹性模量、泊松比均相同，并在三种连续体远端分别施加相同的轴向载荷F_N，扭矩M和径向载荷Fr，利用Simulation模块中的非线性模拟选项可以直观显示出三种柔性关节的变形情况，并记录三种连续体受到三种不同载荷下，其远端产生的合位移。

通过仿真实验得出：本发明所提供的柔性连续体(球面接触顺逆螺旋结构)相比于其它两种连续体，在相同的轴向载荷F_N，扭矩M和径向载荷Fr作用下，远端产生的合位移均最小；因此，表明本发明所述柔性连续体在抗轴向压缩、抗扭以及径向承载能力方面，性能优异。

实施例8：本实施例主要通过以下实验进一步验证本发明所提供的柔性连续体所具备的性能指标；

具体实验装置：如图15所示，该实验装置主要由计算机控制系统19、运动控制单元17、伺服驱动器组10、本发明所述微创手术体机器人、相机18及电源9组成；其中：

计算机控制系统19用于向运动控制单元17发送所需命令，并通过基于ADS的通信方法接收反馈；

运动控制单元17通过Ethercat总线向伺服驱动器组10发送命令，并控制微创手术机器人中的柔性连续体进行弯曲运动；

相机18用于实时记录连续体关节弯曲过程中的末端位置。

具体实验如下：

(1)通过运动学精度实验验证分析本发明所述柔性连续体中轴向压缩情况对连续体末端定位精度的影响；

通过运动控制单元17和伺服驱动器组10向微创手术机器人中的驱动电机发出指令控制其旋转，电机的运动设定为点位运动模式，使每次发送指令后，电机均匀旋转相同角度。

将柔性连续体调整至初始零弯曲位置后，对其进行加载，直至柔性关节弯曲变形角度超过120°。在柔性关节偏转角度为0°、30°、60°、90°、120°五个位置，通过实验系统中的相机记录柔性关节弯曲过程中末端位置；其中：通过标定初始位置，并设定比例尺，可以计算出柔性连续体在变形过程中末端的坐标。

由实验可知：

本发明所述连续体在弯曲变形过程中，末端定位精度较高(轴向压缩情况对柔性关节末端定位精度的影响较小)，进而使其具有优异的恒定曲率性能和弯曲性能，有利于手术操作的精确性与高效性。

(2)负载性能实验

为了验证本发明所述柔性连续体在弯曲过程中的负载性能，本实验通过在连续体弯曲角度为30°、60°、90°、120°时，对其远端施加1.2N的作用力，并记载柔性关节的形变量，试验结果表明，当柔性连续体发生弯曲变形时，其刚度相比于零弯曲位置有所提高，在一定范围内弯曲角度越大，其末端形变量越小，负载能力越强。

因此，若术中操作需较大的输出力，应使连续体发生一定角度的变形，以此提升柔性关节刚度。实验中对柔性关节末端增加载荷，未引起柔性关节的失稳，表明本发明所述柔性连续体具有足够的刚度；同时，将载荷卸除后，柔性关节仍能保持较好的形状曲率，无塑性变形情况，表明本发明所述柔性连续体具有较好的弯曲变形重复性。

注：本发明中，“柔性关节”一词与“柔性连续体”同义。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性连续体，其特征在于，包括多个刚性段，其中：

任意相邻两个刚性段之间连接设置呈弹簧状的螺旋段；

多个所述螺旋段包括多个顺时针螺旋段以及多个逆时针螺旋段，所述顺时针螺旋段与逆时针螺旋段呈交替布置；

各个所述螺旋段的中空内部配合设置有与相邻两个刚性段相连接的球面副离散关节，所述球面副离散关节由多个相互之间以球面接触的方式进行连接的球窝关节构成，所述螺旋段分别缠绕于多个所述球窝关节上。

2.根据权利要求1所述的柔性连续体，其特征在于，所述球窝关节包括凹球面以及关节主体，所述凹球面开设于关节主体上，并在关节主体上限定开口，所述关节主体上设置有凸球面；多个所述球窝关节之间，前一个球窝关节的凸球面与后一个球窝关节的凹球面以曲面接触的方式进行配合连接。

3.根据权利要求2所述的柔性连续体，其特征在于，所述顺时针螺旋段的设置数量与逆时针螺旋段的设置数量相同，且顺时针螺旋段中的弹簧圈数及节距与逆时针螺纹段中的弹簧圈数及节距相同。

4.根据权利要求1所述的柔性连续体，其特征在于，所述柔性连续体可由3D打印技术一体加工成型。

5.一种ERCP手术用抬钳器，与权利要求1至4任一所述柔性连续体一端相连接，其特征在于，所述抬钳器可改变微创手术用导管或导丝的抬升角度，包括内壳、内滑块；其中：

所述内滑块嵌设于内壳内，并可在外力推拉作用下，相对于内壳进行前后移动；

所述内壳上装配有第一滚子，内滑块上装配有第二滚子，所述第一滚子与第二滚子的中心轴线相互平行并分别与内壳的中心轴线垂直相交于一点；

所述导管或导丝一端与第二滚子的下部接触，另一端穿引至抵靠在第一滚子的上部。

6.根据权利要求5所述的抬钳器，其特征在于，所述抬钳器还包括外壳，所述内壳嵌设于外壳内，并与外壳转动连接；所述内滑块可在外力作用下带动内壳相对于外壳进行旋转。

7.根据权利要求6所述的抬钳器，其特征在于，所述内滑块上固定有钢丝软轴，所述钢丝软轴通过柔性连续体的内部中央孔道穿引至与旋转驱动装置相连接，所述旋转驱动装置包括旋转驱动电机，所述旋转驱动电机与第一滚珠丝杆相连接，第一滚珠丝杆上螺纹配合有第一导轨滑块，第一导轨滑块滑配安装于直线导轨上；所述钢丝软轴与第一导轨滑块相连接。

8.一种微创手术机器人，包括权利要求5至8任一所述的抬钳器，其特征在于，所述柔性连续体的另一端与近端驱动装置相连接，且柔性连续体上沿圆周方向均匀布设有至少四根连接各关节的驱动丝，至少四根所述驱动丝两两为一组，每组所述驱动丝可在近端驱动装置的驱动下，控制柔性连续体实现一个方向上的弯曲运动。

9.根据权利要求8所述的微创手术机器人，其特征在于，所述近端驱动装置包括安装框架、至少两组丝驱动部件以及至少两个驱动电机；其中：

至少两组丝驱动部件分别转动设置于安装框架上；

所述丝驱动部件包括两个驱动丝缠绕轮以及驱动电机连接轴；两个所述驱动丝缠绕轮中：一个设置有正向螺纹段，另一个设置有反向螺纹段；两个所述驱动丝缠绕轮分别通过顶丝固定于驱动电机连接轴上，所述驱动电机连接轴由对应的驱动电机驱动旋转；

至少两组所述驱动丝分别缠绕于两组丝驱动部件上，且每组中的两根驱动丝分别缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上和设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上。

10.根据权利要求9所述的微创手术机器人，其特征在于，所述近端驱动装置设置于整体进给驱动模块上，所述整体进给驱动模块包括模块框架、进给驱动电机以及第二滚珠丝杠；其中：

模块框架上设有线性导轨，线性导轨上滑配安装第二导轨滑块；

进给驱动电机与第二滚珠丝杠相连接；

第二滚珠丝杠转动设置于模块框架上，且第二滚珠丝杠上螺纹配合有前支架；

所述前支架固定于第二导轨滑块上，并与近端驱动装置的安装框架相连接。