CN117257464A - 柔性连续体关节、柔性机械臂及面向tem的微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性连续体关节、柔性机械臂及面向TEM的微创手术机器人，所述柔性连续体关节包括由两个螺旋弹簧构成的双螺旋结构，双螺旋结构内部有一中央孔道，中央孔道内设有与双螺旋结构同轴布置的中空管，中空管上开设若干槽口；所述柔性机械臂由主动段、被动段构成的联动关节及末端关节构成，所述主动段及末端关节分别由驱动丝驱动，被动段由镍钛合金杆驱动；所述微创手术机器人包括一个内镜臂及两个器械臂，整体具有19个自由度；另外，柔性机械臂中联动关节的设置以及驱动丝结合镍钛合金杆混合驱动方式的应用，不仅减少了驱动数量，同时避免了关节间的运动耦合问题，进而有效克服了现有TEM微创手术机器人自由度不足、运动精度差的问题。

Description

柔性连续体关节、柔性机械臂及面向TEM的微创手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗手术器械技术领域，具体涉及一种基于双螺旋结构的柔性连续体关节、基于多个所述柔性连续体关节的柔性机械臂及应用所述柔性机械臂的TEM微创手术机器人。

背景技术

经肛门内窥镜显微手术(Transanal endoscopic microsurgery，TEM)是一种针对早期直肠肿瘤进行局部有效切除的微创手术，该术式穿过经肛端口进行操作，具有手术创伤小、治疗效率高、恢复周期短、并发症风险小的优点。然而，由于直肠位于狭窄的盆腔内，缺少良好的照明环境，且其神经丛和静脉丛与盆腔器官接近，因此达到良好的肿瘤切除效果操作难度较大；与此同时，传统的TEM手术目前还存在器械操作灵活性差、操作不直观、医生学习曲线陡峭等问题，限制了该手术的进一步发展和更广泛的应用。

相对于传统微创手术，微创手术机器人引入了机器人技术、显微外科手术技术等多种技术，具有精度高、稳定性好的优点，能够在术中辅助医生在狭小空间内完成精细手术操作，提升医生操作的灵巧度与感知能力，进而达到提升手术质量、降低手术风险的目的。目前，国内外研究机构开发的机器人系统可分为两类：一类是面向腹腔操作的通用型单孔微创手术机器人，该类机器人已被广泛研究并开展商业化实践；另一类则是面向TEM手术环境的专用型手术机器人，该类机器人的研究和商业化在国内外都处于探索阶段。其中：

通用型单孔手术机器人系统通常基于高度铰接的关节或柔性连续体结构设计，其器械臂平行插入端口后以Y型配置部署，可提供立体视觉与三角定位。然而，由于该类机器人针对大工作空间下的腹腔手术而设计，通常具有相对较大的尺寸，因此缺乏对狭窄受限直肠腔道环境的适应性；

在面向TEM手术环境的专用型手术机器人研发方面，英国帝国理工学院研究团队研发的micro-IGES系统，其端口直径为36mm，具有两个7自由度铰接式器械臂和一个3D内窥镜(Olympus EndoEye Flex)。该系统可以完成TEM手术操作并已经通过了动物实验评估，但是由于该系统采用了铰接式关节构建柔性器械臂，该机械臂存在高摩擦和弯曲不连续的问题，同时由较大摩擦和不连续弯曲带来的非线性传输问题，使得难以达到较高的运动精度，进而导致操作精度和稳定性较差，需要额外的软件补偿。此外，由于商用内窥镜缺乏可调节的结构，导致内窥镜靠近器械轴，严重遮挡了手术视野。为了解决铰接式关节造成的问题，Hu等人开发的TEM手术机器人系统包括两个直径6mm的5自由度操作器械和4自由度内窥镜。操作器械包括两段连续体柔性关节和一个自动缝合器，能够完成在直肠腔道内的定位、缝合与打结等操作。但是，由于每段连续体关节仅具有一个自由度，该系统需要进一步改进，以提高操作灵活度。

通过分析上述国内外研究现状与发展动态可以发现：TEM微创手术机器人系统是手术机器人领域研发的一个难点与制高点，在柔性连续体关节设计、柔性机械臂的构建以及模块化系统集成等方面技术仍需进一步深入研究。

发明内容

基于现有TEM微创手术机器人所存在的上述缺陷和不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好弯曲柔顺性能，同时具有较高抗轴向压缩性能及抗扭转性能的柔性连续体关节；并基于所述柔性连续体关节，构建了一种具有四个弯曲自由度、呈S形弯曲、整体所需驱动数量少且能够克服关节之间运动耦合问题的柔性机械臂；最后，根据所述柔性机械臂集成设计一种面向TEM的微创手术机器人，该手术机器人能够实现高精度的弯曲运动控制，且操作灵活性强。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种柔性连续体关节，包括由两个螺旋弹簧构成的双螺旋结构，所述双螺旋结构内部有一中央孔道，中央孔道内设有与所述双螺旋结构相连接且同轴布置的中空管，所述中空管上开设有若干槽口。

作为优选，若干所述槽口呈螺旋状布置于中空管上。

本发明还提供了一种柔性机械臂，包括主动段、被动段、末端关节、主动段驱动丝、镍钛合金杆以及末端关节驱动丝；其中：

所述主动段、被动段及末端关节均为上述柔性连续体关节，且所述主动段与被动段相连接，被动段与末端关节相连接，所述被动段与主动段结构设置相同；

所述主动段驱动丝一端穿过主动段，并固定在主动段顶部，所述主动段驱动丝设置有多根，并可使主动段进行两自由度弯曲运动；

所述镍钛合金杆依次穿过主动段及被动段，且一端固定在主动段底部，另一端固定在被动段顶部，所述镍钛合金杆的设置数量与主动段驱动丝的设置数量相同；

所述末端关节驱动丝一端依次穿过主动段、被动段以及末端关节，并固定在末端关节顶部，所述末端关节驱动丝设置有多根，并可使末端关节进行两自由度弯曲运动。

作为优选，所述主动段驱动丝及末端关节驱动丝分别设置有四根，四根所述主动段驱动丝及四根所述末端关节驱动丝的另一端分别与丝驱动装置相连接；

所述丝驱动装置包括四组丝驱动部件、四个驱动电机以及驱动模组安装架；四组所述丝驱动部件分别转动装配于驱动模组安装架上，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驱动电机驱动旋转；

四根所述主动段驱动丝以及四根所述末端关节驱动丝中，两两为一组，每组所述主动段驱动丝及每组末端关节驱动丝分别缠绕于各组丝驱动部件上，且每组中的两根驱动丝一根缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上，另一根缠绕于设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上。

本发明还提供了一种柔性内镜臂，包括上述柔性机械臂，所述柔性机械臂的末端关节上设置有内窥镜成像模组。

本发明还提供了一种柔性器械臂，包括上述柔性机械臂，所述柔性机械臂的末端关节上设有夹钳，所述柔性机械臂的主动段、被动段及末端关节的中央孔道内设有钢丝软轴，所述钢丝软轴与夹钳相连接，并可在软轴驱动单元的驱动下，驱动夹钳进行旋转及开合。

进一步地，所述夹钳包括转动支座、软轴固定块、推拉轴、钳体一、钳体二以及钳体转动销；其中：

所述转动支座与支座轴套转动连接，且转动支座上平行设置有两个推拉轨道，所述支座轴套与末端关节相固定；

所述软轴固定块与钢丝软轴相连接；

所述推拉轴设置于软轴固定块上；

所述钳体一、钳体二互为镜像，且分别通过钳体转动销连接于转动支座上；

所述钳体一及钳体二分别开设有推拉滑槽，所述推拉轴分别通过两个推拉滑槽落入转动支座上的两个推拉轨道内；

所述软轴驱动单元包括集成设置的推拉驱动单元及旋转驱动单元；其中：

所述推拉驱动单元包括直线导轨、直线滑块、软轴安装槽、被动齿条、主动齿轮、推拉驱动电机及推拉滑块；

所述直线滑块滑动配合于直线导轨上，软轴安装槽设置于直线滑块上，被动齿条固定于软轴安装槽上，所述被动齿条与主动齿轮啮合，所述主动齿轮由推拉驱动电机驱动旋转；

所述推拉滑块呈柱状；所述软轴安装槽两侧设置有凸起部，底部设置有与柱状推拉滑块相对应的弧形槽，所述推拉滑块间隙配合于弧形槽内；

所述旋转驱动单元包括主动旋转部、被动旋转部、传动件、软轴装配轴、旋转滑块以及旋转驱动电机；其中：所述主动旋转部由旋转驱动电机驱动旋转，被动旋转部与主动旋转部通过传动件相连接，所述软轴装配轴固定于被动旋转部内，所述软轴装配轴内部设有矩形截面的通道，所述旋转滑块外截面呈矩形，所述旋转滑块间隙配合于软轴装配轴的矩形截面通道内；所述钢丝软轴与旋转滑块相连接，并内穿旋转滑块与所述推拉滑块相固定。

本发明还提供了一种面向TEM的微创手术机器人，包括一个上述柔性内镜臂及至少一个上述柔性器械臂，所述柔性内镜臂及柔性器械臂还分别设置有整体进给驱动装置，所述整体进给驱动装置包括旋转丝杆、丝杆螺母、进给框架以及进给驱动电机；其中：所述旋转丝杆转动设置于进给框架上，并与所述进给驱动电机相连接；所述丝杆螺母螺纹配合于旋转丝杆上；

所述柔性内镜臂中，丝驱动装置通过驱动模组安装架整体装配于所述丝杆螺母上；

所述柔性器械臂中，由丝驱动装置及软轴驱动单元构成的驱动单元整体装配于丝杆螺母上。

作为优选，所述微创手术机器人设有两个柔性器械臂；所述柔性内镜臂及各个柔性器械臂中，柔性机械臂的主动段分别与刚性管相连接，所述刚性管分别与驱动模组安装架相连接，三个所述刚性管互相平行，且三个刚性管的轴线分别位于同一三角形的三个顶点上。

作为优选，所述微创手术机器人还包括经肛门端口，所述经肛门端口上平行布置有三个通道；其中：位于上方的一个通道用于引导柔性内镜臂中的刚性管及柔性机械臂；位于下方的两个通道用于引导柔性器械臂中的刚性管、柔性机械臂及夹钳。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明所提供的柔性连续体关节主要由一个双螺旋结构和一个开槽的中空管同轴排列构成；其中：双螺旋结构作为连续体关节的主体结构，与标准的单螺旋结构相比，既具有较好的弯曲柔顺性，还具有较高的扭转刚度；同时，在所述双螺旋结构的内部孔道设置与其相连接且中空管，有利于进一步提高连续体关节主体的抗轴向压缩性能及抗扭转性能；此外，所述中空管上若干槽口的设置，可以进一步减少应力分布，提高连续体关节的柔顺性能及弯曲灵活性。

2、本发明所述的柔性机械臂由三个柔性连续体关节构成，三个柔性连续体关节分别为主动段、被动段及末端关节；其中：主动段及末端关节分别由驱动丝驱动，被动段由镍钛合金杆驱动，当主动段进行弯曲时，镍钛合金杆在主动段的部分长度会增长或缩减，由于其可以被认为不可伸缩，因此镍钛合金杆在被动段的部分会产生等值反向的增长或缩减，即：镍钛合金杆会驱动柔性机械臂的被动段产生和主动段等值反向的弯曲运动，并使得被动段的末端始终与主动段的底部保持平行(始终保持呈“S”形)；因此，主动段+被动段可称之为“联动关节”，这种结构设置方式，不仅使得柔性机械臂可呈S形弯曲，具有操作三角，便于操作；同时，避免了与被动段相对应的驱动装置的设置，进而有效降低了与柔性机械臂相连接的驱动设备的复杂程度；同时，被动段中镍钛合金杆的引入还可以增强柔性机械臂的整体负载能力，进而提高其应用于微创手术时的操作安全性。

3、本发明所述柔性机械臂中，末端关节驱动丝一端与主动段相固定，另一端与末端关节顶部相固定；当主动段进行弯曲时，末端关节驱动丝在主动段内的伸长/缩短量与其在被动段的缩短/伸长量相抵消；因此，联动关节的弯曲运动并不影响末端关节驱动丝的总长度；因此，这种结构设置还可以避免联动关节和末端关节的运动耦合问题，进而简化机器人运动控制算法、降低控制难度，并实现高精度的弯曲运动控制。

4、本发明通过在柔性机械臂的末端关节上设置内镜，构建了一种柔性内镜臂，所述柔性内镜臂可应用于微创手术机器人中；其中，内镜可以为临床医生提供实时动态的内部图像，具有辅助诊断和治疗的功能；同时，本发明所述柔性内镜臂中由于柔性连续体关节的设置，还具有较高的运动精度、良好的弯曲灵活性及较强的抗扭、抗压缩能力。

5、本发明通过在柔性机械臂的末端关节上设置夹钳，构建了一种柔性器械臂；其中：所述夹钳与钢丝软轴相连接，所述钢丝软轴可在软轴驱动单元的驱动下，驱动夹钳进行开合及旋转，进而使得所述柔性器械臂具有6个自由度，可以更为灵活地满足微创手术的操作需求；其中6个自由度具体为夹钳旋转自由度、夹钳开合自由度、末端关节在两个方向上的弯曲自由度及主动段在两个方向上的弯曲自由度。

6、本发明还提供了一种面向TEM的微创手术机器人，包括一个柔性内镜臂及至少一个柔性器械臂；其中：所述柔性内镜臂及柔性器械臂中的驱动装置分别与整体进给驱动装置相连接；因此，本发明所述柔性内镜臂整体具有5个自由度，柔性器械臂整体具有7个自由度，克服了现有传统TEM手术机器人自由度不足、操作灵活性差的不足。

7、本发明所述面向TEM的微创手术机器人中，包括一个柔性内镜臂及两个柔性器械臂，且所述柔性内镜臂及各个柔性器械臂中，柔性机械臂的主动段分别与刚性管相连接，三个刚性管互相平行，且三个刚性管的轴线分别位于同一三角形的三个顶点上；进而使得两个器械臂与柔性内镜臂呈三角展开配置，可提供立体视觉与三角定位，进而克服传统TEM微创手术中，手术视野受限及手术器械受限的不足。

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关节的立体结构示意图。

图2为本发明实施例所述柔性连续体关节的部分剖面结构示意图。

图3为本发明实施例所述柔性连续体关节中中空管的部分剖面结构示意图。

图4为本发明实施例所述柔性机械臂的立体结构示意图。

图5为本发明实施例所述柔性机械臂中，联动关节的立体结构示意图。

图6为本发明实施例所述丝驱动装置分体结构示意图。

图7为本发明实施例所述柔性内镜臂的远端结构示意图。

图8为本发明实施例所述柔性内镜臂整体结构示意图。

图9为本发明实施例所述柔性器械臂的远端结构示意图。

图10为本发明实施例所述柔性器械臂中，夹钳分体结构示意图。

图11为本发明实施例所述柔性器械臂中，夹钳整体结构示意图。

图12为本发明实施例所述柔性器械臂中，软轴驱动单元结构分解示意图。

图13为本发明实施例所述柔性器械臂整体结构示意图。

图14为本发明实施例所述面向TEM的微创手术机器人整体结构示意图。

图15为本发明实施例所述面向TEM的微创手术机器人部分结构示意图。

图16为本发明实施例所述面向TEM的微创手术机器人内部结构示意图。

图17为本发明实施例所述面向TEM的微创手术机器人中，整体进给驱动装置结构示意图。

图18为本发明实施例所述丝驱动装置中，驱动电机模组集成装配示意图。

图19为本发明实施例所述由丝驱动装置及软轴驱动单元构成的驱动装置整体中，驱动电机模组集成装配示意图。

图20为本发明实施例中，所述驱动电机模组结构分解示意图。

标号说明：

1、柔性连续体关节；11、双螺旋结构；111、螺旋弹簧；112、中央孔道；12、中空管；121、槽口；13、关节连接座；2、柔性机械臂；21、主动段；211、主动段驱动丝；22、被动段；221、被动段驱动丝；23、末端关节；231、末端关节驱动丝；3、丝驱动装置；31、驱动模组安装架；32、丝驱动部件；321、驱动丝缠绕轮；322、驱动电机连接轴；33、驱动丝导向柱；34、传动底座接口；4、内窥镜成像模组；5、夹钳；51、转动支座；511、推拉轨道；52、软轴固定块；53、推拉轴；54、推拉滑槽；55、钳体一；56、钳体二；57、钳体转动销；58、支座轴套；6、刚性管；7、钢丝软轴；8、软轴驱动单元；801、主动齿轮；802、被动齿条；803、软轴安装槽；804、凸起部；805、弧形槽；806、推拉滑块；807、直线导轨；808、直线滑块；809、绕丝轮固定座；810、旋转滑块；811、软轴装配轴；812、被动绕丝轮；813、主动绕丝轮；9、经肛门端口；10、整体框架；14、整体进给驱动装置；141、进给连接板；142、进给框架；143、光轴；144、旋转丝杆；145、丝杆螺母；146、进给驱动电机；16、电气连接板；17、驱动电机模组；171、铰制孔螺栓；172、浮动输出接口；1721、接口凸起部；173、铰制孔螺栓固定环；174、电机固定螺栓；175、输出接口复位弹簧；176、减速伺服电机。

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，一种柔性连续体关节，包括由两个螺旋弹簧111交叉缠绕构成的双螺旋结构11，所述双螺旋结构11内部有一中央孔道112，中央孔道112内设有与所述双螺旋结构11相连接且同轴布置的中空管12，所述中空管12上开设有若干槽口121。

本实施例所述柔性连续体关节中，如图3所示，所述槽口121开设于中空管12不与双螺旋结构11相连接的管体上；所述槽口121的截面形状，优选但不限于三角形。另外，作为进一步优选，若干所述槽口121呈螺旋状均匀布置于中空管12上，以匀化应力分布，并提高柔性连续体关节的弯曲柔性顺。

进一步地，如图1、2所示，所述双螺旋结构11两端分别设有关节连接座13，所述关节连接座13可用于与其它柔性连续体关节相连接，也可用于与近端驱动装置相连接或用于与远端手术器械相连接；两关节连接座13之间的关节片数量不设限制，关节片越多，整体柔性连续体关节越长；同时，经过大量仿真优化和实验确定，当双螺旋结构11的节距(螺距)被设置为6mm时，柔性连续体关节具有良好的综合性能。

本发明实施例所述柔性连续体关节可通过一体加工成型的方式制备，具体可以通过3D打印工艺制备获得，材料可以选择尼龙或者金属；其中：如图2所示，所述螺旋弹簧111的截面可以为矩形，也可以为圆形；但是，经试验，当螺旋弹簧111的截面为矩形时，它比传统的圆形截面更容易打印，打印成功率和精度较高。

本发明实施例1所提供的柔性连续体关节主要由一个具有矩形截面的双螺旋结构11和一个开槽的中空管12同轴排列构成，其特点及设置理由如下：

(1)螺旋弹簧结构由于具有良好的柔顺性和恒定曲率弯曲性能，适合作为连续体关节的主体结构；但是标准的单螺旋结构其扭转刚度和抗压缩刚度性能比较差，因此本发明选择以双螺旋结构作为构型主体，使得具有双螺旋结构的连续体关节，既具有较好的弯曲柔顺性，还可以提高扭转刚度；

(2)双螺旋结构11内部中央孔道112设有与其相连接且同轴布置的中空管12，中空管12的设置有利于进一步提高连续体关节主体的抗轴向压缩性能及抗扭转性能，但是如果中空管12不开槽的话，会影响连续体关节整体的弯曲柔性顺，因此本发明通过在中空管12不与螺旋结构相连接的管体上开设若干槽口121，可以有效确保连续体的柔顺性能及弯曲灵活性。

综上，本实施例所提供的基于双螺旋结构的连续体关节具有优良的柔顺性和恒曲率弯曲性能，可实现两自由度弯曲运动；同时，该连续体关节应力分布均匀，应力集中较少，具有良好的恒定弯曲曲率特性。另外，与标准的单螺旋结构相比，所提出的双螺旋结构连续体关节可以提高扭转刚度。进一步地，开槽中空管的引入可以进一步提高连续体关节的抗扭能力和抗轴向压缩能力。

实施例2：如图4至6所示，本实施例在实施例1所述柔性连续体关节的基础上，提供了一种柔性机械臂，包括主动段21、被动段22、末端关节23、主动段驱动丝211、镍钛合金杆221以及末端关节驱动丝231；其中：

所述主动段21、被动段22及末端关节23均为实施例1所述的柔性连续体关节，且所述主动段21与被动段22相连接，被动段22与末端关节23相连接，所述被动段22与主动段21结构设置相同(即：被动段与主动段中的关节片数量设置相同)；

所述主动段驱动丝211一端穿过主动段21，并固定在主动段21的顶部，所述主动段驱动丝211设置有多根，并可使主动段21进行两自由度弯曲运动；

所述镍钛合金杆221依次穿过主动段21及被动段22，且一端固定在主动段21的底部，另一端固定在被动段22顶部，所述镍钛合金杆221的设置数量与主动段驱动丝221相同；

所述末端关节驱动丝231一端依次穿过主动段21、被动段22以及末端关节23，并固定在末端关节23顶部，所述末端关节驱动丝231设置有多根，并可使末端关节23进行两自由度弯曲运动。

本实施例所述柔性机械臂中，末端关节23可定义为柔性机械臂2的远端，用于与手术器械或内镜相连接；主动段21可定义为柔性机械臂2的近端，可与驱动装置相连接；所述末端关节23中双螺旋结构11的螺旋长度可以与主动段21或被动段22相同，也可以不相同，具体可根据实际需求进行设置。

本实施例所述柔性机械臂具有四个弯曲自由度，包括远端末端关节两个弯曲自由度及近端主动段两个弯曲自由度；具体地，作为其中一种实施方式，所述柔性机械臂中：

主动段21中设置有四根主动段驱动丝211(外径为0.45mm)，沿主动段圆周方向均匀布置，四根所述驱动丝两两为一组，每组中的两根驱动丝通过相互拮抗运动(即：一根驱动丝伸长，另一根驱动丝缩短)，控制主动段在一个方向上的弯曲运动；

镍钛合金杆221(直径为0.5mm)设置有四根，四根所述镍钛合金杆在主动段21及被动段22内沿圆周方向均匀分布，四根所述镍钛合金杆221可实现被动段在主动段带动下进行两自由度被动弯曲；

所述末端关节驱动丝231设置有四根，沿主动段21、被动段22及末端关节23的圆周方向均匀布置，四根所述驱动丝两两为一组，两组驱动丝可驱动末端关节23进行两自由度弯曲运动。

进一步，如图6所示，本实施例所述柔性机械臂中，各组主动段驱动丝211以及各组末端关节驱动丝231分别由丝驱动装置3驱动实现两根驱动丝的相互拮抗运动，所述丝驱动装置3的结构设置如下：

所述丝驱动装置3包括四组丝驱动部件32、四个驱动电机以及驱动模组安装架31；其中：

四组所述丝驱动部件32分别转动装配于驱动模组安装架31上；所述丝驱动部件32包括两个驱动丝缠绕轮321以及驱动电机连接轴322；两个所述驱动丝缠绕轮321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321分别通过顶丝固定于驱动电机连接轴322上，所述驱动电机连接轴322由驱动电机(附图中未显示)驱动旋转；

每组所述主动段驱动丝211及每组末端关节驱动丝231的另一端分别缠绕于各组丝驱动部件32上，且每组中的两根驱动丝一根缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上，另一根缠绕于设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上。

本实施例所述柔性机械臂中，丝驱动装置3的具体工作原理如下：

由于各组主动段驱动丝211及各组末端关节驱动丝231中，一根缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上，另一根缠绕于设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上；当各组丝驱动部件32中的驱动电机启动时，驱动电机连接轴322旋转，并带动固定于驱动电机连接轴322上的两个驱动丝缠绕轮321旋转，进而使得两个缠绕轮上的驱动丝进行正向和反向的拮抗运动，进而控制主动段21/末端关节23在一个方向上的弯曲自由度；当四组丝驱动部件32同时启动，可以控制柔性机械臂在四个方向上的弯曲自由度，包括远端末端关节23在两个方向上的弯曲自由度及近端主动段21在两个方向上的弯曲自由度。

进一步地，本实施例2所述柔性机械臂中，“主动段+被动段”可称为“联动关节”，特点如下：

(1)如图4、5所示，当四根主动段驱动丝211在丝驱动装置3的驱动下，产生推拉运动时，可以驱动主动段21进行二自由度弯曲运动；四根镍钛合金杆221沿圆周方向均匀布置于被动段22及主动段21中，且每一根镍钛合金杆的两端分别固定在主动段的底部和被动段顶部；当主动段进行弯曲时，镍钛合金杆221在主动段的部分长度会增长或缩减，由于其可以被认为不可伸缩，因此镍钛合金杆221在被动段22中的部分会产生等值反向的增长或缩减；因此，镍钛合金杆221会驱动柔性机械臂的被动段22产生和主动段21等值反向的弯曲运动，并使得被动段22的末端始终与主动段21的底部保持平行(始终保持呈“S”形)。因此，“主动段+被动段”可称之为“联动关节”，这种结构设置，不仅使得柔性机械臂可呈S形弯曲，具有操作三角，便于操作；同时，避免了与被动段相对应的驱动装置的设置，进而有效降低了与柔性机械臂相连接的驱动设备的复杂程度；同时，被动段中镍钛合金杆的引入还可以增强柔性机械臂的整体负载能力，进而提高其应用于微创手术时的操作安全性。

(2)如图4、5所示，末端关节驱动丝231一端与主动段21相固定，另一端与末端关节23的顶部相固定，多个以末端关节驱动丝231沿圆周方向均匀分布在主动段21、被动段22及末端关节23中；与镍钛合金杆221的运行路径相似，末端关节驱动丝231在主动段21的伸长/缩短量与其在被动段22的缩短/伸长量相抵消；因此，联动关节的弯曲运动不影响末端关节驱动丝231的总长度；因此，该设计可以避免联动关节和末端关节的运动耦合问题，进而实现末端关节与主动段的位姿解耦，进而简化运动控制算法，降低控制难度，并提高对末端关节的运动控制精度。

综上，本实施例所述柔性机械臂中，采用驱动丝、镍钛合金杆混合驱动的方式减少了多自由度器械臂所需的驱动数量，并且镍钛合金杆的引入可以进一步提高近端负载能力。此外，由于联动关节的"S"形结构，末端关节驱动丝在联动关节中的部分长度保持不变。因此，这种结构有效地实现了末端关节和联动关节的运动学解耦，简化了运动学求解算法，降低了控制的复杂性。

实施例3：如图7、8所示，本实施例提供了一种柔性内镜臂，包括实施例2所述的柔性机械臂；其中：所述柔性机械臂的末端关节23上设有内窥镜成像模组4，所述柔性机械臂的主动段21与刚性管6相连接，所述刚性管6固定在驱动模组安装架31上。

本实施例所述柔性内镜臂中，两组主动段驱动丝211及两组末端关节驱动丝231一端固定在丝驱动装置3中的驱动丝缠绕轮321上，另一端内穿刚性管6，并与相应的主动段21/末端关节23相连接。

本实施例所述柔性内镜臂由丝驱动装置3、刚性管6、柔性机械臂2(联动关节+末端关节)、内镜成像模组4组成；其中：丝驱动装置3使驱动丝产生拮抗运动，并通过刚性管6的传递后驱动联动关节和末端关节的弯曲，从而改变内镜成像模组4的位置和姿态，进而获取病灶不同位置的影像信息。同时，本实施例所述柔性内镜臂由于柔性连续体关节的设置，还具有运动精度高、弯曲灵活性好、抗扭及抗压缩性能强的特点。

实施例4：如图9至13所示，本实施例提供了一种柔性器械臂，包括实施例2所述柔性机械臂，所述柔性机械臂的末端关节23上设有夹钳5，所述柔机械臂的主动段21与刚性管6相连接，所述刚性管6固定在驱动模组安装架31上；所述柔性机械臂的主动段21、被动段22及末端关节23的中央孔道内设有钢丝软轴7，所述钢丝软轴7与夹钳5相连接，并可在软轴驱动单元8的驱动下，驱动夹钳5进行旋转及开合。

本实施例所述柔性器械臂由丝驱动装置3、软轴驱动单元8、刚性管6、柔性机械臂2及夹钳5构成；所述器械臂具有四个弯曲自由度以及两个末端夹钳自由度(自转和开合)，总共具有8根主动驱动丝，4根被动镍钛合金杆，一个钢丝软轴；其中：驱动丝两两为一组，一组两根拮抗驱动丝控制一个方向的弯曲自由度。

具体地，如图10、11所示，所述夹钳5结构设置如下：

夹钳5包括转动支座51、软轴固定块52、推拉轴53、钳体一55、钳体二56以及钳体转动销57；其中：

所述转动支座51与支座轴套58转动连接，转动支座51上平行设置有两个推拉轨道511，所述支座轴套58与柔性机械臂的末端关节23相固定；

所述软轴固定块52与钢丝软轴7相连接；

所述推拉轴53设置于软轴固定块52上；

所述钳体一55、钳体二56互为镜像，且分别通过钳体转动销57连接于转动支座51上；

所述钳体一55及钳体二56上分别开设有推拉滑槽54，所述推拉轴53分别通过两个推拉滑槽54落入转动支座51上的两个推拉轨道511内。

本实施例所述器械臂中，夹钳开合自由度及旋转自由度的实现原理如下：

如图10所示，钢丝软轴7由软轴驱动单元8驱动，产生旋转和推拉运动；所述钢丝软轴7与软轴固定块52和推拉轴53固连，钳体一55和钳体二56绕着钳体转动销57旋转；推拉轴53可以在转动支座的推拉轨道511中进行上下滑动，同时可以在钳体一55和钳体二56的推拉滑槽54内进行滑动；因此，当钢丝软轴7进行推拉运动时，推拉轴的上、下滑动会使钳体一55和钳体二56绕着钳体转动销57进行开合运动；同时，由于所述转动支座51与支座轴套58转动连接，当钢丝软轴7由软轴驱动单元8驱动进行旋转时，会运动带动整个转动支座51绕着支座轴套58进行自转运动，进而实现夹钳自转。

进一步地，如图12所述，本实施例中，所述软轴驱动单元8包括集成设置的推拉驱动单元及旋转驱动单元；其中：

作为优选，所述推拉驱动单元包括直线导轨807、直线滑块808、软轴安装槽803、被动齿条802、主动齿轮801、推拉驱动电机(附图中未显示)及推拉滑块806；其中：所述直线滑块808滑动配合于直线导轨807上，软轴安装槽803设置于直线滑块808上，被动齿条802固定于软轴安装槽803上，所述被动齿条802与主动齿轮801啮合，所述主动齿轮801由推拉驱动电机驱动旋转；进一步地，所述推拉滑块806呈柱状；所述软轴安装槽803两侧设置有凸起部804，底部设置有与柱状推拉滑块806相对应的弧形槽805，所述推拉滑块806间隙配合于弧形槽805内；

作为优选，所述旋转驱动单元包括主动旋转部、被动旋转部、传动件、软轴装配轴811、旋转滑块810以及旋转驱动电机(附图中未显示)；其中：所述主动旋转部由旋转驱动电机驱动旋转，被动旋转部与主动旋转部通过传动件相连接，所述软轴装配轴811固定于被动旋转部内，且所述软轴装配轴811内部设有矩形截面的通道，所述旋转滑块810的外截面呈圆角矩形，所述旋转滑块810间隙配合于软轴装配轴811的矩形截面通道内；所述钢丝软轴7与旋转滑块810相连接，并内穿旋转滑块810与所述推拉滑块806相固定。

其中：作为进一步优选，可将旋转滑块810与推拉滑块806设置于同一轴线位置上，以确保钢丝软轴7可沿直线方向进行推拉运动。

进一步地，本实施例所述软轴驱动单元8中，所述旋转驱动单元可以为齿轮传动机构也可以为丝传动机构；如图12所示，本实施例具体以丝传动为例：

所述旋转驱动单元中：主动旋转部包括两个主动绕丝轮813，两个主动绕丝轮813中一个设置正向螺旋段，另一个设置反向螺纹段；且两个主动绕丝轮813分别通过顶丝固定于旋转驱动轴上，所述旋转驱动轴与旋转驱动电机(图中未显示)相连接；

所述被动旋转部包括通过顶丝固定在软轴装配轴811上的两个被动绕丝轮812，两个被动绕丝轮中一个设置正向螺旋段，另一个设置反向螺纹段；且两个所述被动绕丝轮转动装配于绕丝轮固定座809上；

所述传动件为两根驱动丝；两个所述驱动丝中，一根依次缠绕在设置正向螺纹段的主动绕丝轮及被动绕丝轮上，一根依次缠绕在设置反向螺纹段的主动绕丝轮及被动绕丝轮上；两个所述驱动丝的另一端部分别与柔性机械臂的主动段相固定。

进一步地，为了减少驱动装置体积，合理布置各个驱动单元；如图13所示，本实施例将所述软轴驱动单元8(旋转驱动单元+推拉驱动单元)集成设置于丝驱动装置3中的驱动模组安装架31上，进而构成柔性器械臂的整体驱动单元。

进一步地，本实施例所述丝驱动装置3及软轴驱动单元8中，设置有多个驱动丝导向柱33，所述驱动丝导向柱33可以为驱动丝的传动提供导向作用，并避免多根驱动丝之间互相干扰、缠绕。

本实施例所述的软轴驱动单元8具有如下特点：

钢丝软轴7分别与旋转驱动单元及推拉驱动单元相连接，且旋转驱动单元对钢丝软轴的推拉运动没有影响，推拉驱动单元对钢丝软轴的旋转运动也没有影响，即本实施例所述软轴驱动单元结构设置合理紧凑，可实现钢丝软轴自转与推拉运动的解耦，分析如下：

首先，钢丝软轴7穿过旋转滑块810的小孔延伸到后方，并通过胶水或者焊接的方式与旋转滑块810连接为一体；软轴装配轴811的外截面可设置呈圆形，插入两个被动绕丝轮812的内孔之后，通过紧定螺栓与被动绕丝轮812进行固连；其中：旋转滑块810的外截面和软轴装配轴811的内部通道截面均为矩形或圆角矩形，软轴装配轴811内孔的尺寸略大于旋转滑块810的外截面一些，二者通过间隙配合进行连接；因此，旋转滑块810和软轴装配轴811之间可以产生相对滑动而不能相对转动；

其次，软轴推拉驱动单元中，主动齿轮801啮合到被动齿条802上，将旋转运动转化为被动齿条的直线运动；被动齿条802通过固定螺栓与软轴安装槽803固定，推拉滑块806呈柱状并放置在软轴安装槽底部的弧形槽805内；钢丝软轴与推拉滑块806相连接，当软轴安装槽803进行直线推拉运动时，其两端的凸起部804带动推拉滑块806和钢丝软轴进行推拉运动，而其底部弧形槽的设置，使其并不影响旋转运动；因此软轴驱动单元可实现钢丝软轴的自转和推拉运动解耦。

实施例5：针对传统TEM手术及现有TEM微创手术机器人，存在的操作精度和稳定性差、器械操作力不足、灵活性差、术中视野受限、术后创伤大、并发症概率高等问题；如图14至17所示，本发明提供了一种面向TEM的微创手术机器人，该机器人包括一个实施例3所述的柔性内镜臂及至少一个实施例4所述的柔性器械臂；其中：

如图16所示，所述柔性内镜臂及柔性器械臂还分别设置有整体进给驱动装置14；

如图17所示，所述整体进给驱动装置14包括旋转丝杆144、丝杆螺母145、进给框架142以及进给驱动电机146；其中：所述旋转丝杆144转动设置于进给框架142上，并与所述进给驱动电机146相连接；所述丝杆螺母145螺纹配合于旋转丝杆144上；

如图16所示，所述柔性内镜臂中，丝驱动装置3通过驱动模组安装架31整体装配于进给连接板141上，所述进给连接板141与丝杆螺母145相连接；

所述柔性器械臂中，由丝驱动装置3及软轴驱动单元8构成的驱动单元整体通过驱动模组安装架31装配于进给连接板141上，所述进给连接板141与丝杆螺母145连接固定。

其中：当进给驱动电机146启动时，旋转丝杆144旋转，螺纹配合于旋转丝杆144上的丝杆螺母145带动与其固定连接的进给连接板14进行直线移动，进而带动与进给连接板141相连接的柔性内镜臂/柔性器械臂进行直线移动；进一步，为了提高直线运动的稳定性，可在进给框架142上设置两根与旋转丝杆144相平行的光轴143；两个所述光轴分别位于旋转丝杆144的两侧，并与丝杆螺母145通过轴孔间隙配合连接。

综上，本实施例所述TEM微创手术机器人，包括一个内镜臂及至少一个器械臂，所述内镜臂可用于直肠腔道腔内的图像引导，具有5个自由度；所述器械臂可用于临床诊断及治疗，具有7个自由度，包括整体进给、近端主动段两自由度弯曲、远端末端关节两自由度弯曲、末端夹钳自转及开合自由度；同时，所述柔性机械臂中联动关节的设置以及驱动丝结合镍钛合金杆混合驱动方式的应用，可使柔性机械臂呈S形弯曲，同时避免了关节间的运动耦合问题，提高了运动控制精度，进而有效克服了现有TEM微创手术机器人自由度不足、操作灵活性差及运动精度差等问题。

实施例6：如图14至16所示，本实施例在实施例5所述微创手术机器人的基础上，进一步限定如下：

所述微创手术机器人包括两个柔性器械臂、一个内镜臂及一个经肛门端口9(直径为32毫米)；进一步，两个柔性器械臂及一个柔性内镜臂中，三个刚性管6互相平行，且三个刚性管6的轴线分别位于同一三角形的三个顶点上；所述经肛门端口9设置有三个平行排列的通道，两个位于下方的通道用于引导柔性器械臂中刚性管、柔性机械臂及夹钳的通过并展开成双臂工作配置，上方的通道用于引导内镜臂中刚性管及柔性机械臂的通过。

其中：如图15所示，本实施例所述微创手术机器人还包括整体框架10，所述柔性器械臂及内镜臂中的驱动装置分别设置于整体框架10内，所述经肛门端口9设置于整体框架10上。

另外，作为优选，所述柔性机械臂的主动段21可拆卸设置于刚性管6上，以方便机械臂的拆卸与安装。

本实施例所述面向TEM的微创手术机器人中，两个柔性器械臂与柔性内镜臂呈三角展开配置，可以克服传统TEM微创手术中，手术视野受限及手术器械受限的不足。

进一步地，如图18所示，本发明实施例5、实施例6所述的微创手术机器人中：(1)柔性内镜臂中丝驱动装置3具有四个驱动电机模组17，所述驱动模组安装架31上设置有与四个驱动电机模组17相对应的传动底座接口34，所述传动底座接口34与驱动电机连接轴322固定连接；所述驱动电机模组17与传动底座接口34通过可快拆、快卸的方式进行装配连接；

具体地，如图19所示，所述驱动电机模组17包括三个铰制孔螺栓171、浮动输出接口172、铰制孔螺栓固定环173、电机固定螺栓174、输出接口复位弹簧175、驱动电机(本实施例为减速伺服电机176)组成；其中：两个电机固定螺栓174负责实现减速伺服电机176的固定；减速伺服电机176的末端具有谐波减速器法兰；三个铰制孔螺栓171穿过浮动输出接口172与铰制孔螺栓固定环173及谐波减速器法兰进行连接，因此减速伺服电机176的旋转运动可转化为浮动输出接口172的旋转运动，同时浮动输出接口172可以沿着铰制孔螺栓的圆周面进行浮动，输出接口复位弹簧175设置于浮动输出接口172与谐波减速器法兰之间，可以对浮动输出接口172进行复位；

进一步地，浮动输出接口172上设有多个接口凸起部1721，所述传动底座接口34上设有相对应的多个凹槽，所述驱动电机模组17通过浮动输出接口172上的接口凸起部1721与传动底座接口34上的凹槽相互配合，实现快拆与快装。

(2)如图19所示，柔性器械臂中，由软轴驱动单元+丝驱动装置构成的驱动单元整体共有六个驱动电机模组17，所述驱动模组安装架31上设置有与六个驱动电机模组17相对应的传动底座接口34；其中：驱动电机模组的具体设置及装配方式同上述，本实施例不再赘述。

(3)所述微创手术机器人中，还设有电气连接板16，所述电气连接板16用来转接三个整体进给驱动装置14中进给驱动电机的线路。

本发明所提供的面向TEM微创手术机器人采用了模块化的设计思路，创新设计了结构紧凑的六自由度及四自由度驱动单元；同时，器械臂和内镜臂驱动装置中分别具有6个和4个传动底座接口，所述传动底座接口上设有凹槽；相应地，所述驱动电机模组上设有浮动输出接口，浮动输出接口上设置有凸起部，通过传动底座接口上凹槽与浮动输出接口上的凸起相配合，实现手术过程中的快速更换。

本发明所提供的面向TEM微创手术机器人中，手术器械采用钢丝软轴驱动，可以实现较大范围的末端夹钳自转和开合运动，并且通过软轴驱动单元的创新设计实现了钢丝软轴的旋转与推拉运动解耦。

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)

1.一种柔性连续体关节，其特征在于，包括由两个螺旋弹簧构成的双螺旋结构，所述双螺旋结构内部有一中央孔道，中央孔道内设有与所述双螺旋结构相连接且同轴布置的中空管，所述中空管上开设有若干槽口。

2.根据权利要求1所述的柔性连续体关节，其特征在于，若干所述槽口呈螺旋状布置于中空管上。

3.一种柔性机械臂，其特征在于，包括主动段、被动段、末端关节、主动段驱动丝、镍钛合金杆以及末端关节驱动丝；其中：

所述主动段、被动段及末端关节均为权利要求1或2所述的柔性连续体关节，且所述主动段与被动段相连接，被动段与末端关节相连接，所述被动段与主动段结构设置相同；

所述主动段驱动丝一端穿过主动段，并固定在主动段顶部，所述主动段驱动丝设置有多根，并可使主动段进行两自由度弯曲运动；

所述镍钛合金杆依次穿过主动段及被动段，且一端固定在主动段底部，另一端固定在被动段顶部，所述镍钛合金杆的设置数量与主动段驱动丝的设置数量相同；

所述末端关节驱动丝一端依次穿过主动段、被动段以及末端关节，并固定在末端关节顶部，所述末端关节驱动丝设置有多根，并可使末端关节进行两自由度弯曲运动。

4.根据权利要求3所述的柔性机械臂，其特征在于，所述主动段驱动丝及末端关节驱动丝分别设置有四根，四根所述主动段驱动丝及四根所述末端关节驱动丝的另一端分别与丝驱动装置相连接；

所述丝驱动装置包括四组丝驱动部件、四个驱动电机以及驱动模组安装架；四组所述丝驱动部件分别转动装配于驱动模组安装架上，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驱动电机驱动旋转；

四根所述主动段驱动丝以及四根所述末端关节驱动丝中，两两为一组，每组所述主动段驱动丝及每组末端关节驱动丝分别缠绕于各组丝驱动部件上，且每组中的两根驱动丝一根缠绕于设置正向螺纹段的驱动丝缠绕轮上，另一根缠绕于设置反向螺纹段的驱动丝缠绕轮上。

5.一种柔性内镜臂，其特征在于，包括权利要求4所述的柔性机械臂，所述柔性机械臂的末端关节上设置有内窥镜成像模组。

6.一种柔性器械臂，其特征在于，包括权利要求4所述的柔性机械臂，所述柔性机械臂的末端关节上设有夹钳，所述柔性机械臂的主动段、被动段及末端关节的中央孔道内设有钢丝软轴，所述钢丝软轴与夹钳相连接，并可在软轴驱动单元的驱动下，驱动夹钳进行旋转及开合。

7.根据要求6所述的柔性器械臂，其特征在于，所述夹钳包括转动支座、软轴固定块、推拉轴、钳体一、钳体二以及钳体转动销；其中：

所述转动支座与支座轴套转动连接，且转动支座上平行设置有两个推拉轨道，所述支座轴套与末端关节相固定；

所述软轴固定块与钢丝软轴相连接；

所述推拉轴设置于软轴固定块上；

所述钳体一、钳体二互为镜像，且分别通过钳体转动销连接于转动支座上；

所述钳体一及钳体二上分别开设有推拉滑槽，所述推拉轴分别通过两个推拉滑槽落入转动支座上的两个推拉轨道内；

所述软轴驱动单元包括集成设置的推拉驱动单元及旋转驱动单元；其中：

所述推拉驱动单元包括直线导轨、直线滑块、软轴安装槽、被动齿条、主动齿轮、推拉驱动电机及推拉滑块；

所述直线滑块滑动配合于直线导轨上，软轴安装槽设置于直线滑块上，被动齿条固定于软轴安装槽上，所述被动齿条与主动齿轮啮合，所述主动齿轮由推拉驱动电机驱动旋转；

所述推拉滑块呈柱状；所述软轴安装槽两侧设置有凸起部，底部设置有与柱状推拉滑块相对应的弧形槽，所述推拉滑块间隙配合于弧形槽内；

所述旋转驱动单元包括主动旋转部、被动旋转部、传动件、软轴装配轴、旋转滑块以及旋转驱动电机；其中：所述主动旋转部由旋转驱动电机驱动旋转，被动旋转部与主动旋转部通过传动件相连接，所述软轴装配轴固定于被动旋转部内，所述软轴装配轴内部设有矩形截面的通道，所述旋转滑块外截面呈矩形，所述旋转滑块间隙配合于软轴装配轴的矩形截面通道内；所述钢丝软轴与旋转滑块相连接，并内穿旋转滑块与所述推拉滑块相固定。

8.一种面向TEM的微创手术机器人，其特征在于，包括一个权利要求5所述的柔性内镜臂及至少一个权利要求7所述的柔性器械臂，所述柔性内镜臂及柔性器械臂还分别设置有整体进给驱动装置，所述整体进给驱动装置包括旋转丝杆、丝杆螺母、进给框架以及进给驱动电机；其中：所述旋转丝杆转动设置于进给框架上，并与所述进给驱动电机相连接；所述丝杆螺母螺纹配合于旋转丝杆上；

所述柔性内镜臂中，丝驱动装置通过驱动模组安装架整体装配于所述丝杆螺母上；

所述柔性器械臂中，由丝驱动装置及软轴驱动单元构成的驱动单元整体装配于丝杆螺母上。

9.根据权利要求8所述的面向TEM的微创手术机器人，其特征在于，所述微创手术机器人设有两个柔性器械臂；所述柔性内镜臂及各个柔性器械臂中，柔性机械臂的主动段分别与刚性管相连接，所述刚性管分别与驱动模组安装架相连接，三个所述刚性管互相平行，且三个刚性管的轴线分别位于同一三角形的三个顶点上。

10.根据权利要求9所述的面向TEM的微创手术机器人，其特征在于，所述微创手术机器人还包括经肛门端口，所述经肛门端口上平行布置有三个分别用于引导所述刚性管的通道。