CN117752422A - 用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人及系统，包括柔性体模块、驱动模块、夹取模块和运动模块，夹取模块安装在柔性体模块的末端，柔性体模块的首端安装在驱动模块上，驱动模块用于驱动柔性体模块进行弯曲；柔性体模块和驱动模块安装在运动模块上，运动模块用于带动驱动模块、柔性体模块和夹取模块进行旋转和移动；其中，夹取模块包括夹钳机构和夹钳牵引线，夹钳牵引线的一端与夹钳机构连接，夹钳牵引线的另一端贯穿柔性体模块并与驱动模块连接，驱动模块通过牵引夹钳牵引线移动以驱动夹钳机构进行夹取操作。本发明通过柔性体模块和夹取模块相结合的形式，通过驱动模块可分别控制柔性体模块的弯曲和夹钳机构的夹取。

Description

用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人及系统

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，尤其涉及一种用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人及系统。

背景技术

喉部是人体的重要器官，在对喉部进行手术时，尽量减少手术过程对喉部组织的破坏、最大程度地保护器官已经成为共识。喉部微创手术由于其创伤小的特点，已经逐步成为主流。传统的喉部微创手术主要采用支撑喉镜建立手术通道，医生手持刚性器械从手术通道进入人体进行操作。然而，刚性器械自由度较少，难以进行灵活操作，且医生手持的手术方法存在精准操作困难等问题。因此，研制柔性喉部微创手术机器人十分有必要。

在一般的喉部微创手术过程中，如扁桃体切除，一般需要夹取、切割和内窥三种器械。其中，夹取是将组织进行固定，方便切割装置进行切割。现有相关技术中，一种喉部微创手术柔性机器人虽然具备柔性，但是其夹取器械依然依赖于目前已有的活检钳，不仅仍然依赖于医生手动操作，而且夹取力大小不可控，容易造成组织损伤。而现有能够进行自主夹取操作手术机器人，由于其多臂机构空间较大，无法适用于喉部狭小空间。

因此，有必要提供一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人及系统，通过控制柔性机器人的末端弯曲、旋转和移动，并结合夹取模块，可实现在喉部微创手术过程中的灵活自主夹取操作。

本发明提供一种用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，包括柔性体模块、驱动模块、夹取模块和运动模块，所述夹取模块安装在所述柔性体模块的柔性末端，所述柔性体模块的首端安装在所述驱动模块上，所述驱动模块用于驱动所述柔性体模块向指定方向进行弯曲；所述柔性体模块和所述驱动模块安装在所述运动模块上，所述运动模块用于带动所述驱动模块、所述柔性体模块和所述夹取模块进行旋转和移动；

其中，所述夹取模块包括夹钳机构和夹钳牵引线，所述夹钳牵引线的一端与所述夹钳机构连接，所述夹钳牵引线的另一端贯穿所述柔性体模块并与所述驱动模块连接，所述驱动模块通过牵引所述夹钳牵引线移动以驱动所述夹钳机构进行夹取操作。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，所述夹取模块还包括连接环，所述夹钳机构铰接在所述连接环上，所述连接环固设于所述柔性体模块的末端；

所述夹钳机构包括第一夹爪、第二夹爪、第一连杆、第二连杆、复位弹性件和驱动拉杆，所述第一夹爪和所述第二夹爪通过第一铰链互相铰接，所述第一铰链同时铰接在所述连接环上；所述复位弹性件的两端分别与所述第一夹爪和所述第二夹爪的相对侧固定连接，所述第一连杆和所述第二连杆的一端分别与所述第二夹爪和所述第一夹爪的一端铰接，所述第一连杆和所述第二连杆的另一端共同与所述驱动拉杆的一端铰接，所述驱动拉杆的另一端连接所述夹钳牵引线；

其中，当所述驱动模块牵拉所述夹钳牵引线时，所述夹钳牵引线带动所述驱动拉杆移动，所述第一连杆和所述第二连杆通过所述驱动拉杆的移动带动所述第一夹爪和所述第二夹爪闭合；当所述驱动模块松开所述夹钳牵引线时，所述复位弹性件带动所述第一夹爪和所述第二夹爪张开。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，所述柔性体模块包括一个导管、若干弯曲控制环、若干柔性体牵引线、若干外部弹性体、一个内部弹性体、一个末端套筒和一个外部套筒；

所述内部弹性体为中空管状结构，若干所述弯曲控制环间隔的套设在所述内部弹性体的外表面，第一个所述弯曲控制环与所述导管的一端固定连接，最后一个所述弯曲控制环与所述末端套筒的一端固定连接，所述导管的另一端与所述驱动模块连接，所述末端套筒的另一端与所述夹取模块连接；若干所述柔性体牵引线的一端与若干所述弯曲控制环连接，若干所述柔性体牵引线的另一端与所述驱动模块连接；若干所述外部弹性体分别位于相邻两个所述弯曲控制环之间；所述外部套筒为薄壁弹性体，套设在若干所述弯曲控制环的外部；其中，所述驱动模块通过牵引所述柔性体牵引线移动以驱动所述柔性体模块向指定方向进行弯曲。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，所述驱动模块包括若干第一牵引模组、一牵引固定部件、一理线部件和若干第一传感器，所述第一牵引模组和所述理线部件固设于所述牵引固定部件上；

每个所述第一牵引模组包括一个第一驱动电机和一个第一线轮，所述第一线轮的一端与所述第一驱动电机的输出端固定连接，所述第一线轮的另一端连接一所述第一传感器，所述第一传感器用于对所述第一线轮的旋转角度进行检测；

若干所述柔性体牵引线通过所述理线部件整理后按预设顺序依次固定连接在若干所述第一线轮上，所述第一驱动电机通过驱动所述第一线轮旋转以对相应的所述柔性体牵引线进行牵引。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，所述柔性机器人还包括力传感器，所述力传感器安装在所述牵引固定部件上并与所述夹钳牵引线连接；所述驱动模块还包括第二牵引模组和第二传感器，所述第二牵引模组固设于所述牵引固定部件上，所述第二牵引模组包括第二驱动电机和第二线轮，所述第二线轮的一端与所述第二驱动电机的输出端固定连接，所述第二线轮的另一端连接所述第二传感器，所述第二传感器用于对所述第二线轮的旋转角度进行检测；

所述夹钳牵引线依次穿过所述末端套筒、所述内部弹性体、所述导管、所述理线部件和所述力传感器固定连接在所述第二线轮上，所述第二驱动电机通过驱动所述第二线轮旋转以对所述夹钳牵引线进行牵引。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，所述柔性体模块至少包括两个弯曲单元，每个所述弯曲单元包括至少两个所述弯曲控制环和至少一个所述外部弹性体，并且每个所述弯曲单元的弯曲由至少两根所述柔性体牵引线控制，至少两根所述柔性体牵引线沿所述内部弹性体的周向间隔分布。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，靠近所述导管的所述弯曲单元的所述外部弹性体的刚度大于靠近所述夹钳机构的所述弯曲单元的所述外部弹性体的刚度。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，若干所述第一牵引模组划分为P组，每组所述第一牵引模组对应控制一个所述弯曲单元的弯曲，每组所述第一牵引模组中包括N个所述第一牵引模组，并且N个所述第一牵引模组沿所述导管的轴向并排设置；

其中，N个所述第一牵引模组的N个所述第一线轮对应连接N条所述柔性体牵引线，N个所述第一线轮在所述第一线轮的轴向上的位置不同，使得每组所述第一牵引模组中的N个所述第一线轮对应连接的N条所述柔性体牵引线各自位于不同的平面上；其中，P和N均为正整数，且P为所述柔性体模块上的所述弯曲单元的个数，N为控制一个所述弯曲单元对应的所述柔性体牵引线的条数。

根据本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，所述运动模块包括底座、直线运动子模块、支架和旋转运动子模块，所述直线运动子模块包括第一驱动装置和直线运动机构，所述第一驱动装置安装在所述底座上，所述底座上设有滑轨，所述直线运动机构滑动的设置在所述滑轨上；所述支架安装在所述直线运动机构的运动端，所述旋转运动子模块包括第二驱动装置，所述第二驱动装置安装在所述支架上；

其中，所述柔性体模块、所述驱动模块以及所述夹取模块构成的整体铰接在所述支架上，并与所述第二驱动装置的输出轴固定连接，以在所述第二驱动装置的驱动下进行旋转运动。

本发明还提供一种用于喉部微创手术夹取操作的系统，包括总控单元、若干驱动器和如上任一项所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其中，若干所述驱动器均与所述总控单元信号连接，并且若干所述驱动器分别与所述驱动模块和所述运动模块信号连接，所述总控单元通过控制若干所述驱动器以对所述驱动模块和所述运动模块进行控制。

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人及系统，通过在柔性体模块的柔性末端设置夹取模块，并将柔性体模块的首端安装在驱动模块上，驱动模块用于驱动柔性体模块向指定方向进行弯曲；夹取模块包括夹钳机构和夹钳牵引线，夹钳机构通过夹钳牵引线连接至驱动模块，驱动模块还通过牵引夹钳牵引线移动以驱动夹钳机构进行夹取操作，因此本发明的柔性机器人能实现喉部手术过程中对人体喉部进行自动夹取操作，无需额外使用活检钳，可极大减轻医生在手术过程中的工作量和疲劳程度，提高手术精度。并且，本发明的夹取模块的夹钳牵引线是穿过柔性体模块的内部与驱动模块连接，无需额外增设机械臂机构，因此本发明的柔性机器人的空间占比小，适用于喉部狭小空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人的立体结构示意图；

图2是图1中所示的柔性体模块和夹取模块的结构示意图；

图3是图2中所示的柔性体模块的内部结构以及夹取模块的结构示意图；

图4是图2中所示的柔性体模块内部的局部结构示意图；

图5是图1中所示的驱动模块的立体结构示意图；

图6是图5所示的驱动模块的俯视图；

图7是图5所示的驱动模块的局部结构示意图；

图8是图5所示的驱动模块的主视图；

图9是图1中所示的夹取模块和驱动模块的局部结构示意图；

图10是图9中所示的夹钳机构的结构示意图；

图11是图1中所示的运动模块的结构示意图。

附图标记：

10、柔性体模块；101、外部套筒；102、导管；103、弯曲控制环；104、柔性体牵引线；105、外部弹性体；106、内部弹性体；107、末端套筒；103a、第一弯曲控制环；103b、第二弯曲控制环；103c、第三弯曲控制环；103d、第四弯曲控制环；103e、第五弯曲控制环；103f、第六弯曲控制环；103g、第七弯曲控制环；105a、第一外部弹性体；105b、第二外部弹性体；105c、第三外部弹性体；105d、第四外部弹性体；105e、第五外部弹性体；105f、第六外部弹性体；

20、驱动模块；201、牵引固定部件；202、第一牵引模组；203、理线部件；204、第一传感器；205、第二牵引模组；206、第二传感器；2011、牵引固定顶板；2012、牵引固定基座；2021、第一驱动电机；2022、第一线轮；2023、第一轴承；2024、第二轴承；2025、减速机；2026、编码器；2031、第一理线块；2032、第二理线块；202a、第一组第一牵引模组；202b、第二组第一牵引模组；2051、第二驱动电机；2052、第二线轮；

30、夹取模块；300、夹钳机构；301、连接环；302、夹钳牵引线；303、力传感器；3001、第一夹爪；3002、第二夹爪；3003、复位弹性件；3004、第一铰链；3005、第二铰链；3006、第三铰链；3007、第一连杆；3008、第二连杆；3009、第四铰链；3010、驱动拉杆；

40、运动模块；401、底座；402、第一驱动装置；403、直线运动机构；404、支架；405、第二驱动装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图11对本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人进行详细描述。

请参阅图1，本发明提供一种用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，包括柔性体模块10、驱动模块20、夹取模块30和运动模块40。柔性体模块10具有一柔性末端，夹取模块30安装在柔性体模块10的柔性末端，柔性体模块10的首端安装在驱动模块20上，驱动模块20用于驱动柔性体模块10向指定方向进行弯曲。柔性体模块10和驱动模块20安装在运动模块40上，运动模块40用于带动驱动模块20、柔性体模块10和夹取模块30进行旋转和移动，从而扩大手术范围。

其中，结合图1和图9所示，夹取模块30包括夹钳机构300和夹钳牵引线302，夹钳牵引线302的一端与夹钳机构300连接，夹钳牵引线302的另一端贯穿柔性体模块10并与驱动模块20连接，驱动模块20通过牵引夹钳牵引线302移动以驱动夹钳机构300进行夹取操作。

本发明通过柔性体模块10和夹取模块30相结合的形式，通过驱动模块20控制柔性体模块10的末端弯曲、旋转和移动，以及控制夹钳机构300的张开和闭合，从而实现在喉部微创手术过程中的灵活自主夹取操作，无需额外使用活检钳，可极大减轻医生在手术过程中的工作量和疲劳程度，提高手术精度。

请参阅图2至图4，柔性体模块10包括一个导管102、若干弯曲控制环103、若干柔性体牵引线104、若干外部弹性体105、一个内部弹性体106、一个末端套筒107和一个外部套筒101。其中，内部弹性体106为中空管状结构，若干弯曲控制环103间隔的套设在内部弹性体106的外表面，第一个弯曲控制环103与导管102的一端固定连接，最后一个弯曲控制环103与末端套筒107的一端固定连接，导管102的另一端与驱动模块20连接，末端套筒107的另一端与夹取模块30连接。若干柔性体牵引线104的一端与若干弯曲控制环103连接，若干柔性体牵引线104的另一端与驱动模块20连接。若干外部弹性体105分别位于相邻两个弯曲控制环103之间，外部套筒101为薄壁弹性体，套设在若干弯曲控制环103的外部，避免内部结构直接与人体接触。其中，驱动模块20通过牵引柔性体牵引线104移动以驱动柔性体模块10的柔性末端向指定方向进行弯曲。

具体地，在一种实施例中，柔性体模块10包括一个导管102、七个弯曲控制环103、六根柔性体牵引线104、六个外部弹性体105、一个内部弹性体106、一个末端套筒107和一个外部套筒101。内部弹性体106为中空的圆柱形结构，在内部弹性体106的外表面等距离分布有七个弯曲控制环103。末端套筒107用于连接夹取模块30。六个外部弹性体105的外径均相同，七个弯曲控制环103的外径均相同，并且六个外部弹性体105的外径均与七个弯曲控制环103的外径相等。

进一步的，请参阅图3，柔性体模块10的柔性末端至少包括两个弯曲单元，每个弯曲单元包括至少两个弯曲控制环103和至少一个外部弹性体105，并且每个弯曲单元的弯曲由至少两根柔性体牵引线104控制，至少两根柔性体牵引线104沿内部弹性体106的周向间隔分布。多个弯曲单元的设置可以使柔性体模块10实现“C”型弯曲或空间复杂形状弯曲，如“S”型等。

具体地，在一种实施例中，以柔性体模块10具有七个弯曲控制环103、六根柔性体牵引线104和六个外部弹性体105为例进行说明。其中，柔性体模块10的柔性末端包括两个弯曲单元，第一段弯曲单元包括第一弯曲控制环103a、第一外部弹性体105a、第二弯曲控制环103b、第二外部弹性体105b、第三弯曲控制环103c、第三外部弹性体105c和第四弯曲控制环103d。第二段弯曲单元包括第四外部弹性体105d、第五弯曲控制环103e、第五外部弹性体105e、第六弯曲控制环103f、第六外部弹性体105f和第七弯曲控制环103g，末端套筒107固连于第七弯曲控制环103g上。

其中，内部弹性体106贯穿于第一弯曲控制环103a到第七弯曲控制环103g。本实施例的两个弯曲单元各自由三根柔性体牵引线104进行控制，第一段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104在360度范围内围绕内部弹性体106均匀分布，第一段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104依次贯穿第一弯曲控制环103a、第二弯曲控制环103b和第三弯曲控制环103c并固设于第四弯曲控制环103d上，通过牵拉第一段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104可实现第一段弯曲单元的弯曲。同理，第二段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104在360度范围内围绕内部弹性体106均匀分布，第二段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104依次贯穿第一弯曲控制环103a到第六弯曲控制环103f并固设于第七弯曲控制环103g上，通过牵拉第二段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104可实现第二段弯曲单元的弯曲。

其中，靠近导管102的弯曲单元的外部弹性体105的刚度大于靠近夹钳机构300的弯曲单元的外部弹性体105的刚度，基于不均匀分布的外部弹性体刚度，可实现任意复杂空间构型时各弯曲单元的等量压缩。

应当注意的是，第一段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104和第二段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104在柔性体模块10这一段平行设置，但是不重合；通过同时牵拉第一段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104和第二段弯曲单元对应的三根柔性体牵引线104可实现C型弯曲或空间复杂形状弯曲，如S型。

请参阅图4，内部弹性体106的内部为圆形腔道，用于夹取模块30的夹钳牵引线302通过。

请参阅图5至图7，驱动模块20包括若干第一牵引模组202、一牵引固定部件201、一理线部件203和若干第一传感器204，若干第一牵引模组202和理线部件203固设于牵引固定部件201上。每个第一牵引模组202包括一个第一驱动电机2021和一个第一线轮2022，第一线轮2022的一端与第一驱动电机2021的输出端固定连接，第一线轮2022的另一端连接一第一传感器204，第一传感器204用于对第一线轮2022的旋转角度进行检测。若干柔性体牵引线104通过理线部件203整理后按预设顺序依次固定连接在若干第一线轮2022上，第一驱动电机2021通过驱动第一线轮2022旋转以对相应的柔性体牵引线104进行牵引。

其中，牵引固定部件201包括牵引固定顶板2011和牵引固定基座2012，理线部件203包括第一理线块2031，第一理线块2031固设于牵引固定基座2012上，牵引固定顶板2011固设于第一理线块2031上。

在一种实施例中，若干第一传感器204可以均为霍尔传感器，用于检测第一线轮2022的旋转角度。

其中，若干第一牵引模组202划分为P组，每组第一牵引模组对应控制一个弯曲单元的弯曲，每组第一牵引模组中包括N个第一牵引模组202，并且N个第一牵引模组202沿导管102的轴向并排设置。

其中，N个第一牵引模组202的N个第一线轮2022对应连接N条柔性体牵引线104，N个第一线轮2022在第一线轮2022的轴向上的位置不同，使得每组第一牵引模组中的N个第一线轮2022对应连接的N条柔性体牵引线104各自位于不同的平面上，以免相互干扰。其中，P和N均为正整数，且P为柔性体模块10上的弯曲单元的个数，N为控制一个弯曲单元对应的柔性体牵引线104的条数。

在一种实施例中，驱动模块20包括六个第一牵引模组202、一个牵引固定部件201、一个第一理线块2031和六个第一传感器204组成。参照图5至图6，六个第一牵引模组202划分为两组，每组第一牵引模组中包括三个第一牵引模组202且并排固设于牵引固定基座2012的一侧，两组第一牵引模组相对设置于牵引固定基座2012的相对两侧。第一组第一牵引模组202a中的三个第一牵引模组202用于分别牵拉第一段弯曲单元的三根柔性体牵引线104，第二组第一牵引模组202b中的三个第一牵引模组202用于分别牵拉第二段弯曲单元的三根柔性体牵引线104。第一段弯曲单元的三根柔性体牵引线104和第二段弯曲单元的三根柔性体牵引线104通过第一理线块2031使其呈360度沿内部弹性体106的周向均匀分布，并穿过导管102，进而驱动柔性体模块10。

其中，六个第一传感器204一一对应的设置在六个第一牵引模组202的上方，并固设于牵引固定顶板2011上，第一传感器204用于读取对应的第一牵引模组202的末端转角。

请参阅图7，在本发明的部分实施例中，一个第一牵引模组202包括第一轴承2023、第一线轮2022、第二轴承2024、减速机2025、第一驱动电机2021以及编码器2026。其中，减速机2025、第一驱动电机2021和编码器2026产生旋转运动，并固设于牵引固定基座2012上，第一线轮2022通过第一轴承2023和第二轴承2024铰接于牵引固定基座2012和牵引固定顶板2011上，并固连于减速机2025的输出轴上，以进行旋转运动。

可以理解的是，其他的第一牵引模组202的结构与该第一牵引模组202的结构相同，此处不再赘述。

请参阅图8，为了保证各个第一牵引模组202中的第一线轮2022所牵引的柔性体牵引线104之间不干涉，其中，第二组第一牵引模组202b中的三个第一线轮2022在第一线轮2022的轴向上的位置不同，使得三个第一线轮2022对应连接的三条柔性体牵引线104位于三个不同的平面上，互不干涉。同理，第一组第一牵引模组202a中的三个第一线轮2022呈相同布置。

请参阅图5、图6和图9，夹取模块30包括夹钳机构300、连接环301和夹钳牵引线302，夹钳机构300铰接在连接环301上，连接环301固设于柔性体模块10的末端套筒107上。驱动模块20还包括第二牵引模组205和第二传感器206，第二牵引模组205固设于牵引固定部件201上，第二牵引模组205包括第二驱动电机2051和第二线轮2052，第二线轮2052的一端与第二驱动电机2051的输出端固定连接，第二线轮2052的另一端连接第二传感器206，第二传感器206用于对第二线轮2052的旋转角度进行检测。

进一步的，夹取模块30还包括力传感器303，力传感器303安装在牵引固定部件201上并与夹钳牵引线302连接，力传感器303用于监测夹钳牵引线302上的实时拉力，通过控制施加在夹钳牵引线302上的拉力从而控制夹钳机构300的夹取力度，使得夹钳机构300的夹取力大小可控，不易造成组织损伤。

进一步的，理线部件203还包括第二理线块2032，第二理线块2032固设于牵引固定基座2012上，第二理线块2032用于对夹钳牵引线302进行整理。

其中，夹钳牵引线302的一端连接在夹钳机构300上，夹钳牵引线302的另一端依次穿过末端套筒107、内部弹性体106、导管102、第一理线块2031、力传感器303和第二理线块2032固定连接在第二线轮2052上，第二驱动电机2051通过驱动第二线轮2052旋转以对夹钳牵引线302进行牵引。

需要说明的是，第二牵引模组205与图7中所示的第一牵引模组202的结构相同，此处不再赘述。

其中，第二传感器206可以为霍尔传感器。

具体地，请参阅图9和图10，夹钳机构300包括第一夹爪3001、第二夹爪3002、第一连杆3007、第二连杆3008、复位弹性件3003、第一铰链3004、第二铰链3005、第三铰链3006、第四铰链3009和驱动拉杆3010。第一夹爪3001和第二夹爪3002通过第一铰链3004互相铰接，第一铰链3004同时铰接在连接环301上。复位弹性件3003的两端分别与第一夹爪3001和第二夹爪3002的相对侧固定连接。第一连杆3007的一端通过第三铰链3006与第二夹爪3002的一端铰接，第二连杆3008的一端通过第二铰链3005与第一夹爪3001的一端铰接。第一连杆3007和第二连杆3008的另一端通过第四铰链3009共同与驱动拉杆3010的一端铰接，驱动拉杆3010的另一端连接夹钳牵引线302。

其中，当驱动模块20牵拉夹钳牵引线302时，夹钳牵引线302带动驱动拉杆3010移动，第一连杆3007和第二连杆3008通过驱动拉杆3010的移动带动第一夹爪3001和第二夹爪3002闭合；当驱动模块20松开夹钳牵引线302时，复位弹性件3003为第一夹爪3001和第二夹爪3002提供张开力，复位弹性件3003可带动第一夹爪3001和第二夹爪3002张开。

请参阅图11，运动模块40包括底座401、直线运动子模块、支架404和旋转运动子模块，直线运动子模块包括第一驱动装置402和直线运动机构403，第一驱动装置402安装在底座401上。底座401上设有滑轨，直线运动机构403滑动的设置在滑轨上。支架404安装在直线运动机构403的运动端，旋转运动子模块包括第二驱动装置405，第二驱动装置405安装在支架404上。其中，柔性体模块10、驱动模块20以及夹取模块30构成的整体铰接在支架404上，并与第二驱动装置405的输出轴固定连接，以在第二驱动装置405的驱动下进行旋转运动。

优选的，直线运动机构403为通用的丝杠滑轨模块，可将第一驱动装置402的旋转运动转化为直线运动。

本发明还提供一种用于喉部微创手术夹取操作的系统，包括总控单元、若干驱动器和如上所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其中，若干驱动器均与总控单元信号连接，并且若干驱动器分别与驱动模块和运动模块信号连接，总控单元通过控制若干驱动器以对驱动模块和运动模块进行控制。

具体地，结合图5、图9和图11所示，该系统包括总控单元、力传感器303、若干驱动器、若干第一牵引模组202、第二牵引模组205、若干第一传感器204、第二传感器206、第一驱动装置402和第二驱动装置405。若干驱动器分别与若干第一牵引模组202、第二牵引模组205、第一驱动装置402和第二驱动装置405信号连接；总控单元分别与力传感器303、若干驱动器、若干第一传感器204和第二传感器206信号连接；通过总控单元可控制各驱动器，进而控制若干第一牵引模组202、第二牵引模组205、第一驱动装置402和第二驱动装置405运动，并获取若干第一传感器204和第二传感器206的角度信息，同时获取力传感器303的力信息，实现在喉部微创手术过程中的自主夹取操作，夹取位置可控，夹取力可控。

综上所述，本发明提供的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人及系统具有以下优势：

1、本发明的柔性体模块采用外部弹性体+弯曲控制环交替布置在内部弹性体上，相比于传统的波纹管方案，本发明的柔性体模块弯曲更加稳定，装配或者拆卸更加方便，易于维护。

2、本发明的柔性体模块可改变不同弯曲控制环之间的外部弹性体的刚度，基于不均匀分布的外部弹性体刚度，可实现任意复杂空间构型时各弯曲单元的等量压缩，便于建模和控制。

3、本发明的驱动模块通过巧妙设计牵引模组以及柔性体牵引线的排布方式，极大的减少了驱动模块的体积，便于在某些情况下多个喉部手术机器人协同工作。

4、本发明的夹取模块集成在柔性体模块末端，通过复位弹性件和夹钳牵引线中集成的力传感器，实现了夹钳机构的自主张开和闭合，并且夹取力可精准控制，避免了手术过程中可能出现的组织损伤。

5、本发明的喉部微创手术柔性机器人体积小巧，全过程均可通过总控单元自主控制，实现了喉部手术过程中人体喉部自动夹取操作，可极大减轻医生在手术过程中的工作量和疲劳程度，并提高手术精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，包括柔性体模块、驱动模块、夹取模块和运动模块，所述夹取模块安装在所述柔性体模块的柔性末端，所述柔性体模块的首端安装在所述驱动模块上，所述驱动模块用于驱动所述柔性体模块向指定方向进行弯曲；所述柔性体模块和所述驱动模块安装在所述运动模块上，所述运动模块用于带动所述驱动模块、所述柔性体模块和所述夹取模块进行旋转和移动；

其中，所述夹取模块包括夹钳机构和夹钳牵引线，所述夹钳牵引线的一端与所述夹钳机构连接，所述夹钳牵引线的另一端贯穿所述柔性体模块并与所述驱动模块连接，所述驱动模块通过牵引所述夹钳牵引线移动以驱动所述夹钳机构进行夹取操作。

2.根据权利要求1所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，所述夹取模块还包括连接环，所述夹钳机构铰接在所述连接环上，所述连接环固设于所述柔性体模块的末端；

所述夹钳机构包括第一夹爪、第二夹爪、第一连杆、第二连杆、复位弹性件和驱动拉杆，所述第一夹爪和所述第二夹爪通过第一铰链互相铰接，所述第一铰链同时铰接在所述连接环上；所述复位弹性件的两端分别与所述第一夹爪和所述第二夹爪的相对侧固定连接，所述第一连杆和所述第二连杆的一端分别与所述第二夹爪和所述第一夹爪的一端铰接，所述第一连杆和所述第二连杆的另一端共同与所述驱动拉杆的一端铰接，所述驱动拉杆的另一端连接所述夹钳牵引线；

其中，当所述驱动模块牵拉所述夹钳牵引线时，所述夹钳牵引线带动所述驱动拉杆移动，所述第一连杆和所述第二连杆通过所述驱动拉杆的移动带动所述第一夹爪和所述第二夹爪闭合；当所述驱动模块松开所述夹钳牵引线时，所述复位弹性件带动所述第一夹爪和所述第二夹爪张开。

3.根据权利要求1或2所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，所述柔性体模块包括一个导管、若干弯曲控制环、若干柔性体牵引线、若干外部弹性体、一个内部弹性体、一个末端套筒和一个外部套筒；

所述内部弹性体为中空管状结构，若干所述弯曲控制环间隔的套设在所述内部弹性体的外表面，第一个所述弯曲控制环与所述导管的一端固定连接，最后一个所述弯曲控制环与所述末端套筒的一端固定连接，所述导管的另一端与所述驱动模块连接，所述末端套筒的另一端与所述夹取模块连接；若干所述柔性体牵引线的一端与若干所述弯曲控制环连接，若干所述柔性体牵引线的另一端与所述驱动模块连接；若干所述外部弹性体分别位于相邻两个所述弯曲控制环之间；所述外部套筒为薄壁弹性体，套设在若干所述弯曲控制环的外部；其中，所述驱动模块通过牵引所述柔性体牵引线移动以驱动所述柔性体模块向指定方向进行弯曲。

4.根据权利要求3所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，所述驱动模块包括若干第一牵引模组、一牵引固定部件、一理线部件和若干第一传感器，所述第一牵引模组和所述理线部件固设于所述牵引固定部件上；

每个所述第一牵引模组包括一个第一驱动电机和一个第一线轮，所述第一线轮的一端与所述第一驱动电机的输出端固定连接，所述第一线轮的另一端连接一所述第一传感器，所述第一传感器用于对所述第一线轮的旋转角度进行检测；

若干所述柔性体牵引线通过所述理线部件整理后按预设顺序依次固定连接在若干所述第一线轮上，所述第一驱动电机通过驱动所述第一线轮旋转以对相应的所述柔性体牵引线进行牵引。

5.根据权利要求4所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，所述柔性机器人还包括力传感器，所述力传感器安装在所述牵引固定部件上并与所述夹钳牵引线连接；所述驱动模块还包括第二牵引模组和第二传感器，所述第二牵引模组固设于所述牵引固定部件上，所述第二牵引模组包括第二驱动电机和第二线轮，所述第二线轮的一端与所述第二驱动电机的输出端固定连接，所述第二线轮的另一端连接所述第二传感器，所述第二传感器用于对所述第二线轮的旋转角度进行检测；

所述夹钳牵引线依次穿过所述末端套筒、所述内部弹性体、所述导管、所述理线部件和所述力传感器固定连接在所述第二线轮上，所述第二驱动电机通过驱动所述第二线轮旋转以对所述夹钳牵引线进行牵引。

6.根据权利要求4所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，所述柔性体模块至少包括两个弯曲单元，每个所述弯曲单元包括至少两个所述弯曲控制环和至少一个所述外部弹性体，并且每个所述弯曲单元的弯曲由至少两根所述柔性体牵引线控制，至少两根所述柔性体牵引线沿所述内部弹性体的周向间隔分布。

7.根据权利要求6所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，靠近所述导管的所述弯曲单元的所述外部弹性体的刚度大于靠近所述夹钳机构的所述弯曲单元的所述外部弹性体的刚度。

8.根据权利要求6所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，若干所述第一牵引模组划分为P组，每组所述第一牵引模组对应控制一个所述弯曲单元的弯曲，每组所述第一牵引模组中包括N个所述第一牵引模组，并且N个所述第一牵引模组沿所述导管的轴向并排设置；

其中，N个所述第一牵引模组的N个所述第一线轮对应连接N条所述柔性体牵引线，N个所述第一线轮在所述第一线轮的轴向上的位置不同，使得每组所述第一牵引模组中的N个所述第一线轮对应连接的N条所述柔性体牵引线各自位于不同的平面上；其中，P和N均为正整数，且P为所述柔性体模块上的所述弯曲单元的个数，N为控制一个所述弯曲单元对应的所述柔性体牵引线的条数。

9.根据权利要求1所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其特征在于，所述运动模块包括底座、直线运动子模块、支架和旋转运动子模块，所述直线运动子模块包括第一驱动装置和直线运动机构，所述第一驱动装置安装在所述底座上，所述底座上设有滑轨，所述直线运动机构滑动的设置在所述滑轨上；所述支架安装在所述直线运动机构的运动端，所述旋转运动子模块包括第二驱动装置，所述第二驱动装置安装在所述支架上；

其中，所述柔性体模块、所述驱动模块以及所述夹取模块构成的整体铰接在所述支架上，并与所述第二驱动装置的输出轴固定连接，以在所述第二驱动装置的驱动下进行旋转运动。

10.一种用于喉部微创手术夹取操作的系统，其特征在于，包括总控单元、若干驱动器和权利要求1-9任一项所述的用于喉部微创手术夹取操作的柔性机器人，其中，若干所述驱动器均与所述总控单元信号连接，并且若干所述驱动器分别与所述驱动模块和所述运动模块信号连接，所述总控单元通过控制若干所述驱动器以对所述驱动模块和所述运动模块进行控制。