CN117838315A - 一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构。器械末端存在凸起与后方的槽轮配合。槽轮上安装有一对驱动丝，通过牵拉驱动丝带动槽轮旋转从而实现手术钳的开合运动。槽轮夹爪开合关节座与滚转关节的转轴相连接，开合关节驱动丝通过开合关节座上的引导轴进入转轴中心孔中。将驱动丝沿螺纹缠绕至转轴上，并穿过螺纹中心处的小孔以增大对转轴的摩擦力，继续缠绕直至将螺纹完全覆盖，从旋转壳对称方向上的小孔中穿出。牵拉滚转关节驱动丝，驱动丝利用摩擦力带动旋转轴旋转，实现末端执行器的滚转运动。连续体构节空间灵活全维度位姿变换，具备夹持末端原位旋拧功能，有效降低驱控端传动系统复杂程度，实现手术器械末端对血管组织的精细操作能力。

Description

一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构

技术领域

本申请涉及微型末端执行器系统的技术领域，特别是一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构。

背景技术

目前国际市场上成熟的单孔腔镜手术机器人产品，其末端执行器大多采用滚转运动副后置的驱传动方式，典型一种方法是：利用电机转轴带动一些列齿轮组的传动方式，通过末端执行机构操作臂的整体滚转来实现末端扭矩输出，缺点是存在齿轮的回程误差以及转动时将导致过渡长杆中的驱动丝缠绕，影响末端精度。另一种典型的方法是：将滚转运动副设计在整套末端执行器系统的后端，通过整机的外壳旋转带动执行器操作臂的滚转，从而实现末端器械的旋拧操作，但是增加了末端执行器整体尺寸，后端驱动部分整体臃肿，不便于多臂末端执行器系统的集成。

发明内容

本申请提供一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构，满足对偶约束的连续体构节空间灵活全维度位姿变换的同时，具备夹持末端原位旋拧功能，有效降低驱控端传动系统复杂程度，减小执行机构体积尺寸，实现手术器械末端对血管组织的精细操作能力。未来可广泛应用于单孔腔镜、多孔腔镜、骨科、介入手术以及经自然腔道手术机器人系统末端执行机构。

第一方面，提供了一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构，包括末端器械、槽轮机构和第一驱动丝；

末端器械具有上夹爪和下夹爪，上夹爪和下夹爪设置于器械旋转轴心的上下两侧，上夹爪可相对于器械旋转轴心旋转；第一驱动丝用于驱动槽轮旋转中心旋转；槽轮机构包括上槽轮，上槽轮与槽轮旋转中心固定连接，上槽轮具有上槽轮导向槽，上槽轮导向槽呈偏心弧形，且横跨槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线，沿着逆时针方向，上槽轮导向槽的中心弧线到槽轮旋转中心的距离逐渐增大，上夹爪的根部插入上槽轮导向槽内，可在上槽轮导向槽内相对滑动；

在上夹爪和下夹爪开启状态下时，上夹爪的根部在上槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第一距离，在上夹爪和下夹爪关闭状态下时，上夹爪的根部在上槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第二距离，第一距离小于第二距离。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，槽轮机构还包括下槽轮，下槽轮与槽轮旋转中心固定连接，下槽轮具有下槽轮导向槽，下槽轮导向槽呈偏心弧形，且横跨槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线，沿着逆时针方向，下槽轮导向槽的中心弧线到槽轮旋转中心的距离逐渐减小，下夹爪的根部插入下槽轮导向槽内，可在下槽轮导向槽内相对滑动；

在上夹爪和下夹爪开启状态下时，下夹爪的根部在下槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第三距离，在上夹爪和下夹爪关闭状态下时，下夹爪的根部在下槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第四距离，第三距离小于第四距离。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，上槽轮导向槽和下槽轮导向槽相对于槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线对称设置。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一驱动丝夹设于上槽轮和下槽轮之间。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，末端器械、槽轮机构和第一驱动丝构成所述末端执行机构的末端器械-槽轮传动机构；所述末端执行机构还包括滚转轴、滚转筒和第二驱动丝；

滚转轴用于承载末端器械-槽轮传动机构；滚转筒与滚转轴同轴连接，滚转筒用于在第二驱动丝的驱动下带动滚转轴滚转；滚转轴、滚转筒均在中心轴上开设有通孔，以穿过第一驱动丝。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，滚转筒包括滚转轴体、第一导向柱和第二导向柱；

滚转轴体具有螺旋滚道的滚转轴体，在滚转轴体的中间位置具有贯穿滚转轴体的锁紧孔，锁紧孔与滚转轴体的中心轴相交，且锁紧孔沿螺旋升角方向设置；第一导向柱和第二导向柱分别位于滚转轴体的两侧，且分别位于滚转轴体的两端；

第二驱动丝沿螺旋滚道环绕滚转轴体，从滚转轴体的一端环绕至另一端，且在锁紧孔处穿过锁紧孔，并绕至第一导向柱和第二导向柱的外侧；第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝朝着相反的方向移动，驱动滚转筒的滚转轴体旋转，进而带动滚转轴上的末端器械-槽轮传动机构旋转。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝沿圆周对称。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，包括滚转筒和第二驱动丝；

滚转筒包括滚转轴体、第一导向柱和第二导向柱；滚转轴体具有螺旋滚道的滚转轴体，在滚转轴体的中间位置具有贯穿滚转轴体的锁紧孔，锁紧孔与滚转轴体的中心轴相交，且锁紧孔沿螺旋升角方向设置；第一导向柱和第二导向柱分别位于滚转轴体的两侧，且分别位于滚转轴体的两端；

第二驱动丝沿螺旋滚道环绕滚转轴体，从滚转轴体的一端环绕至另一端，且在锁紧孔处穿过锁紧孔，并绕至第一导向柱和第二导向柱的外侧；第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝朝着相反的方向移动，驱动滚转筒的滚转轴体旋转，进而带动滚转轴上的末端器械-槽轮传动机构旋转。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝沿圆周对称。

第二方面，提供了一种末端执行器，包括如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的末端执行机构。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

(1)集成滚转运动副的对偶连续体蛇形末端执行机构具备末端器械原位旋拧功能。

(2)滚转运动副前置，降低驱控端传动机构复杂程度，减小末端执行机构体积尺寸。

(3)手术末端执行机构轴向长度短，适用于极限空间约束条件下的精细操作。

(4)器械-槽轮机构结构简单，通过单向驱传动可实现夹持器两个部件的同步反向运动，实现器械张开与闭合操作。

(5)力传递装置可实现与驱动端伺服电机的快速拆卸与连接，便于术中快速更换末端执行器。

(6)驱动丝与约束丝的空间布局，既实现多关节线性耦合提升控制效率，又满足运动学解耦关系，便于运动学模型的快速构建，实现末端执行机构精准稳定操控。

附图说明

图1为末端执行器系统结构图。

图2为末端器械-槽轮传动机构图。

图3为滚转运动副传动机构图。

图4为开合及滚转关节结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

图1为本申请实施例提供的一种末端执行器系统结构图。末端执行器系统可以通过微创通道进入人体内部对病灶区域完成高精准手术操作。手术机器人末端执行器是一种将近端驱动电机的旋转输入转化为远端手术操作器械输出的机械装置。近端与远端由支撑杆进行连接。近端通过力传递装置与驱动端伺服电机进行连接。每个驱动电机通过驱动丝与导向机构将扭矩输入传递至末端执行机构的关节上。每一个关节都代表一个独立的控制变量，也称作自由度。手术机器人末端执行器是一种结构、传动、驱动控制高度集成的微执行机构，由末端器械与运动关节组成，其本身不具有驱动部分，由关节与驱传动环节形成闭环传动链，驱动端伺服电机通过力传递装置协同驱动多关节运动，从而代替传统开放式外科手术器械伸入人体内，精准完成外科手术过程中对血管等组织的夹持、切割以及缝合等典型操作。

末端执行器具有输入与输出传递距离长、尺寸小、自由度高的特点，允许外科手术医生在主端控制器操作末端执行器伸入人体并执行手术任务。类似人体手臂的自由度配置能够帮助手术医生建立对末端执行器的直觉映射，降低医生控制难度。故在执行器末端需要添加扭转关节模仿人体手腕的轴向旋转自由度。

末端执行器系统包括末端执行机构、支撑杆、支撑架、力传递装置、驱动端伺服电机以及移动滑台模组。移动滑台模组共具有7个独立可控的自由度，移动滑台模组与力传递装置连接实现末端执行机构的整体移动。驱动端伺服电机可以具有7个电机，其中6个电机集成于力传递装置，负责驱动末端执行机构运动驱动，1个电机用于驱动末端执行机构整体沿移动滑台运动。支撑杆设置于支撑架上，支撑杆远离支撑架的一端设置有末端执行机构。力传递装置的电机接口部分将驱动端伺服电机的输入转矩通过丝传动机构传递至末端执行机构。丝传动机构的驱动丝穿过支撑架从末端连接至驱动端通过驱动端多个电机的协调运动，实现对末端执行机构在笛卡尔空间位置和姿态的连续运动控制。

末端执行机构包括末端器械-槽轮传动机构。图2示出了本申请实施例提供的一种末端器械-槽轮传动机构的示意性结构图。

末端器械-槽轮传动机构可以包括末端器械、槽轮机构和第一驱动丝。

末端器械具有上夹爪和下夹爪，上夹爪和下夹爪均可相对于器械旋转轴心旋转，以使上夹爪和下夹爪开合。槽轮机构包括上槽轮和下槽轮，第一驱动丝夹设于上槽轮和下槽轮之间，用于驱动槽轮旋转中心旋转。第一驱动丝用于驱动槽轮旋转中心逆时针方向旋转(在本申请中，观察方向为从上向下看)，以开启器械-槽轮传动机构；驱动槽轮旋转中心顺时针方向旋转，以关闭器械-槽轮传动机构。

上槽轮和下槽轮均具有导向槽。导向槽均可以跟随槽轮旋转中心旋转。导向槽呈偏心弧形，用于约束夹爪根部的移动轨迹，进而驱动夹爪开合。上槽轮的导向槽和下槽轮的导向槽可以相对于槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线对称设置。在开合过程中，上夹爪的根部和下夹爪的根部可以相对于槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线对称，进而实现末端器械-槽轮传动机构的开合。

上槽轮包括具有上槽轮导向槽，且与槽轮旋转中心固定连接，从而上槽轮跟随槽轮旋转中心旋转。上夹爪的根部从上向下伸入上槽轮导向槽，可在上槽轮导向槽内相对滑动。上槽轮导向槽可以横跨槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线。沿着逆时针方向，上槽轮导向槽的中心弧线到槽轮旋转中心的距离逐渐增大。

在器械处于关闭状态时，上夹爪的根部在上槽轮导向槽中的插入位置到槽轮旋转中心距离为a，a例如是上槽轮导向槽的中心弧线距离槽轮旋转中心的最大距离。随着上槽轮导向槽的逆时针旋转，由于上夹爪的根部在上槽轮导向槽中，因此上夹爪的根部到槽轮旋转中心的距离逐渐缩短，从而上槽轮导向槽可以驱动上夹爪绕器械旋转轴心逆时针方向旋转。在器械处于开启状态时，上夹爪的根部在上槽轮导向槽中的插入位置到槽轮旋转中心距离为b，b例如是上槽轮导向槽的中心弧线距离槽轮旋转中心的最小距离。

下槽轮包括具有下槽轮导向槽，且与槽轮旋转中心固定连接，从而下槽轮跟随槽轮旋转中心逆时针旋转。下夹爪的根部从下向上伸入下槽轮导向槽，可在下槽轮导向槽内相对滑动。下槽轮导向槽可以横跨槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线。沿着逆时针方向，下槽轮导向槽的中心弧线距离槽轮旋转中心的距离逐渐减小。

在器械处于关闭状态时，下夹爪的根部在下槽轮导向槽中的插入位置到槽轮旋转中心距离为c，c例如是下槽轮导向槽的中心弧线距离槽轮旋转中心的最大距离。随着下槽轮导向槽的逆时针旋转，由于下夹爪的根部在下槽轮导向槽中，因此下夹爪的根部到槽轮旋转中心的距离逐渐缩短，从而下槽轮导向槽可以驱动下夹爪绕器械旋转轴心顺时针方向旋转。在器械处于开启状态时，下夹爪的根部在下槽轮导向槽中的插入位置到槽轮旋转中心距离为d，d例如是下槽轮导向槽的中心弧线距离槽轮旋转中心的最小距离。

综上所述，末端器械的两个夹爪分别设置于槽轮机构上下两端面的导向槽上。通过丝传动带动槽轮沿槽轮旋转轴心转动，通过导向槽驱动器械夹爪两半沿器械旋转轴心转动，从而实现器械张开和闭合运动。

末端执行机构还可以包括滚转运动副传动机构。图3示出了本申请实施例提供的一种滚转运动副传动机构的示意性结构图。

滚转运动副传动机构可以包括滚转轴，滚转轴可以用于安装图2所示的末端器械-槽轮传动机构。滚转轴通过推力轴承与滚转筒同轴连接，滚转筒用于驱动滚转轴滚转。滚转轴、推力轴承和滚转筒均在中心轴上开设有通孔，以穿过上述第一驱动丝。

滚转筒可以包括具有螺旋滚道的滚转轴体，第二驱动丝沿螺旋滚道环绕该滚转轴体。滚转轴体的第一端部附近可以设置有第一导向柱，第二端部附近可以设置有第二导向柱，第一导向柱和第二导向柱分别位于滚转轴体的两侧。在滚转轴体的中间位置具有贯穿滚转轴体的锁紧孔，锁紧孔与滚转轴体的中心轴相交。锁紧孔可以沿螺旋升角方向设置。第二驱动丝在沿螺旋滚道从滚转轴体的一端环绕至另一端，且在锁紧孔处穿过锁紧孔(增大第二驱动丝对滚转轴体的摩擦力)，并绕至第一导向柱和第二导向柱的外侧。第一导向柱和第二导向柱可以是一种定滑轮。第二驱动丝驱动时，第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝可以朝着相反的方向移动，驱动滚转筒的滚转轴体旋转，进而带动滚转轴上的末端器械-槽轮传动机构旋转。

通过第一导向柱和第二导向柱改变第二驱动丝两端传递方向，由径向变换至轴向。第二驱动丝沿圆周对称，经由一系列关节组件与驱动端相连接，形成闭环传动链。既实现多关节线性耦合提升控制效率，又满足运动学解耦关系，便于运动学模型的快速构建，实现末端执行机构精准稳定操控。

本申请实施例提供的末端执行机构集成滚转运动副的对偶连续体蛇形末端执行机构具备末端器械原位旋拧功能，通过驱动丝与关节组、驱动轮形成闭合回路实现各关节组的往复灵活运动。驱动轮通过力传递转置与驱动端伺服电机实现快速连接或拆卸，满足外科手术对末端执行机构全维度灵巧、精准、稳定操控要求，同时具备器械快速更换能力。滚转运动副前置，降低驱控端传动机构复杂程度，减小末端执行机构体积尺寸。手术末端执行机构轴向长度短，适用于极限空间约束条件下的精细操作。器械-槽轮机构结构简单，通过单向驱传动可实现夹持器两个部件的同步反向运动，实现器械张开与闭合操作。力传递装置可实现与驱动端伺服电机的快速拆卸与连接，便于术中快速更换末端执行器。驱动丝与约束丝的空间布局，既实现多关节线性耦合提升控制效率，又满足运动学解耦关系，便于运动学模型的快速构建，实现末端执行机构精准稳定操控。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构，其特征在于，包括末端器械、槽轮机构和第一驱动丝；

末端器械具有上夹爪和下夹爪，上夹爪和下夹爪设置于器械旋转轴心的上下两侧，上夹爪可相对于器械旋转轴心旋转；第一驱动丝用于驱动槽轮旋转中心旋转；槽轮机构包括上槽轮，上槽轮与槽轮旋转中心固定连接，上槽轮具有上槽轮导向槽，上槽轮导向槽呈偏心弧形，且横跨槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线，沿着逆时针方向，上槽轮导向槽的中心弧线到槽轮旋转中心的距离逐渐增大，上夹爪的根部插入上槽轮导向槽内，可在上槽轮导向槽内相对滑动；

在上夹爪和下夹爪开启状态下时，上夹爪的根部在上槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第一距离，在上夹爪和下夹爪关闭状态下时，上夹爪的根部在上槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第二距离，第一距离小于第二距离。

2.根据权利要求1所述的末端执行机构，其特征在于，槽轮机构还包括下槽轮，下槽轮与槽轮旋转中心固定连接，下槽轮具有下槽轮导向槽，下槽轮导向槽呈偏心弧形，且横跨槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线，沿着逆时针方向，下槽轮导向槽的中心弧线到槽轮旋转中心的距离逐渐减小，下夹爪的根部插入下槽轮导向槽内，可在下槽轮导向槽内相对滑动；

在上夹爪和下夹爪开启状态下时，下夹爪的根部在下槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第三距离，在上夹爪和下夹爪关闭状态下时，下夹爪的根部在下槽轮导向槽内的位置到槽轮旋转中心的距离为第四距离，第三距离小于第四距离。

3.根据权利要求2所述的末端执行机构，其特征在于，上槽轮导向槽和下槽轮导向槽相对于槽轮旋转中心和器械旋转轴心的连线对称设置。

4.根据权利要求2所述的末端执行机构，其特征在于，第一驱动丝夹设于上槽轮和下槽轮之间。

5.根据权利要求1所述的末端执行机构，其特征在于，末端器械、槽轮机构和第一驱动丝构成所述末端执行机构的末端器械-槽轮传动机构；所述末端执行机构还包括滚转轴、滚转筒和第二驱动丝；

滚转轴用于承载末端器械-槽轮传动机构；滚转筒与滚转轴同轴连接，滚转筒用于在第二驱动丝的驱动下带动滚转轴滚转；滚转轴、滚转筒均在中心轴上开设有通孔，以穿过第一驱动丝。

6.根据权利要求5所述的末端执行机构，其特征在于，滚转筒包括滚转轴体、第一导向柱和第二导向柱；

滚转轴体具有螺旋滚道的滚转轴体，在滚转轴体的中间位置具有贯穿滚转轴体的锁紧孔，锁紧孔与滚转轴体的中心轴相交，且锁紧孔沿螺旋升角方向设置；第一导向柱和第二导向柱分别位于滚转轴体的两侧，且分别位于滚转轴体的两端；

第二驱动丝沿螺旋滚道环绕滚转轴体，从滚转轴体的一端环绕至另一端，且在锁紧孔处穿过锁紧孔，并绕至第一导向柱和第二导向柱的外侧；第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝朝着相反的方向移动，驱动滚转筒的滚转轴体旋转，进而带动滚转轴上的末端器械-槽轮传动机构旋转。

7.根据权利要求6所述的末端执行机构，其特征在于，第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝沿圆周对称。

8.一种滚转运动副前置的蛇形末端执行机构，其特征在于，包括滚转筒和第二驱动丝；

滚转筒包括滚转轴体、第一导向柱和第二导向柱；滚转轴体具有螺旋滚道的滚转轴体，在滚转轴体的中间位置具有贯穿滚转轴体的锁紧孔，锁紧孔与滚转轴体的中心轴相交，且锁紧孔沿螺旋升角方向设置；第一导向柱和第二导向柱分别位于滚转轴体的两侧，且分别位于滚转轴体的两端；

第二驱动丝沿螺旋滚道环绕滚转轴体，从滚转轴体的一端环绕至另一端，且在锁紧孔处穿过锁紧孔，并绕至第一导向柱和第二导向柱的外侧；第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝朝着相反的方向移动，驱动滚转筒的滚转轴体旋转，进而带动滚转轴上的末端器械-槽轮传动机构旋转。

9.根据权利要求8所述的末端执行机构，其特征在于，第一导向柱侧的第二驱动丝和第二导向柱侧的第二驱动丝沿圆周对称。

10.一种末端执行器，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的末端执行机构。