CN106175850B - 一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其包括主要由远端结构体、近端结构体、驱动传动机构和中部连接体组成的柔性手术工具；远端结构体近端与中部连接体关联，驱动传动机构通过中部连接体与近端结构体关联；远端结构体主要由至少一个远端构节组成，远端构节包括远端固定盘和结构骨；近端结构体包括与远端构节数量相等的近端构节，近端构节包括近端固定盘、结构骨和驱动骨；驱动传动机构包括传入部分、驱动部分和换向部分，来自外部的旋转动力经过传入部分作用于驱动部分，换向部分用于实现驱动部分的协同运动，驱动部分将旋转动力转化为直线动力协同推拉驱动骨，以实现近端构节向任意方向弯转，进而驱动远端构节向相反方向弯转。

Description

一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统。

背景技术

多孔腹腔镜微创手术因其创口小、术后恢复快，已经在外科手术中占据了重要的地位。现有Intuitive Surgical公司(美国直觉外科公司)的da Vinci(达芬奇)手术机器人辅助医生完成多孔腹腔镜微创手术，取得了商业上的巨大成功。

微创术式在多孔腹腔镜手术之后又发展出单孔腹腔镜手术和经自然腔道的无创手术，它们对病人创伤更小、术后产出更高。但在单孔腹腔镜手术和经自然腔道的无创手术中，包括视觉照明模块和手术操作臂在内的所有手术器械均通过单一通道达到术部，这对手术器械的制备要求极为苛刻。现有手术器械的远端结构主要为多杆件的串联铰接，采用钢丝绳拉力驱动，使手术器械在铰接关节处实现弯转。由于钢丝绳须通过滑轮保持持续的张紧状态，这一驱动方式难以实现手术器械的进一步小型化，亦难以进一步提升器械的运动性能。

虽然Intuitive Surgical公司近期推出了da Vinci Single-Site(SS型达芬奇)手术机器人，其将原有的刚性手术器械改造为半刚性手术器械，并增加了预弯曲套管，一定程度上提升了手术器械的运动性能，但仍无法从根本上解决传统手术器械所面临的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，该柔性手术工具系统可经单一手术切口，较好地应用于单孔腔镜手术机器人系统，亦可应用于多孔腔镜手术机器人系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，该系统包括主要由远端结构体、近端结构体、驱动传动机构和中部连接体组成的柔性手术工具；其中，所述远端结构体近端与所述中部连接体关联，所述驱动传动机构通过所述中部连接体与所述近端结构体关联；所述远端结构体主要由至少一个远端构节组成，每一所述远端构节包括远端固定盘和结构骨；所述近端结构体包括与所述远端构节数量相等的近端构节，每一所述近端构节包括近端固定盘、结构骨和驱动骨；所述驱动传动机构主要由传入部分、驱动部分和换向部分组成，来自外部的旋转动力经过所述传入部分作用于所述驱动部分，所述换向部分用于实现所述驱动部分的协同运动，所述驱动部分将旋转动力转化为直线动力协同推拉所述驱动骨，以实现所述近端构节向任意方向弯转，进而驱动所述远端构节向相反方向弯转。

在一个优选的实施例中，所述中部连接体包括近端结构体固定端盘、结构骨引导通道和驱动骨引导通道，所述结构骨引导通道一端固定连接于所述驱动传动机构上，另一端固定连接于所述近端结构体固定端盘上；所述驱动骨引导通道两端分别固定连接于所述驱动传动机构和近端结构体端盘上；所述远端构节上的结构骨与所述近端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，结构骨一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端穿过所述结构骨引导通道后与所述远端固定盘紧固连接；所述驱动骨一端固定连接于所述驱动部分，另一端经所述驱动骨引导通道后固定连接于所述近端固定盘上。

在一个优选的实施例中，所述驱动传动机构还包括主体部分，所述驱动部分包括若干个直线驱动机构，每一所述直线驱动机构包括转动安装于所述主体部分上的第一螺杆，以及与所述第一螺杆通过螺纹配合的第一滑块；所述第一螺杆一端与所述传入部分紧固连接，另一端伸入所述换向部分；每一所述直线驱动机构中的第一滑块作为输出端与所述驱动骨一一对应紧固连接。

在一个优选的实施例中，所述传入部分包括转动安装于所述主体部分上的柔性手术工具驱动轴，紧固连接于所述柔性手术工具驱动轴一端的第一联轴器公头，以及紧固连接于所述柔性手术工具驱动轴另一端的联轴器；所述换向部分包括安装于所述主体部分上的若干组换向齿轮组，每组所述换向齿轮组包括分别紧固连接于两所述第一螺杆上的两个相互啮合的齿轮；

来自外部的旋转动力经过相互紧固连接的所述第一联轴器公头、柔性手术工具驱动轴和联轴器，传递到位于所述驱动部分内的第一螺杆上，并通过所述换向齿轮组驱动同组两所述第一螺杆以相反的方向转动，所述第一螺杆驱动其上的所述第一滑块沿相反方向滑动，从而将旋转动力转化为直线动力协同推拉所述驱动骨，以实现所述近端构节向任意方向弯转，进而驱动所述远端构节向相反方向弯转。

在一个优选的实施例中，所述主体部分包括紧固连接成一体的驱动传动机构远端盖板、驱动传动机构远端固定板、驱动传动机构中部固定板和驱动传动机构近端固定板；所述柔性手术工具驱动轴转动安装于所述驱动传动机构近端固定板与所述驱动传动机构中部固定板之间；所述第一螺杆转动安装于所述驱动传动机构远端固定板与所述驱动传动机构中部固定板之间；所述换向齿轮组安装于所述驱动传动机构远端盖板与所述驱动传动机构远端固定板之间。

在一个更优选的实施例中，所述驱动传动机构还包括手术执行器驱动机构，所述手术执行器驱动机构包括：转动安装于所述主体部分上的第二螺杆，通过螺纹与所述第二螺杆配合的第二滑块，以及一端紧固连接于所述第二滑块上，另一端穿过所述远端结构体后与所述手术执行器紧固连接的手术执行器控线；所述第二螺杆末端与所述联轴器紧固连接，来自外部的旋转动力通过相互紧固连接的所述联轴器公头、柔性手术工具驱动轴和联轴器传递到所述第二螺杆上，所述第二螺杆驱动其上的所述第二滑块线性滑动，进而推拉所述手术执行器控线，最终实现所述手术执行器的动作控制。

在一个更优选的实施例中，所述手术执行器驱动机构还包括：通过若干根支撑柱固定于所述驱动传动机构中部固定板上的手术执行器驱动机构固定端板，以及一端固定在所述手术执行器驱动机构固定端板上，另一端伸入首节所述远端构节中并固定在其中的远端间隔盘上的控线引导通道；所述第二螺杆转动安装于所述手术执行器驱动机构固定端板与所述驱动传动机构中部固定板之间；所述手术执行器控线一端紧固连接于所述第二滑块，另一端经过所述手术执行器驱动机构固定端板、控线引导通道、远端结构体后与所述手术执行器紧固连接。

在一个更优选的实施例中，所述直线驱动机构还包括固定连接于所述驱动传动机构远端固定板与所述驱动传动机构中部固定板之间的光轴，所述第一滑块与所述光轴滑动连接；相似的，所述第二滑块与一根所述支撑柱滑动连接。

在一个优选的实施例中，该系统还包括与所述驱动传动机构关联的驱动单元，所述驱动单元包括：驱动电机，与所述驱动电机输出轴连接的输入齿轮，与所述输入齿轮相互啮合的惰轮和输出齿轮，与所述输出齿轮固定连接的第二联轴器公头，以及分别与所述第一联轴器公头和第二联轴器公头连接的联轴器母头；所述驱动电机将旋转运动通过所述输入齿轮、惰轮、输出齿轮传递至所述第二联轴器公头，经过所述联轴器母头与所述第一联轴器公头，最终驱动柔性手术工具驱动轴旋转。

在一个更优选的实施例中，所述驱动单元一端还留有连接板，柔性手术工具系统通过所述连接板安装固定在多自由度机械臂末端盘上；所述多自由度机械臂包含四个以上的关节，所述关节能够实现所述柔性手术工具系统以入腹点为不动点的整体侧向偏转和整体进给自由度，以及能够实现所述柔性手术工具系统绕自身轴线的整体旋转自由度。

在一个优选的实施例中，该系统还包括与所述驱动传动机构远端盖板一同构成所述柔性手术工具的外壳结构的柔性手术工具外壳，以及设置于所述柔性手术工具和驱动单元之间的无菌屏障，所述近端结构体、驱动传动机构和中部连接体均位于所述柔性手术工具外壳的内部；所述无菌屏障包括：分别与所述柔性手术工具和驱动单元连接的结构固定筒，固定连接于所述结构固定筒一端以构成封闭结构的无菌屏障盖板和无菌屏障底板，以及固定连接于所述结构固定筒外沿并包覆在所述驱动单元和多自由度机械臂外的无菌膜；所述联轴器母头旋转设置于所述无菌屏障盖板和无菌屏障底板之间。

在一个优选的实施例中，所述远端构节还包括间隔分布于其中的多个远端间隔盘，多根所述远端构节的结构骨从各所述远端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于所述远端固定盘上；相似的，所述近端构节还包括间隔分布于其中的多个近端间隔盘，多根所述近端构节的结构骨一端固定于所述近端固定盘上，另一端依次从各所述近端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过后与所述远端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨。

在一个更优选的实施例中，所述远端构节的结构骨和/或所述近端构节的结构骨为弹性细杆或细管，材料为镍钛合金或不锈钢；在使用多个所述远端构节或近端构节情况下，若前一所述远端构节或近端构节的结构骨使用弹性细管，则后一所述远端构节或近端构节的结构骨能够穿过该弹性细管，或直接穿过所述远端间隔盘或近端间隔盘上的结构骨通过孔；此外，对于每一所述远端构节或近端构节，其中的结构骨数量为三根以上。

在一个优选的实施例中，在所述远端结构体的外部包覆有封皮，所述封皮近端通过第一固定夹块紧固连接在所述驱动传动机构中部固定板上，且所述封皮在驱动传动机构远端固定板和驱动传动机构中部固定板之间为刚性封皮，在所述驱动传动机构远端固定板和手术执行器之间为柔性封皮。

在一个优选的实施例中，在所述封皮的外部还包覆有外套管，所述外套管通过第二固定夹块固定在所述驱动传动机构远端固定板上；所述外套管为刚性预弯曲套管，所述外套管穿过固定于腹腔的单一切口处的鞘套，所述鞘套为单孔腔镜手术所需的器械提供通道，其中的通道为倾斜通道且不限制手术工具绕特定固定点的侧向旋转运动；或者，所述外套管为刚性直套管，所述外套管穿过仅包含一个通道的鞘套，所述鞘套固定于腹腔的皮肤切口处。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用包括近端结构体、中部连接体和远端结构体的柔性连续体结构为主体，并配合以驱动传动机构，其中，远端结构体通过中部连接体与近端结构体关联，驱动传动机构经过中部连接体与近端结构体关联，当驱动传动机构驱动近端结构体中的近端构节向任意方向弯转时，远端结构体中对应的远端构节相应地向相反的方向弯转，因此可实现由远端结构体和封皮所构成的柔性手术臂的任意向弯转运动。2、本发明在远端结构体、中部连接体和近端结构体中，采用冗余的结构骨布置(大于三根)，提高了柔性手术工具的安全性、可靠性和负载能力。3、本发明的柔性手术工具系统可与多自由度机械臂连接，大范围运动由多自由度机械臂实现，病人体内小范围精确灵活运动则由柔性手术臂实现。4、本发明的手术执行器控线穿过远端结构体进入驱动传动机构内部，在驱动传动机构内部设置有用于驱动手术执行器控线进行线性运动的手术执行器驱动机构，由此可实现对手术执行器的动作控制。5、本发明的柔性手术工具与驱动单元通过无菌屏障进行快速连接，有效地将已消毒的柔性手术工具与其它未消毒部分进行隔离，保证了临床手术的可实施性。6、本发明中，当外套管为刚性预弯曲套管时，本发明可应用于单孔腔镜手术；当外套管为刚性直套管时，本发明还可应用于多孔腔镜手术。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明柔性手术工具的结构示意图；

图3是本发明远端结构体经过单孔腔镜手术所用鞘套的实施示意图；

图4是本发明远端结构体经过多孔腔镜手术所用鞘套的实施示意图；

图5是本发明近端结构体的结构示意图；

图6是本发明驱动传动机构、中部连接体和近端结构体的结构示意图；

图7是本发明另一视角下驱动传动机构的结构示意图；

图8是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图；

图9是本发明中部连接体和近端结构体的结构示意图；

图10是本发明驱动单元的结构示意图；

图11是本发明驱动单元与多自由度机械臂的连接示意图；

图12是本发明连接于多自由度机械臂的实施示意图；

图13是本发明柔性手术工具装上无菌屏障和驱动单元后的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1展示了根据本实施例提供的柔性手术工具系统100，其包括柔性手术工具10和驱动单元20。

如图2所示，柔性手术工具10包括远端结构体11、近端结构体12、驱动传动机构13和中部连接体14。其中，远端结构体11近端与中部连接体14关联，驱动传动机构13通过中部连接体14与近端结构体12关联，驱动传动机构13与驱动单元20(图中未示出)关联。当驱动单元20通过驱动传动机构13驱动近端结构体12向任意方向弯转时，近端结构体12将驱动力通过中部连接体14传递至远端结构体11，远端结构体11相应地向相反的方向弯转。

如图3、图4所示，远端结构体11包括手术执行器111、第一远端构节112和第二远端构节113。其中，第一远端构节112包括第一远端间隔盘114、第一远端固定盘115和第一构节结构骨116。若干第一远端间隔盘114间隔分布于第一远端构节112中，作用为防止第一构节结构骨116受推时失稳。多根第一构节结构骨116(本实施例为8根，但并不限于此)从各第一远端间隔盘114上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于第一远端固定盘115上。相似的，第二远端构节113包括第二远端间隔盘117、第二远端固定盘118和第二构节结构骨119。若干第二远端间隔盘117间隔分布于第二远端构节113中，作用为防止第二构节结构骨119受推时失稳。多根第二构节结构骨119从各第二远端间隔盘117上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于第二远端固定盘118上。需要注意的是，第一构节结构骨116和第二构节结构骨119应分别为三根以上。

如图5所示，近端结构体12主要由两节内外嵌套的第一近端构节120和第二近端构节121组成，优选地，第一近端构节120嵌套在第二近端构节121的内部。其中，第一近端构节120包括第一近端固定盘122、第一近端间隔盘123、第一构节结构骨124和第一构节驱动骨125，且第一构节结构骨124数量始终与第一构节结构骨116数量保持一致。若干第一近端间隔盘123间隔分布于第一近端构节120中，作用为防止第一构节结构骨124、第一构节驱动骨125受推时失稳。第一近端构节120中的第一构节结构骨124与第一远端构节112中的第一构节结构骨116一一对应地紧固连接或为同一根结构骨。多根第一构节结构骨124(116)的一端固定于第一近端固定盘122上，另一端从各第一近端间隔盘123上分布的结构骨通过孔中穿过，并经过中部连接体13的引导伸至第一远端构节112中，穿过第一远端间隔盘114上分布的结构骨通过孔后，固定于第一远端固定盘115上。多根第一构节驱动骨125(本实施例为4根，但并不限于此)一端固定于第一近端固定盘122上，另一端均固定于驱动传动机构13中。相似的，第二近端构节121包括第二近端固定盘126、第二近端间隔盘127、第二构节结构骨128和第二构节驱动骨129，且第二构节结构骨128数量始终与第二构节结构骨119数量保持一致。第二近端构节121中的第二构节结构骨128与第二远端构节113中的第二构节结构骨119一一对应地紧固连接或为同一根结构骨。若干第二近端间隔盘127间隔分布于第二近端构节121中，作用为防止第二构节结构骨128和第二构节驱动骨129受推时失稳。多根第二构节结构骨128(119)的一端固定于第二近端固定盘126上，另一端从各第二近端间隔盘127上分布的结构骨通过孔中穿过，并经过中部连接体13的引导，穿过第一远端构节112，伸至第二远端构节113中，穿过第二远端间隔盘117上分布的结构骨通过孔后，固定于第二远端固定盘118上。多根第二构节驱动骨129(本实施例为4根，但并不限于此)一端固定于第二近端固定盘126上，另一端均固定于驱动传动机构14中。需要注意的是，第一构节驱动骨125和第二构节驱动骨129的数量须为三根以上。

在一个优选的实施例中，上述远端结构体11中的结构骨和/或近端结构体12中的结构骨、驱动骨可为弹性细杆或细管，材料可为镍钛合金或不锈钢等。在使用多个远端构节或近端构节情况下，若前一远端构节或近端构节的结构骨使用弹性细管，则后一远端构节或近端构节的结构骨可穿过该弹性细管，或直接穿过远端间隔盘或近端间隔盘上的结构骨通过孔，这可在不改变远端结构体11或近端结构体12内相对运动关系的同时实现进一步微型化。近端结构体12中各近端构节的相对布置可为串联、嵌套(如图5所示)或独立布置等。但需要注意的是，远端结构体11中远端构节的节数应始终与近端结构体12中近端构节的节数保持一致。

如图2、图6和图7所示，驱动传动机构13主要由主体部分、传入部分、驱动部分和换向部分组成，其中，主体部分包括驱动传动机构远端盖板130、驱动传动机构远端固定板131、驱动传动机构中部固定板132和驱动传动机构近端固定板133，相互间通过固定板连接柱1300紧固连接成一体。传入部分包括联轴器公头134、柔性手术工具驱动轴135和联轴器136，柔性手术工具驱动轴135转动安装于驱动传动机构近端固定板133与驱动传动机构中部固定板132之间，且其一端穿过驱动传动机构近端固定板133后与联轴器公头134固定连接，另一端与联轴器136固定连接，联轴器公头134则与驱动单元20关联。驱动部分包括多组直线驱动机构137，在本实施例中使用了4组一共8个直线驱动机构137，同组的两个直线驱动机构137可同时输出协同的推拉运动，4组直线驱动机构137实现了第一近端构节120和第二近端构节121的四个弯转自由度，直线驱动机构137的组数应等于第一构节驱动骨125与第二构节驱动骨129数量之和。每一直线驱动机构137包括转动安装于驱动传动机构远端固定板131与驱动传动机构中部固定板132之间的螺杆1301、紧固设置在驱动传动机构远端固定板131与驱动传动机构中部固定板132之间的光轴1302以及与光轴1302滑动连接且与螺杆1301通过螺纹配合的滑块1303，8个滑块1303作为直线驱动机构137的输出端分别与4根第一构节驱动骨125和4根第二构节驱动骨129紧固连接。螺杆1301一端穿过驱动传动机构中部固定板132后与联轴器136紧固连接，另一端穿过驱动传动机构远端固定板131后伸入换向部分。换向部分包括安装于驱动传动机构远端盖板130和驱动传动机构远端固定板131之间的多组换向齿轮组138，且换向齿轮组138组数应与直线驱动机构137组数保持一致。每组换向齿轮组138包括分别紧固连接于两螺杆1301上的两个相互啮合的齿轮。来自驱动单元20的旋转动力经过相互紧固连接的联轴器公头134、柔性手术工具驱动轴135和联轴器136，传递到位于驱动部分内的螺杆1301上，经过换向部分，通过每组换向齿轮组138驱动两个螺杆1301以相反的方向转动，两螺纹旋向相同的螺杆1301分别驱动两个滑块1303沿两根光轴1302沿相反方向滑动，从而将旋转动力转化为直线动力协同推拉两根第一构节驱动骨125或第二构节驱动骨129，2组直线驱动机构137可实现第一近端构节120向任意方向弯转，进而以一定比例关系驱动第一远端构节112向相反方向弯转，该比例关系由第一构节结构骨116和第一构节结构骨124的分布半径共同决定；相似地，另外2组直线驱动机构137可实现第二近端构节121向任意方向弯转，进而以一定比例关系驱动第二远端构节113向相反方向弯转，该比例关系由第二构节结构骨119和第二构节结构骨128的分布半径共同决定。

如图6、图8所示，驱动传动机构13还包括手术执行器驱动机构139，手术执行器驱动机构139包括手术执行器驱动机构固定端板1391、支撑柱1392、螺杆1393、滑块1394、控线引导通道1395和手术执行器控线1396。手术执行器驱动机构固定端板1391通过若干根支撑柱1392固定于驱动传动机构中部固定板132上，螺杆1393转动安装于手术执行器驱动机构固定端板1391与驱动传动机构中部固定板132之间，且螺杆1393末端穿过驱动传动机构中部固定板132后与联轴器136紧固连接，滑块1394通过螺纹与螺杆1393配合并与一根支撑柱1392滑动连接。控线引导通道1395一端固定在手术执行器驱动机构固定端板1391上，另一端伸入第一远端构节112中并固定在第一远端间隔盘114上(图中未示出)。手术执行器控线1396一端紧固连接于滑块1394上，另一端经过手术执行器驱动机构固定端板1391、控线引导通道1395、远端结构体11后与手术执行器111紧固连接，控线引导通道1395可在手术执行器控线1396受推拉力时保持其形状不变。来自驱动单元20产生的旋转动力通过相互紧固连接的联轴器公头134、柔性手术工具驱动轴135和联轴器136传递到螺杆1393上，螺杆1393可驱动其上的滑块1394沿支撑柱1392线性滑动，进而推拉手术执行器控线1396，最终实现机械式的手术执行器111(如手术钳等)的动作控制。本领域技术人员可以理解的是，手术执行器控线1396同样也可以传递如电能、超声振动等能量至电外科式的手术执行器111(如电切刀、超声刀等)，以实施电外科手术。

如图9所示，中部连接体14包括近端结构体固定端盘141、结构骨引导通道142和驱动骨引导通道143。其中，结构骨引导通道142一端收成一束固定连接于驱动传动机构中部固定板132上，另一端固定连接于近端结构体固定端盘141上，用于引导第一构节结构骨116(124)和第二构节结构骨119(128)，保持其受推、拉力时形状不变，因此结构骨引导通道142数量应等于第一构节结构骨116(124)和第二构节结构骨119(128)数量之和。驱动骨引导通道143两端分别固定连接于驱动传动机构中部固定板132和近端结构体端盘141上，第一构节驱动骨125和第二构节驱动骨129一端固定连接于直线驱动机构137内，另一端经驱动骨引导通道143后分别固定连接于第一近端固定盘122和第二近端固定盘126上，保持其受推力、拉力时形状不变，因此驱动骨引导通道143数量应等于第一构节驱动骨125和第二构节驱动骨129数量之和。

如图10、图11所示，驱动单元20包括驱动电机201、联轴器202、输入齿轮203、惰轮204、输出齿轮205、联轴器公头206和联轴器母头207。其中，联轴器202分别与驱动电机201的输出轴、输入齿轮203固定连接，输入齿轮203、惰轮204和输出齿轮205相互啮合，联轴器公头206与输出齿轮205固定连接，联轴器母头207分别与联轴器公头206和驱动传动机构13中的联轴器公头134快速连接，从而驱动电机201可将旋转运动通过联轴器202、输入齿轮203、惰轮204、输出齿轮205传递至联轴器公头206，经过联轴器母头207与驱动传动机构13中的联轴器公头134，最终驱动柔性手术工具驱动轴135旋转。

图12展示了根据本发明提供的柔性手术工具系统100连接于多自由度机械臂200的实施示意图，驱动单元20的一端留有连接板208(如图11所示)，柔性手术工具系统100通过连接板208安装固定在多自由度机械臂200末端盘上。其中，多自由度机械臂200包含六个旋转关节201-206，前五个旋转关节201-205可实现柔性手术工具系统100以入腹点为不动点的整体侧向旋转和整体进给自由度，旋转关节206可实现柔性手术工具系统100绕自身轴线的整体旋转自由度。因此，多自由度机械臂200可实现柔性手术工具系统100的大范围运动，柔性手术工具系统100可实现远端结构体11在病人体内的小范围精确灵活运动以及对手术执行器111的驱动。

在一个优选的实施例中，如图10、图11、图13所示，柔性手术工具10还包括一柔性手术工具外壳15，驱动传动机构远端盖板130与柔性手术工具外壳15一同构成了柔性手术工具10的外壳结构，近端结构体12、驱动传动机构13和中部连接体14均位于柔性手术工具外壳15的内部。由于柔性手术工具10是可消毒的纯机械结构，驱动单元20是不可消毒的电气结构，因此本发明在柔性手术工具10和驱动单元20之间还设置一无菌屏障70，无菌屏障70包括结构固定筒60、无菌屏障盖板701、无菌屏障底板702和无菌膜(图中未示出)，其中结构固定筒60可分别与柔性手术工具10和驱动单元20进行快速连接，无菌屏障盖板701和无菌屏障底板702固定连接在结构固定筒60上构成一体，且结构固定筒60、无菌屏障盖板701和多个联轴器母头207在驱动单元20内部构成了封闭结构，用于隔离有菌环境和无菌环境。驱动单元20中的联轴器母头207旋转设置于无菌屏障盖板701和无菌屏障底板702之间，因此通过合理选择无菌屏障盖板701和无菌屏障底板702的材料，如聚四氟乙烯等，可实现联轴器母头207在固定轴线位置上的自由旋转。固定连接于结构固定筒60外沿的无菌膜包覆在未消毒的驱动单元20和多自由度机械臂200外，将已消毒与未消毒的部分隔离开来，保证手术的临床可实施性。

在一个优选的实施例中，如图2、图6和图9所示，在远端结构体11的外部包覆有封皮30，其近端通过固定夹块301紧固连接在驱动传动机构中部固定板132上，且封皮30在驱动传动机构远端固定板131和驱动传动机构中部固定板132之间为刚性封皮，以确保远端结构体11的结构稳定性；封皮30在驱动传动机构远端固定板131和手术执行器111之间为柔性封皮，以改善远端结构体11的外观和插入顺畅性。

在一个优选的实施例中，如图2、图6和图9所示，在封皮30的外部还包覆有外套管40，外套管40通过固定夹块401固定在驱动传动机构远端固定板131上。在不同的手术环境下，只需松开固定夹块401即可更换调整外套管40。

外套管40可以为刚性预弯曲套管，此时外套管40穿过固定于腹腔的单一切口处的鞘套50(如图2、图3所示)，该鞘套50可以为单孔腔镜手术所需的器械(一般为三个手术工具及一个成像照明工具)提供通道，其中的通道可为倾斜通道且不限制手术工具绕特定固定点(鞘套50中所述通道的轴线与皮肤切口的交点)的侧向旋转运动，刚性预弯曲的外套管40、远端结构体11连同封皮30、手术执行器111可以自由穿过鞘套50上供手术工具通过的通孔到达术部以施展单孔腔镜手术。

或者，外套管40也可以为刚性直套管，此时外套管40可穿过仅包含一个通道的鞘套50(如图4所示)，该鞘套50固定于腹腔的皮肤切口处，配合多个鞘套50的多个模块化柔性手术工具系统100可用于施展多孔腔镜手术。需要说明的是，模块化柔性手术工具系统100可通过多自由度机械臂200调节外套管40及其中远端结构体11的指向和伸出鞘套50的长度，进一步提高远端结构体11的运动性能。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (14)

1.一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，该系统包括主要由远端结构体、近端结构体、驱动传动机构和中部连接体组成的柔性手术工具；

其中，所述远端结构体近端与所述中部连接体关联，所述驱动传动机构通过所述中部连接体与所述近端结构体关联；所述远端结构体主要由至少一个远端构节组成，每一所述远端构节包括远端固定盘和结构骨；所述近端结构体包括与所述远端构节数量相等的近端构节，每一所述近端构节包括近端固定盘、结构骨和驱动骨；

所述驱动传动机构主要由传入部分、驱动部分、换向部分和主体部分组成，所述驱动部分包括若干个直线驱动机构，每一所述直线驱动机构包括转动安装于所述主体部分上的第一螺杆，以及与所述第一螺杆通过螺纹配合的第一滑块；所述第一螺杆一端与所述传入部分紧固连接，另一端伸入所述换向部分；每一所述直线驱动机构中的第一滑块作为输出端与所述驱动骨一一对应紧固连接；

所述换向部分包括安装于所述主体部分上的若干组换向齿轮组，每组所述换向齿轮组包括分别紧固连接于两所述第一螺杆上的两个相互啮合的齿轮；

来自外部的旋转动力经过所述传入部分传递到位于所述驱动部分内的第一螺杆上，并通过所述换向齿轮组驱动同组两所述第一螺杆以相反的方向转动，所述第一螺杆驱动其上的所述第一滑块沿相反方向滑动，从而将旋转动力转化为直线动力协同推拉所述驱动骨，以实现所述近端构节向任意方向弯转，进而驱动所述远端构节向相反方向弯转。

2.如权利要求1所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述中部连接体包括近端结构体固定端盘、结构骨引导通道和驱动骨引导通道，所述结构骨引导通道一端固定连接于所述驱动传动机构上，另一端固定连接于所述近端结构体固定端盘上；所述驱动骨引导通道两端分别固定连接于所述驱动传动机构和近端结构体端盘上；

所述远端构节上的结构骨与所述近端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，结构骨一端与所述近端固定盘紧固连接，另一端穿过所述结构骨引导通道后与所述远端固定盘紧固连接；

所述驱动骨一端固定连接于所述驱动部分，另一端经所述驱动骨引导通道后固定连接于所述近端固定盘上。

3.如权利要求1所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述传入部分包括转动安装于所述主体部分上的柔性手术工具驱动轴，紧固连接于所述柔性手术工具驱动轴一端的第一联轴器公头，以及紧固连接于所述柔性手术工具驱动轴另一端的联轴器。

4.如权利要求3所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述主体部分包括紧固连接成一体的驱动传动机构远端盖板、驱动传动机构远端固定板、驱动传动机构中部固定板和驱动传动机构近端固定板；

所述柔性手术工具驱动轴转动安装于所述驱动传动机构近端固定板与所述驱动传动机构中部固定板之间；

所述第一螺杆转动安装于所述驱动传动机构远端固定板与所述驱动传动机构中部固定板之间；

所述换向齿轮组安装于所述驱动传动机构远端盖板与所述驱动传动机构远端固定板之间。

5.如权利要求4所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述驱动传动机构还包括手术执行器驱动机构，所述手术执行器驱动机构包括：

转动安装于所述主体部分上的第二螺杆，

通过螺纹与所述第二螺杆配合的第二滑块，以及

一端紧固连接于所述第二滑块上，另一端穿过所述远端结构体后与手术执行器紧固连接的手术执行器控线；

所述第二螺杆末端与所述联轴器紧固连接，来自外部的旋转动力通过相互紧固连接的所述联轴器公头、柔性手术工具驱动轴和联轴器传递到所述第二螺杆上，所述第二螺杆驱动其上的所述第二滑块线性滑动，进而推拉所述手术执行器控线，最终实现所述手术执行器的动作控制。

6.如权利要求5所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述手术执行器驱动机构还包括：

通过若干根支撑柱固定于所述驱动传动机构中部固定板上的手术执行器驱动机构固定端板，以及

一端固定在所述手术执行器驱动机构固定端板上，另一端伸入首节所述远端构节中并固定在其中的远端间隔盘上的控线引导通道；

所述第二螺杆转动安装于所述手术执行器驱动机构固定端板与所述驱动传动机构中部固定板之间；

所述手术执行器控线一端紧固连接于所述第二滑块，另一端经过所述手术执行器驱动机构固定端板、控线引导通道、远端结构体后与所述手术执行器紧固连接。

7.如权利要求6所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述直线驱动机构还包括固定连接于所述驱动传动机构远端固定板与所述驱动传动机构中部固定板之间的光轴，所述第一滑块与所述光轴滑动连接；相似的，所述第二滑块与一根所述支撑柱滑动连接。

8.如权利要求4所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，该系统还包括与所述驱动传动机构关联的驱动单元，所述驱动单元包括：

驱动电机，

与所述驱动电机输出轴连接的输入齿轮，

与所述输入齿轮相互啮合的惰轮和输出齿轮，

与所述输出齿轮固定连接的第二联轴器公头，以及

分别与所述第一联轴器公头和第二联轴器公头连接的联轴器母头；

所述驱动电机将旋转运动通过所述输入齿轮、惰轮、输出齿轮传递至所述第二联轴器公头，经过所述联轴器母头与所述第一联轴器公头，最终驱动柔性手术工具驱动轴旋转。

9.如权利要求8所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述驱动单元一端还留有连接板，柔性手术工具系统通过所述连接板安装固定在多自由度机械臂末端盘上；所述多自由度机械臂包含四个以上的关节，所述关节能够实现所述柔性手术工具系统以入腹点为不动点的整体侧向偏转和整体进给自由度，以及能够实现所述柔性手术工具系统绕自身轴线的整体旋转自由度。

10.如权利要求9所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，该系统还包括与所述驱动传动机构远端盖板一同构成所述柔性手术工具的外壳结构的柔性手术工具外壳，以及设置于所述柔性手术工具和驱动单元之间的无菌屏障，所述近端结构体、驱动传动机构和中部连接体均位于所述柔性手术工具外壳的内部；

所述无菌屏障包括：

分别与所述柔性手术工具和驱动单元连接的结构固定筒，

固定连接于所述结构固定筒一端以构成封闭结构的无菌屏障盖板和无菌屏障底板，以及

固定连接于所述结构固定筒外沿并包覆在所述驱动单元和多自由度机械臂外的无菌膜；

所述联轴器母头旋转设置于所述无菌屏障盖板和无菌屏障底板之间。

11.如权利要求1到10任一项所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述远端构节还包括间隔分布于其中的多个远端间隔盘，多根所述远端构节的结构骨从各所述远端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过，末端固定于所述远端固定盘上；

相似的，所述近端构节还包括间隔分布于其中的多个近端间隔盘，多根所述近端构节的结构骨一端固定于所述近端固定盘上，另一端依次从各所述近端间隔盘上分布的结构骨通过孔中穿过后与所述远端构节上的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨。

12.如权利要求11所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，所述远端构节的结构骨和/或所述近端构节的结构骨为弹性细杆或细管，材料为镍钛合金或不锈钢；在使用多个所述远端构节或近端构节情况下，若前一所述远端构节或近端构节的结构骨使用弹性细管，则后一所述远端构节或近端构节的结构骨能够穿过该弹性细管，或直接穿过所述远端间隔盘或近端间隔盘上的结构骨通过孔；此外，对于每一所述远端构节或近端构节，其中的结构骨数量为三根以上。

13.如权利要求4或5或6或7所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，在所述远端结构体的外部包覆有封皮，所述封皮近端通过第一固定夹块紧固连接在所述驱动传动机构中部固定板上，且所述封皮在驱动传动机构远端固定板和驱动传动机构中部固定板之间为刚性封皮，在所述驱动传动机构远端固定板和手术执行器之间为柔性封皮。

14.如权利要求13所述的一种直线驱动机构驱动的柔性手术工具系统，其特征在于，在所述封皮的外部还包覆有外套管，所述外套管通过第二固定夹块固定在所述驱动传动机构远端固定板上；

所述外套管为刚性预弯曲套管，所述外套管穿过固定于腹腔的单一切口处的鞘套，所述鞘套为单孔腔镜手术所需的器械提供通道，其中的通道为倾斜通道且不限制手术工具绕特定固定点的侧向旋转运动；

或者，所述外套管为刚性直套管，所述外套管穿过仅包含一个通道的鞘套，所述鞘套固定于腹腔的皮肤切口处。