CN112022238B - 一种微创手术机器人用手术器械 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种微创手术机器人用手术器械。包括依次连接的远端执行机构、柔性段、杆体、支架及设置于支架上的远端执行器开合驱动机构、柔性段偏转驱动机构、旋转驱动机构，远端执行机构通过驱动腱组件与远端执行器开合驱动机构连接，远端执行器开合驱动机构用于驱动远端执行机构进行开合动作；柔性段通过驱动腱组件与柔性段偏转驱动机构连接，柔性段偏转驱动机构通用于驱动柔性段进行弯曲动作；旋转驱动机构用于驱动远端执行机构转动。本发明具有手术过程中可快速拆装，可实现多自由度灵活驱动，机构布局合理等优点。

Description

一种微创手术机器人用手术器械

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种微创手术机器人用手术器械。

背景技术

微创手术，指的是微小创口的手术，是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备进行的手术。在现代医学外科手术治疗的应用过程中，因为可以实现手术创伤小、疼痛轻、恢复快等要求，微创手术占有越来越重要的地位。自上世纪90年代起，机器人辅助微创外科手术逐渐成为一个显著的发展趋势。而随着微创手术机器人的出现，医生可以在机器人的帮助下实现微创、精准、高效的立体定向手术。其系统融合诸多新兴学科，实现了外科手术微创化、智能化和数字化。对于微创手术机器人系统，医生通过操作台控制前端手术器械模仿医生手臂与腕部的灵活动作，因此对于微创手术机器人用手术器械有着更高的设计要求。微创手术所使用的手术器械相比于传统意义的手术器械，应满足小型化、轻量化、具有多自由度且操作灵活、便于安装等要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种微创手术机器人用手术器械，该手术器械可实现手术过程中快速拆装，能实现多自由度大范围运动，操作灵活且高度集成化的微创手术器械，用以辅助医生进行微创手术操作。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微创手术机器人用手术器械，包括远端执行机构、柔性段、杆体、远端执行器开合驱动机构、柔性段偏转驱动机构、旋转驱动机构、支架及驱动腱组件，其中远端执行机构、柔性段、杆体及支架依次连接，远端执行器开合驱动机构、柔性段偏转驱动机构及旋转驱动机构均设置于支架上；

驱动腱组件的一端与远端执行机构和柔性段连接，另一端与远端执行器开合驱动机构和柔性段偏转驱动机构连接；远端执行器开合驱动机构通过驱动腱组件驱动远端执行机构进行开合动作；柔性段偏转驱动机构通过驱动腱组件驱动柔性段进行弯曲动作；

旋转驱动机构用于驱动远端执行机构转动。

所述驱动腱组件包括远端执行器开合驱动腱及多个柔性段偏转驱动腱；

所述远端执行器开合驱动腱的一端与所述远端执行机构连接，另一端依次穿过所述柔性段和杆体后与所述远端执行器开合驱动机构连接；

所述多个柔性段偏转驱动腱的一端分别与所述柔性段中每段变形段的起始关节连接，另一端依次穿过所述柔性段和杆体后与所述柔性段偏转驱动机构连接。

所述的微创手术机器人用手术器械，还包括设置于所述支架上的分丝机构；

所述分丝机构包括限丝块、套管及盖板，其中限丝块设置于所述支架上，限丝块上设有多个曲线槽，各曲线槽内均设有套管，多个所述柔性段偏转驱动腱分别穿过各套管；盖板设置于套管的外侧，并且与限丝块连接。

所述支架包括主体支架、旋转驱动支架及中间支架，其中主体支架上安装所述柔性段偏转驱动机构；中间支架设置于主体支架的前端，用于安装所述分丝机构；旋转驱动支架设置于主体支架的侧部，用于安装所述旋转驱动机构。

所述远端执行器开合驱动机构包括对接盘、丝母、丝母压块及丝杠，其中丝杠沿前后方向设置于所述支架上，且可转动；丝母与丝杠螺纹连接，形成螺纹副；丝母压块与丝母连接，丝母压块与所述远端执行器开合驱动腱连接；对接盘设置于丝杠的端部，用于与外部旋转驱动机构连接。

所述柔性段偏转驱动机构包括压盖和多个预紧机构，其中多个预紧机构可沿前后方向滑动地设置于所述支架上，并且多个预紧机构分别与各所述柔性段偏转驱动腱连接；压盖设置于多个预紧机构外侧，并且与所述支架连接。

所述预紧机构包括滑块和两个中空顶丝；

所述支架上沿前后方向设有多个滑槽；滑块容置于滑槽内，且可在滑槽内滑动；

两个中空顶丝设置于滑块的两侧，所述柔性段偏转驱动腱穿过一中空顶丝，并且端部连接有夹头，该夹头通过两个中空顶丝夹紧。

所述压盖上设有分别与各所述滑槽相对应的多个压盖槽；所述滑块分别从各压盖槽伸出。

所述旋转驱动机构包括旋转轴a、旋转轮a、传动绳、旋转轮b及旋转轴b，其中旋转轴a和旋转轴b平行设置于所述支架上，且均可转动；旋转轮a和旋转轮b分别设置于旋转轴a和旋转轴b上，旋转轮a和旋转轮b通过传动绳传动连接；

所述旋转轴b插设于所述杆体和所述柔性段内，并且旋转轴b的末端与所述远端执行机构连接。

所述支架的前端设有驱动腱集成块，所述驱动腱集成块上设有中心孔及围绕该中心孔分布的多个外环孔；

所述旋转轴b穿过所述中心孔；多个所述柔性段偏转驱动腱分别穿过各外环孔；

所述旋转轮b和所述旋转轴b均为中空结构，所述远端执行器开合驱动腱依次穿过所述旋转轮b和所述旋转轴b。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

本发明微创手术器械的驱动机构沿杆体轴线方向采用双侧对称布置，驱动腱的驱动形式采用滑块直接推拉和对接盘旋转配合使用，器械驱动部分的集成度高；近端驱动机构采用丝杠螺母形式对驱动腱进行驱动，分丝机构的使用避免了驱动腱的失稳，确保了大载荷条件下，驱动腱运行的平稳。

本发明的微创手术器械具有多自由度形变段，增加了手术动作的灵活度，手术器械利用滑块和对接盘直接驱动驱动腱，保证了驱动腱走行稳定，且方便快速更换，同时实现了手术器械的小型化和轻型化。

本发明的微创手术器械具有手术过程中可快速拆装，可实现多自由度灵活驱动，机构布局合理等优点，较好的实现了手术器械的小型化、轻量化等要求。

附图说明

图1为本发明微创手术机器人用手术器械的结构示意图；

图2为本发明微创手术机器人用手术器械去掉外壳的结构示意图；

图3为本发明中分丝机构的爆炸图；

图4为本发明中支架的结构示意图；

图5为本发明中形变段偏转驱动机构的结构示意图；

图6为本发明中驱动腱集成块的结构示意图；

图7为本发明中旋转驱动机构的结构示意图；

图8为本发明中远端执行机构的安装示意图；

图9为本发明中杆体为弯曲形状的结构示意图。

图中：1为远端执行机构，2为柔性段，3为杆体，4为分丝机构，401为限丝块，402为曲线槽，403为套管，404为盖板，5为远端执行器开合驱动机构，501为对接盘，502为丝母，503为丝母压块，504为丝杠，6为柔性段偏转驱动机构，601为压盖，602为压盖槽，603为滑块，604为中空顶丝，7为旋转驱动机构，701为旋转轴a，702为旋转轮a，703为传动绳，704为旋转轮b，705为旋转轴b，7051为钢管，7052为扭矩鞘管，8为支架，801为主体支架，802为滑槽，803为旋转驱动支架，804为中间支架，9为柔性段偏转驱动腱，10为驱动腱集成块，101为中心孔，102为外环孔，11为限位环，12为旋转环，13为执行器固定座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种微创手术机器人用手术器械，包括远端执行机构1、柔性段2、杆体3、远端执行器开合驱动机构5、柔性段偏转驱动机构6、旋转驱动机构7、支架8及驱动腱组件，其中远端执行机构1、柔性段2、杆体3及支架8依次连接，远端执行器开合驱动机构5、柔性段偏转驱动机构6及旋转驱动机构7均设置于支架8上；驱动腱组件的一端与远端执行机构1和柔性段2连接，另一端与远端执行器开合驱动机构5和柔性段偏转驱动机构6连接；远端执行器开合驱动机构5通过驱动腱组件驱动远端执行机构1进行开合动作；柔性段偏转驱动机构6通过驱动腱组件驱动柔性段2进行弯曲动作；旋转驱动机构7用于驱动远端执行机构1转动。

本发明的实施例中，如图2所示，驱动腱组件包括远端执行器开合驱动腱及多个柔性段偏转驱动腱9；远端执行器开合驱动腱的一端与远端执行机构1连接，另一端依次穿过柔性段2和杆体3后与远端执行器开合驱动机构5连接；多个柔性段偏转驱动腱9的一端分别与柔性段2中每段变形段的起始关节连接，另一端依次穿过柔性段2和杆体3后与柔性段偏转驱动机构6连接。

具体地，柔性段2含有四个自由度，由多段形变段组成。本实施例中，柔性段2包括两段形变段，每个形变段远端有一个和柔性段偏转驱动腱9固连的关节。具体地，各关节与四个柔性段偏转驱动腱9连接，通过四个柔性段偏转驱动腱9驱动进行四向弯曲。远端执行器开合驱动腱及多个柔性段偏转驱动腱9采用绳索、丝等腱传动，可实现的自由度包括：远端执行机构1的旋转，柔性段2的多段四向弯曲以及远端执行机构1的开合。

在上述实施例的基础上，微创手术机器人用手术器械还包括设置于支架8两侧的分丝机构4，分丝机构4用于固定多个柔性段偏转驱动腱9。

如图3所示，分丝机构4包括限丝块401、套管403及盖板404，其中限丝块401设置于支架8上，限丝块401上设有多个曲线槽402，各曲线槽402内均设有套管403，多个柔性段偏转驱动腱分别穿过各套管403；盖板404设置于套管403的外侧，并且与限丝块401连接。

本发明的实施例中，如图4所示，支架8包括主体支架801、旋转驱动支架803及中间支架804，其中主体支架801上安装柔性段偏转驱动机构6；中间支架804设置于主体支架801的前端，用于安装分丝机构4；旋转驱动支架803设置于主体支架801的侧部，用于安装旋转驱动机构7。

本发明的实施例中，如图2所示，远端执行器开合驱动机构5包括对接盘501、丝母502、丝母压块503及丝杠504，其中丝杠504沿前后方向设置于支架8的旋转驱动支架803上，且可转动；丝母502与丝杠504螺纹连接，形成螺纹副；丝母压块503与丝母502连接，丝母压块503与远端执行器开合驱动腱连接；对接盘501设置于丝杠504的端部，用于与动力装置的对接盘相连。通过电机驱动对接盘501的旋转带动丝杠504旋转，带动丝母502前后滑动，配合夹紧机构从而实现远端执行机构1的开合驱动。

丝母压块503上开有凹槽，远端执行器开合驱动腱的夹头落于该凹槽中，配合凹槽实现远端执行器开合驱动腱的推拉。

微创手术器械在与动力装置对接时，要将限位销插入机构中来调节滑块位置，以固定滑块位置在同一直线上，通过调节预紧机构调节驱动腱的松紧，同时控制对接盘的对接槽竖直状态，完成器械与动力装置的对接。

本发明的实施例中，如图5所示，柔性段偏转驱动机构6包括压盖601和多个预紧机构，其中多个预紧机构可沿前后方向滑动地设置于支架8的主体支架801上，并且多个预紧机构分别与各柔性段偏转驱动腱9连接；压盖601设置于多个预紧机构外侧，并且与主体支架801连接。

具体地，预紧机构包括滑块603和两个中空顶丝604；主体支架801上沿前后方向设有多个滑槽802；滑块603容置于滑槽802内，且可在滑槽802内滑动；两个中空顶丝604设置于滑块603的两侧，柔性段偏转驱动腱9穿过一中空顶丝604，并且端部连接有夹头，该夹头通过两个中空顶丝604夹紧。压盖601上设有分别与各滑槽802相对应的多个压盖槽602；滑块603分别从各压盖槽602中伸出，滑块603与外部驱动机构连接。

柔性段偏转驱动机构6采用滑块603直接对柔性段偏转驱动腱9进行驱动，每个滑块603单独驱动一根柔性段偏转驱动腱9；在手术器械与动力装置完成对接后，每个滑块603有其独立的对接驱动块，带动每个滑块603完成前进后退动作，从而实现柔性段偏转驱动腱9的推拉；滑块603可根据实际的自由度数量，以及集成度需求分布，本实施例中采用八个滑块603驱动对应的柔性段偏转驱动腱9。

具体地，滑块603上设置有螺纹孔，在柔性段偏转驱动腱9上固定夹头，从螺纹孔两端向内旋入中空顶丝604，中空顶丝604的中间孔通过柔性段偏转驱动腱9，两个中空顶丝604相对夹紧柔性段偏转驱动腱9上固定的夹头。滑块603和中空顶丝604的材质可以是不锈钢、铝合金等金属材质，或其它耐磨高分子材料，这里不做具体约束。

本发明的实施例中，如图7所示，旋转驱动机构7包括旋转轴a701、旋转轮a702、传动绳703、旋转轮b704及旋转轴b705，其中旋转轴a701和旋转轴b705平行设置于支架8上，且均可转动；旋转轮a702和旋转轮b704分别设置于旋转轴a701和旋转轴b705上，旋转轮a702和旋转轮b704通过传动绳703传动连接；旋转轴b705插设于杆体3和柔性段2内，并且旋转轴b705的末端与远端执行机构1连接。具体地，旋转轮b704的外表面设有螺旋线槽，用以缠绕传动绳703。

工作时，旋转轴a701与外部旋转驱动机构连接，外部旋转驱动机构驱动旋转轴a701转动，旋转轴a701通过传动绳703带动旋转轮b704和旋转轴b705转动，从而将扭矩从旋转驱动机构传递到远端执行机构1。

本发明的实施例中，如图2所示，支架8的前端设有驱动腱集成块10，驱动腱集成块10上设有中心孔101及围绕该中心孔101分布的多个外环孔102；旋转轴b705穿过中心孔101；多个柔性段偏转驱动腱9分别穿过各外环孔102；旋转轮b704和旋转轴b705均为中空结构，远端执行器开合驱动腱依次穿过旋转轮b704和旋转轴b705后与远端执行机构1连接。

本实施例中，旋转轴b705由多个钢管7051和多个扭矩鞘管7052连接而成，其中扭矩鞘管7052设置柔性段2及具有弯曲的部位。如图8所示，位于柔性段2内的扭矩鞘管7052与执行器固定座13连接，执行器固定座13通过旋转环12与柔性段2的起始关节可转动连接，远端执行机构1设置于执行器固定座13上。具体地，扭矩鞘管7052采用可以双向传递扭矩的扭矩线圈，如多层钢丝密绕制成的扭矩线圈。

本发明的实施例中，限丝块401为一中空异型结构，内部空间可供驱动腱自由形成流畅弯曲曲线，减小摩擦，同时将集中在一个细管里的多根镍钛丝分开对应到不同的驱动上，待驱动腱自由形成流畅曲线后对驱动腱外侧套管进行固定；在限丝块401上刻有凹槽用以安装驱动腱的外侧套管，驱动腱沿固定凹槽走行，可用于限制驱动腱及其套管的活动，避免工作过程中由于驱动腱的晃动导致的误差；其中限丝块401的材质可以是铝合金、ABS或其他高分子材料等，加工形式可以是3D打印或机加工形式，这里均不作约束。

本发明的实施例中，杆体3可为直杆或弯曲形状。如图9所示，弯曲形状的杆体3可为刚性，具有固定的弯曲形状；或者杆体3也可为柔性，可以随意弯曲。

本发明的手术器械的驱动机构沿杆体轴线方向采用双侧对称布置，手术器械具有六个自由度，驱动腱的驱动形式采用滑块直接推拉和对接盘旋转配合使用，使手术器械的集成的更高。本发明的远端执行器开合驱动机构5采用丝杠螺母形式对驱动腱进行驱动，分丝机构4的使用避免了驱动腱的失稳，确保了大载荷条件下，驱动腱运行的平稳。本发明的微创手术器械具有多自由度形变段，增加了手术动作的灵活度，手术器械利用滑块和对接盘直接驱动驱动腱，保证了驱动腱走行稳定，且方便快速更换，同时实现了手术器械的小型化和轻型化。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种微创手术机器人用手术器械，其特征在于，包括远端执行机构(1)、柔性段(2)、杆体(3)、远端执行器开合驱动机构(5)、柔性段偏转驱动机构(6)、旋转驱动机构(7)、支架(8)及驱动腱组件，其中远端执行机构(1)、柔性段(2)、杆体(3)及支架(8)依次连接，远端执行器开合驱动机构(5)、柔性段偏转驱动机构(6)及旋转驱动机构(7)均设置于支架(8)上；

驱动腱组件的一端与远端执行机构(1)和柔性段(2)连接，另一端与远端执行器开合驱动机构(5)和柔性段偏转驱动机构(6)连接；远端执行器开合驱动机构(5)通过驱动腱组件驱动远端执行机构(1)进行开合动作；柔性段偏转驱动机构(6)通过驱动腱组件驱动柔性段(2)进行弯曲动作；

旋转驱动机构(7)用于驱动远端执行机构(1)转动；

所述驱动腱组件包括远端执行器开合驱动腱及多个柔性段偏转驱动腱(9)；

所述远端执行器开合驱动腱的一端与所述远端执行机构(1)连接，另一端依次穿过所述柔性段(2)和杆体(3)后与所述远端执行器开合驱动机构(5)连接；

所述多个柔性段偏转驱动腱(9)的一端分别与所述柔性段(2)中每段变形段的起始关节连接，另一端依次穿过所述柔性段(2)和杆体(3)后与所述柔性段偏转驱动机构(6)连接；

所述柔性段偏转驱动机构(6)包括压盖(601)和多个预紧机构，其中多个预紧机构可沿前后方向滑动地设置于所述支架(8)上，并且多个预紧机构分别与各所述柔性段偏转驱动腱(9)连接；压盖(601)设置于多个预紧机构外侧，并且与所述支架(8)连接。

2.根据权利要求1所述的微创手术机器人用手术器械，其特征在于，还包括设置于所述支架(8)上的分丝机构(4)；

所述分丝机构(4)包括限丝块(401)、套管(403)及盖板(404)，其中限丝块(401)设置于所述支架(8)上，限丝块(401)上设有多个曲线槽(402)，各曲线槽(402)内均设有套管(403)，多个所述柔性段偏转驱动腱分别穿过各套管(403)；盖板(404)设置于套管(403)的外侧，并且与限丝块(401)连接。

3.根据权利要求2所述的微创手术机器人用手术器械，其特征在于，所述支架(8)包括主体支架(801)、旋转驱动支架(803)及中间支架(804)，其中主体支架(801)上安装所述柔性段偏转驱动机构(6)；中间支架(804)设置于主体支架(801)的前端，用于安装所述分丝机构(4)；旋转驱动支架(803)设置于主体支架(801)的侧部，用于安装所述旋转驱动机构(7)。

4.根据权利要求1所述的微创手术机器人用手术器械，其特征在于，所述远端执行器开合驱动机构(5)包括对接盘(501)、丝母(502)、丝母压块(503)及丝杠(504)，其中丝杠(504)沿前后方向设置于所述支架(8)上，且可转动；丝母(502)与丝杠(504)螺纹连接，形成螺纹副；丝母压块(503)与丝母(502)连接，丝母压块(503)与所述远端执行器开合驱动腱连接；对接盘(501)设置于丝杠(504)的端部，用于与外部旋转驱动机构连接。

5.根据权利要求1所述的微创手术机器人用手术器械，其特征在于，所述预紧机构包括滑块(603)和两个中空顶丝(604)；

所述支架(8)上沿前后方向设有多个滑槽(802)；滑块(603)容置于滑槽(802)内，且可在滑槽(802)内滑动；

两个中空顶丝(604)设置于滑块(603)的两侧，所述柔性段偏转驱动腱(9)穿过一中空顶丝(604)，并且端部连接有夹头，该夹头通过两个中空顶丝(604)夹紧。

6.根据权利要求5所述的微创手术机器人用手术器械，其特征在于，所述压盖(601)上设有分别与各所述滑槽(802)相对应的多个压盖槽(602)；所述滑块(603)分别从各压盖槽(602)伸出。

7.根据权利要求1所述的微创手术机器人用手术器械，其特征在于，所述旋转驱动机构(7)包括旋转轴a(701)、旋转轮a(702)、传动绳(703)、旋转轮b(704)及旋转轴b(705)，其中旋转轴a(701)和旋转轴b(705)平行设置于所述支架(8)上，且均可转动；旋转轮a(702)和旋转轮b(704)分别设置于旋转轴a(701)和旋转轴b(705)上，旋转轮a(702)和旋转轮b(704)通过传动绳(703)传动连接；

所述旋转轴b(705)插设于所述杆体(3)和所述柔性段(2)内，并且旋转轴b(705)的末端与所述远端执行机构(1)连接。

8.根据权利要求7所述的微创手术机器人用手术器械，其特征在于，所述支架(8)的前端设有驱动腱集成块(10)，所述驱动腱集成块(10)上设有中心孔(101)及围绕该中心孔(101)分布的多个外环孔(102)；

所述旋转轴b(705)穿过所述中心孔(101)；多个所述柔性段偏转驱动腱(9)分别穿过各外环孔(102)；

所述旋转轮b(704)和所述旋转轴b(705)均为中空结构，所述远端执行器开合驱动腱依次穿过所述旋转轮b(704)和所述旋转轴b(705)。

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