CN111407412B - 一种自然腔道手术末端操作器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然腔道手术末端操作器，包括：腕部基座、腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节、自转机构、第一驱动丝线及控制电机；腕部第一俯仰关节包括：第一上基座、第一下基座、第一上齿轮及第一下齿轮，腕部第一偏转关节包括：第二上基座、第二下基座、第二上齿轮及第二下齿轮，第一驱动丝线依次贯穿第一上基座、第一下基座、第二上基座及第二下基座并连接于自转机构，且四根第一驱动丝线的中上部周向阵列排布，用于为自转机构提供旋扭力。本发明所提供的自然腔道手术末端操作器，利用四根贯穿多个基座且周向阵列排布的第一驱动丝线，即可实现腕部第一俯仰关节的俯仰旋转、腕部第一偏转关节的偏转旋转以及自转机构的自转运动。

Description

一种自然腔道手术末端操作器

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及的是一种自然腔道手术末端操作器。

背景技术

随着科学技术的发展，微创手术模式也在不断的进步，由腹腔镜手术到单孔手术，再由单孔手术到自然腔道手术；自然腔道手术与传统的微创手术相比，具有体表无创伤、疼痛轻、恢复快等优点。

自然腔道手术具体是将末端操作器经过人体自然腔道(口腔、肛门、阴道等)送达病灶处(体内)并固定在手术机械臂末端，手术操作器的驱动元件(通常是电机)置于体外，并通过驱动丝线将驱动力传递至病人体内的末端操作器。由于柔性的驱动丝线只能传递拉力而无法传递压力，且单条驱动丝线是由一个独立的电机提供拉力，因此现有的手术末端操作器的单个自由度通常由两条驱动丝线以及两个电机实现。比如要实现末端操作器腕部的转动，则至少需要一个驱动丝线和一个电机实现其左旋，并需要另一个驱动丝线和另一个电机实现其右旋，所需电机较多，导致控制难度较大。并且，手术操作器是通过人体狭窄的自然腔道送达病灶处，在具有足够多的自由度方便手术进行的同时，其结构的紧凑性也应该满足狭小手术空间的需求。

显然，如何在保证手术操作器具有足够多的自由度的基础之上，满足手术操作器结构紧凑性的需求，并减少电机的使用，进而降低控制难度成为了自然腔道手术进一步发展亟待解决的技术问题。

可见，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自然腔道手术末端操作器，旨在保证自然腔道手术末端操作器具有足够的自由度，且满足结构紧凑性的需求；并减少所需电机的数量，进而降低其控制难度。

本发明的技术方案如下：

一种自然腔道手术末端操作器，其包括：腕部基座、腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节、自转机构、第一驱动丝线及控制电机；

所述腕部第一俯仰关节包括：第一上基座及第一下基座，所述第一上基座设置有第一上齿轮，所述第一下基座上设置有第一下齿轮，所述第一上齿轮与第一下齿轮相啮合，所述第一下齿轮可相对第一上齿轮在第一方向上旋转；

所述腕部第一偏转关节包括：第二上基座及第二下基座，所述第二上基座设置有第二上齿轮，所述第二下基座上设置有第二下齿轮，所述第二上齿轮与第二下齿轮相啮合，所述第二下齿轮可相对第二上齿轮在第二方向上旋转，且所述第一方向与第二方向相垂直；

所述第一驱动丝线设置有四根，每个第一驱动丝线配备一控制电机，所述第一驱动丝线依次贯穿第一上基座、第一下基座、第二上基座及第二下基座并连接于自转机构，且四根第一驱动丝线的中上部周向阵列排布，且四根第一驱动丝线配合作用为自转机构提供旋扭力。

在进一步地优选方案中，所述自然腔道手术末端操作器还包括：腕部第二俯仰关节，所述腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节及腕部第二俯仰关节依次排布，且所述腕部第二俯仰关节采用与腕部第一俯仰关节相同的零件配置。

在进一步地优选方案中，所述自然腔道手术末端操作器还包括：腕部第二偏转关节，所述腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节、腕部第二俯仰关节及腕部第二偏转关节依次排布，且腕部第二偏转关节采用与腕部第一偏转关节相同的零件配置。

在进一步地优选方案中，四根第一驱动丝线具体包括：两个用于带动第一下基座相对第一上基座在第一方向上旋转的第一俯仰驱动丝线，以及两个用于带动第二下基座相对第二上基座在第二方向上旋转的第二偏转驱动丝线。

在进一步地优选方案中，所述自转机构包括：自转上基座及自转下基座，所述自转上基座面向自转下基座一端设置有转动台，所述自转下基座可转动连接于所述转动台，两个第一俯仰驱动丝线位于自转上基座与自转下基座之间的部分交叉设置，且两个第二偏转驱动丝线位于自转上基座与自转下基座之间的部分亦交叉设置。

在进一步地优选方案中，所述自然腔道手术末端操作器还包括：转动导向件，所述转动导向件包括：上旋转柱、连接板及下旋转柱，所述上旋转柱可转动连接于第一上基座和/或第二上基座，所述下旋转柱可转动连接于第一下基座和/或第二下基座。

在进一步地优选方案中，所述自然腔道手术末端操作器还包括：指部机构，所述指部机构包括：指根、指中及两个指尖；所述指根与指中可转动连接，并构成指部俯仰关节；所述指中与两个指尖可转动连接，并构成指部偏转关节；两个指尖构成指间开合关节。

在进一步地优选方案中，所述指中靠近指根一端的中部开设有两个第一环形槽，所述指尖靠近指中一端的中部开设有两个第二环形槽，所述第二环形槽的轴线与所述第一环形槽的轴线相垂直；两个指尖相对一侧的侧面皆开设有丝线滑动通道，所述丝线滑动通道与所述第二环形槽相连通。

在进一步地优选方案中，所述自然腔道手术末端操作器还包括：两根第二驱动丝线，所述第二驱动丝线中部绕经丝线滑动通道后分为两股，两股丝线先后绕经第二环形槽及第一环形槽，并贯穿第二下基座、第二上基座、第一下基座及第一上基座连接一个控制电机。

在进一步地优选方案中，所述丝线滑动通道为弯曲通道，所述弯曲通道的内侧环绕有一凸起。

与现有技术相比，本发明提供的自然腔道手术末端操作器，包括：腕部基座、腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节、自转机构、第一驱动丝线及控制电机；腕部第一俯仰关节包括：第一上基座及第一下基座，第一上基座设置有第一上齿轮，第一下基座上设置有第一下齿轮，腕部第一偏转关节包括：第二上基座及第二下基座，第二上基座设置有第二上齿轮，第二下基座上设置有第二下齿轮，腕部第一偏转关节包括：第二上基座及第二下基座，第二上基座设置有第二上齿轮，第二下基座上设置有第二下齿轮，第一驱动丝线依次贯穿第一上基座、第一下基座、第二上基座及第二下基座并连接于自转机构，且四根第一驱动丝线的中上部周向阵列排布，且四根第一驱动丝线配合作用为自转机构提供旋扭力。本发明所提供的自然腔道手术末端操作器，利用四根贯穿多个基座且周向阵列排布的第一驱动丝线，即可实现腕部第一俯仰关节的俯仰旋转、腕部第一偏转关节的偏转旋转以及自转机构的自转运动，因此，本发明利用四个控制电机及四根驱动丝线实现了三个自由度的控制，减少了电机的使用，进而降低了末端操作器的控制难度。

附图说明

图1是本发明优选实施例中自然腔道手术末端操作器的结构示意图。

图2是本发明优选实施例中腕部第一俯仰关节的结构示意图。

图3是本发明优选实施例中腕部第一俯仰关节的爆炸图。

图4是本发明优选实施例中所用第一上基座和第一上固定环的结构示意图。

图5是本发明优选实施例中腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节、腕部第二俯仰关节及腕部第二偏转关节的位置关系示意图。

图6是本发明优选实施例腕部基座与第一上基座的连接结构示意图。

图7是本发明优选实施例中自转机构的爆炸图。

图8是本发明优选实施例中四根第一驱动丝线在自转机构处的缠绕方式示意图。

图9是本发明优选实施例中指部机构的结构示意图。

图10是本发明优选实施例中第二驱动丝线在第一指尖处第一视角的缠绕方式示意图。

图11是本发明优选实施例中第二驱动丝线在第一指尖处第二视角的缠绕方式示意图。

图12是本发明优选实施例第二驱动丝线在指中处的缠绕方式示意图。

具体实施方式

本发明提供一种自然腔道手术末端操作器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种自然腔道手术末端操作器，如图1所示，其包括：腕部机构100、自转机构200、指部机构300、驱动丝线400及控制电机(未图示)。其中，指部机构300的自由度实现(即指部偏转、俯仰及开合自由度)可采用现有技术中的结构，但优选采用下文所提供的控制结构，具体请参看下文。

本发明所提供的腕部机构100主要包括：腕部基座110、腕部第一俯仰关节120及腕部第一偏转关节130，如图1所示；其中，腕部基座110固定不动，腕部第一俯仰关节120可实现腕部在第一方向上的旋转(在本发明中称为俯仰运动，俯仰运动与偏转运动时相对；可以理解的是，将第一方向上的旋转称为偏转运动，并将第二方向上的旋转称为俯仰运动亦可，该称谓不应被视为限定本发明的保护范围)，腕部第一偏转关节130则可实现腕部在第二方向上的旋转，所述第一方向与第二方向相垂直。

优选所述驱动丝线400包括：用于控制自转机构200自转、腕部机构100俯仰及腕部机构100偏转的第一驱动丝线410(如图1所示)，以及用于控制指部机构300俯仰、偏转及开合的第二驱动丝线420(如图1所示)。

如图2及图3所示，优选所述腕部第一俯仰关节120包括：第一上基座121、第一上齿轮122、第一下齿轮123及第一下基座124(优选第一上基座121与第一下基座124结构相同，且对称设置)，所述第一上齿轮122固定连接或一体成型于第一上基座121，所述第一下齿轮123固定连接或一体成型于第一下基座124，所述第一上齿轮122与第一下齿轮123相啮合，所述第一下齿轮123可相对第一上齿轮122在第一方向上旋转，由于基座与齿轮固定连接或一体成型，因此，第一下基座124亦将相对第一上基座121在第一方向上旋转。

较佳地是，所述第一上齿轮122及第一下齿轮123皆设置有两个(如图2及图3所示)，两个第一上齿轮122分别与两个第一下齿轮123相啮合，以提高第一下齿轮123及第一下基座124旋转时的稳定性，即提高腕部俯仰运动的稳定性。

进一步地，所述腕部第一俯仰关节120还包括：第一上固定环126及第一下固定环127，所述第一上齿轮122一体成型于第一上固定环126，通过第一上固定环126固定连接于第一上基座121；同理，第一下齿轮123一体成型于第一下固定环127，并通过第一下固定环127固定连接于第一下基座124。具体地，如图4所示，所述第一上基座121面向第一上齿轮122一侧开设有连接槽121a，所述第一上固定环126以过盈配合的方式固定在连接槽121a内，第一下固定环与第一下基座的连接方式同理，不再赘述及图示。

作为本发明地优选实施例，所述腕部第一俯仰关节120还包括：转动导向件125(如图2及图3所示)，所述转动导向件125包括：上旋转柱125a、连接板125b及下旋转柱125c，所述上旋转柱125a可转动连接于第一上基座121(所述第一上基座121开设有与上旋转柱125a相适配的第一转孔121b，在设置有第一上固定环126的情况下，优选第一上固定环126亦开设有与上旋转柱125a相适配的第二转孔126a，下旋转柱125c与第一下基座124的连接同理，不再赘述)，所述下旋转柱125c可转动连接于第一下基座124；所述连接板125b两端分别衔接上旋转柱125a及下旋转柱125c。

所述腕部第一偏转关节130采用与腕部第一俯仰关节120相同的零件配置，不同的是，腕部第一偏转关节130零件的排布方向并不与腕部第一俯仰关节120的零件排布方向相同，而是在此基础上偏转90°，具体地，以第一上固定环的轴线为中心线偏转90°，如图5所示。

较佳地是，所述腕部机构还包括：腕部第二俯仰关节140以及腕部第二偏转关节150，所述腕部第一俯仰关节120、腕部第一偏转关节130、腕部第二俯仰关节140以及腕部第二偏转关节150依次排布，优选腕部第二俯仰关节140采用与腕部第一俯仰关节120完全相同的零件配置，腕部第二偏转关节150采用与腕部第一偏转关节130完全相同的零件配置(包括零部件的排布方向)。腕部第二俯仰关节140以及腕部第二偏转关节150的设置使得腕部可弯曲的角度更大；且腕部整体变长，可触及的范围变大了。

在具体实施时，所述腕部基座110面向第一上基座121一端设置有多个第一卡持凸起110a，第一上基座121则适配第一卡持凸起110a开设有多个第一卡持槽(如图6所示的配合关系，由于第一卡持槽被第一卡持凸起110a填充，因此无法进行标注)，第一卡持凸起110a以过盈配合的方式插入连接在第一卡持槽内；为了进一步提高腕部基座110与第一上基座121的连接可靠性，本发明还在第一上基座121面向腕部基座110一端设置有多个第二卡持凸起121c，同样的，腕部基座110适配第二卡持凸起121c开设有多个第一卡持槽。此外，腕部第一俯仰关节120中的第一下基座与腕部第一偏转关节130的第二上基座、腕部第二俯仰关节140中的第一上基座与腕部第一偏转关节130的第二下基座、腕部第二俯仰关节140中的第一下基座与腕部第二偏转关节150中的第二上基座皆可采用该类结构连接在一起。

如图6所示，所述第一上基座121开设有四个第一丝线孔121d，以供第一驱动丝线410(如图1所示)穿过；其他基座亦然。

根据本发明地另一方面，所述自转机构200包括：自转上基座210及自转下基座220，所述自转上基座210面向自转下基座220一端设置有转动台240，所述自转下基座220可转动连接于所述转动台240，两个第一俯仰驱动丝线位于自转上基座210与自转下基座220之间的部分交叉设置，且两个第二偏转驱动丝线位于自转上基座210与自转下基座220之间的部分亦交叉设置。

所述第一驱动丝线410优选设置有四根，分别为第一丝线411、第二丝线412、第三丝线413及第四丝线414(实质上是两根，每根分为两股，但由于所分出来的两股分别具有不同的作用，因此为清楚描述其运动过程，下文将视为单独的四根进行描述；但从图8中不难看出，411和412是由同一根丝线在自转下基座220处分出来的，413和414亦是如此)。

如图8所示(图8所示的图像是反的，因此丝线的升降方向箭头也是反向表示的)，当对应的控制电机拉伸第一丝线411及第三丝线413，且对应的控制电机释放第二丝线412及第四丝线414时，由于411与414的交叉以及412与413的交叉，自转下基座220将受到旋扭力，相对自转上基座210旋转；反之自转下基座220将受到反向旋扭力，将相对自转上基座210反向旋转。

当对应的控制电机拉伸第一丝线411及第二丝线412，且对应的控制电机释放第三丝线413及第四丝线414时，由于第一丝线411及第二丝线412长度缩短，因此，在第一丝线411及第二丝线412的拉力作用下，腕部第一偏转关节的第二下基座将相对第二上基座向第一丝线411及第二丝线412的方向旋转；反之，腕部第一偏转关节的第二下基座将相对第二上基座向第三丝线413及第四丝线414的方向旋转，从而实现腕部偏转运动。

当对应的控制电机拉伸第一丝线411及第四丝线414，且对应的控制电机释放第二丝线412及第三丝线413时，由于第一丝线411及第四丝线414长度缩短，因此，在第一丝线411及第四丝线414的拉力作用下，腕部第一俯仰关节的第一下基座降相对第一上基座向第一丝线411及第四丝线414的方向旋转；反之，腕部第一俯仰关节的第一下基座降相对第一上基座向第二丝线412及第三丝线413的方向旋转，从而实现腕部俯仰运动。

腕部的俯仰和偏转同样是通过释放或拉伸四根所述第一驱动丝线410，具体的组合控制逻辑如下表所示：

	腕部偏转自由度	腕部俯仰自由度	自转自由度
				驱动丝线411	↑	↑	↓
驱动丝线412	↑	↓	↑
				驱动丝线413	↓	↓	↓
驱动丝线414	↓	↑	↑

根据本发明地另一方面，如图1及图9所示，所述所述指部机构300包括：指根310、指中320及两个指尖(330及340)；所述指根310与指中320可转动连接，并构成指部俯仰关节(即二者配合用于实现指部的俯仰运动)；所述指中与两个指尖可转动连接，并构成指部偏转关节(即三者配合用于实现指部的偏转运动)；两个指尖构成指间开合关节，手术末端操作器通过第一钳头331及第二钳头341对其他器械进行夹持。

在具体实施时，所述指根310与指中320通过子母铆钉14进行铰链连接(其他可转动连接的结构亦可，指中与指尖亦然)。指根310与腕部机构200的连接方式优选为键槽过盈配合连接(具体请参看腕部基座110与第一上基座121的连接方式描述，不再赘述)。

如图10所示，第一指尖330包括：第一钳头331及第一滑轮332，所述第一滑轮332中部开设有丝线滑动通道(丝线滑动通道被第二驱动丝线所填充，因此未标示)，所述丝线滑动通道的内侧环绕有一凸起333，该凸起的外壁可以是曲面，亦可以是弧形面，优选为曲面，以增加驱动丝线与第一滑轮的接触长度，进而增加摩擦力，防止驱动丝线与第一滑轮之间的相对滑动，保证丝线驱动的可靠性。优选第二指尖340采用与第一指尖330相同的结构，不再赘述。

不难理解的是，当丝线421被拉伸而丝线422被释放时，第一钳头331将向背离第二钳头341的方向旋转，实现指尖打开；反之，第一钳头331将向靠近第二钳头341的方向旋转，实现指尖闭合。

如图11所示，所述第一滑轮332外缘开设有第二环形槽A332a，丝线421及丝线422分别贴合第二环形槽A332a两侧缠绕；同样的，第二滑轮342外缘开设有第二环形槽B342a，丝线423及丝线424分别贴合第二环形槽B342a两侧缠绕。当丝线421和423同时拉伸且丝线422和424被释放时，第一指尖330和第二指尖340将同时绕指中向丝线421一侧旋转(为了清楚图示丝线的缠绕方式，图11对指中进行了隐藏)，从而完成指部的偏转运动；若丝线的释放与拉伸相反，则指尖的旋转方向亦相反。

如图12所示，所述指中320靠近指根310一端的中部开设有两个第一环形槽(未标示)，四个第二驱动丝线在两个第一环形槽内的缠绕方式如图12所示，当丝线421和422释放且丝线423及424收紧时，指中320将相对指根310旋转(为清楚图示丝线的缠绕方式，图12对指根进行了隐藏)，具体为朝丝线423和424一侧旋转，以实现指部的俯仰运动；若丝线的释放与拉伸相反，则指中的旋转方向亦相反。

不难发现，指部的俯仰、偏转及开合自由度是通过释放或拉伸四根所述第二驱动丝线420来实现的，具体的组合控制逻辑如下表所示：

由上述内容可知，本发明通过八根驱动丝线及八个控制电机实现了腕部俯仰、腕部偏转、自转机构的自转、指部俯仰、指部偏转及指部开合六个自由度，减少了电机的使用，提高了末端操作器的结构紧凑性以及手术操作灵活性，使得该末端操作器的体积可缩减，便于经人体自然腔道到达病灶处并实施手术；同时亦降低了控制难度。

本发明的重要改进之处在于：通过4条第一驱动丝线410以及分别与四个第一驱动丝线410对应的控制电机来实现腕部及自转机构处的3个自由度(分别为腕部偏转、腕部俯仰及自转机构自转)，将上述结构与指部3个自由度实现机构相结合，即可达到8条驱动丝线及8个控制电机配合实现整个手术末端操作器6个自由度的目的。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种自然腔道手术末端操作器，其特征在于，包括：腕部基座、腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节、自转机构、第一驱动丝线及控制电机；

所述腕部第一俯仰关节包括：第一上基座及第一下基座，所述第一上基座设置有第一上齿轮，所述第一下基座上设置有第一下齿轮，所述第一上齿轮与第一下齿轮相啮合，所述第一下齿轮可相对第一上齿轮在第一方向上旋转；

所述腕部第一偏转关节包括：第二上基座及第二下基座，所述第二上基座设置有第二上齿轮，所述第二下基座上设置有第二下齿轮，所述第二上齿轮与第二下齿轮相啮合，所述第二下齿轮可相对第二上齿轮在第二方向上旋转，且所述第一方向与第二方向相垂直；

所述第一驱动丝线设置有四根，每个第一驱动丝线配备一控制电机，所述第一驱动丝线依次贯穿第一上基座、第一下基座、第二上基座及第二下基座并连接于自转机构，且四根第一驱动丝线的中上部周向阵列排布，且四根第一驱动丝线配合作用为自转机构提供旋扭力；

四根第一驱动丝线具体包括：两个用于带动第一下基座相对第一上基座在第一方向上旋转的第一俯仰驱动丝线，以及两个用于带动第二下基座相对第二上基座在第二方向上旋转的第二偏转驱动丝线；

所述自转机构包括：自转上基座及自转下基座，所述自转上基座面向自转下基座一端设置有转动台，所述自转下基座可转动连接于所述转动台，两个第一俯仰驱动丝线位于自转上基座与自转下基座之间的部分交叉设置，且两个第二偏转驱动丝线位于自转上基座与自转下基座之间的部分亦交叉设置。

2.根据权利要求1所述的自然腔道手术末端操作器，其特征在于，所述自然腔道手术末端操作器还包括：腕部第二俯仰关节，所述腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节及腕部第二俯仰关节依次排布，且所述腕部第二俯仰关节采用与腕部第一俯仰关节相同的零件配置。

3.根据权利要求2所述的自然腔道手术末端操作器，其特征在于，所述自然腔道手术末端操作器还包括：腕部第二偏转关节，所述腕部第一俯仰关节、腕部第一偏转关节、腕部第二俯仰关节及腕部第二偏转关节依次排布，且腕部第二偏转关节采用与腕部第一偏转关节相同的零件配置。

4.根据权利要求1所述的自然腔道手术末端操作器，其特征在于，所述自然腔道手术末端操作器还包括：转动导向件，所述转动导向件包括：上旋转柱、连接板及下旋转柱，所述上旋转柱可转动连接于第一上基座和/或第二上基座，所述下旋转柱可转动连接于第一下基座和/或第二下基座。

5.根据权利要求1所述的自然腔道手术末端操作器，其特征在于，所述自然腔道手术末端操作器还包括：指部机构，所述指部机构包括：指根、指中及两个指尖；所述指根与指中可转动连接，并构成指部俯仰关节；所述指中与两个指尖可转动连接，并构成指部偏转关节；两个指尖构成指间开合关节。

6.根据权利要求5所述的自然腔道手术末端操作器，其特征在于，所述指中靠近指根一端的中部开设有两个第一环形槽，所述指尖靠近指中一端的中部开设有两个第二环形槽，所述第二环形槽的轴线与所述第一环形槽的轴线相垂直；两个指尖相对一侧的侧面皆开设有丝线滑动通道，所述丝线滑动通道与所述第二环形槽相连通。

7.根据权利要求6所述的自然腔道手术末端操作器，其特征在于，所述自然腔道手术末端操作器还包括：两根第二驱动丝线，所述第二驱动丝线中部绕经丝线滑动通道后分为两股，两股丝线先后绕经第二环形槽及第一环形槽，并贯穿第二下基座、第二上基座、第一下基座及第一上基座连接一个控制电机。

8.根据权利要求7所述的自然腔道手术末端操作器，其特征在于，所述丝线滑动通道为弯曲通道，所述弯曲通道的内侧环绕有一凸起。

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