一种多运动副组合驱动的柔性手术工具系统的制作方法

本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种多运动副组合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。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种运动副组合驱动的柔性手术工具系统，该柔性手术工具系统能够较好地应用于经人体自然腔道或经单一手术切口并且实施手术的手术机器人系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多运动副组合驱动的柔性手术工具系统，包括主要由顺序关联的远端结构体、中部连接体和近端结构体组成的柔性连续体结构，所述远端结构体近端经所述中部连接体与所述近端结构体关联，远端为手术执行端；所述远端结构体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和结构骨，其特征在于，该系统还包括与所述近端结构体关联的传动驱动单元；所述传动驱动单元包括多个分别对应驱动所述近端构节的传动机构，所述传动机构能够将一对轴线平行的旋转运动输入转化为一对轴线垂直相交的旋转运动输出，其中与旋转运动输入轴线平行的一个旋转运动输出用于控制所述近端构节的弯转平面指向，另一个与旋转运动输入轴线垂直的旋转运动输出用于控制所述近端构节在弯转平面中的弯转角度，以驱动所述近端结构体中的近端构节向任意方向弯转，进而驱动与之关联的所述远端结构体中的远端构节向相反的方向弯转。

在一个优选的实施例中，所述中部连接体包括柔性手术工具远端板、通道支撑板、传动机构基板以及固定连接在所述柔性手术工具远端板和传动机构基板之间且穿过所述通道支撑板的结构骨引导通道；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，结构骨的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。

在一个优选的实施例中，所述传动机构为凸轮传动机构，所述凸轮传动机构包括分别紧固连接于两根驱动轴一端的两个主动齿轮，所述驱动轴另一端与第一联轴器公头同轴紧固连接；每一所述主动齿轮分别与第一从动齿圈和第二从动齿圈啮合并驱动其旋转；所述第一从动齿圈与凸轮紧固连接，所述凸轮与所述传动机构基板旋转连接；同时所述第二从动齿圈与传动轴、转动驱动板和支撑板一体紧固连接，所述支撑板与所述传动机构基板旋转连接，所述凸轮与所述转动驱动板旋转连接；所述凸轮传动机构还包括一端与滑块紧固连接的平面连杆机构，所述滑块与所述传动轴沿轴向滑动连接且能够传递沿周向的旋转运动；所述滑块上紧固连接若干滚子，所述滚子与所述凸轮上螺旋线形的凸轮槽相匹配，能够产生沿所述传动轴轴线方向的推拉力；所述平面连杆机构另一端与近端固定盘驱动板滑动连接，同时所述近端固定盘与所述近端固定盘驱动板紧固连接。

在一个优选的实施例中，所述平面连杆机构主要由推杆、连杆和摇杆组成，所述推杆滑动连接在所述支撑板上，其一端与所述滑块紧固连接，另一端穿过所述支撑板与所述连杆的一端旋转连接，所述连杆另一端与旋转固定在所述传动轴上的所述摇杆旋转连接，所述摇杆与所述近端固定盘驱动板滑动连接。

在一个优选的实施例中，所述传动驱动单元还包括手术执行器驱动机构，同时在所述远端结构体的远端设置有手术执行器；所述手术执行器驱动机构包括：柔性手术工具底板，转动支撑于所述通道支撑板和柔性手术工具底板之间的螺杆，紧固连接所述螺杆一端的第一联轴器公头，通过螺纹配合于所述螺杆上的螺母，紧固连接于所述传动机构基板和所述通道支撑板之间并与所述螺母滑动连接的导杆，以及一端与所述手术执行器紧固连接，另一端从所述远端结构体中穿过并与所述螺母紧固连接的手术执行器控线。

在一个优选的实施例中，该系统还包括与所述柔性手术工具关联的电机驱动单元，所述电机驱动单元包括：紧固连接于电机固定板上的多个第一电机，旋转连接于所述电机固定板外周的电机驱动单元壳体，紧固连接于所述电机驱动单元壳体端面的内齿圈，紧固连接于其中一个所述第一电机输出轴上的齿轮，以及紧固连接于其余所述第一电机输出轴上的第二联轴器公头；与所述齿轮连接的所述第一电机驱动齿轮旋转，并带动所述电机驱动单元中除所述电机驱动单元壳体和内齿圈以外的全部结构绕所述内齿圈的轴线整体旋转，从而实现对远端结构体的横滚角度控制。

在一个优选的实施例中，所述柔性手术工具和电机驱动单元通过无菌屏障进行连接，所述无菌屏障包括无菌屏障外罩和无菌屏障支撑板，所述无菌屏障支撑板上旋转设置有多个能够分别与所述第一联轴器公头和第二联轴器公头快速配合连接的联轴器母头；在所述无菌屏障支撑板上设置有电机驱动单元连接螺钉，相对应地在所述电机固定板上设置有无菌屏障连接座，所述无菌屏障连接座与所述电机驱动单元连接螺钉连接，使得所述无菌屏障与所述电机固定板固定连接，并可传递整体运动；此外，在所述无菌屏障外罩上紧固连接有用于将可消毒部分与未消毒的部分进行隔离的无菌膜。

在一个优选的实施例中，该系统还包括线性模组，所述线性模组包括：带有直线滑槽的支架体，转动设置于所述支架体的丝杠，通过螺纹配合于所述丝杠上且滑动设置于所述直线滑槽中的滑块，以及紧固连接于所述支架体的第二电机；所述滑块与所述电机驱动单元壳体紧固连接，所述第二电机输出轴与所述丝杠紧固连接。

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，所述远端结构体的外部包覆有封皮，且在所述封皮外部还设置有外套管和鞘套。

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，并配合以传动驱动单元，其中，远端结构体通过中部连接体与近端结构体关联，传动驱动单元与近端结构体关联，当传动驱动单元驱动近端结构体中各近端构节向任意方向弯转时，远端结构体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、本发明在近端结构体、中部连接体和远端结构体中，采用冗余的结构骨布置(大于三根)，提高了柔性手术工具系统的安全性、可靠性和负载能力。3、本发明的无菌屏障一端可快速连接柔性手术工具，另一端可快速连接电机驱动单元，从而有效地将系统已消毒的柔性手术工具与其余未消毒的部分隔离开来，保证临床手术的可实施性。4、本发明在柔性手术工具中设置有凸轮传动机构，该凸轮传动机构可将一对轴线平行的旋转运动输入转化为一对轴线垂直相交的旋转运动输出，其中与旋转运动输入轴线平行的一个旋转运动输出(由第一驱动模式实现)用于控制近端构节的弯转平面指向，另一个与旋转运动输入轴线垂直的旋转运动输出(由第二驱动模式实现)用于控制近端构节在弯转平面中的弯转角度，最终可在较小空间内通过一组凸轮传动机构驱动近端结构体中的一个近端构节向任意方向弯转。5、本发明在远端结构体的前端设置有手术执行器，手术执行器控线穿过柔性连续体结构，与位于柔性手术工具中的手术执行器驱动机构连接，从而实现对手术执行器的动作控制。6、本发明还设置有电机驱动单元壳体，在电机驱动单元壳体的端面固定连接有内齿圈，电机驱动单元内其余结构与电机驱动单元壳体之间可相对旋转，其中，电机输出轴固定连接有齿轮，齿轮与内齿圈啮合，因此，所述电机可驱动除电机驱动单元壳体和内齿圈以外的部分进行整体旋转，从而使得柔性手术臂具有整体旋转自由度，并实现对手术执行器横滚角度的调节。7、本发明还设置有线性模组，其与电机驱动单元壳体固定连接且可以带动电机驱动单元、无菌屏障和柔性手术工具进行线性运动，因此柔性手术臂还具有线性进给自由度。8、本发明可应用于单孔腔镜手术，也可应用于经自然腔道无创手术。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明远端结构体的结构示意图；

图3是本发明近端构节的结构示意图；

图4是本发明中部连接体的结构示意图；

图5是本发明传动驱动单元的结构示意图；

图6是本发明凸轮传动机构及手术执行器驱动机构的结构示意图；

图7是本发明凸轮传动机构的剖视图；

图8是本发明电机驱动单元的结构示意图；

图9是本发明装上无菌屏障、电机驱动单元和线性模组后的结构示意图；

图10是本发明无菌屏障的结构示意图；

图11是本发明远端结构体采用柔性鞘套的结构示意图。

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10，其包括主要由远端结构体11、近端结构体16和中部连接体15构成的柔性连续体结构，以及与柔性连续体结构关联的传动驱动单元21。其中，远端结构体11近端通过中部连接体15与近端结构体16关联，远端为手术执行端。传动驱动单元21与近端结构体16关联，当传动驱动单元21驱动近端结构体16向任意方向弯转时，远端结构体11相应地向相反的方向弯转。

如图2所示，远端结构体11包括手术执行器101、第一远端构节12和第二远端构节13。其中，第一远端构节12包括第一远端间隔盘121、第一远端固定盘122和第一构节结构骨123。若干第一远端间隔盘121间隔分布于第一远端构节12中，作用为防止第一构节结构骨123受推时失稳。多根第一构节结构骨123从各第一远端间隔盘121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122上。相似的，第二远端构节13包括第二远端间隔盘131、第二远端固定盘132和第二构节结构骨133。若干第二远端间隔盘131间隔分布于第二远端构节13中，作用为防止第二构节结构骨133受推时失稳。多根第二构节结构骨133从各第二远端间隔盘131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132上。需要注意的是，第一构节结构骨123和第二构节结构骨133应分别为三根以上。

如图1、图3所示，近端结构体16包括两个结构完全一致的第一近端构节17和第二近端构节18。第一近端构节17包括第一近端间隔盘171、第一近端固定盘172和第一构节结构骨173，若干第一近端间隔盘171分别间隔分布于第一近端构节17中，作用是防止第一构节结构骨173在受推时失稳。相似的，第二近端构节18包括第二近端间隔盘181、第二近端固定盘182和第二构节结构骨183，若干第二近端间隔盘181分别间隔分布于第二近端构节18中，作用是防止第二构节结构骨183在受推时失稳。位于第一近端构节17上的第一构节结构骨173与位于第一远端构节12上的第一构节结构骨123一一对应紧固连接或为同一根结构骨；位于第二近端构节18上的第二构节结构骨183与位于第二远端构节13上的第二构节结构骨133一一对应紧固连接或为同一根结构骨。需要注意的是，第一构节结构骨173和第二构节结构骨183数量应分别与第一构节结构骨123和第二构节结构骨133数量保持一致。

如图4所示，中部连接体15包括依次间隔设置的柔性手术工具远端板107、通道支撑板152和凸轮传动机构基板236，以及两端固定连接在柔性手术工具远端板107和凸轮传动机构基板236之间且穿过通道支撑板152的结构骨引导通道151。需要注意的是，通道支撑板152和凸轮传动机构基板236可以为一组，也可以为交替布置的多组(例如图5中为两组)，通道支撑板152和凸轮传动机构基板236组数与凸轮传动机构22个数保持一致。第一构节结构骨173(123)的一端与第一近端固定盘172紧固连接，另一端依次穿过第一近端间隔盘171、结构骨引导通道151、第一远端间隔盘121后与第一远端固定盘122紧固连接。第二构节结构骨183(133)的一端与第二近端固定盘182紧固连接，另一端依次穿过第二近端间隔盘181、结构骨引导通道151、第一远端构节12、第二远端间隔盘131后与第二远端固定盘132紧固连接。结构骨引导通道151的作用是保持结构骨受推、拉力时形状不变。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16中的结构骨可为弹性细杆或细管，材料可为镍钛合金或不锈钢等。同时，上述远端结构体11中远端构节的节数以及近端结构体16中近端构节的节数也可以是一个或者多于两个，但是远端结构体11中远端构节的节数应始终与近端结构体16中近端构节的节数保持一致。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16内相对运动关系的同时实现进一步微型化。此外，近端结构体12中各近端构节的相对布置可为串联连接、嵌套设置或独立布置(如图1所示)等。

如图5～图7所示，传动驱动单元21包括两个凸轮传动机构22(仅以此为例，并不限于此)，分别对应驱动第一近端构节17和第二近端构节18。凸轮传动机构22包括分别紧固连接于两根驱动轴213一端的两个主动齿轮221，两驱动轴213另一端分别与两联轴器公头212同轴紧固连接。每一主动齿轮221分别与第一从动齿圈222、第二从动齿圈223啮合并驱动其旋转。第一从动齿圈222与凸轮229紧固连接，凸轮229与凸轮传动机构基板236旋转连接；同时第二从动齿圈223、传动轴226、转动驱动板224与支撑板225一体紧固连接，支撑板225与凸轮传动机构基板236旋转连接，凸轮229与转动驱动板224旋转连接。滑块227与推杆232紧固连接，并与传动轴226沿轴向滑动连接且可传递沿周向的旋转运动；优选地，滑块227与传动轴226可通过滚珠花键连接。滑块227上紧固连接若干滚子228，滚子228与凸轮229上螺旋线形的凸轮槽231相匹配，能够产生沿传动轴226轴线方向的推拉力。推杆232滑动连接在支撑板225上并穿过支撑板225与连杆234的一端旋转连接，连杆234的另一端与旋转固定在传动轴226上的摇杆233旋转连接；摇杆233与近端固定盘驱动板235滑动连接，同时第一近端固定盘172、第二近端固定盘182均与一个近端固定盘驱动板235紧固连接。

当主动齿轮221驱动第一从动齿圈222旋转时，带动与之紧固连接的凸轮229转动，使得滚子228在凸轮槽231中滑动；螺旋线形的凸轮槽231使滚子228以及与滚子228固定连接的滑块227，推杆232沿传动轴226滑动，推杆232通过连杆233驱动摇杆234在一定范围内摆动，摇杆233与近端固定盘驱动板235相对滑动，驱动近端固定盘驱动板237弯转，从而直接控制第一近端构节17和第二近端构节18在特定弯转平面中的弯转角度，而不改变第一近端构节17和第二近端构节18的长度，使得第一近端构节17和第二近端构节18的弯转形状为近似圆弧形；当第二从动齿圈223旋转时，带动与之紧固连接的转动驱动板224，传动轴226和支撑板225，并通过传动轴226带动滑块227共同做旋转运动，由推杆232、连杆233和摇杆234组成的平面连杆机构随之旋转，最终改变第一近端构节17和第二近端构节18的弯转平面指向。在第一驱动模式下，当驱动第一从动齿圈222与第二从动齿圈223以相同角速度同向转动，滑块227与凸轮229之间相对静止，滚子228在凸轮槽231中无相对滑动，因此滑块227和推杆232在轴向无滑动运动，此时第一近端构节17和第二近端构节18在相应弯转平面中的弯转角度不变，仅弯转平面指向发生改变；在第二驱动模式下，驱动第一从动齿圈222并使第二从动齿圈223保持静止，此时凸轮229与滑块227之间相对转动，传动轴226保持静止并限制滑块发生转动，滚子228在凸轮槽231中沿传动轴226的轴向前后滑动，因此滑块227带动与之紧固连接的推杆232沿轴向滑动，此时第一近端构节17和第二近端构节18的弯转平面指向不变，仅在该弯转平面中的弯转角度发生改变。结合所述第一驱动模式与第二驱动模式，即可实现对第一近端构节17和第二近端构节18的弯转平面指向和在该弯转平面中的弯转角度的协同控制。当第一近端构节17向某个方向弯转时，第一远端构节12将以一定的比例关系(由第一构节结构骨123(173)的分布半径共同决定)向相反的方向弯转；类似地，当第二近端构节18向某个方向弯转时，第二远端构节13将以一定的比例关系(由第二构节结构骨133(183)的分布半径共同决定)向相反的方向弯转。

在一个优选的实施例中，在远端结构体11的远端设置有手术执行器101(如图1、图2所示)，手术执行器控线102一端与手术执行器101紧固连接，另一端从远端结构体11中穿过，与位于传动驱动单元21末端的手术执行器驱动机构25(如图5、图6所示)连接，手术执行器驱动机构25通过对手术执行器控线102的物理推拉实现对机械式的手术执行器101(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102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101(如电切刀、超声刀等)，从而实现手术执行器101的特定手术功能。手术执行器驱动机构25包括螺杆251和螺母252。其中，螺杆251转动支撑于通道支撑板152和柔性手术工具底板106之间，螺杆251一端与另一联轴器公头212同轴紧固连接，螺杆251与螺母252通过螺纹配合，导杆253紧固连接于凸轮传动机构基板236和通道支撑板152之间，与螺母252滑动连接。驱动联轴器公头212带动螺杆251转动，使螺母252在导杆253的引导下前后直线运动，推拉一端与螺母252紧固连接的手术执行器控线102，最终实现对手术执行器101的动作控制。

在一个优选的实施例中，如图8、图9所示，本发明还包括与柔性手术工具10关联的电机驱动单元40，电机驱动单元40包括电机驱动单元壳体401、电机固定板402、齿轮421和内齿圈422。其中，电机驱动单元壳体401位于电机固定板402的外周，电机驱动单元壳体401的端面紧固连接内齿圈422，电机固定板402与电机驱动单元壳体401转动连接。在电机固定板402上紧固连接有多个电机(本实施例中为6个电机)，其中一个电机的输出轴紧固连接齿轮421，其余电机的输出轴紧固连接联轴器公头403，齿轮421与内齿圈422啮合。与齿轮421连接的电机可驱动齿轮421旋转，并带动电机驱动单元40中除电机驱动单元壳体401和内齿圈422以外的全部结构绕内齿圈422的轴线整体旋转，从而实现对远端结构体11和手术执行器101的横滚角度控制。

在一个优选的实施例中，如图9、10所示，柔性手术工具10和电机驱动单元40可通过无菌屏障30快速连接，无菌屏障30包括无菌屏障外罩301和无菌屏障支撑板302，无菌屏障支撑板302上旋转设置有多个可分别与联轴器公头212、403快速配合连接的联轴器母头303。在无菌屏障支撑板302上设置有电机驱动单元连接螺钉304，相对应地在电机固定板402上设置有无菌屏障连接座404(如图8所示)，无菌屏障连接座404与电机驱动单元连接螺钉304可快速连接，使得无菌屏障30与电机固定板402固定连接，并可传递整体运动。在无菌屏障外罩301上紧固连接有无菌膜(图中未示出)，用于将可消毒部分(如柔性手术工具10等位于无菌屏障30之前的部分)与未消毒的部分(如电机驱动单元40、线性模组50等位于无菌屏障30之后的部分)进行隔离，保证手术的临床可实施性。

在一个优选的实施例中，如图9所示，本发明还包括线性模组50(线性模组50亦通过无菌膜与已消毒部分隔离开)，其包括带有直线滑槽的支架体501，在支架体501上转动设置有丝杠503，在丝杠503上套设有与丝杠503通过螺纹配合且滑动设置在直线滑槽中的滑块502，在支架体501的一端设置有电机504，电机504的输出轴与丝杠503通过联轴器紧固连接。电机驱动单元壳体401与滑块502紧固连接。当电机504的输出轴转动时，滑块502将带动电机驱动单元壳体401沿直线滑槽做线性运动，从而实现柔性手术工具10的进给运动。

在一个优选的实施例中，如图1、图11所示，在远端结构体11的外部设置有封皮103，其作用为改善远端结构体11进入人体自然腔道或手术切口的顺畅性。在封皮103的外部还可以设置外套管104和鞘套60。如图1所示，在一种应用中，鞘套60固定于腹腔的单一切口处，远端结构体11连同封皮103、手术执行器101可以自由穿过鞘套60上供手术工具通过的通孔到达术部。如图11所示，在另一种应用中，鞘套60也可以采用柔性鞘套，其可以更容易地伸入人体的各类自然腔道并随着腔道的形状而自适应改变外形，柔性鞘套的一端固定于腔道入口处，远端结构体11连同封皮103、手术执行器101同样可以自由穿过柔性鞘套上供手术工具通过的通孔到达术部。

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。