一种结构骨冗余布置的柔性手术工具系统的制作方法

本发明涉及一种结构骨冗余布置的柔性手术工具系统，属于医疗器械领域。

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公司的da Vinci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微型手术器械所面临的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种基于连续体结构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：一种结构骨冗余布置的柔性手术工具系统，包括柔性连续体结构，所述柔性连续体结构包括远端结构体、中部连接体和近端结构体；所述远端结构体包括至少一个远端构节，所述远端构节包括远端间隔盘、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，所述近端构节包括近端间隔盘、近端固定盘和结构骨；所述近端构节通过所述中部连接体与所述远端构节关联；其特征在于：还包括传动单元，所述传动单元包括设置在所述中部连接体前方的传动机构固定板，在所述传动机构固定板上设置有用于将旋转运动输入转换为直线运动输出的滑轮传动机构，所述滑轮传动机构的输出端通过直线运动机构与驱动骨的一端紧固连接，所述驱动骨的另一端穿过所述近端间隔盘后与近端固定盘紧固连接。

所述中部连接体包括两个通道固定板和设置在两所述通道固定板之间的结构骨引导通道；所述远端构节中的结构骨与所述近端构节中的结构骨一一对应紧固连接或为同一根结构骨，所述结构骨的一端与所述近端固定盘紧固连接，依次穿过所述近端间隔盘、所述结构骨引导通道、所述远端间隔盘，另一端与所述远端固定盘紧固连接。

所述滑轮传动机构包括主动滑轮、从动滑轮、缆绳、滑块、导杆、导杆基座和转向结构骨；所述从动滑轮为两个，分别转动设置在所述传动机构固定板上；所述缆绳的两端分别绕过所述从动滑轮后与所述主动滑轮紧固连接；在位于两个所述从动滑轮之间的所述缆绳上紧固连接所述滑块，所述滑块滑动连接在所述导杆上，所述导杆通过所述导杆基座支撑在所述传动机构固定板上；所述滑块与所述转向结构骨的中部紧固连接，所述转向结构骨的两端穿过所述传动机构固定板向后延伸且分别与一个直线运动机构连接；所述主动滑轮紧固套设在一根驱动轴上，所述驱动轴的后端转动支撑在设置于所述近端结构体后方的柔性手术工具端板上且紧固连接有联轴器公头。

所述中部连接体包括两个通道固定板；所述直线运动机构包括紧固连接在两个所述通道固定板之间的导杆和滑动连接在所述导杆上的转接头，所述转接头的前端与所述转向结构骨紧固连接，后端与所述驱动骨紧固连接。

所述中部连接体包括两个通道固定板和设置在两所述通道固定板之间的结构骨引导通道；每一根转向结构骨均从两个转向结构骨引导通道中穿过，所述转向结构骨引导通道的一端与所述通道固定板紧固连接，另一端与设置在所述传动机构固定板上的支撑架紧固连接。

在所述远端结构体的前端设置有手术执行器，所述手术执行器的控线从所述远端结构体中穿过，另一端与所述执行器驱动机构连接，所述手术执行器驱动机构通过对所述控线的物理推拉实现对所述手术执行器的动作控制。

所述手术执行器驱动机构包括螺杆、螺母、导向套基座、导向套、推拉杆和联轴器公头；所述螺杆转动连接在置于所述近端结构体后方的柔性手术工具端板上且后端与所述联轴器公头紧固连接；所述螺母通过螺纹连接在所述螺杆上；所述导向套基座的前端紧固连接所述导向套，后端紧固连接在所述柔性手术工具端板上；所述导向套的内孔为限制所述螺母仅能在内孔中滑动而不能转动的方孔；所述推杆的后端与所述螺母紧固连接，前端与所述控线紧固连接。

还包括柔性手术工具外壳，所述传动机构固定板和柔性手术工具端板均与所述柔性手术工具外壳紧固连接。

还包括电机驱动单元，所述电机驱动单元通过无菌屏障与所述柔性手术工具连接；所述电机驱动单元包括电机驱动单元壳体、电机固定板以及多个紧固连接在所述电机固定板上的电机，每一个电机的输出轴均紧固连接有第二联轴器公头；所述无菌屏障包括无菌屏障支撑板、无菌屏障外罩和多个转动连接在所述无菌屏障支撑板上的联轴器母头；所述无菌屏障外罩与手术工具外壳采用可拆卸连接方式；所述联轴器母头的前端与所述联轴器公头连接，后端与所述第二联轴器公头连接；在无菌屏障外罩上紧固连接有无菌膜。

在所述电机固定板的前端设置有第一连接销座，在所述无菌屏障支撑板的后端设置有第二连接销座，所述第一连接销座与所述第二连接销座通过销孔连接。

还包括电机驱动单元，所述电机驱动单元通过无菌屏障与所述柔性手术工具连接；所述电机驱动单元包括电机驱动单元壳体、电机固定板和紧固连接在所述电机固定板上的第二电机，所述电机固定板与所述电机驱动单元壳体转动连接，在所述电机驱动单元壳体的内壁紧固连接有内齿圈，所述第二电机的输出轴紧固连接有齿轮，所述齿轮与所述内齿圈啮合。

还包括电机驱动单元壳体和线性模组，所述电机驱动单元壳体与所述柔性手术工具外壳直接或间接连接；所述线性模组包括支架体、紧固连接在所述支架体上的第三电机以及与所述第三电机的输出轴紧固连接的直线进给机构，所述直线进给机构的输出端紧固连接所述电机驱动单元壳体，所述第三电机通过所述直线进给机构驱动所述电机驱动单元壳体带动所述电机驱动单元、无菌屏障和柔性手术工具进行直线运动。

所述直线进给机构包括转动连接在所述支架体上的丝杠，在所述丝杠上套设有与所述丝杠通过螺纹配合的第二滑块，在所述支架体上设置有直线滑槽，所述第二滑块滑动设置在所述直线滑槽中；所述第三电机的输出轴通过联轴器与所述丝杠紧固连接。

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，传动单元与近端结构体关联，当电机驱动单元驱动近端结构体向任意方向弯转时，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(结构骨数量大于三根)，可提高柔性手术工具系统的安全性、可靠性和负载能力。3、本发明柔性手术工具与电机驱动单元之间通过带有无菌膜的无菌屏障连接，从而有效地将系统未消毒的部分与已消毒的部分进行隔离，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多组滑轮传动机构，该滑轮传动机构可将驱动轴旋转运动输入转化为直线运动输出，一股多根刚度较小的转向结构骨固定连接于一组滑轮传动机构内，该股转向结构骨可完成大角度空间弯转并传递所述直线运动输出，所述转向结构骨的两端可分别与刚度较大的不同驱动骨一端固定连接，驱动骨另一端均固定连接于近端结构体内，最终可在较小空间内通过多组滑轮传动机构协同驱动近端结构体向任意方向弯转。5、本发明在远端结构体的前端设置有手术执行器，手术执行器的控线穿过远端结构体，另一端与位于中部连接体处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、本发明在电机驱动单元壳体的内壁紧固设置有内齿圈，在电机固定板上设置有用于驱动除壳体、内齿圈以外的部分进行旋转的电机，因此，利用电机能驱动除电机驱动单元壳体、内齿圈以外的部分整体进行旋转，从而对手术执行器的横滚角度进行调节。7、本发明还设置有线性模组，其与壳体部分进行连接且可以带动壳体进行线性运动，因此，柔性手术臂还具有线性进给自由度。

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是本发明近端结构体的结构示意图；

图4是本发明中部连接体的结构示意图；

图5是本发明传动单元的结构示意图；

图6是本发明滑轮传动机构的结构示意图；

图7是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图；

图8是本发明电机驱动单元的结构示意图；

图9是本发明装上柔性手术工具外壳、无菌屏障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本发明远端结构体采用柔性鞘套时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括柔性手术工具10，柔性手术工具10包括由远端结构体11(如图2所示)、近端结构体16(如图3所示)和中部连接体15(如图5所示)构成的柔性连续体结构和传动单元21。其中，远端结构体11通过中部连接体15与近端结构体16关联；传动单元21与近端结构体16关联，当传动单元21带动近端结构体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包括第一远端构节12和第二远端构节13，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；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。其中，第一远端间隔盘121和第二远端间隔盘131分别间隔分布于第一远端构节12和第二远端构节13中，作用是防止第一构节结构骨123和第二构节结构骨133在受推时失稳。

如图3所示，近端结构体16包括第一近端构节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；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；其中，第一近端间隔盘171和第二近端间隔盘181分别间隔分布于第一近端构节17和第二近端构节18中，作用是防止第一构节结构骨173和第二构节结构骨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。对于每一近端构节17、18和每一远端构节12、13，结构骨的数量为三根以上。

如图4所示，中部连接体15包括两个通道固定板152和固定连接在两个通道固定板152之间的结构骨引导通道151。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。

上述远端结构体11所包括的远端构节数以及近端结构体16所包括的近端构节数也可以是一个或者多于两个，但是近端构节数须与远端构节数保持一致。此外，当远端结构体11所包括的远端构节数为两个以上时，各远端构节之间采用串联的方式连接，即第二构节结构骨从第一远端固定盘、第一远端间隔盘(若第一构节结构骨采用管状结构，也可从第一构节结构骨内穿过)上穿过；当近端结构体16所包括的近端构节数为两个以上时，各构节之间可以采用串联连接、独立设置或嵌套设置(如图3所示)等。

如图1、图5所示，传动单元21包括设置在中部连接体15前方的传动机构固定板24以及设置在传动机构固定板24上的滑轮传动机构22，滑轮传动机构22用于将旋转运动输入转换为直线运动输出，滑轮传动机构22的输出端通过设置在两个通道固定板152之间的两个直线运动机构23与两根驱动骨211的一端分别紧固连接，两根驱动骨211的另一端分别穿过第一近端间隔盘171后与第一近端固定盘172紧固连接，或穿过第二近端间隔盘181后与第二近端固定盘182紧固连接。由此，通过一个滑轮传动机构22，可以对一对驱动骨211进行协同推拉，从而实现第一近端构节17或第二近端构节18的弯转。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173和第一构节结构骨123的分布半径共同决定)向相反的方向弯转；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183和第二构节结构骨133的分布半径共同决定)向相反的方向弯转。在本实施例中，驱动骨211的数量为八根，其中四根与第一近端固定盘172紧固连接，另四根与第二近端固定盘182紧固连接。由于每一个滑轮传动机构22通过两个直线运动机构23可以协同推拉一对驱动骨211，因此，在本实施例中共有四个滑轮传动机构22和八个直线运动机构23，四个滑轮传动机构22分布在两个传动机构固定板24上。

如图5、图6所示，滑轮传动机构22包括主动滑轮221、从动滑轮222、缆绳223、滑块225、导杆224、导杆基座227和转向结构骨226，其中，从动滑轮222为两个，分别转动设置在传动机构固定板24上，缆绳223的两端分别绕过从动滑轮222后与主动滑轮221紧固连接，主动滑轮221紧固套设在驱动轴213上，驱动轴213的后端依次穿过传动机构固定板24、通道固定板152以及设置在近端结构体16后方的柔性手术工具端板106且与联轴器公头212紧固连接，同时，驱动轴213与柔性手术工具端板106之间为转动连接。在位于两个从动滑轮222之间的缆绳223上紧固连接滑块225，滑块225滑动连接在导杆224上，导杆224通过导杆基座227固定支撑在传动机构固定板24上。滑块225与一束转向结构骨226的中部紧固连接，该束转向结构骨226的两端穿过传动机构固定板24向后延伸，并且分别与直线运动机构23连接。直线运动机构23包括紧固连接在两个通道固定板152之间的导杆231和滑动连接在导杆231上的转接头232，转接头232的前端与转向结构骨226紧固连接，后端与驱动骨211紧固连接。

上述实施例中，每一根转向结构骨226均从两个转向结构骨引导通道228中穿过，转向结构骨引导通道的一端与通道固定板152紧固连接，另一端与固定设置在传动机构固定板24前侧的支撑架229紧固连接，转向结构骨引导通道228的作用是保持转向结构骨226受推、拉力时形状不变。

上述实施例中，在远端结构体11的前端设置有手术执行器101(如图2所示)，手术执行器101的控线102从远端结构体11中穿过，另一端与手术执行器驱动机构25连接。手术执行器驱动机构25通过对控线102的物理推拉实现对手术执行器101(如手术钳)的控制。控线102同样也可以传递如电能、高频振动等各种形式的能量从而实现手术执行器101的特定手术功能。如图5、图7所示，手术执行器驱动机构25包括螺杆251、螺母252、导向套基座253、导向套254、推拉杆255和联轴器公头256，其中，螺杆251转动连接在柔性手术工具端板106的中心且后端与联轴器公头256紧固连接，螺母252通过螺纹连接在螺杆251上；导向套基座253的前端紧固连接导向套254，后端紧固连接在柔性手术工具端板106上；导向套254的内孔为方孔且对螺母252形成限制，使螺母252仅能在导向套254的内孔中滑动而不能转动；推拉杆255的后端与螺母252紧固连接，前端与控线102紧固连接。

上述实施例中，如图8、图9所示，本发明还包括电机驱动单元40，电机驱动单元40通过无菌屏障30与柔性手术工具10连接。柔性手术工具10还包括柔性手术工具外壳107，通道固定板152、传动机构固定板24和柔性手术工具端板106均与柔性手术工具外壳107紧固连接。电机驱动单元40包括电机驱动单元壳体401、电机固定板402以及多个紧固连接在电机固定板402上的第一电机(图中未示出)，每一个第一电机的输出轴均紧固连接一个联轴器公头403。如图10所示，无菌屏障30包括无菌屏障支撑板301、无菌屏障外罩302以及多个转动连接在无菌屏障支撑板301上的联轴器母头303，联轴器母头303的后端与联轴器公头403连接，前端与联轴器公头212或联轴器公头256连接。在电机固定板402的前侧设置有连接销座404，在无菌屏障支撑板301的后侧对应设置有连接销座304，连接销座404与连接销座304可通过销孔快速连接；无菌屏障外罩302与手术工具外壳107采用可拆卸连接方式。在无菌屏障外罩302上紧固连接有无菌膜(图中未示出)，用于将可消毒的部分(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等位于无菌屏障之后的部分)进行隔离，保证手术的临床可实施性。

上述实施例中，电机固定板402与电机驱动单元壳体401之间为转动连接，在电机驱动单元壳体401的内壁紧固连接有内齿圈422，在电机固定板402上还紧固连接有第二电机(图中未示出)，第二电机的输出轴紧固连接有齿轮421，齿轮421与内齿圈422啮合。当第二电机的输出轴旋转时，其将带动齿轮421旋转，齿轮421将沿内齿圈422周向行走，从而带动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的轴线进行旋转，从而实现柔性手术工具10的整体旋转，并实现对远端结构体101和手术执行器30的横滚角度控制。

上述实施例中，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230与已消毒部分隔离开)，其包括带有滑槽的支架体501，在支架体501上转动设置有丝杠502，在丝杠502上套设有与丝杠502通过螺纹配合且滑动设置在滑槽中的滑块503，在支架体501的一端设置有电机504，电机504的输出轴与丝杠502通过联轴器紧固连接。电机驱动单元壳体401与滑块503紧固连接。当电机504的输出轴转动时，滑块503将带动电机驱动单元壳体401沿滑槽做线性运动，从而实现柔性手术工具10的进给运动。

上述实施例中，如图1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的外部还可以设置鞘套60(如图2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，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。