一种双弯曲型柔性手术工具系统的制作方法

本发明涉及一种医疗器械，尤其涉及一种基于对偶连续体机构的双弯曲型柔性手术工具系统。

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intuitivesurgical公司(美国直觉外科公司)的davinci(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。

现有手术器械的灵活性，受限于刚性结构体和钢丝绳的驱动方式，而且体积较大。虽然intuitivesurgical公司近期推出了davincisingle-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基于对偶连续体机构的双弯曲型柔性手术工具系统，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。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双弯曲型柔性手术工具系统，包括：机械臂，所述机械臂包括第一连续体构节、刚性连接构节、第二连续体构节和第三连续体构节，所述第一连续体构节和第二连续体构节关联以形成第一对偶连续体机构；近端连续体构节，布置在所述第一连续体构节近端，并与布置在所述第二连续体构节远端的所述第三连续体构节关联以形成第二对偶连续体机构；传动驱动单元，分别与所述刚性连接构节和近端连续体构节关联，用于驱动所述第一连续体构节向任意方向弯转，进而耦合驱动所述第二连续体构节向相反的方向弯转，以及驱动所述近端连续体构节向任意方向弯转，进而耦合驱动所述第三连续体构节向相反的方向弯转。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述传动驱动单元包括主要由双头螺杆、第一滑块和第二滑块组成的多个直线运动机构；所述第一连续体构节包括第一连续体固定盘和控向连续体结构骨，所述刚性连接构节包括刚性连接固定盘；所述控向连续体结构骨为多对，每对所述控向连续体结构骨的远端连接在所述刚性连接固定盘上，近端穿过所述第一连续体固定盘后分别与所述第一滑块和第二滑块连接。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述机械臂还包括刚性进给构节，所述刚性进给构节包括刚性进给构节间隔盘，多个所述刚性进给构节间隔盘间隔分布在所述第一连续体固定盘的近端侧；所述第一连续体构节还包括第一连续体间隔盘，多个所述第一连续体间隔盘间隔分布在所述第一连续体固定盘的远端侧和所述刚性连接固定盘的近端侧之间；所述控向连续体结构骨依次穿过所述刚性进给构节间隔盘和所述第一连续体间隔盘。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述第二连续体构节包括第二连续体固定盘和第一对偶连续体结构骨；所述第一对偶连续体结构骨为多根，每根所述第一对偶连续体结构骨的远端连接在所述第二连续体固定盘上，近端穿过所述刚性连接固定盘后连接在所述第一连续体固定盘上。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述刚性连接构节还包括刚性连接间隔盘，多个所述刚性连接间隔盘间隔分布在所述刚性连接固定盘的远端侧；所述第二连续体构节还包括第二连续体间隔盘，多个所述第二连续体间隔盘间隔分布在所述第二连续体固定盘的近端侧；所述第一对偶连续体结构骨依次穿过所述第一连续体间隔盘、刚性连接间隔盘和第二连续体间隔盘。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述近端连续体构节包括近端连续体固定盘和近端连续体结构骨，所述近端连续体结构骨为多对，每对所述近端连续体结构骨的远端连接在所述近端连续体固定盘上，近端直接与所述第一滑块和第二滑块连接。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述第三连续体构节包括第三连续体固定盘和第二对偶连续体结构骨，所述第二对偶连续体结构骨为多根，每根所述第二对偶连续体结构骨的远端连接在所述第三连续体远端固定盘上，近端穿过所述第一连续体固定盘、刚性连接固定盘、第二连续体固定盘后与所述近端连续体固定盘连接。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，该柔性手术工具系统还包括手术执行机构，所述手术执行机构包括：手术执行器，安装在所述第三连续体固定盘上；手术执行器控线，所述手术执行器控线的远端与所述手术执行器连接，近端穿过所述机械臂后与所述第一滑块或第二滑块连接。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述第三连续体构节还包括第三连续体间隔盘，多个所述第三连续体间隔盘间隔分布在所述第三连续体固定盘的远端侧和所述第二连续体连接固定盘的远端侧之间，所述第二对偶连续体结构骨和手术执行器控线均依次穿过各所述刚性进给构节间隔盘、第一连续体间隔盘，刚性连接间隔盘、第二连续体间隔盘和第三连续体间隔盘。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述直线运动机构为五个：其中,第一对所述直线运动机构分别与一对所述控向连续体结构骨连接，以实现所述第一连续体构节在两个方向上的弯转自由度；第二对所述直线运动机构分别与一对所述近端连续体结构骨连接，以实现所述第三连续体构节在两个方向上的弯转自由度；以及一个所述直线运动机构与所述手术执行器控线连接，以实现手术执行器的动作控制。

所述的双弯曲型柔性手术工具系统，优选的，所述控向连续体结构骨和第二对偶连续体结构骨通过引导通道穿过引导盘后分别与所述第一滑块和第二滑块连接，所述手术执行器控线亦通过所述引导通道穿过所述引导盘后与所述第一滑块或第二滑块连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设置由第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节顺序关联的第一对偶连续体机构，同时在第一对偶连续体机构的远端设置第三连续体构节，第三连续体构节的结构骨通过第一对偶连续体机构与近端连续体构节连接以形成第二对偶连续体机构，并配合以传动驱动单元，传动驱动单元分别与刚性连接构节和近端连续体构节关联，因此通过传动驱动单元可以驱动第一对偶连续体机构和第二对偶连续体机构向任意方向弯转。由此，第一对偶连续体机构和第二对偶连续体机构形成双弯曲型机械臂，增加了手术工具运动灵活性，扩展了手术工具的运动空间，能够使得在体外机械臂保持固定位置的状态下，提供手术工具在体内的足够大的覆盖范围并达到手术动作的精确控制，从而使手术工具的运动性能更加优越，并且有助于提高手术器械的运动性能，实现手术器械的小型化、量轻化。2、本发明的第一对偶连续体机构中的结构骨两端分别固结在第一连续体构节近端和第二连续体构节远端，该结构骨在驱动过程中长度保持不变，因此第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节的总长度保持不变，当传动驱动单元驱动第一连续体构节向某一方向弯转，第二连续体构节的耦合运动也被唯一确定。同样的，第二对偶连续体机构的结构骨在驱动过程中长度也保持不变，当传动驱动单元驱动近端连续体构节向某一个方向弯曲，第三连续体构节的耦合运动也被唯一确定。3、本发明的传动驱动单元采用双头螺杆、滑块作为直线运动机构，当驱动双头螺杆旋转时，与该双头螺杆配合的两滑块以相同的速度进行反向直线运动，从而带动与滑块连接的控向连续体结构骨或近端连续体结构骨受推或受拉，从而实现第一或第二对偶连续体机构向任意方向发生弯转。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明基于对偶连续体机构的机械臂的结构示意图；

图3是本发明传动驱动单元的结构示意图；

图4是本发明直线运动机构的立体图；

图5是本发明直线运动机构的仰视图；

图6是本发明安装壳体、封皮和外套管后的结构示意图。

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。

如图1、图2所示，本实施例提供的双弯曲型柔性手术工具系统，包括机械臂10、近端连续体构节17和传动驱动单元20，该机械臂10包括第一连续体构节12、刚性连接构节13、第二连续体构节14和第三连续体构节15，第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14顺序关联以形成第一对偶连续体机构；第三连续体构节15布置在第二连续体构节14的远端，并与布置在传动驱动单元20中的近端连续体构节17关联以形成第二对偶连续体机构；传动驱动单元20分别与刚性连接构节13和近端连续体构节17关联，用于驱动第一连续体构节12向任意方向弯转，进而耦合驱动第二连续体构节14完成向相反的方向弯转，以及驱动近端连续体构节17向任意方向弯转，进而耦合驱动第三连续体构节15完成向相反的方向弯转。

在上述实施例中，优选的，如图3所示，传动驱动单元20包括多个用于将旋转运动输入转换为直线运动输出的直线运动机构22，直线运动机构22包括：双头螺杆221，双头螺杆221可旋转且其上两个螺纹段的螺纹旋向相反；第一滑块224和第二滑块225，分别旋接在双头螺杆221的两个螺纹段上。当双头螺杆221旋转时，第一滑块224和第二滑块225沿双头螺杆221以相同的速度进行反向直线运动。

在上述实施例中，优选的，如图2所示，第一连续体构节12包括第一连续体固定盘122和控向连续体结构骨123，刚性连接构节13包括刚性连接固定盘132，第二连续体构节14包括第二连续体固定盘142和第一对偶连续体结构骨143；控向连续体结构骨123为多对，每对控向连续体结构骨123的远端连接在刚性连接固定盘132上，近端穿过第一连续体固定盘122后分别与第一滑块224和第二滑块225连接；第一对偶连续体结构骨143为多根，每根第一对偶连续体结构骨143的远端连接在第二连续体固定盘142上，近端穿过刚性连接固定盘132后连接在第一连续体固定盘122上。由此，通过进行反向直线运动的第一滑块224和第二滑块225推拉与之连接的一对控向连续体结构骨123，驱动第一连续体构节12向某一方向弯转，进而耦合驱动第二连续体构节14沿一定的比例关系向相反方向进行弯转。由于第一对偶连续体结构骨143在驱动过程中的长度保持不变，使得由第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14构成的对偶连续体机构的总长度也保持不变，因此第二连续体构节14的耦合运动也被唯一确定。

近端连续体构节17包括近端连续体固定盘172和近端连续体结构骨173，第三连续体构节15包括第三连续体固定盘152和第二对偶连续体结构骨153；近端连续体结构骨173为多对，每对近端连续体结构骨173的远端连接在近端连续体固定盘172上，近端直接与第一滑块224和第二滑块225连接；第二对偶连续体结构骨153为多根，每根第二对偶连续体结构骨153的远端连接在第三连续体远端固定盘152上，近端穿过第一连续体固定盘122、刚性连接固定盘132、第二连续体固定盘142后与近端连续体固定盘172连接。由此，通过进行反向直线运动的第一滑块224和第二滑块225推拉与之连接的一对近端连续体结构骨173，驱动近端连续体构节17向某一方向弯转，进而耦合驱动第三连续体构节15沿一定的比例关系向相反方向进行弯转。由于第二对偶连续体结构骨153在驱动过程中的长度保持不变，使得由第三连续体构节15和近端连续体构节17构成的对偶连续体机构的总长度也保持不变，因此第三连续体构节15的耦合运动也被唯一确定。

此外，第二连续体构节14弯转的比例关系由第一对偶连续体结构骨143在第一连续体构节12和第二连续体构节14的分布半径共同决定，第三连续体构节15弯转的第二对偶连续体结构骨153在第三连续体构节15和近端连续体构节17的分布半径共同决定。在该优选的实施例中，第一连续体构节12和第二连续体构节14的分布半径相等，因此第一连续体构节12和第二连续体构节14将会产生等比相反的弯转，由此保证第一连续体固定盘122和第二连续体固定盘142在驱动过程中始终保持互相平行。

在上述实施例中，优选的，如图1、图2所示，该柔性手术工具系统还包括手术执行机构16，该手术执行机构16包括：手术执行器50，安装在第三连续体固定盘152上；手术执行器控线163，手术执行器控线163的远端与手术执行器50连接，近端穿过机械臂10后与第一滑块224或第二滑块225连接，可在直线运动机构22的驱动下实现对手术执行器50的张合动作控制。

在上述实施例中，优选的，如图2所示，机械臂10还包括刚性进给构节11，刚性进给构节11包括刚性进给构节间隔盘111，多个刚性进给构节间隔盘111间隔分布在第一连续体固定盘122的近端侧；第一连续体构节12还包括第一连续体间隔盘121，多个第一连续体间隔盘121间隔分布在第一连续体固定盘122的远端侧和刚性连接固定盘132的近端侧之间，控向连续体结构骨123依次穿过各刚性进给构节间隔盘111和各第一连续体间隔盘121，以防止控向连续体结构骨123在受推时失稳。

刚性连接构节13还包括刚性连接间隔盘131，多个刚性连接间隔盘131间隔分布在刚性连接固定盘132的远端侧；第二连续体构节14还包括第二连续体间隔盘141，多个第二连续体间隔盘141间隔分布在第二连续体固定盘142的近端侧，第一对偶连续体结构骨143依次穿过第一连续体间隔盘121、刚性连接间隔盘131和第二连续体间隔盘141，以对第一对偶连续体结构骨143进行限位。

第三连续体构节15还包括第三连续体间隔盘151，多个第三连续体间隔盘151间隔分布在第三连续体固定盘152的远端侧和第二连续体连接固定盘142的远端侧之间，第二对偶连续体结构骨153和手术执行器控线163均依次穿过各刚性进给构节间隔盘111、第一连续体间隔盘121，刚性连接间隔盘131、第二连续体间隔盘141和第三连续体间隔盘151，以对第二对偶连续体结构骨153进行限位，同时防止手术执行器控线163在受推时失稳。

在上述实施例中，优选的，如图3到图5所示，传动驱动单元20还包括基础框架21，基础框架21包括：第一支撑板211和第二支撑板213，第一支撑板211和第二支撑板213间隔布置，双头螺杆221沿轴向转动连接在第一支撑板211和第二支撑板213上；第一导杆222和第二导杆223，沿轴向连接在第一支撑板211和第二支撑板213之间，第一滑块224和第二滑块225分别滑动连接在第一导杆222和第二导杆223上，第一导杆222和第二导杆223起限位和导向作用，使第一滑块224和第二滑块225能够平稳地进行反向直线运动；压紧块226，控向连续体结构骨123、近端连续体结构骨173和手术执行器控线163均通过压紧块226与第一滑块224和第二滑块225固定在一起。

在上述实施例中，优选的，基础框架21还包括：连接板212，设置在第一支撑板211与第二支撑板213之间并连接在第二导杆223上，双头螺杆221从连接板212上穿过且与连接板212之间留有间隙，连接板212用于将双头螺杆221的两个螺纹段隔开；第三支撑板214，通过第一导杆222连接在第二支撑板213上，以使第二支撑板213和第三支撑板214之间形成其他所需电器元件的布置空间。

在上述实施例中，优选的，可以在第一导杆222和第二导杆223上套设定位套筒401对连接板212和第三支撑板214进行定位；或者，第一支撑板211与第二支撑板213也可以通过带有螺纹的支撑杆固定连接，此时，第一支撑板211、第二支撑板213以及连接板212之间的定位可以通过配合连接在支撑杆上的定位螺母锁紧来实现，即用定位螺母代替定位套筒401。

在上述实施例中，优选的，直线运动机构(22)为五个：其中,第一对直线运动机构(22)分别与一对控向连续体结构骨(123)连接，以实现第一连续体构节(12)在两个方向上的弯转自由度；第二对直线运动机构(22)分别与一对近端连续体结构骨(173)连接，以实现第三连续体构节(15)在两个方向上的弯转自由度；以及一个直线运动机构(22)与手术执行器控线(163)连接，以实现手术执行器(50)的动作控制。

在上述实施例中，优选的，控向连续体结构骨123和第二对偶连续体结构骨153通过引导通道161穿过引导盘162后分别与第一滑块224和第二滑块225连接，手术执行器控线163亦通过引导通道161穿过引导盘162后与第一滑块224或第二滑块225连接。

在上述实施例中，优选的，双头螺杆221与安装在第三支撑板214上的联轴器公头402的连接，进而可以通过联轴器母头与驱动电机转轴连接。

在上述实施例中，优选的，如图6所示，在传动驱动单元20的外部设置壳体230，第一支撑板211和第二支撑板213均与壳体230连接。同时，在机械臂10的外部设置有封皮171，其作用为改善机械臂10进入人体自然腔道或手术切口的顺畅性。此外，在封皮171的外部还可以设置外套管172。

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和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。