本案是基于2018年12月28日提交的名称为“一种柔性手术工具系统”，专利申请号为201811619513.5的发明专利申请的分案申请。
本发明涉及一种医疗器械，尤其涉及一种手术工具系统。
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。
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：
本发明提供一种手术工具系统，该手术工具系统能够较好地实施手术。
本发明采用以下技术方案：
一种手术工具系统，包括：
手术执行器，可被驱动完成在第一平面内的旋转运动和/或在第二平面内的张合运动；
传动驱动单元，包括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，直线运动机构包括用于驱动手术执行器完成第一平面内的旋转运动的双头螺杆和/或驱动手术执行器完成第二平面内的张合运动的双头螺杆。
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；
图4(a)和(b)是本发明手术执行器的结构示意图；
图5是本发明腕关节旋转机构的结构示意图；
图6(a)和(b)是本发明钳关节执行机构的结构示意图；
图7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。
一种柔性手术工具系统，包括：机械臂，所述机械臂包括第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节，所述第一连续体构节和第二连续体构节顺序关联以形成对偶连续体机构；手术执行器，连接在所述第二连续体构节的远端；传动驱动单元，分别与所述刚性连接构节和手术执行器关联，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完成向相反的方向弯转，以及用于驱动所述手术执行器完成在第一平面内的旋转运动和/或在第二平面内的张合运动。
所述的柔性手术工具系统，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；控向连续体结构骨为多对，每对控向连续体结构骨的远端连接在刚性连接固定盘上，近端穿过第一连续体固定盘后分别与第一滑块和第二滑块连接。
所述的柔性手术工具系统，优选的，所述第二连续体构节包括第二连续体固定盘和对偶连续体结构骨；所述对偶连续体结构骨为多根，每根所述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。
所述的柔性手术工具系统，优选的，所述手术执行器包括：手术执行器基座，通过手术执行器连接块连接在所述第二连续体构节的远端；腕关节旋转机构，安装在所述手术执行器基座上并与所述直线运动机构关联，可在所述直线运动机构的驱动下完成在第一平面内的旋转运动；钳关节执行机构，安装在所述腕关节旋转机构上并与所述直线运动机构关联，可随所述腕关节旋转机构同步旋转，同时可在所述直线运动机构的驱动下完成在第二平面内的张合运动。
所述的柔性手术工具系统，优选的，所述腕关节旋转机构包括：腕关节旋转体，转动连接在所述手术执行器基座上；手术执行器外壳，两所述手术执行器外壳对称地安装在所述腕关节旋转体的两侧；腕关节结构骨，所述腕关节结构骨为一对，其中一根所述腕关节结构骨的第一端连接在所述第一滑块上，第二端依次穿过所述第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节后连接在所述腕关节旋转体的一侧，另一根所述腕关节结构骨的第一端连接在所述第二滑块上，第二端依次穿过所述第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节后连接在所述腕关节旋转体的另一侧。
所述的柔性手术工具系统，优选的，所述钳关节执行机构包括：钳关节旋转体，两所述钳关节旋转体转动连接在两所述手术执行器外壳之间；执行钳，两所述执行钳分别一体连接在两所述钳关节旋转体上；转向滑轮，多组所述转向滑轮亦转动连接在两所述手术执行器外壳之间；钳关节结构骨，所述钳关节结构骨为两对，每对中的一根所述钳关节结构骨的第一端连接在所述第一滑块上，第二端依次穿过所述第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节后，再绕过第一组转向滑轮并连接在与之对应的所述钳关节旋转体的一侧，另一根所述钳关节结构骨的第一端连接在所述第二滑块上，第二端依次穿过所述第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节后，再绕过第二组转向滑轮并连接在与之对应的所述钳关节旋转体的另一侧。
所述的柔性手术工具系统，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、腕关节结构骨和钳关节结构骨均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两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两对所述钳关节结构骨连接，以实现所述手术执行器的两个所述钳关节旋转体的旋转自由度；以及一个所述直线运动机构与一对所述腕关节结构骨连接，以实现所述手术执行器的一个所述腕关节旋转体的旋转自由度。
所述的柔性手术工具系统，优选的，所述控向连续体结构骨、腕关节结构骨和钳关节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；同时，在位于所述腕关节旋转体两侧的所述手术执行器基座上分别开设有腕关节结构骨引导孔和钳关节结构骨引导孔，所述腕关节结构骨和钳关节结构骨分别从所述腕关节结构骨引导孔和钳关节结构骨引导孔中穿过。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用基于对偶连续体机构的机械臂和手术执行器为主体，该对偶连续体机构包括顺序关联的第一连续体构节、刚性连接构节和第二连续体构节，并配合以传动驱动单元，其中，传动驱动单元与刚性连接构节关联，同时传动驱动单元与手术执行器关联，因此通过传动驱动单元可以驱动对偶连续体机构向任意方向弯转，以及驱动手术执行器完成在第一平面内的旋转运动和/或在第二平面内的张合运动。2、本发明对偶连续体机构中的对偶连续体结构骨两端固结在第一连续体构节近端和第二连续体构节远端，对偶连续体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。3、本发明在对偶连续体机构的末端设置手术执行器，手术执行器控线一端与腕关节旋转体和/或钳关节旋转体连接，另一端通过转向滑轮与传动驱动单元连接，由此可以实现对手术执行器的腕关节旋转体和/或钳关节旋转体的控制。4、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、腕关节结构骨或钳关节结构骨受推或受拉，从而实现对偶连续体机构向任意方向发生弯转，以及手术执行器的腕关节旋转体和/或钳关节旋转体绕关节轴旋转。
如图1、图2所示，本实施例提供的柔性手术工具系统，包括：机械臂10，该机械臂10包括第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14，第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14顺序关联以形成对偶连续体机构；手术执行器50，连接在第二连续体构节14的远端；传动驱动单元20，分别与刚性连接构节13和手术执行器50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，以及用于驱动手术执行器50完成在第一平面内的旋转运动和/或在第二平面内的张合运动。
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；对偶连续体结构骨143为多根，每根对偶连续体结构骨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。
此外，上述比例关系由对偶连续体结构骨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，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，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4至图6所示，手术执行器50包括：手术执行器基座511，通过手术执行器连接块15连接在第二连续体构节14的远端；腕关节旋转机构53，安装在手术执行器基座511上并与直线运动机构22关联，可在直线运动机构22的驱动下完成在第一平面内的旋转运动；钳关节执行机构54，安装在腕关节旋转机构53上并与直线运动机构22关联，可随腕关节旋转机构53同步旋转，同时可在直线运动机构22的驱动下完成在第二平面内的张合运动。
在上述实施例中，优选的，如图4(a)、图4(b)和图5所示，腕关节旋转机构53包括：腕关节旋转体531，转动连接在手术执行器基座511上；手术执行器外壳512，两手术执行器外壳512对称地安装在腕关节旋转体531的两侧；腕关节结构骨144，腕关节结构骨144为一对，其中一根腕关节结构骨144的第一端连接在第一滑块224上，第二端依次穿过第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14后连接在腕关节旋转体531的一侧，另一根腕关节结构骨144的第一端连接在第二滑块225上，第二端依次穿过第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14后连接在腕关节旋转体531的另一侧。由此，通过进行反向直线运动的第一滑块224和第二滑块225推拉连接于腕关节旋转体531两侧的腕关节结构骨144，驱使腕关节旋转体531的正反向旋转，进而带动手术执行器外壳512在垂直于腕关节旋转体531旋转轴的第一平面内完成旋转运动。
在上述实施例中，优选的，如图4(a)、图4(b)、图6(a)和图6(b)所示，钳关节执行机构54包括：钳关节旋转体532，两钳关节旋转体532转动连接在两手术执行器外壳512之间；执行钳541，两执行钳541分别一体连接在两钳关节旋转体532上；转向滑轮533，多组转向滑轮533亦转动连接在两手术执行器外壳512之间；钳关节结构骨145，钳关节结构骨145为两对，每对中的一根钳关节结构骨145的第一端连接在第一滑块224上，第二端依次穿过第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14后，再绕过第一组转向滑轮533并连接在与之对应的钳关节旋转体532的一侧，另一根钳关节结构骨145的第一端连接在第二滑块225上，第二端依次穿过第一连续体构节12、刚性连接构节13和第二连续体构节14后，再绕过第二组转向滑轮533并连接在该钳关节旋转体532的另一侧。由此，通过进行反向直线运动的第一滑块224和第二滑块225推拉连接于钳关节旋转体532两侧的钳关节结构骨145，并借助转向滑轮533的转向，驱使两钳关节旋转体532向相反的方向正反向旋转，从而带动两个执行钳541在垂直钳关节滑轮532旋转轴的第二平面内完成张合运动。
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、腕关节结构骨144和钳关节结构骨145均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、腕关节结构骨144和钳关节结构骨145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，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，以对对偶连续体结构骨143进行限位。
在上述实施例中，优选的，如图3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。
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/或第二导杆223上套设定位套筒401对连接板212和/或第三支撑板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分别与两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分别与两对钳关节结构骨145连接，以实现手术执行器50的两个钳关节旋转体532的旋转自由度；以及一个直线运动机构22与一对腕关节结构骨144连接，以实现手术执行器50的一个腕关节旋转体531的旋转自由度。
在上述实施例中，优选的，如图3所示，控向连续体结构骨123、腕关节结构骨144和钳关节结构骨145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；同时，如图4(a)所示，在位于腕关节旋转体531两侧的手术执行器基座511上分别开设有腕关节结构骨引导孔521和钳关节结构骨引导孔522，腕关节结构骨144和钳关节结构骨145分别从腕关节结构骨引导孔521和钳关节结构骨引导孔522中穿过。
在上述实施例中，优选的，如图3所示，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7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。