钳页独立运动的多自由度手术器械及末端执行器

摘要

本发明涉及一种钳页独立运动的多自由度手术器械及末端执行器，其解决了现有手术器械末端执行器的灵活性差，两片钳页同时运动，限制了钳页开合的灵活性，同时也局限了手术的种类的技术问题。末端执行器包括第一钳页、第二钳页、支撑座、俯仰环、第一驱动轮、第一主动齿轮、第二驱动轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、中心轴、转轴、导丝轮一、导丝轮二、导丝轮三、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳和第四钢丝绳。本发明广泛用于微创手术机器人技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及微创外科手术器械技术领域，具体而言，涉及一种钳页独立运动的多自由度手术器械及末端执行器。

背景技术

参考申请公布号为CN109091237A、名称为微创手术器械辅助系统的中国发明专利申请，以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。

参考申请公布号为CN109091238A、名称为分体式微创手术器械辅助系统的中国发明专利申请，微创外科手术机器人系统包括医生操作台，外科医生通过操作医生机械臂来精准地控制患者操作台的机械臂上的一个或多个手术器械执行各种手术动作。

参考授权公告号为CN105286989B的发明专利以及授权公告号为CN105286999B的发明专利，外科手术器械是外科手术操作的必备工具，其可以执行不同功能，包括夹持、切除、切割、缝合、吻合等。外科手术器械具有不同的配置，其包括执行末端，腕节、器械杆、器械盒等，外科手术器械被插入，穿过开口，以实施远程外科手术。手术过程中，患者机械臂套装无菌帷帘附件，以隔离手术器械和周围区域，维持患者操作台的清洁。手术器械需通过无菌帷帘附件上的器械转接座与患者机械臂上的器械升降座连接，并接收来自机械臂的电能、机械能及其他信号。同时，为满足不同手术操作任务(夹持、缝合、打节等)的动作需求，手术器械还可随时更换并与连接至患者机械臂上的器械安装座重新连接。

然而，现有手术器械末端执行器的灵活性差，两片钳页同时运动，限制了钳页开合的灵活性，同时也局限了手术的种类。

发明内容

本发明就是为了解决现有手术器械末端执行器的灵活性差，两片钳页同时运动，限制了钳页开合的灵活性，同时也局限了手术的种类的技术问题，提供了一种钳页独立运动的多自由度手术器械及末端执行器。

本发明提供的一种末端执行器，包括第一钳页、第二钳页、支撑座、俯仰环、第一驱动轮、第一主动齿轮、第二驱动轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、中心轴、转轴、导丝轮一、导丝轮二、导丝轮三、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳和第四钢丝绳；

导丝轮一与支撑座的一个侧边转动连接，导丝轮二与支撑座的另一个侧边转动连接，导丝轮三与支撑座的中部转动连接；

第一从动齿轮与第一钳页的下端固定连接，第二从动齿轮与第二钳页固定连接；

俯仰环呈山字型，其设有中部、第一侧部、第二侧部，第一侧部设有第一轴孔，第二侧部设有第二轴孔；中部上沿宽度方向设有中心轴孔，沿长度方向设有斜孔；中部和第一侧部之间是第一从动齿轮容纳空间，中部和第二侧部之间是第二从动齿轮容纳空间；俯仰环的底部设有第一弧形丝槽和第二弧形丝槽；

转轴穿过俯仰环中部的斜孔，转轴的一端插入俯仰环的第一轴孔中实现定位，转轴的另一端插入俯仰环的第二轴孔中实现定位；

中心轴设有倾斜通孔，中心轴穿过俯仰环的中心轴孔，转轴的中部穿过中心轴的倾斜通孔；俯仰环能够以中心轴为基准转动；

第一从动齿轮位于俯仰环的第一从动齿轮容纳空间中，第二从动齿轮位于俯仰环的第二从动齿轮容纳空间中；转轴穿过第一钳页的下端，第一钳页的下端与转轴转动连接，转轴穿过第一从动齿轮的中心孔；转轴穿过第二钳页的下端，第二钳页的下端与转轴转动连接，转轴穿过第二从动齿轮的中心孔；

第一主动齿轮与第一驱动轮固定连接，第一钢丝绳与第一驱动轮固定连接，第一钢丝绳缠绕在第一驱动轮后交叉绕过导丝轮一；

第二主动齿轮与第二驱动轮固定连接，第二钢丝绳与第二驱动轮固定连接，第二钢丝绳缠绕在第二驱动轮后交叉绕过导丝轮二；

第一从动齿轮与第一主动齿轮啮合，第二从动齿轮与第二主动齿轮啮合；

中心轴的两端分别与支撑座的两个侧边固定连接，中心轴穿过第一驱动轮，第一驱动轮与中心轴转动连接，中心轴穿过第一主动齿轮的中心孔；中心轴穿过第二驱动轮，第二驱动轮与中心轴转动连接，中心轴穿过第二主动齿轮的中心孔；

导丝轮三设有第一导向槽和第二导向槽，第三钢丝绳绕过导丝轮三的第一导向槽后嵌入俯仰环底部的第一弧形丝槽，第四钢丝绳绕过导丝轮三的第二导向槽后嵌入俯仰环底部的第二弧形丝槽，第三钢丝绳的上端、第四钢丝绳的上端分别与俯仰环的两侧固定连接；

第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳、第四钢丝绳均穿过支撑座。

优选地，第一钢丝绳通过第一丝节与第一驱动轮固定连接，第一钢丝绳穿过第一丝节，第一丝节和第一钢丝绳固定连接，第一丝节的两个端面为相互平行的斜面，第一驱动轮上设有第一丝节安装槽，第一丝节安装槽设有两个斜面，第一丝节嵌入第一驱动轮上的第一丝节安装槽中并焊接在一起，第一丝节安装槽的两个斜面与第一丝节的两个斜面匹配；

第二钢丝绳通过第二丝节与第二驱动轮固定连接，第二钢丝绳穿过第二丝节，第二丝节和第二钢丝绳固定连接，第二丝节的两个端面为相互平行的斜面，第二驱动轮设有第二丝节安装槽，第二丝节安装槽设有与第二丝节的两个斜面匹配的两个斜面，第二丝节嵌入第二驱动轮上的丝节安装槽并焊接在一起。

优选地，俯仰环的两侧设有第一丝节定位孔、第二丝节定位孔；第一丝节定位孔与第一弧形丝槽连通；第二丝节定位孔与第二弧形丝槽连通；

第三钢丝绳的上端连接有第三丝节，第三丝节固定连接在第一丝节定位孔中，第四钢丝绳的上端连接有第四丝节，第四丝节固定连接在第二丝节定位孔中。

本发明还提供一种钳页独立运动的多自由度手术器械，包括末端执行器、器械杆和器械盒，器械杆与器械盒连接，末端执行器与器械杆连接；

末端执行器，包括第一钳页、第二钳页、支撑座、俯仰环、第一驱动轮、第一主动齿轮、第二驱动轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、中心轴、转轴、导丝轮一、导丝轮二、导丝轮三、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳和第四钢丝绳；

导丝轮一与支撑座的一个侧边转动连接，导丝轮二与支撑座的另一个侧边转动连接，导丝轮三与支撑座的中部转动连接；

第一从动齿轮与第一钳页的下端固定连接，第二从动齿轮与第二钳页固定连接；

俯仰环呈山字型，其设有中部、第一侧部、第二侧部，第一侧部设有第一轴孔，第二侧部设有第二轴孔；中部上沿宽度方向设有中心轴孔，沿长度方向设有斜孔；中部和第一侧部之间是第一从动齿轮容纳空间，中部和第二侧部之间是第二从动齿轮容纳空间；俯仰环的底部设有第一弧形丝槽和第二弧形丝槽；

转轴穿过俯仰环中部的斜孔，转轴的一端插入俯仰环的第一轴孔中实现定位，转轴的另一端插入俯仰环的第二轴孔中实现定位；

中心轴设有倾斜通孔，中心轴穿过俯仰环的中心轴孔，转轴的中部穿过中心轴的倾斜通孔；俯仰环能够以中心轴为基准转动；

第一从动齿轮位于俯仰环的第一从动齿轮容纳空间中，第二从动齿轮位于俯仰环的第二从动齿轮容纳空间中；转轴穿过第一钳页的下端，第一钳页的下端与转轴转动连接，转轴穿过第一从动齿轮的中心孔；转轴穿过第二钳页的下端，第二钳页的下端与转轴转动连接，转轴穿过第二从动齿轮的中心孔；

第一主动齿轮与第一驱动轮固定连接，第一钢丝绳与第一驱动轮固定连接，第一钢丝绳缠绕在第一驱动轮后交叉绕过导丝轮一；

第二主动齿轮与第二驱动轮固定连接，第二钢丝绳与第二驱动轮固定连接，第二钢丝绳缠绕在第二驱动轮后交叉绕过导丝轮二；

第一从动齿轮与第一主动齿轮啮合，第二从动齿轮与第二主动齿轮啮合；

中心轴的两端分别与支撑座的两个侧边固定连接，中心轴穿过第一驱动轮，第一驱动轮与中心轴转动连接，中心轴穿过第一主动齿轮的中心孔；中心轴穿过第二驱动轮，第二驱动轮与中心轴转动连接，中心轴穿过第二主动齿轮的中心孔；

导丝轮三设有第一导向槽和第二导向槽，第三钢丝绳绕过导丝轮三的第一导向槽后嵌入俯仰环底部的第一弧形丝槽，第四钢丝绳绕过导丝轮三的第二导向槽后嵌入俯仰环底部的第二弧形丝槽，第三钢丝绳的上端、第四钢丝绳的上端分别与俯仰环的两侧固定连接；

第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳、第四钢丝绳均穿过支撑座。

本发明的有益效果是，末端执行器结构紧凑，运动灵活，每个钳也可以独立动作，节省了空间，减少手术器械钳头尺寸。两个钳页的开合角度也增大。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是钳页独立运动的多自由度手术器械的结构示意图；

图2是末端执行器安装在器械杆上的结构示意图；

图3是末端执行器的结构示意图；

图4是末端执行器的结构示意图；

图5是第一从动齿轮与第一钳页连接的结构示意图；

图6是第二从动齿轮与第二钳页连接的结构示意图；

图7是俯仰环的结构示意图；

图8是俯仰环的局部剖视图；

图9是中心轴的结构示意图；

图10是第一主动齿轮和第一驱动轮连接的结构示意图；

图11是两根钢丝绳绕过导丝轮三与俯仰环连接的示意图；

图12是第一主动齿轮与第一驱动轮固定连接的结构示意图；

图13是第一主动齿轮与第一驱动轮固定连接的结构示意图；

图14是图13所示结构的主视图；

图15是图13所示结构的侧视图；

图16是第一丝节的立体图；

图17是第一丝节的俯视图。

图18是第一钢丝绳缠绕在第一驱动轮、导丝轮一上的结构示意图；

图19是第一钳页下端的第一从动齿轮与第一主动齿轮啮合，第二钳页下端的第二从动齿轮与第二主动齿轮啮合的结构示意图；

图20是俯仰环的底部设置弧形丝槽的结构示意图；

图21是俯仰环的局部剖视图；

图22是第三丝节安装在丝节定位孔中的示意图；

图23是转轴穿过俯仰环，两个钳页与转轴连接的结构示意图；

图24是图18所示结构另一视角的视图；

图25是图18所示结构另一视角的视图。

图中符号说明：

1.末端执行器，1-1开合方向，1-2.偏转方向，001.支撑座，002.俯仰环，002-1.转轴连接孔，002-2.转轴连接孔；004-1.第二驱动轮，005.中心轴，006.第一钳页，007.第二钳页，008.轴2，009.导丝轮一，010.导丝轮二，011.导丝轮三，012.轴三，013.轴四，014.轴五，015.第一从动齿轮，016.第二从动齿轮，020.第三钢丝绳，021.第四钢丝绳；2.器械杆，3.器械盒。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，钳页独立运动的多自由度手术器械包括末端执行器1、器械杆2、器械盒3，器械杆2与器械盒3连接，末端执行器1与器械杆2连接，器械盒3采用现有技术的结构，器械杆2采用现有技术的结构。如图2所示，末端执行器1具有两个钳页，第一钳页006、第二钳页007能够实现开合，也能够实现偏转。

如图3和4所示。末端执行器1包括支撑座001、俯仰环002、第一驱动轮003-1、第一主动齿轮003-2、第二驱动轮004-1、第二主动齿轮003-3、第一从动齿轮015、第二从动齿轮016、中心轴005、第一钳页006、第二钳页007、转轴008、导丝轮一009、导丝轮二010、导丝轮三011、轴三012、轴四013，轴五014。

导丝轮一009通过轴三12与支撑座001的一个侧边转动连接，导丝轮二010通过轴四013与支撑座001的另一个侧边转动连接，导丝轮三011通过轴五014与支撑座001的中部转动连接。

如图5所示，第一从动齿轮015与第一钳页006的下端固定连接，如图6所示，第二从动齿轮016与第二钳页007固定连接。

如图7和8所示，俯仰环002整体呈“山”字型，其设有中部002-1、第一侧部002-2、第二侧部002-3，第一侧部002-2设有第一轴孔002-2-1，第二侧部002-3设有第二轴孔002-3-1。中部002-1上沿宽度方向设有中心轴孔002-1-1，沿长度方向设有斜孔002-1-2。中部002-1和第一侧部002-2之间是第一从动齿轮容纳空间，中部002-1和第二侧部002-3之间是第二从动齿轮容纳空间。

转轴008穿过俯仰环002的斜孔002-1-2，转轴008的一端插入第一轴孔002-2-1中实现定位，转轴008的另一端插入第二轴孔002-3-1实现定位。

如图9所示，中心轴005设有倾斜通孔005-1，倾斜通孔005-1的轴线与竖直线成a角度。中心轴005穿过俯仰环002的中心轴孔002-1-1，转轴008的中部穿过中心轴005的倾斜通孔005-1。俯仰环002能够以中心轴005为基准转动。

第一从动齿轮015位于俯仰环002的第一从动齿轮容纳空间中，第二从动齿轮位于俯仰环002的第二从动齿轮容纳空间中。转轴008穿过第一钳页006的下端实现第一钳页006的下端与转轴008转动连接，转轴008穿过第一从动齿轮015的中心孔。转轴008穿过第二钳页007的下端实现第二钳页007的下端与转轴008转动连接，转轴008穿过第二从动齿轮的中心孔。

如图10和11所示，第一主动齿轮003-2与第一驱动轮003-1固定连接。第一钢丝绳0033穿过第一丝节0032，第一丝节0032和第一钢丝绳0033通过压接方式固定结合在一起。如图16-17所示，第一丝节0032的两个端面为斜面(分别是斜面0032-1、斜面0032-2，斜面0032-1和斜面0032-2平行)。如图12-15所示，第一驱动轮003-1上的第一丝节安装槽为斜槽，该斜槽设有与斜面0032-1、斜面0032-2匹配的斜面003-1-1、斜面003-1-2。第一丝节0032嵌入第一驱动轮003-1上的第一丝节安装槽中，斜面0032-1与斜面003-1-1吻合并焊接在一起，斜面0032-2与斜面003-1-2吻合并焊接在一起。如图18所示，第一钢丝绳0033缠绕在第一驱动轮003-1后交叉绕过导丝轮一009，第一丝节安装槽设置为斜槽以及第一丝节的斜面设计，此结构使第一钢丝绳0033两个走向部分交叉处无接触(参考图24和25)，避免了钢丝绳的接触式摩擦，增加器械的安全性。第一钢丝绳0033通过第一丝节0032与第一驱动轮003-1连接，加工制造方便。

同理，第二主动齿轮与第二驱动轮固定连接，第二钢丝绳穿过第二丝节，第二丝节和第二钢丝绳通过压接方式固定结合在一起，第二丝节的两个端面为相互平行的斜面，第二驱动轮上的第二丝节安装槽为斜槽，该斜槽设有与第二丝节的两个斜面匹配的两个斜面。第二丝节嵌入第二驱动轮上的第二丝节安装槽并焊接在一起。第二钢丝绳缠绕在第二驱动轮后交叉绕过导丝轮二010。第一钢丝绳003、第二钢丝绳穿过支撑座001。

如图19所示，第一钳页006下端的第一从动齿轮015与第一主动齿轮003-2啮合，第二钳页007下端的第二从动齿轮016与第二主动齿轮003-3啮合，第一钳页006下端的第一从动齿轮015与第二主动齿轮003-3不啮合，第二钳页007下端的第二从动齿轮016与第一主动齿轮003-2不啮合。当第一钢丝绳0033带动第一驱动轮003-1转动时，第一主动齿轮003-2随之转动，进而第一主动齿轮003-2带动第一从动齿轮015转动，从而使第一钳页006转动；当第二钢丝绳带动第二驱动轮转动时，带动第二从动齿轮转动，从而使第二钳页007转动；从而实现两个钳页的张开、闭合，而且可独立控制其中任何一个钳页的运动(其中一个钳页静止，另一个钳页运动)，互不干涉。

中心轴005的两端分别与支撑座001上部的两个侧边固定连接。中心轴005穿过第一驱动轮003-1，第一驱动轮003-1与中心轴005转动连接，中心轴005穿过第一主动齿轮003-2的中心孔。中心轴005穿过第二驱动轮004-1，第二驱动轮004-1与中心轴005转动连接，中心轴005穿过第二主动齿轮的中心孔。

如图20所示，俯仰环002的底部设有第一弧形丝槽002-4、第二弧形丝槽002-5。如图21所示，俯仰环002的两侧设有第一丝节定位孔002-6、第二丝节定位孔002-7。第一丝节定位孔002-6与第一弧形丝槽002-4连通。第二丝节定位孔002-7与第二弧形丝槽002-5连通。

导丝轮三011设有第一导向槽和第二导向槽。第三钢丝绳020绕过导丝轮三011的第一导向槽后嵌入俯仰环002底部的第一弧形丝槽002-4中，第四钢丝绳021绕过导丝轮三011的第二导向槽后嵌入俯仰环002底部的第二弧形丝槽002-5中。第三丝节019与第三钢丝绳020的上端连接，第三丝节019固定安装在第一丝节定位孔002-6中。第四丝节与第四钢丝绳021的上端连接，第四丝节固定安装在第二丝节定位孔002-7中。第三钢丝绳020和第四钢丝绳021穿过支撑座001。

拉动第三钢丝绳020，俯仰环002围绕005中心轴向一个方向转动，从而带动006第一钳页和007第二钳页同时转动一定角度，实现偏转运动。拉动第四钢丝绳021，俯仰环002围绕005中心轴向另一个方向转动，从而带动第一钳页006和第二钳页007同时转动一定角度，实现偏转运动。

本发明的末端执行器结构紧凑，运动灵活，节省了空间，减少手术器械钳头尺寸。同时可配备多种钳头，如持针钳、抓钳等。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。