一种用于驱动柔性连续体结构的驱动单元的制作方法

本发明涉及一种医疗器械的驱动机构，具体涉及一种用于驱动柔性连续体结构的驱动单元。

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。而针对基于柔性连续体结构的手术器械，目前尚无可与柔性连续体结构快速连接的模块化驱动单元。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于驱动柔性连续体结构的驱动单元。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于驱动柔性连续体结构的驱动单元，其特征在于，该驱动单元包括：外套于所述柔性连续体结构中近端结构体的近端固定盘上并相互关联的驱动构节固定盘，外套于所述近端结构体的近端基座盘上并相互关联的驱动构节基座板，连接于所述驱动构节固定盘和驱动构节基座板之间并外套于所述近端结构体上的驱动构节，两端分别穿过所述驱动构节基座板后并固定于所述驱动构节固定盘上的驱动构节结构骨，以及使所述驱动构节结构骨中段从其中穿过的结构骨驱动机构，且所述结构骨驱动机构数量与所述驱动构节结构骨数量保持一致；所述结构骨驱动机构通过协同推拉所述驱动构节结构骨实现所述驱动构节向任意方向的弯转运动，从而实现所述近端结构体向相同方向的弯转运动。

在一个优选的实施例中，所述驱动单元还包括：外套于所述中部连接体的第一固定端板上并相互关联的第二固定端板，两根以上且一部分设置于所述驱动构节中的反馈结构骨，以及与所述反馈结构骨数量相等的电位计；其中，所述结构骨驱动机构固定在所述第二固定端板上，所述驱动构节结构骨两端分别从所述第一结构骨引导通道穿过；所述反馈结构骨两端分别固定在所述驱动构节固定盘和电位计中的滑块上。

在一个优选的实施例中，所述驱动单元还包括布置于所述中部连接体内的手术执行器控线传动机构，所述手术执行器控线传动机构包括：固定于所述近端基座盘上的引导块和间隔盘，贯穿所述引导块的中心孔，并能够在所述引导块的中心孔中前后运动的连接块，两端分别固定于所述第一固定端板和间隔盘上的控线引导通道，一端依次穿过所述控线引导通道和间隔盘的中心孔后固定于所述连接块上，另一端从所述中部连接体的第一固定端板中心穿过，伸入所述柔性连续体结构的远端结构体中并与之一起延伸，最终末端固定于所述柔性连续体结构远端的手术执行器上的手术执行器控线，以及固定于所述连接块上的第一磁铁。

在一个优选的实施例中，所述手术执行器驱动机构包括：电机驱动组件，与所述电机驱动组件的输出端连接的锥齿轮箱，安装于所述锥齿轮箱上的滑槽外套，位于所述滑槽外套内且与所述锥齿轮箱的输出端连接直线传动组件，间隔设置于所述滑槽外套内且能够前后滑动的两滑动块，且其中一所述滑动块与所述直线传动组件的活动端连接，安装于另一所述滑动块上的第二磁铁，以及两端与两所述滑动块固定连接的弹簧；所述电机驱动组件通过所述锥齿轮箱将动力传递至所述直线传动组件，所述直线传动组件驱动与之连接的所述滑动块在所述滑槽外套的侧向槽导向下前后滑动；所述手术执行器驱动机构中的第二磁铁与所述手术执行器控线传动机构中的第一磁铁耦合传递推拉运动，从而实现所述手术执行器的运动控制；所述弹簧使所述螺母在有限滑动行程内对所述手术执行器控线输出稳定可控的推、拉力，防止所述手术执行器产生过大的咬合力。

在一个优选的实施例中，所述电机驱动组件包括：用于安装所述锥齿轮箱的连接框架，安装于所述连接框架上的电机固定板和支撑板，安装于所述电机固定板上的手术执行器驱动电机，以及旋转设置于所述支撑板上的传动齿轮对；其中，所述传动齿轮对中的输入齿轮通过联轴器与所述手术执行器驱动电机的输出轴同轴连接，所述传动齿轮对的输出齿轮与所述锥齿轮箱的输入端同轴连接。

在一个优选的实施例中，所述直线传动组件包括：位于所述滑槽外套内且与所述锥齿轮箱的输出端同轴连接的螺杆，以及通过螺纹配合于所述螺杆上的螺母；所述螺母为所述直线传动组件的活动端，其通过阻转滑块与其中一所述滑动块紧固连接。

在一个优选的实施例中，所述结构骨驱动机构包括：依次间隔设置并通过支撑柱连接成一体的两驱动支撑板和一电机固定板，安装于所述电机固定板的结构骨驱动电机，旋转设置于所述两驱动支撑板之间的传动齿轮组和滑轮组，通过联轴器与所述结构骨驱动电机相连的驱动齿轮，以及一端与所述驱动构节基座板固定连接、另一端紧固连接于所述支撑柱上的结构骨引导通道；所述传动齿轮组和滑轮组分别构成若干滑轮齿轮组，每组中滑轮和齿轮同轴固定连接，各所述齿轮之间相互啮合；所述驱动构节结构骨经所述结构骨引导通道伸入各组所述滑轮齿轮组的滑轮之间，所述驱动齿轮与其中一组所述滑轮齿轮组中的齿轮啮合传递驱动力，所述传动齿轮组和滑轮组共同绕各自轴线转动，进而通过摩擦力实现对所述驱动构节结构骨的推拉。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供的驱动单元中驱动构节与柔性连续体结构的近端结构体关联，驱动单元可使驱动构节连同近端结构体向任意方向弯转，同时使与近端结构体关联的远端结构体相应地向相反方向弯转，因此可实现由远端结构体所构成的柔性手术臂的任意向弯转运动。2、本发明的驱动单元包括滑轮组和紧贴于滑轮组表面的驱动构节结构骨，驱动构节结构骨在滑轮组中产生局部变形，因此，通过驱动滑轮组旋转即可以极紧凑的结构实现对驱动构节结构骨的推拉。3、本发明的手术执行器控线穿过远端结构体到达中部连接体，在中部连接体中设置有用于驱动手术执行器控线进行线性运动的手术执行器控线传动机构，手术执行器驱动单元可驱动其进行线性运动，实现对手术执行器的动作控制；手术执行器驱动单元中设置有弹性元件，防止在有限行程内对手术执行器控线施加过大的推拉力。4、本发明的驱动构节与近端结构体可快速连接，同时，手术执行器控线传动机构和手术执行器驱动单元可快速连接，优选地，该快速连接功能可采用磁铁；通过快速连接功能，由柔性连续体结构和手术执行器控线传动机构组成的柔性手术工具可从模块化柔性手术工具系统中快速拆卸或更换。5、本发明的电位计与驱动构节关联，可实时反馈驱动构节的姿态，在系统故障时，可辅助驱动构节回至初始姿态，因此，可使柔性手术臂回至初始姿态。

附图说明

图1是本发明连接于柔性连续体结构的安装示意图；

图2是本发明手术执行器控线传动机构的结构示意图

图3是本发明除手术执行器控线传动机构外驱动单元的结构示意图；

图4A是本发明结构骨驱动机构的结构示意图；

图4B是本发明结构骨驱动机构的局部示意图；

图5是本发明手术执行器驱动机构的结构示意图。

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3所示，本发明提供的驱动单元30包括手术执行器控线传动机构202、近端结构体驱动机构30和手术执行器驱动机构311。

如图1、2所示，手术执行器控线传动机构202布置于柔性连续体结构10的中部连接体12内，其包括间隔盘203、引导块204、连接块205、磁铁206、手术执行器控线207和控线引导通道208。两间隔盘203和引导块204通过支撑柱固定于柔性连续体结构10中近端结构体13的近端基座盘134上，连接块205贯穿引导块204的中心孔，并可以在引导块204的中心孔中前后运动。控线引导通道208两端分别固定于中部连接体12的固定端板121和间隔盘203上，手术执行器控线207一端穿过控线引导通道208后，再穿过间隔盘203的中心孔固定于连接块205上，间隔盘203的作用为防止手术执行器控线207受推失稳。手术执行器控线207另一端从中部连接体12的固定端板121中心穿过，伸入远端结构体11中并与之一起延伸，最终末端固定于柔性连续体结构10远端的手术执行器201上。磁铁206固定于连接块205上，通过推拉连接块205可实现对于手术执行器控线207的推拉，进而实现对机械式的手术执行器201(如手术钳等)的动作控制。本领域技术人员应该理解的是，手术执行器控线207同样可传递如电能、超声振动等能量至电外科式的手术执行器201(如电切刀、超声刀等)，以实施电外科手术。

如图3所示，近端结构体驱动机构30包括驱动构节301、驱动构节固定盘302、驱动构节间隔盘303、驱动构节基座板304、驱动构节结构骨305、结构骨引导通道306、反馈结构骨307、电位计308、固定端板309和结构骨驱动机构310。驱动构节301为从驱动构节固定盘302至驱动构节基座板304的粗短环状结构，驱动构节301的构节数量及长度与近端结构体13中的近端构节数量保持一致。驱动构节301套在近端结构体13外，且驱动构节固定盘302外套在近端结构体13的近端固定盘上并可相互快速紧固连接；相似的，驱动构节基座板304外套在近端结构体13的近端基座盘134上并可相互快速紧固连接。结构骨驱动机构310及电位计308固定在固定端板309上，固定端板309外套在中部连接体12的固定端板121上并可相互快速紧固连接，结构骨驱动机构310数量与驱动构节结构骨305数量保持一致，电位计308的数量则与反馈结构骨307的数量保持一致。结构骨引导通道306一端与结构骨驱动机构310固定连接，另一端与驱动构节基座板304固定连接。驱动构节间隔盘303间隔分布于驱动构节基座板304和驱动构节固定盘302之间，驱动构节结构骨305中段从结构骨驱动机构310穿过，两端分别通过结构骨引导通道306后依次穿过驱动构节基座板304和驱动构节间隔盘303，并分别固定于驱动构节固定盘302上，每个驱动构节301中的驱动构节结构骨305数量须为两根以上(在本实施例中为两根)，驱动构节间隔盘303的作用为防止驱动构节结构骨305受推时失稳。结构骨驱动机构310通过协同推拉驱动构节结构骨305实现驱动构节301向任意方向的弯转运动，从而实现近端结构体13向相同方向的弯转运动，最终实现柔性连续体结构10的远端结构体11向相反方向的弯转运动。反馈结构骨307的一部分设置在驱动构节301中，且其在每一驱动构节301中的数量须为两根以上(优选为两根)，反馈结构骨307的数量须与电位计308保持一致，反馈结构骨307两端分别固定在驱动构节固定盘302和电位计308中的滑块上，驱动构节301的弯转运动将引起反馈结构骨307位于驱动构节301中的部分的长度变化，该长度变化将引起反馈结构骨307对电位计308中滑块的推拉，以使得该长度变化被电位计308记录。由于驱动构节301的长度可保持不变，全部反馈结构骨307在驱动构节301中的部分的长度组合将唯一确定驱动构节的弯转平面指向和在该弯转平面中的弯转角度，因此通过电位计308和反馈结构骨307可获取当前驱动构节301的绝对弯转形状，以实现进一步的对驱动构节的闭环控制。

如图4A、图4B所示，结构骨驱动机构310包括结构骨驱动电机3101、联轴器3102、驱动齿轮3103、传动齿轮组3104、滑轮组3105、驱动支撑板3106、电机固定板3107和支撑柱3108。其中，两驱动支撑板3106和一电机固定板3107依次间隔设置并通过支撑柱3108连接成一体，传动齿轮组3104和滑轮组3105旋转设置于两驱动支撑板3106之间，并分别构成若干滑轮齿轮组，每组中滑轮和齿轮固定连接，各齿轮之间相互啮合。驱动齿轮3103通过联轴器3102与结构骨驱动电机3101相连，驱动齿轮3103与其中一组滑轮齿轮组中的齿轮啮合传递驱动力，驱动齿轮组3104和滑轮组3105共同绕各自轴线转动，进而通过摩擦力实现对驱动构节结构骨305的推拉。结构骨引导通道306一端与支撑柱3108固定连接，驱动构节结构骨305经结构骨引导通道306伸入各组滑轮齿轮组的滑轮之间，并在滑轮的挤压作用下产生局部形变，由此在与滑轮的接触面上产生较大的摩擦力。需要说明的是，滑轮齿轮组的数量、尺寸以及位置分布可以根据驱动构节结构骨305运动所需驱动力的大小进行调整，以保证驱动构节结构骨305运动过程中不会相对滑轮组3105打滑。

如图1、图5所示，手术执行器驱动机构311包括连接框架3111、手术执行器驱动电机3112、电机固定板3113、联轴器3114、支撑板3115、传动齿轮对3116、锥齿轮箱3117、螺杆3118，螺母3119、滑动块3120、弹簧3121、阻转滑块3122、滑槽外套3123和磁铁3124。其中，电机固定板3113、支撑板3115和锥齿轮箱3117均固定在连接框架3111上，用于固定手术执行器驱动电机3112和支撑齿轮轴，传动齿轮对3116中的输入齿轮与联轴器3114同轴固定，传动齿轮对3116的输出齿轮与锥齿轮箱3117的输入端同轴固定。手术执行器驱动电机3112通过联轴器3114、传动齿轮对3116和锥齿轮箱3117实现螺杆3118的旋转。滑槽外套3123固定在锥齿轮箱3117上，螺杆3118位于滑槽外套3123内且与锥齿轮箱3117的输出端同轴固定，螺母3119与螺杆3118通过螺纹配合。滑动块3120为间隔设置的两个且可在滑槽外套3123内前后滑动，螺母3119通过阻转滑块3122与其中一滑动块3120固定连接，在阻转滑块3122的作用下，螺杆3118旋转驱动螺母3119和滑动块3120在滑槽外套3123的侧向槽导向下前后滑动。磁铁3124固定在另一滑动块3120末端，可与手术执行器控线传动机构202中的磁铁206耦合传递推拉运动，从而实现手术执行器201的运动控制。弹簧3121的两端分别与两滑动块3120固定连接，可使螺母3119在有限滑动行程内对手术执行器控线207输出稳定可控的推、拉力，并防止手术执行器201(如手术钳等)产生过大的咬合力。

本发明提供的驱动单元30在使用时，当驱动单元30中的结构骨驱动机构310驱动柔性连续体结构10的近端结构体13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，驱动单元30中的手术执行器驱动机构311可以驱动远端结构体11末端的手术执行器201，实现手术执行器201的动作控制。

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。