多功能通道器及微创手术机器人的制作方法

1.本发明涉及手术机器人及手术器械运动控制技术领域，特别是涉及一种多功能通道器及微创手术机器人。


背景技术：

2.现如今，微创手术凭借其手术创口小、利于恢复以及其手术过程快、便于操作等优势，在医疗行业已经得到广泛应用。微创手术通常采用机器人手术系统实现，机器人手术系统由具有多个自由度的机械臂和设置在机械臂端部的手术机器人组成，手术机器人一般包括动力装置，多功能通道器和手术器械，手术器械与多功能通道器末端的柔性端头连接，医生通过控制动力装置，使多功能通道器末端的柔性端头带动手术器械对患者的患部完成剪切、夹取、缝合等手术操作。
3.常见的多功能通道器一般通过牵引丝驱动其末端的柔性端头进行动作，但由于牵引丝的长度一定，柔性端头无法进行微动作的调整，无法满足高要求的手术作业，甚至在柔性端头运动到极限位置时，牵引丝容易被绷断，从而造成多功能通道器的损坏。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种多功能通道器及微创手术机器人，以至少解决现有的多功能通道器的牵引丝无法补偿，导致手术作业精度低的问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种多功能通道器，包括：依次连接的调节控制盒、入腹钢管、可调椎骨组件和牵引丝，所述调节控制盒、入腹钢管和可调椎骨组件共同形成用于供手术器械穿过的无菌通道，所述可调椎骨组件远离所述调节控制盒的端部为所述通道末端；所述调节控制盒包括壳体和设置于所述壳体内的传动机构，所述传动机构包括主动组件、从动组件和弹性件；所述主动组件包括输入轴和主动齿轮，所述主动齿轮周向锁止地套设于所述输入轴上；所述从动组件包括从动轴、从动齿轮、齿轮台和转轴台；所述从动齿轮可转动地套设于所述从动轴上，且与所述主动齿轮啮合；所述齿轮台与所述从动齿轮固定连接，所述转轴台与所述从动轴固定连接，所述齿轮台和所述转轴台相对设置，所述齿轮台上设有朝向所述转轴台凸出的第一传动部，所述转轴台上设有朝向所述齿轮台凸出的第二传动部；所述弹性件套设于所述从动轴上，所述弹性件的一端与齿轮台固定连接，另一端与所述转轴台固定连接；所述牵引丝的首端绕设于所述转轴台上，末端依次穿过所述调节控制盒、所述入腹钢管和所述可调椎骨组件，固定于所述通道末端，以通过牵拉所述牵引丝来调节所述可调椎骨组件的角度；所述从动齿轮带动所述齿轮台转动，以使所述从动组件具有缠绕牵引丝状态和释
放牵引丝状态；处于所述缠绕牵引丝状态时，所述第一传动部朝靠近所述第二传动部的方向运动，推动所述第二传动部使所述转轴台带动所述从动轴转动；处于所述释放牵引丝状态时，所述第一传动部朝远离所述第二传动部的方向运动，通过牵拉所述弹性件使所述转轴台带动所述从动轴转动。
6.本发明还公开了一种微创手术机器人，包括基座、多功能通道器和手术器械，所述基座与所述多功能通道器可拆卸连接，所述多功能通道器与所述手术器械可拆卸连接，所述基座用于为所述多功能通道器提供动力，以使所述多功能通道器带动所述手术器械运动。
7.相对于现有技术，本发明的多功能通道器具有以下优势：本发明的多功能通道器，由依次连接的调节控制盒、入腹钢管、可调椎骨组件和牵引丝组成，调节控制盒中设有传动机构，传动机构包括主动组件、从动组件和弹性件配合实现动力的传递。从动组件中的齿轮台与从动齿轮固定连接，转轴台与从动轴固定连接，弹性件套设于从动轴上，分别与齿轮台和转轴台固定连接，牵引丝绕设于转轴台以及通道上。齿轮台上的第一传动部通过转轴台上的第二传动部带动转轴台转动时，实现牵引丝的缠绕，牵拉弹性件带动转轴台转动时，实现牵引丝的释放。在牵引丝缠绕到极限位置时，弹性件发生形变会使转轴台转动更多角度，进而释放更多的牵引丝，实现极限位置牵引丝的补偿，使手术器械在接近极限位置时仍能执行微动作，提高手术作业精度。
附图说明
8.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明实施例中一种多功能通道器的示意图；图2是本发明实施例中一种传动机构的示意图；图3是本发明实施例中一种可调椎骨组件的局部图；图4是本发明实施例中一种从动组件的示意图；图5是本发明实施例中另一种从动组件的示意图；图6是本发明实施例中一种从动组件的爆炸图；图7是本发明实施例中一种压块的主视图。
9.附图标记说明：46
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多功能通道器，461
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调节控制盒，462
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入腹钢管，463
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无菌通道，429
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可调椎骨组件，466
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牵引丝，467
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压接环，4610
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弹性件，4611
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输入轴，4612
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主动齿轮，4613
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从动轴，4614
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从动齿轮，4615
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齿轮台，4616
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转轴台，4617
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压块，4618
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空心结构，46151
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第一传动部，46152
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第一接触平面，46153
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第一卡槽，46161
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第二传动部，46162
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圆台部，46163
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套筒部，46164
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第一通孔，46165
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连接孔，46166
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第二接触平面，46167
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第二卡槽，46171
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压紧部，46172
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销轴部。
具体实施方式
10.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发
明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
11.应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
12.下面通过列举具体的实施例详细介绍本发明提供的一种多功能通道器46。
13.参照图1，本发明提供的多功能通道器46包括依次连接的调节控制盒461、入腹钢管462、可调椎骨组件429和牵引丝466，调节控制盒461、入腹钢管462和可调椎骨组件429共同形成用于供手术器械穿过的无菌通道463。在入腹钢管462表面刻有刻度尺，能够清楚的显示入腹钢管462伸入人体组织的长度，便于操作人员对多功能通道器46的控制，可调椎骨组件429远离调节控制盒461的端部为无菌通道463的末端，手术器械依次穿过调节控制盒461、入腹钢管462、可调椎骨组件429，并且手术器械的末端外露于可调椎骨组件429，手术器械的末端连接有镊子、剪刀或钳子等操作工具，以实现对人体患部的手术操作。在实际手术过程中，需要确保多功能通道器46与患者一同处于无菌环境。
14.调节控制盒461包括壳体和设置于壳体内的传动机构，传动机构与多功能通道器46外部的动力装置连接，由外部的动力装置通过传动机构为多功能通道器46输出动力。参照图2，传动机构包括主动组件、从动组件和弹性件4610，主动组件与外部的动力装置连接，为多功能通道器46的动力输入源，主动组件带动从动组件运动，实现动力的传递。主动组件包括输入轴4611和主动齿轮4612，输入轴4611和外部动力装置的输出轴连接，跟随输出轴同步转动。主动齿轮4612周向锁止地套设于输入轴4611上，跟随输入轴4611同步转动。从动组件包括从动轴4613、从动齿轮4614、齿轮台4615和转轴台4616，从动齿轮4614可转动地套设于从动轴4613上，且与主动齿轮4612啮合，在主动齿轮4612的带动下进行转动。一种实施方式中，主动齿轮4612和从动齿轮4614可以为尺寸规格相同的齿轮，此时主动齿轮4612和从动齿轮4614的传动比为1：1，便于操作人员对动力传递过程中的计算与控制。另一种实施方式中，主动齿轮4612和从动齿轮4614可以为尺寸规格不同的齿轮，为了减小从动组件在调节控制盒461内的占用空间，减轻多功能通道器46的整体重量，可以设置从动齿轮4614为尺寸规格较小的齿轮，此时主动齿轮4612和从动齿轮4614的传动比小于1：1，手术过程中在确认多功能通道器46工作所需要的目标力大小后，需要将其按比例换算进而控制动力装置输出的动力。当然，对于主动齿轮4612和从动齿轮4614的具体规格，本实施例不作具体限制。
15.参照图2，齿轮台4615和转轴台4616都套设于从动轴4613上，齿轮台4615与从动齿轮4614固定连接，跟随从动齿轮4614同步转动，转轴台4616与从动轴4613固定连接，带动从动轴4613同步转动。且齿轮台4615和转轴台4616沿从动轴4613的轴线方向相对设置，弹性件4610位于齿轮台4615和转轴台4616之间。在齿轮台4615上设有朝向转轴台4616凸出的第一传动部46151，在转轴台4616上设有朝向齿轮台4615凸出的第二传动部46161，第一传动部46151和第二传动部46161可以为形状尺寸相同的凸块，当主动齿轮4612带动从动齿轮4614转动时，齿轮台4615上的第一传动部46151会朝向转轴台4616上的第二传动部46161运动，直至与第二传动部46161抵靠在一起，在从动齿轮4614持续的转动下，第一传动部46151
推动第二传动部46161转动，从而使转轴台4616带动从动轴4613转动。
16.参照图2，弹性件4610套设于从动轴4613上，弹性件4610的一端与齿轮台4615固定连接，另一端与转轴台4616固定连接，在自然状态下，即在电机不工作，电机的输出轴不转动的情况下，弹性件4610处于不受力的状态，对齿轮台4615和转轴台4616不产生任何作用力。弹性件4610可以为弹簧、弹片等任何具有弹性的部件，对此本实施例不作限制。牵引丝466的首端绕设于转轴台4616上，末端依次穿过调节控制盒461、入腹钢管462和可调椎骨组件429，从在无菌通道463的末端穿出。通过牵拉牵引丝466可以调节可调椎骨组件429的角度，进而实现穿设于可调椎骨组件429中的手术器械的位置和角度的调整。本实施例中的牵引丝466可以由不锈钢金属、树脂材料、碳纤维等材质组成，具备较好的强度、刚度以及抗疲劳性能，在牵拉过程中不容易断裂。优选地，牵引丝466由不锈钢金属制成。需要说明的是，牵引丝466在任何状态下都能保持一定的预紧力，使得可调椎骨组件429的末端在任何时候都能保持笔直伸长且平衡的状态，避免由于重力作用或放置形态的不同导致可调椎骨组件429末端出现偏移、晃动等现象，保证了可调椎骨组件429末端的稳定性。
17.从动齿轮4614带动齿轮台4615转动，能够使从动组件具有两种状态，即缠绕牵引丝466状态和释放牵引丝466状态。在每组从动组件运动过程中，两个从动齿轮4614同方向转动，其中一个从动齿轮4614连接的齿轮台4615上的第一传动部46151朝靠近第二传动部46161的方向运动，直至抵靠第二传动部46161后，推动第二传动部46161使转轴台4616随之转动，此时对牵引丝466施加主动拉力，使牵引丝466缠绕于从动齿轮4614上；另一个从动齿轮4614连接的齿轮台4615上的第一传动部46151朝远离第二传动部46161的方向运动，由于第一传动部46151和第二传动部46161之间并未连接，因此该状态下第一传动部46151与第二传动部46161之间没有作用力，第一传动部46151通过牵拉与齿轮台4615和转轴台4616连接在一起的弹性件4610，使弹性件4610带动转轴台4616转动，从而使缠绕于从动齿轮4614上的牵引丝466被释放。
18.在实际应用过程中，由于可调椎骨组件429末端具有一定的直径，在可调椎骨组件429的过程中，释放的牵引丝466部位的弯曲半径会略大于缠绕牵引丝466部位的弯曲半径，因而使得需要释放的牵引丝466长度大于需要缠绕的牵引丝466长度。当齿轮台4615通过弹性件4610带动转轴台4616转动时，弹性件4610被挤压发发生形变，能够带动转轴台4616多转动一定角度，相应的，便会释放更多牵引丝466的长度，即最终释放的牵引丝466的长度为齿轮台4615转动的角度叠加弹性件4610形变量所对应的角度后，总角度所对应的长度，由此能够补偿可调椎骨组件429末端对牵引丝466伸长的需求，实现了极限位置时牵引丝466的补偿，使手术器械在接近极限位置时仍能执行微动作，有效提高了手术器械的作业精度。同时由于弹性件4610存储有弹性势能，能够保证被释放的牵引丝466始终被张紧。
19.本实施例的多功能通道器46由依次连接的调节控制盒461、入腹钢管462、可调椎骨组件429和牵引丝466组成，调节控制盒461中设有传动机构，包括主动组件、从动组件和弹性件4610，主动组件和外部的动力装置连接，将获取的动力传递给从动组件。从动组件包括从动轴4613、从动齿轮4614、齿轮台4615和转轴台4616，齿轮台4615与从动齿轮4614固定连接，跟随从动齿轮4614同步转动，转轴台4616与从动轴4613固定连接，带动从动轴4613同步转动，齿轮台4615上设有第一传动部46151，转轴台4616上设有第二传动部46161。弹性件4610套设于从动轴4613上，分别与齿轮台4615和转轴台4616固定连接，牵引丝466的首端绕
设于转轴台4616上，末端依次穿过调节控制盒461、入腹钢管462和可调椎骨组件429，固定在无菌通道463的末端，牵拉牵引丝466能够调节可调椎骨组件429的角度。通过第一传动部46151推动第二传动部46161运动，带动转轴台4616转动时，实现牵引丝466的缠绕，通过牵拉与齿轮台4615固定连接的弹性件4610，带动转轴台4616转动时，实现牵引丝466的释放，且由于牵引丝466在不同的释放状态所对应的弹性件4610的弹力不同，牵引丝466在释放至接近极限长度时，可调椎骨组件429末端的偏摆幅度越大，弹性件4610的形变量也越大，对应释放更长的牵引丝466进行补偿，避免出现极限位置状态下牵引丝466突然绷断的现象，保证了可调椎骨组件429末端在极限位置偏摆时的稳定性，提高了手术器械的作业精度。
20.在一些实施例中，多功能通道器46包括至少四根牵引丝466和至少两个传动机构，每个传动机构中设置有两根牵引丝466，至少四根牵引丝466固定在可调椎骨组件429的末端，使可调椎骨组件429末端的活动空间更为灵活，从而使与末端连接的手术器械的可操作性更强。在每个传动机构中设有一组主动组件和两组从动组件，且两组从动组件分别设置于主动组件的两侧，其中，两组从动组件中的从动齿轮4614分别与主动组件中的主动齿轮4612啮合，主动组件中主动齿轮4612的转动可以同时带动两组从动组件中从动齿轮4614转动，为两组从动组件传递动力。牵引丝466与从动组件的数量相同，每组从动组件都连接有一根牵引丝466。在手术操作过程中，两个传动机构中的主动组件同时工作，四组从动组件分别对四根牵引丝466中的两根进行缠绕，另外两根进行释放，实现可调椎骨组件429末端的动作。
21.参照图3，在一些实施例中，可调椎骨组件429组件为管状结构，设置有四根牵引丝466，且分别为第一牵引丝466a、第二牵引丝466b、第三牵引丝466c和第四牵引丝466d，第一牵引丝466a、第二牵引丝466b、第三牵引丝466c和第四牵引丝466d都穿设于可调椎骨组件429中。其中，第一牵引丝466a和第三牵引丝466c在可调椎骨组件429的末端呈对角布置，第二牵引丝466b和第四牵引丝466d在可调椎骨组件429组件的末端呈对角布置，第一牵引丝466a和第三牵引丝466c的首端位于同一组传动机构中，第二牵引丝466b和第四牵引丝466d的首端位于同一组传动机构中，保证了一个对角位置的牵引丝466中一根被缠绕时，另一根被释放，对角调节的方式使得可调椎骨组件429末端的运动更为稳定，进一步提高手术操作的精确性。
22.在一些实施例中，弹性件4610为扭簧，在每个传动机构中，两个从动组件中的扭簧为不同旋向的扭簧。扭簧包括左旋扭簧和右旋扭簧，对于左旋扭簧而言，若从动组件中的从动齿轮4614顺时针转动，可以实现左旋扭簧的收紧，若从动组件中的从动齿轮4614逆时针转动，可以实现左旋扭簧的放松，由于同一个传动机构中的从动齿轮4614转动方向相同，因此在同一个传动机构中，设置一组从动组件上的扭簧为左旋扭簧，另一组从动组件上的扭簧为右旋扭簧，才能够使一个传动机构中的两组从动组件都可以实现缠绕牵引丝466和释放牵引丝466的两种状态。
23.进一步地，当齿轮台4615通过扭簧带动转轴台4616转动时，扭簧被挤压使其直径减小，能够带动转轴台4616多转动一定角度，相应的，便会释放更多牵引丝466的长度，即最终释放的牵引丝466的长度为齿轮台4615转动的角度叠加扭簧直径变化量所对应的角度后，总角度所对应的长度，由此能够补偿可调椎骨组件429末端对牵引丝466伸长的需求。例如，在齿轮台4615转动30
°
的情况下，扭簧直径减小了1mm，带动转轴台4616多转动了3
°
，此
时释放的牵引丝466的长度便是转轴台转动33
°
所对应的长度。
24.参照图5，在一些实施例中，在第一传动部46151朝向转轴台4616一侧的表面上设置有第一卡槽46153，第二传动部46161朝向齿轮台4615一侧的表面上设置有第二卡槽46167，扭簧的两端分别卡设在第一卡槽46153和第二卡槽46167中，一种实施方式中，可以直接将扭簧的端部直接焊接在卡槽内部，焊接关系牢靠，防止扭簧脱落，但焊接完成后扭簧不能再次拆卸，不便于扭簧的更换。另一种实施方式中，可以在卡槽内设置卡接环，将扭簧穿过卡接环进行固定，通过卡接环的配合与松开实现扭簧的可拆卸连接，若扭簧出现失效或故障，可以及时更换扭簧。
25.参照图4至图6，在一些实施例中，转轴台4616包括间隔设置的两个圆台部46162以及连接于两个圆台部46162之间的套筒部46163，沿从动轴4613的轴线方向，套筒部46163的长度尺寸相对于圆台部46162的长度尺寸更长，以便于牵引丝466绕设在套筒部46163上。沿垂直于从动轴4613的轴线方向，圆台部46162的最大直径大于套筒部46163的最大直径，以免牵引丝466脱落。同时第二传动部46161设置于靠近齿轮台4615的圆台部46162上，可以和齿轮台4615上的第一传动部46151配合。
26.参照图4至图6，在一些实施例中，多功能通道器46还包括压块4617，压块4617包括相连的压紧部46171和销轴部46172，压块4617可以为一体成型结构，也可以将销轴部46172焊接在压紧部46171上，使其紧固连接。压块4617与转轴台4616压接固定在一起。参照图7，在套筒部46163上设置有第一通孔46164和连接孔46165，从动轴4613上设置有与第一通孔46164对应的第二通孔，第一通孔46164和第二通孔的形状尺寸相同，牵引丝466的首端穿过第一通孔46164后固定在第二通孔内，后将压块4617的销轴部46172插入连接孔46165内，压紧部46171即可抵接在套筒部46163表面，从而将牵引丝466的首端牢靠的压持在从动轴4613内。
27.在一些实施例中，第一传动部46151至少为两个，多个第一传动部46151在齿轮台4615上对称设置。第二传动部46161与第一传动部46151的数量相等且一一对应地配合，多个第二传动部46161也在从动轴4613上对称设置。多个第一传动部46151可以均匀的分散从动齿轮4614传递而来的动力，使齿轮台4615对转轴台4616的推动更为平稳。
28.参照图5，在一些实施例中，第一传动部46151上设置有第一接触平面46152，第二传动部46161上设置有第二接触平面46166，第一接触平面46152和第二接触平面46166为摩擦系数较大的粗糙面，在缠绕牵引丝466状态时，第一接触平面46152抵靠于第二接触平面46166，通过第二接触平面46166推动第二传动部46161转动，由于接触平面为粗糙面，可以防止第一接触平面46152抵靠于第二接触平面46166时出现滑动，从而提升齿轮台4615和转轴台4616之间动力的传递效果。通过第一接触平面46152和第二接触平面46166之间实现面与面的接触，可增加第一传动部46151和第二传动部46161之间的接触面积，从而提升齿轮台4615和转轴台4616之间动力传递的平稳性。
29.在一些实施例中，牵引丝466绕设于从动轴4613的圈数至少为两圈，相当于牵引丝466在转轴台4616的套筒上绕设的圈数至少为两圈，防止在释放牵引丝466时出现牵引丝466长度不足的情况。
30.参照图1和图3，在一些实施例中，多功能通道器46还包括压接环467，压接环467套设于可调椎骨组件429的末端，牵引丝466的末端夹设于可调椎骨组件429和压接环467之
间，压接环467与可调椎骨组件429组件的末端压紧，从而可以将牵引丝466的末端牢靠的固定在可调椎骨组件429和压接环467之间。
31.参照图4，在一些实施例中，从动轴4613远离从动齿轮4614的一端为空心结构4618，在空心结构4618中设置有磁铁，在调节控制盒461内或其他部位设置有与磁铁对应的磁编码器，利用磁编码器检测磁铁的磁场强度变化可以获取到从动轴4613转动的位置信息，以便对从动轴4613的转动位置进行控制。
32.在一些实施例中，齿轮台4615与从动齿轮4614为一体成型结构。类似于前述实施例，齿轮台4615的结构可以和转轴台4616圆台部46162的结构相似，为圆台结构或圆柄结构，第一传动部46151设置在该圆台或圆柄靠近转轴台4616的一侧。齿轮台4615和从动齿轮4614可以直接为一体成型结构，省去了之后将其固定连接在一起的加工工艺，能够有效节约生产成本。
33.在一些实施例中，输入轴4611远离主动齿轮4612的一端为槽型结构，通过槽型结构和动力输出轴连接在一起，优选的，可以设置为“十”字型的槽型，能够增强连接关系的可靠性，避免连接部位出现晃动、滑移等现象，提升动力传递性能。
34.参照图3，在一些实施例中，可调椎骨组件429为蛇形椎骨节结构，每个椎骨节设有两个通孔，牵引丝466穿设于通孔中，并固定在可调椎骨组件429的末端。
35.参照图1，在一些实施例中，两个传动机构相对于入腹钢管462所在轴线对称布置，既能均匀的传递动力，又能使调节控制盒461内部的结构更为整齐合理。
36.本发明还提供的一种微创手术机器人，包括基座、多功能通道器46和手术器械，手术器械穿过多功能通道器46，且手术器械的末端连接有镊子、剪刀或钳子等操作工具，基座与多功能通道器46可拆卸的连接在一起，基座中设置有动力装置，能够为多功能通道器46提供动力，多功能通道器46获取到动力后通过传动机构将动力传递至手术器械，控制手术器械末端连接的操作工具进行动作，其中，传动机构中的牵引丝466可以带动可调椎骨组件429末端进行偏摆，从而实现镊子、钳子等的夹取动作、剪刀的剪切动作等。手术操作过程中，操作者可以通过控制基座中动力装置输出的动力，来调整多功能通道器46末端的手术器械的动作，手术操作简单，完成速度快，造成的创口小，能有效减轻患者的疼痛，缩短患者的康复时间。
37.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。