一种操纵器、从操作设备和手术机器人的制作方法

1.本技术涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种操纵器、从操作设备和手术机器人。


背景技术：

2.微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式，微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。
3.随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台用于根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备用于响应主操作台发送的控制命令，并进行相应的手术操作。具体来说，从操作设备上连接有手术器械，手术器械中又包括驱动盒和末端器械，驱动盒在从操作设备上由致动器带动作平移，进而其可以带动末端器械伸入人体内，同时致动器还用于驱动末端器械进行开合、偏摆等动作以执行手术操作。基于致动器的该些功能需求，其整体体积大、重量大、工作时发热量大，还存在内部相互电磁干扰的问题，导致其自身移动和对驱动盒、末端器械的驱动存在不稳定的情况。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种操纵器，旨在解决现有的手术机器人中致动器体积大、重量大、工作时发热量大，以及内部相互电磁干扰导致其对手术器械的驱动存在不稳定情况的技术问题。
5.本技术实施例是这样实现的，一种操纵器，包括持械臂、与所述持械臂连接的连杆机构、设置在所述持械臂上的致动器，以及设置在所述连杆机构的控制单元，所述控制单元用于控制所述致动器在所述持械臂上移动，所述致动器内设置有至少一电机用于驱动手术器械做至少一个自由度的运动。
6.在一个实施例中，所述连杆机构设置在所述持械臂上的与所述致动器相反的一侧。
7.在一个实施例中，所述控制单元包括至少一电路板，所述电路板向所述至少一电机供电，以及接收包含所述电机转动信息的反馈信号，并控制所述电机的运转。
8.在一个实施例中，所述操纵器还包括柔性电路板，所述柔性电路板设置在所述持械臂内，并连接所述控制单元和所述致动器。
9.在一个实施例中，所述持械臂包括机架，所述柔性电路板的一端与所述致动器连接并随所述致动器沿所述机架移动，所述柔性电路板的另一端穿出所述机架并连接至所述控制单元。
10.在一个实施例中，所述持械臂还包括驱动组件，所述驱动组件设于所述机架上，并连接所述致动器和所述控制单元，所述驱动组件用于带动所述致动器移动。
11.在一个实施例中，所述驱动组件包括丝杆和螺母，所述丝杆转动设置在所述机架上，所述螺母设于所述丝杆上；所述致动器与所述螺母固定连接。
12.在一个实施例中，所述驱动组件还包括第一固定件，所述第一固定件安装于所述螺母上，所述柔性电路板的一端设置在所述第一固定件上。
13.在一个实施例中，所述第一固定件包括依次连接的第一固定部、第二固定部和第三固定部，所述第一固定部与所述致动器连接，所述第二固定部与所述螺母连接，所述第三固定部与所述柔性电路板连接。
14.在一个实施例中，所述第三固定部呈u型弯折，所述柔性电路板夹置于所述第三固定部。
15.在一个实施例中，所述第二固定部呈弧状弯折。
16.在一个实施例中，所述柔性电路板的至少一个表面上设有支撑片。
17.在一个实施例中，所述持械臂包括第一卷簧，所述第一卷簧设置在所述机架上，所述柔性电路板的用于与所述致动器连接的一端卷绕在所述第一卷簧上。
18.在一个实施例中，所述持械臂包括第二卷簧，所述第二卷簧设置在所述螺母上，所述柔性电路板的用于与所述控制单元连接的一端卷绕在所述第二卷簧上。
19.在一个实施例中，所述持械臂包括至少一第三卷簧，所述至少一第三卷簧设置在所述机架或者所述螺母上，所述柔性电路板对折后形成的端部连接所述卷簧。
20.在一个实施例中，所述持械臂还包括第一挡板，所述第一挡板设于所述机架内，并位于所述柔性电路板的靠近所述连杆机构的一侧。
21.在一个实施例中，所述持械臂还包括第二挡板，所述第二挡板设于所述机架内，并位于所述柔性电路板背离所述驱动组件的一侧。
22.本技术实施例的另一目的在于提供一种从操作设备，包括上述各实施例所说的操纵器，所述致动器用于与手术器械的驱动盒连接，所述致动器设置有避让部，用于供手术器械穿过。
23.本技术实施例的另一目的在于提供一种手术机器人，包括主操作设备，以及受所述主操作设备控制的上述实施例所说的从操作设备。
24.本技术实施例提供的操纵器、从操作设备和手术机器人，其有益效果在于：
25.本技术实施例提供的操纵器，包括持械臂、连杆机构、设置在持械臂上的致动器，以及设置在连杆机构上的控制单元，控制单元独立于致动器，并用于驱动致动器在持械臂上移动；由于控制单元设置在连杆机构上而非集成设置在致动器内，致动器的整体体积可以减小，致动器重量可以降低，当致动器沿着持械臂作平移运动时，能耗可以降低；致动器内电器件工作所产生的热量可以降低，有利于保证驱动内结构长时间动作的可靠性；控制单元与致动器内的电结构等在空间上分离、间隔，可以减少控制单元与致动器内的电结构之间的电磁干扰，进一步保证致动器的工作稳定性和可靠性。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本技术实施例提供的手术机器人的从操作设备的结构示意图；
28.图2是本技术实施例提供的手术机器人的主控制台的结构示意图；
29.图3是本技术实施例提供的操纵器的结构示意图；
30.图4是本技术实施例提供的操纵器的部分结构示意图；
31.图5是本技术第一实施例提供的操纵器中的致动器、柔性电路板与控制单元的连接关系示意图；
32.图6是本技术第一实施例提供的操纵器中柔性电路板的移动路径示意图；
33.图7是本技术第一实施例提供的操纵器的部分结构示意图；
34.图8是本技术第一实施例提供的操纵器的另一个部分结构示意图；
35.图9是本技术第一实施例提供的操纵器的又一个部分结构示意图；
36.图10是本技术第一实施例提供的操纵器的再一个部分结构示意图；
37.图11是本技术第一实施例提供的操纵器中第一固定件的结构示意图；
38.图12是本技术第二实施例提供的操纵器中柔性电路板的第一种装配方式示意图，其中，致动器位于上方；
39.图13是本技术第二实施例提供的操纵器中柔性电路板的第一种装配方式示意图，其中，致动器位于下方；
40.图14是本技术第二实施例提供的操纵器中柔性电路板的第二种装配方式示意图，其中，柔性电路板处于收卷状态；
41.图15是本技术第二实施例提供的操纵器中柔性电路板的第二种装配方式示意图，其中，柔性电路板处于释放状态。
42.图中标记的含义为：
43.300-主操作台；200-从操作设备，90-机械臂，92-动力机构，94-手术器械，941-驱动盒，942-长轴，943-末端器械；
44.93-操纵器；
45.1-持械臂，2-连杆机构，21-连杆，20-第一腔体，3-控制单元，9-致动器，99-避让部，91-第一电机，5-柔性电路板；
46.11-机架，110-第二腔体；
47.12-驱动组件，121-丝杆，122-螺母，123-第一固定件，1231-第一固定部，1232-第二固定部，12320-安装边，12321-安装孔，1233-第三固定部；
48.13-第二固定件，14-第一挡板，15-第二挡板；
49.6-卷簧。
具体实施方式
50.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
51.需要说明，本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
52.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上，
也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，或者同时存在居中元件。
53.本文所使用的术语“远端”和“近端”为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近操作者的一端。
54.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
55.另外，在本技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
56.请参阅图1和图2，本技术实施例首先提供一种手术机器人，该手术机器人包括相互通信连接的主操作台300及从操作设备200。其中，主操作台300用于根据医生的操作向从操作设备200发送控制命令，以控制从操作设备200。从操作设备200用于响应主操作台300发送的控制命令，并进行相应的手术操作。
57.主操作台300和从操作设备200可以置于一个手术室内，也可以置于不同的房间，甚至主操作台300和从操作设备200可以相距很远。例如主操作台300和从操作设备200分别位于不同的城市，主操作台300与从操作设备200可以通过有线的方式进行数据的传输，也可以通过无线方式进行数据的传输。例如，主操作台300与从操作设备200位于一个手术室内，两者之间通过有线的方式进行数据的传输，又如，主操作台300与从操作设备200可以分别在不同的城市，两者之间通过无线信号进行远距离数据传输。
58.如图1所示，从操作设备200包括机械臂90、设置于机械臂90上的动力机构92、操纵器93，以及设置在操纵器93上的手术器械94。动力机构92用于驱动操纵器93进行相应的动作，例如，操纵器93可带动手术器械94围绕一远心不动点进行旋转。
59.如图1所示，手术器械94包括驱动盒941、长轴942和末端器械943；操纵器93包括持械臂1、连杆机构2和致动器9。致动器9与驱动盒941连接并设置在操纵器93的持械臂1上，其能够在持械臂1上沿特定方向作平移运动，以使手术器械94沿上述特定方向平移后末端器械943能够伸入患者体内。
60.此外，如图5和图6所示，致动器9内设有一个或多个第一电机91，第一电机91与驱动盒941内的驱动轴(未图示)连接，驱动轴上缠绕有驱动缆绳(未图示)等，驱动缆线穿过长轴942后末端器械943连接，通过致动器9的第一电机91的转动，带动驱动轴转动，从而驱动缆绳可以缠绕和释放，进而，末端器械943可以执行相应的动作。如致动器9内设有四个第一电机91，该四个第一电机91分别驱动一个驱动轴转动，每一个驱动轴上缠绕驱动缆绳，每一个第一电机91及其所连接的驱动轴和驱动缆绳可以带动末端器械943作至少一个自由度的移动。如此，四个第一电机91共可以驱动末端器械943实现俯仰、开合、自转、摆动等动作，以
执行相应的手术操作
61.请结合参阅图1和图3，连杆机构2包括至少一个连杆21。如图3和图4所示，该操纵器93还包括控制单元3，其设置在致动器9的盒体外、连杆21上，控制单元3与致动器9通信连接，控制单元3用于控制致动器9沿着持械臂1作平移运动。
62.具体来说，控制单元3包括至少一个电路板(未图示)，电路板向第一电机91供电，并接收第一电机91自身的电机编码器或其他检测结构(均未图示)等反馈的转动角度信息，并根据反馈的信息等对第一电机91的转动进行控制，如校准其转动角度或者是归位操作等。
63.由于控制单元3设置在连杆21上而非设置在致动器9内，致动器9的整体体积可以减小，致动器9重量可以降低，当致动器9沿着持械臂1作平移运动时，能耗可以降低；致动器9内电器件工作所产生的热量可以降低，有利于保证致动器9内结构长时间动作的可靠性；控制单元3与致动器9内的电结构等在空间上分离、间隔，可以减少控制单元3与致动器9内的电结构之间的电磁干扰，进一步保证致动器9的工作稳定性和可靠性，以及对手术器械94的驱动的稳定性和可靠性。
64.在本实施例中，控制单元3设置在连杆21上，连杆机构2中包括多个连杆21，控制单元3可以设置在最靠近持械臂1的一个连杆21上。如图3和图4所示，连杆21内部具有第一腔体20，控制单元3即设置在第一腔体20内。当然，在其他实施例中，根据需要，控制单元3设置在其他的连杆21内，或者是设置在持械臂1内，又或者是同时设置在持械臂1和连杆21内也是可以的。
65.并且，如图3和图4所示，控制单元3设置在连杆21内，致动器9设置在持械臂1上，致动器9具体是持械臂1的背离连杆21的一侧，或者说，致动器9和连杆21是分别位于持械臂1的相对两侧。
66.请结合参阅图4，致动器9的一侧边缘向内凹陷形成避让部99，该避让部99用于供手术器械94的长轴942穿过，如此，驱动盒941与末端器械943分别位于致动器9的相对两侧(上侧和下侧)，致动器9还能起到对驱动盒941的支撑作用。避让部99呈缺口形式，以便于手术器械94与该致动器9之间的拆装操作。
67.通常地，如图7和图8所示，该操纵器93还包括驱动组件12，驱动组件12与致动器9物理连接，并与控制单元3通信连接，驱动组件12在控制单元3的控制下动作，从而实现致动器9的升降。
68.为实现控制单元3与致动器9之间的电路连接和通信连接，在一个实施例中，该操纵器93还包括柔性电路板5，柔性电路板5设置在持械臂1内，并连接于控制单元3和致动器9内的第一电机91。
69.在一个实施例中，如图9和图10所示，持械臂1包括机架11，机架11内形成第二腔体110，柔性电路板5设置在该第二腔体110内，且柔性电路板5的一端与致动器9连接并随致动器9沿机架11移动，柔性电路板5的另一端固定设置在机架11上，并延伸出机架11，直至与连杆21内的控制单元3连接。控制单元3经由柔性电路板5与致动器9之间进行电连接和通信连接。柔性电路板5具有可变形的特性，因此，柔性电路板5的两端之间的部分可以发生变形，以适应其一端随致动器9的移动。
70.其中，柔性电路板5整体较软，为了避免柔性电路板5在变形时产生下垂、打结、缠
绕等问题而影响其上端的移动，需要在保证柔性电路板5可变形的基础上赋予其自身一定的支撑力。因此，在一个实施例中，柔性电路板5的至少一个表面上设有支撑片(未图示)。这样，柔性电路板5既能够在致动器9移动时随着上端的移动而产生变形，又能够在致动器9反向移动时自动回复，保证了该柔性电路板5的往复变形、回复过程的可靠性、顺畅性，进而保证了致动器9的移动的舒畅性和稳定性。
71.支撑片的材料不限，优选是受力后发生形变并可自动回复的材料，可以是金属材料或者塑料材料等，具体如不锈钢、pvc(polyvinyl chloride)、pc(polycarbonate，聚碳酸酯)等。
72.柔性电路板5的数量可以根据具体需要进行设置，可以为一个或多个。例如，在本实施例中，致动器9包括四个第一电机91，每一个电机可以通过一个柔性电路板5进行驱动，如此，可需要四个柔性电路板5，该四个柔性电路板5可以层叠的方式设置，且四个柔性电路板5并联地连接至控制单元3。
73.在一个可选实施例中，还可以有第五个柔性电路板5，前述四个柔性电路板5并联地连接至第五个柔性电路板5，将前四个柔性电路板5的信号进行汇总，然后与控制单元3进行连接。
74.可以理解的是，柔性电路板5的数量不限于上述所说，其中至少一个柔性电路板5用于驱动多个第一电机91也是可以的。
75.如图7和图8所示，在一个实施例中，所说的驱动组件12包括第二电机(未图示)、丝杆121和螺母122，均设置在机架11的第二腔体110内。丝杆121设于第二腔体110内，可绕其中心轴线转动。螺母122设于丝杆121上，致动器9与螺母122固定连接。当第二电机驱动丝杆121转动时，螺母122并不随着丝杆121转动，而是作沿着丝杆121轴向的平移运动，丝杆121的转动转化为螺母122和致动器9的沿丝杆121轴向的平移运动，致动器9能够在持械臂1上作平移往复移动。
76.如图3和图7所示，为便于描述，定义xyz直角坐标系，其中，致动器9在持械臂1上的移动方向为x方向，朝向连杆21的方向为y方向。在实际应用过程中，x、y、z各自相对于重力方向的实际方向可以变化。以下，将以x方向为竖直方向为例进行说明，也即致动器9在持械臂1上做上下方向的平移运动。
77.如图7和图8所示，在一个实施例中，驱动组件12还包括第一固定件123，第一固定件123安装于螺母122上，第一固定件123可随螺母122沿丝杆121的轴向作上下移动，柔性电路板5的一端设置在第一固定件123上，从而，该柔性电路板5的一端随螺母122和致动器9共同沿丝杆121的轴向作上下往复移动。
78.本实施例中，如图11所示，第一固定件123包括依次连接的第一固定部1231、第二固定部1232和第三固定部1233，其中，第一固定部1231可伸出于第二腔体110外，并与致动器9固定连接，第二固定部1232与螺母122固定连接，第三固定部1233则与柔性电路板5连接。如此，同时实现了螺母122与致动器9的连接以及柔性电路板5与致动器9的连接。
79.第一固定部1231的形状根据其与致动器9的连接需求设置，以能够方便连接并具有足够的强度为宜。在一个具体实施例中，该第一固定部1231呈平板状，以方便地插入致动器9中以及在致动器9中占用较小的空间。
80.如图11所示，第二固定部1232呈弧形板状，与螺母122和丝杆121的外周弧面相适
配，第二固定部1232在第二腔体110内也可占用较小的空间。
81.其中，如图11所示，第二固定部1232的端面上形成安装边12320，安装边12320上形成安装孔12321，螺母122的端面上设有配合孔(未图示)，通过紧固件(未图示)穿过安装孔12321和配合孔，以在第二固定部1232和螺母122之间形成连接。具体地，配合孔可以为螺纹孔，紧固件可以为螺栓；或者，紧固件可为铆钉。在其他可选实施例中，第二固定部1232可以通过其他方式与螺母122形成固定连接，例如焊接、卡接等，在此不作特别限定。
82.请继续参阅图11，在一个实施例中，第三固定部1233呈u型弯折，柔性电路板5的一部分夹置于第三固定部1233中，从而柔性电路板5的该端可以固定设置在第三固定部1233上，可以保证其末端与致动器9之间保持可靠的连接。
83.在一个实施例中，柔性电路板5通过以上各方式固定于第一固定件123上。当螺母122向下移动时，柔性电路板5的一端(上端)被带动向下移动，柔性电路板5的上端向下弯折，柔性电路板5大体呈u型，如图6所示；反之，螺母122向上移动时，柔性电路板5的上端向上移动。
84.如图7和图9所示，该持械臂1还包括第二固定件13，第二固定件13设置在第二腔体110内，优选是靠近连杆21的位置处，用于将柔性电路板5的另一端固定在机架11的该位置处，以便于该柔性电路板5与连杆21内的控制单元3的连接。
85.第二固定件13的形式不限，可以呈板状，具体如平面状。例如图7和图9所示，在一个具体实施例中，第二固定件13呈梳齿板状，这样能够对柔性电路板5提供足够的固定面积，具有良好的固定效果，同时，该梳齿板状的结构也能减少材料成本、重量等。当然，在其他实施例中，第二固定件13可以呈其他形式，不再一一赘述。
86.在另一个实施例中，可以将柔性电路板5的中段(两端之间的部分)根据柔性电路板5的上端的移动进行收纳，以减少柔性电路板5在第二腔体110内占据的空间，以及使得柔性电路板5在第二腔体110内以特定的方式进行变形、移动。
87.在一个实施中，如图12和图13所示，该持械臂1包括卷簧6，卷簧6可设置在机架11上，其相对于机架11保持位置固定，柔性电路板5的用于与致动器9连接的一端(图12和图13中的a端)至卷簧6的部分以卷绕的方式设置在卷簧6上，柔性电路板5的另一端(图12和图13中的b端)至卷簧6的长度一定、保持不变。当致动器9带动柔性电路板5的a端在机架11上移动时，a端至卷簧6的长度发生变化，而b端至卷簧6之间保持不变。
88.本实施例中，卷簧6可以设置在机架11的上端，也即致动器9移动轨迹的上极限位置。当致动器9位于上端时，如图12所示，柔性电路板5的a端至卷簧6的部分被卷绕收纳，b端至卷簧6的部分的长度大体等于致动器9上下移动的轨迹长度；当致动器9向下移动时，致动器9带动柔性电路板5从卷簧6上释放，a端至卷簧6的部分的长度逐渐增大，如图13所示；当致动器9从下向上移动时，a端至卷簧6的部分依靠卷簧6的回复而卷绕在卷簧6上。
89.当然，卷簧6可以设置在机架11的任意位置处，例如，机架11的下端或者机架11的其他任意位置处。
90.在另一个实施例中，卷簧6可以设置在螺母122上或者第一固定件123上，以与致动器9保持相对固定。这样的效果是，柔性电路板5的a端至卷簧6的部分长度较小并保持不变，柔性电路板5的b端至卷簧6的部分随着致动器9的升降而释放或卷绕。
91.在又一个实施例中，柔性电路板5从中部对折，如图14和图15所示，对折后形成新
的端部—c端，c端连接在卷簧6上，柔性电路板5的a端和b端分别连接致动器9和机架11的下端，卷簧6(图14和图15中以点划线示出，以与柔性电路板5区分)固定设置在机架11或者螺母122上，优选是机架11上。当致动器9带动a端移动时，b端随a端同步远离(或靠近)卷簧6，也即a端和b端同步远离或靠近卷簧6，a端至卷簧6的部分和b端至卷簧6的部分同步卷绕或释放，请结合参考图14和图15。如此，无论卷簧6是固定在螺母122还是机架11上，柔性电路板5至少有一端与卷簧6之间可以保持大体张紧。
92.为了便于第一腔体20内的控制单元3与第二腔体110内的柔性电路板5的连接，第二腔体110朝向第一腔体20开口设置，如图10所示。因此，驱动组件12在y方向上背离连杆21的一侧由机架11遮挡，而在y方向上靠近连杆21的一侧，设有第一挡板14，第一挡板14用于在第二腔体110内限定一个有限的空间，用于容置柔性电路板5，以防止柔性电路板5在移动、变形的过程中在y方向上朝向连杆21一侧发生偏移而影响到后续的回复。
93.第一挡板14固定设置在机架11上，具体可以通过连接件(未图示)固定，也可以与机架11为一体成型，只需能够在靠近连杆21的一侧对柔性电路板5起到一定的限位作用即可。
94.可选地，在一个实施例中，该持械臂1还包括第二挡板15，第二挡板15设于第二腔体110内，并位于柔性电路板5的z方向一侧，也即是柔性电路板5的背离丝杆121的一侧。第二挡板15同样用于在第二腔体110内限定一个有限的空间，用于容置柔性电路板5，以防止柔性电路板5在移动、变形的过程中在z方向上发生偏移而影响到后续的回复。
95.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。