可转向构件、手术器械组件及内窥镜手术设备的制作方法

1.本发明涉及一种可转向构件、手术器械组件及内窥镜手术设备。


背景技术：

2.线绳驱动方式的机械臂是内窥镜手术机器人的常见结构。线绳驱动方式的机械臂的主要结构是可转向构件，可转向构件具有彼此接触串联成列的多个弯曲节段，一弯曲节段与相邻弯曲节段之间的可接触面积较小，而且只有当贯穿于弯曲节段的致动绳拉紧时，相邻两弯曲节段才能保持较为紧密的接触连接，当贯穿于弯曲节段的致动绳放松时，相邻两弯曲节段之间呈现松脱状态，整个可转向构件也是松弛的，这将不利于内窥镜手术机器人的控制。


技术实现要素：

3.本发明提供一种能够保持相邻两弯曲节段之间接触较为稳定的可转向构件，以及手术器械组件及内窥镜手术设备。
4.可转向构件，包括彼此接触串联成列的多个弯曲节段，以及位于所述可转向构件的两端的远端连接件和近端连接件，
5.所述弯曲节段具有第一通孔和第二通孔，第一通孔位于弯曲节段的中心，第二通孔以第一通孔为中心对称布置，所述远端连接件和所述近端连接件分别具有与所述弯曲节段相同布置的第一通孔和第二通孔，
6.所述第一通孔内容纳有弹性管，所述弹性管的外径尺寸与所述第一通孔的内径尺寸相同。
7.优选的，所述弹性管包括呈螺旋状卷绕而成的螺旋管。
8.优选的，所述远端连接件和/或所述近端连接件具有的所述第一通孔为台阶孔，以将所述弹性管限位于所述可转向构件内。
9.优选的，所述远端连接件或所述近端连接件与相邻连接件在所述第一通孔的接合处形成台阶，以将所述弹性管限位于所述可转向构件内。
10.手术器械组件，该手术器械组件，包括：
11.如上所述的可转向构件的机械臂组件，该机械臂组件还包括：
12.末端执行器；
13.致动绳，包括贯穿所述第一通孔并于其远端连接所述末端执行器的致动绳，贯穿所述第二通孔并于其远端连接所述可转向构件的致动绳；以及
14.操控器，所述致动绳的近端连接操控器并被驱动。
15.优选的，远端连接所述可转向构件的所述致动绳在其末端融化形成球体，以用于将所述致动绳的末端限位于所述弯曲节段或者所述远端连接件的第二通孔的远端。
16.优选的，所述末端执行器为高频电手术刀，所述远端连接件采用陶瓷材质，所述高频电手术刀可被容纳在所述远端连接件的所述第一通孔内，并可从所述第一通孔内向外伸
出。
17.优选的，所述末端执行器包括四连杆机构，所述四连杆机构中的第一连杆和第二连杆通过第一枢转销连接，并且所述四连杆结构中的第三连杆和第四连杆通过第二枢转销连接，贯穿所述第一通孔的所述致动绳的远端连接于所述第二枢转销，所述远端连接件通过叉形连接件与所述第一枢转销连接，所述第一连杆和所述第二连杆分别延伸而形成夹钳。
18.优选的，所述叉形连接件包括管部和臂部，所述管部与所述远端连接件固定连接，贯穿所述第一通孔的所述致动绳能够贯穿所述管部的中心孔，所述第一枢转销连接于所述臂部的孔内。
19.优选的，所述操控器内设有卷轴，所述卷轴包括绞盘及其芯轴，所述芯轴被限位于所述操控器的基座上，所述致动绳的近端缠绕于所述绞盘上。
20.优选的，每个卷轴包括一对所述致动绳分别缠绕在其上的上绞盘和下绞盘，所述致动绳围绕所述上绞盘沿一个方向缠绕，并且另一所述致动绳围绕所述下绞盘沿相反方向缠绕。
21.优选的，所述操控器内设有滑块，所述滑块可在直线引导机构的引导下前后滑动。
22.优选的，所述直线引导机构包括双向丝杠，同一所述双向丝杠的两端分别连接所述滑块，所述双向丝杠运转时，其两端分别连接的所述滑块向相反的方向运动。
23.手术器械控制单元，包括如上所述的手术器械组件和驱动组件，所述操控器与所述驱动组件输出端的连接件之间可拆卸地耦接，当所述手术器械组件与所述驱动组件耦接时，所述驱动组件驱动所述手术器械组件执行操作，当所述手术器械组件与所述驱动组件解耦和分开时，二者不再一起进行操作。
24.优选的，所述驱动组件包括移动架和固定架，所述固定架上设有驱动所述移动架相对该固定架前后移动的电机。
25.内窥镜手术设备，包括至少一组如上所述的手术器械控制单元，以及内窥镜控制单元和机架，所述机架包括固定座，所述手术器械控制单元、所述内窥镜控制单元固定于所述固定座上。
26.本发明由于在可转向构件的中心设有弹性管，不仅使得弯曲节段排列整齐，不易错位，而且能够保持相邻两弯曲节段之间接触较为稳定，利于内窥镜手术机器人的控制。
附图说明
27.图1为本发明的一个实施例提供的内窥镜手术设备的结构示意图；
28.图2为本发明一个实施例的内窥镜控制单元的结构示意图；
29.图3为本发明一个实施例的旋钮控制装置的结构示意图；
30.图4为图3实施例的局部放大图；
31.图5为图3实施例的第一旋钮控制装置的结构示意图；
32.图6为图5中第一传动轴的结构示意图；
33.图7为图5中第一耦接件的侧面图；
34.图8为图3实施例的第二旋钮控制装置的结构示意图；
35.图9为图8中第二传动轴的结构示意图；
36.图10为图8中第二耦接件的侧面图；
37.图11为本发明一个实施例的进给机构和偏转机构的结构示意图；
38.图12为本发明一个实施例的手术器械组件的结构示意图；
39.图13为本发明另一个实施例的手术器械组件的结构示意图；
40.图14为本发明一个实施例的机械臂组件的结构示意图；
41.图15a、图15b为本发明一个实施例的弯曲节段的结构示意图；
42.图16为本发明一个实施例的两弯曲节段串联成列的结构示意图；
43.图17a、图17b为本发明另一个实施例的弯曲节段的结构示意图；
44.图18为本发明一个实施例的可转向构件的结构示意图；
45.图19为图18实施例中的近端连接件的结构示意图；
46.图20为本发明一个实施例的弹性管与可转向构件的连接结构示意图；
47.图21为本发明另一个实施例的弹性管与可转向构件的连接结构示意图；
48.图22为本发明一个实施例的末端执行器的结构示意图；
49.图23为图22实施例中的叉形连接件的结构示意图；
50.图24a、图24b为本发明另一个实施例的弯曲节段的结构示意图；
51.图25为本发明一个实施例的可转向构件的结构示意图(端部限位于远端连接件的致动绳未示出)；
52.图26为本发明一个实施例的同时使用两组手术器械附接到双通道内窥镜的结构示意图；
53.图27为本发明一个实施例的驱动组件的结构示意图。
具体实施方式
54.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
55.在本发明的描述中，使用的方位词如“上、下、左、右”指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或构件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
56.还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个构件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
57.由于软式内窥镜需要操作者双手进行内窥镜远端的控制，因此一位操作者不能同时控制内窥镜远端的偏转，以及通过其工具通道定位的手术器械的致动，因而需要加入更多的操作者进行配合，协调完成手术器械的手动控制，这就降低了手术的效率及安全性。
58.如图1所示，本发明内窥镜手术设备包括内窥镜控制单元100、手术器械控制单元200和机架300。内窥镜控制单元100用于把持并操控内窥镜的旋钮和按钮，手术器械控制单元200用于对使用内窥镜工作通道的手术器械的固定和致动，机架300用于承载内窥镜控制单元100和手术器械控制单元200，并可实现内窥镜及手术器械整体的旋转、进给、偏转和升
降。其中，内窥镜控制单元100可根据内窥镜规格进行更换，手术器械控制单元200也可以根据所需手术器械及其自由度的不同需要进行更换。
59.如图2所示，内窥镜控制单元100包括镜体把持装置110、旋钮控制装置120和按钮控制装置130。镜体把持装置110包括上把持件111和下把持件112，上把持件111和下把持件112扣合时可将内窥镜的操作部固定住，并且使得操作部的旋钮可与旋钮控制装置120耦接配合。上把持件111和下把持件112可以在一侧铰接，另一侧通过磁铁相互吸引固定。
60.如图3所示，旋钮控制装置120包括第一旋钮控制装置和第二旋钮控制装置。第一旋钮控制装置用于耦接和调节内窥镜操作部的大旋钮，第二旋钮控制装置用于耦接和调节内窥镜操作部的小旋钮，第一旋钮控制装置和第二旋钮控制装置分别包括传动机构、传动轴和活动耦接机构。传动机构可以被实施为齿传动机构，在图2、图3的实施例中，传动机构具体为蜗轮蜗杆传动机构。
61.如图3、图4、图5所示，第一旋钮控制装置包括第一蜗轮121、第一传动轴122和第一耦接件123，第一蜗轮121与第一传动轴122固定。第一耦接件123具有可与内窥镜操作部的大旋钮耦接的形状，第一传动轴122具有法兰部124(如图6所示)，第一传动轴122在法兰部124通过轴肩螺钉125与第一耦接件123连接，轴肩螺钉125在法兰部124的通孔内可自由滑动，轴肩螺钉125的螺纹部与第一耦接件123螺纹连接，第一传动轴122的法兰部124与第一耦接件123之间通过弹簧来提供回复力。在这里，第一耦接件123、轴肩螺钉125和弹簧组成活动耦接机构。
62.如图3、图4、图8所示，第二旋钮控制装置包括第二蜗轮126、第二传动轴127、第二耦接件128，第二蜗轮126与第二传动轴127固定。第二耦接件128具有可与内窥镜操作部的小旋钮耦接的形状，第二传动轴127具有法兰部124’(如图9所示)，第二传动轴127在法兰部124’通过轴肩螺钉125’与第二耦接件128连接，轴肩螺钉125’在法兰部124’的通孔内可自由滑动，轴肩螺钉125’的螺纹部与第二耦接件128螺纹连接，第二传动轴127的法兰部124’与第二耦接件128之间通过弹簧来提供回复力。在这里，第二耦接件128、轴肩螺钉125’和弹簧组成活动耦接机构。
63.如图4所示，第一传动轴122为空心轴，第一传动轴122套设于第二传动轴127并通过轴承129连接以使第一传动轴122和第二传动轴127分别转动而互不影响。为达平衡，可以同时使用一对轴承129。
64.上述第一耦接件123(如图7所示)和第二耦接件128(如图10所示)的形状分别适配型号为olympus gif 2t240的双通道内窥镜的大旋钮和小旋钮。
65.如图2所示，按钮控制装置130包括推杆电机131和电机固定架132。以型号为olympus gif 2t240的双通道内窥镜为例，内窥镜操作部包括用于进行送气操作、送水操作的送气送水按钮，用于进行抽吸操作的抽吸操作按钮，用于视频处理器的远程操作的四个遥控开关按钮。电机固定架132在结构上包绕上述按钮，推杆电机131固定于电机固定架132上，并且推杆电机131位于能够控制相应按钮的位置。
66.如图1所示，机架300包括旋转机构310、进给机构320、偏转机构330、升降机构340和底座350，旋转机构310连接有固定座311，内窥镜控制单元100和手术器械控制单元200分别固定于固定座311上。通过内窥镜控制单元100的把持，内窥镜操作部的工具插入口10位于上方，相应的，手术器械控制单元200位于内窥镜控制单元100的上方，以便手术器械能够
较为顺畅的从工具插入口10导入。旋转机构310通过齿传动机构或者带传动机构驱动，进而可控制内窥镜控制单元100和手术器械控制单元200共同旋转。在旋转机构310与底座350之间加入进给机构320和/或偏转机构330和/或升降机构340，可实现内窥镜控制单元100和手术器械控制单元200的进给、偏转和升降。
67.为便于移动，底座350设有滚轮。升降机构340包括由电缸341驱动的升降平台342，电缸341固定于底座350上，在电缸341的驱动下，升降平台342能够垂直升降。
68.偏转机构330设于升降平台340上。如图1、图11所示，偏转机构330被实施为通过齿传动机构驱动的偏转支座331，进给机构320被实施为通过直线引导机构驱动的进给支座321。偏转支座331具有一个斜面，进给支座321通过直线引导机构连接于偏转支座331的斜面上，在直线引导机构的驱动下，进给支座321可向斜下方进给。在这里，直线引导机构包括丝杠322和导轨323。安装在丝杠322上的进给螺母324与进给支座321固定，进给支座321与导轨323上的滑块325固定，电机在驱动器驱动下，通过联轴器驱动丝杠322旋转，将旋转运动转换为直线进给运动，进而驱动进给支座321及与之相固定的部件整体沿着导轨323方向进给和后撤。
69.机架300旁设置台架，可以放置用于内窥镜影像显示的显示器、用于内窥镜显示图像处理的图像处理器、用于内窥镜照明光源的冷光源和高频发生器等。
70.手术器械控制单元200包括手术器械组件210和驱动组件220。手术器械组件210和驱动组件220之间可拆卸地耦接，当手术器械组件210和驱动组件220耦接时，驱动组件220驱动手术器械组件210执行操作，当手术器械组件210和驱动组件220解耦和分开时，二者不再一起进行操作。
71.如图12、图13所示，手术器械组件210，包括机械臂组件211和操控器212，机械臂组件211包括末端执行器213、可转向构件214和致动绳215，远端连接可转向构件214的致动绳215可驱动机械臂组件211发生上下、左右偏转；远端连接末端执行器213的致动绳215贯穿可转向构件214的中心，可驱动末端执行器213执行进退、开合等操作。末端执行器213能够随同可转向构件214一起偏转。致动绳215的近端连接操控器212，操控器212再与驱动组件220耦接。
72.如图18所示，可转向构件214具有彼此接触串联成列的多个弯曲节段2141。如图15a、图15b、图17a、图17b所示，弯曲节段2141各自在其一端包括凸起部2142并且在其相对端包括凹槽部2143，凸起部2142被定位成凹槽部2143偏移90度。弯曲节段2141具有第一通孔2147和第二通孔2148，第一通孔2147位于弯曲节段2141的中心，远端连接末端执行器213的致动绳215贯穿第一通孔2147。第二通孔2148以第一通孔2147为中心对称布置，远端连接可转向构件214的致动绳215贯穿第二通孔2148。
73.如图16所示，凸起部2142、凹槽部2143均具有圆弧面，弯曲节段的凸起部2142被容纳在相邻弯曲节段的凹槽部2143中，以形成铰链连接，每个凸起部2142可以沿着对应的凹槽部2143的表面滑动，使得相邻弯曲节段的中心线相对于圆弧焦点可成角度地移动。
74.多个弯曲节段2141的两端分别设有远端连接件2144和近端连接件2145，远端连接件2144和近端连接件2145与其相邻的弯曲节段2141采用如上相同的铰链连接方式。
75.为了使得可转向构件214在偏转之后能够回复到相对笔直状态，在可转向构件214的中心设有弹性管2146(如图14所示)。弹性管2146的外径与第一通孔2147的内径尺寸相
同，使得弯曲节段2141可以整齐排列，不会出现错位。弹性管2146可被实施为密绕不锈钢螺旋管。
76.远端连接件2144和/或近端连接件2145所具有的第一通孔2147为台阶孔(如图19、图21所示)，以便将弹性管2146保持在可转向构件214内，其中，台阶孔的较大部分的内径尺寸与弹性管2146的外径尺寸相同。
77.也可以改变相邻连接件之间的第一通孔2147的内径尺寸来将弹性管2146保持在可转向构件214内。比如，弯曲节段2141的第一通孔2147的内径尺寸较大，而相邻的远端连接件2144或者近端连接件2145的第一通孔2147的内径尺寸较小；远端连接件2144的第一通孔2147的内径尺寸较大，而相邻的末端执行器213的第一通孔2147的内径尺寸较小(如图20所示)。
78.远端连接可转向构件214的致动绳215在其末端融化形成球体2151，以用于将致动绳的末端限位于远端连接件2144的第二通孔2148的远端。
79.远端连接可转向构件214的致动绳215外套有聚四氟乙烯套管，聚四氟乙烯套管能够减小致动绳与弯曲节段2141之间的摩擦，防止由于摩擦导致致动绳断裂，还可以防止金属制成的致动绳与带电手术器械可能的碰触，起到绝缘作用。
80.末端执行器可以是高频电手术刀、剪刀、夹钳等手术工具。
81.作为一个实施例，末端执行器213为高频电手术刀20，远端连接件2144采用陶瓷材质，高频电手术刀20可被容纳在远端连接件2144的第一通孔2147内，并可从第一通孔2147内向外伸出。连接高频电手术刀的致动绳215在其近端连接导电柱，导电柱连接至高频发生器。
82.作为一个实施例，如图14、图22所示，末端执行器213包括四连杆机构，四连杆机构中的第一连杆2131和第二连杆2132通过第一枢转销2135连接，并且四连杆结构中的第三连杆2133和第四连杆2134通过第二枢转销2136连接，致动绳215的远端连接于第二枢转销2136，远端连接件2144通过叉形连接件217与第一枢转销2135连接，第一连杆2131和第二连杆2132分别延伸而形成夹钳30。
83.如图23所示，叉形连接件217包括管部2171和臂部2172。管部2171与远端连接件2144固定连接，远端连接末端执行器213的致动绳215能够贯穿管部2171的中心孔，第一枢转销2135连接于臂部2172的孔内。
84.当同时使用两组手术器械组件附接到双通道内窥镜以协同操作时，由于内窥镜两工具通道之间距离很近，进行手术操作过程中可能产生不希望发生的干涉。为此，在其中一组手术器械组件中，使用4股端部限位于远端连接件的致动绳215，以及4股端部限位于中间弯曲节段2141的致动绳215(如图25所示)，使得可转向构件214的近端和远端可以向不同方向偏转，从而在伸出内窥镜远端弯曲部10后避免与另一组手术器械组件发生干涉(如图26所示)。此时，如图24a、图24b所示，8个第二通孔2148均布于弯曲节段2141的周边，端部限位于远端连接件的致动绳215和端部限位于中间弯曲节段2141的致动绳215在8个第二通孔2148中间隔布置。
85.在两组手术器械组件附接到双通道内窥镜以协同操作时，本发明通过对至少一组机械臂组件的可转向构件进行分段控制，当该组机械臂组件从内窥镜工作通道中伸出时，能够先行向另一组机械臂组件相反的方向偏转，避免两组手术器械组件协同操作时产生干
涉。
86.如图12、图13所示，操控器212内设有卷轴2121或者滑块2122，致动绳的近端与卷轴2121或者滑块2122连接。卷轴2121或者滑块2122与驱动组件220输出端的连接件之间可拆卸地耦接，当手术器械组件210和驱动组件220耦接时，驱动组件220驱动手术器械组件210执行操作，当手术器械组件210和驱动组件220解耦和分开时，二者不再一起进行操作。
87.在实施为卷轴2121的情况下，卷轴2121包括绞盘及其芯轴，芯轴被限位于操控器212的基座2120上。芯轴上的绞盘可以是具有圆形横截面的简单圆柱形绞盘，致动绳215围绕该圆形横截面缠绕。
88.如图12所示，每个卷轴2121包括一对致动绳215缠绕在其上的一对绞盘。例如，上绞盘和下绞盘可以被固定在卷轴的轮轴上，使得两个绞盘随着卷轴的旋转而旋转。致动绳215围绕上绞盘沿一个方向缠绕，并且另一致动绳215围绕下绞盘沿相反方向缠绕，使得绞盘围绕芯轴的旋转放出致动绳215中的一个的一定长度并同时卷收另一致动绳215的相等长度。
89.当末端执行器213被实施为需要开合操作的夹钳，而操控器212采用卷轴2121来控制致动绳215时，需要一个回复力以使致动绳215在被牵拉后回复到初始状态。为此，在致动末端执行器213开合的致动绳215的远端固定有挡块2151，以将压缩弹簧限位于挡块2151与叉形连接件217之间(如图22所示)。
90.在实施为滑块2122的情况下，滑块2122在直线引导机构的引导下前后滑动。直线引导机构包括导轨和丝杠，其中，导轨设于操控器212的基座2120上，丝杠设于驱动组件220。
91.如图13所示，同一双向丝杠的两端分别连接滑块2122，驱动双向丝杠的电机旋转时，两个滑块2122向相反的方向运动，从而实现对致动可转向构件214的一侧致动绳215拉紧，另一侧致动绳215放松。
92.如图27所示，驱动组件220包括移动架2201和固定架2202，移动架2201上设有分别致动末端执行器213的抓取和释放(如果有)、可转向构件214的偏转的电机，以及对应的传动装置，传动装置可以是丝杠传动机构、齿传动机构；固定架2202与固定座311固定，固定架2202上设有驱动移动架2201前后移动的电机，该电机通过驱动传动装置带动移动架2201相对固定架2202移动，从而实现手术器械组件210的整体前后移动。
93.本发明所提供的内窥镜手术设备适用于主从控制模式的手术机器人。控制台设有主操作手，主操作手的形式包括但不限于串联同构机械臂、串联异构机械臂、并联机械臂、外骨骼手套等。操作者通过对主操作手的操作，相应信息被传送至控制器，控制器将接收到的信息进行计算后作为动作指令传递至驱动装置。驱动装置包括驱动器和由驱动器控制的电机，当驱动器接收到控制器发送来的动作指令时，便控制相应电机运转或停止。受控的电机包括内窥镜控制单元100和手术器械控制单元200的电机，以及旋转机构310、进给机构320、偏转机构330和升降机构340的电机。