CN110974319B - 一种基于仿生原理的微创手术器械结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种基于仿生原理的微创手术器械结构，包括依次连接的手持部、传动机构和执行端，手持部包括手掌操作部和手指操作部，传动机构包括致动装置、开合传动装置和自转传动装置，执行端包括柔性臂和执行组件，所述手掌操作部通过致动装置驱动柔性臂带动执行组件进行俯仰或偏摆动作；所述手指操作部通过开合传动装置驱动执行组件进行开合动作；所述手指操作部通过自转传动装置驱动执行组件进行自转动作。本发明以人的手腕‑手指为仿生，可进行多自由度动作，且各动作之间没有耦合，通过操作时人手的动作与器械的动作在直观上一致，进而简化操作，缩短学习时间。

Description

一种基于仿生原理的微创手术器械结构及控制方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于仿生原理的微创手术器械结构及控制方法。

背景技术

自1987年法国医生成功实施第一例腹腔镜胆囊切除术后，以腹腔镜手术为代表的微创外科手术经历30年的发展，已经形成了一门相对独立的学科。

微创外科手术是指在人体体表作若干穿孔，将内窥镜和操作器械通过上述小孔进入体腔内，如腹腔、胸腔、盆腔、关节腔等，由术者在内窥镜的监视下，通过手在病人体外操作器械，使器械伸入病人体腔内的工作端对腔内的病灶进行切除，或对器官进行修补、缝合等手术，术毕将内窥镜和器械取出，缝合体表的小孔即可完成整个手术。

微创外科与传统外科相比，以其手术创伤小，术中并发症少，术后疼痛减轻，住院时间短等优点，现已成为众多外科常见疾病的诊断治疗标准。但由于其通常以3-5个2cm左右的穿孔作为介入通道，使得人手不再能直接接触到目标器官，而必须借助细长型的专用腹腔镜手术器械进行手术操作。

传统腹腔镜器械没有人手一样的“腕式”运动，自由度较少，医生操作时由于杠杆原理，容易产生较大的扰动，另外，有限的自由度使医生在进行特定动作时不得不使用手肘、手臂、肩部的不自然动作进行补偿，长时间会引起疲劳和损伤。对于一些初学者而言，需要进行大量的干式(体外模型操作训练)与湿式(活体动物实验)训练才能建立较稳定的手术经验曲线，以完成一些简单的腹腔镜手术。初学者若想完成例如腹腔镜下***癌根治术、腹腔镜下肾部分切除术等相对复杂的功能重建性手术，则需完成大量的临床手术操作之后才能够胜任。

随着单孔腹腔镜技术及经自然腔道内镜手术技术的出现，使得多自由度腹腔镜手术器械得到了开发与应用，因其器械头端可弯曲，一定程度上解决了传统腹腔镜器械操作角度受限的问题。但目前世界上现有的“达芬奇”手术机器人，操作方法复杂，医生需要经过至少约半年的专业培训才可掌握基本操作；同时，以“达芬奇”为代表的主从分离式微创手术***，手术器械为分轴式结构，各自由度之间有相互耦合，这使得操作不直观、动作不纯净、需要操作者学习的时间较长。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的自由度少，操作不直观，以及易发生耦合的问题，提供一种基于仿生原理的微创手术器械结构及控制方法，使得操作时操作者的手部动作与器械的动作在直观上一致。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于仿生原理的微创手术器械结构，包括手持部、传动机构和执行端，所述手持部包括手掌操作部和手指操作部，所述传动机构包括致动装置、开合传动装置和自转传动装置，所述执行端包括柔性臂和执行组件，所述柔性臂一端通过轴连接传动机构，另一端与执行组件可转动连接，所述手持部通过传动机构与执行端连接，其中：

所述手掌操作部通过致动装置驱动柔性臂带动执行组件进行俯仰或偏摆动作；

所述手指操作部通过开合传动装置驱动执行组件进行开合动作；

所述手指操作部通过自转传动装置驱动执行组件进行自转动作。

本发明所述手持部和传动机构之间还设有驱动机构，所述传动机构与驱动机构之间可拆卸连接。

本发明所述手掌操作部和手指操作部可转动连接。

本发明所述致动装置包括致动框、致动器和传动索，致动框铰接于座体，致动器铰接在致动框内，传动索驱动致动器或致动框偏转，致动器的偏转方向与致动框的偏转方向相互垂直。

本发明所述开合传动装置包括开合传动轴，所述开合传动轴通过开合传动索驱动执行组件开合。

本发明所述自转传动装置包括自转传动轴，所述自转传动轴通过齿轮组和驱动杆驱动执行组件自转。

本发明所述柔性臂包括至少两个依次铰接的关节连杆，所述柔性臂能够在致动器的驱动下进行偏摆，柔性臂能够在致动框的驱动下进行俯仰。

本发明所述执行组件包括两个中部铰接的执行手指和开合轴，两个所述执行手指的驱动端均与所述开合轴活动连接。

一种基于仿生原理的微创手术器械结构的控制方法，包括步骤如下：

1)操作者以手掌对应手掌操作部，手指对应手指操作部的姿势握紧手持部；

2)操作者手腕用力，控制手掌操作部做俯仰动作，则柔性臂带动执行组件进行对应的俯仰动作；

3)操作者手腕用力，控制手掌操作部做偏摆动作，则柔性臂带动执行组件进行对应的偏摆动作；

4)操作者手指用力，控制手指操作部做开合动作，则执行组件进行对应的开合动作；

5)操作者手指用力，控制手指操作部做自转动作，则执行组件进行对应的自转动作。

本发明所述手掌操作部做俯仰或偏摆动作时，执行组件进行方向、角度一一对应的俯仰或偏摆动作；所述手指操作部做开合或自转动作时，执行组件进行方向、角度一一对应的开合或自转动作。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的手术器械具备四个自由度，分别为俯仰、偏摆、开合、自转，且四个自由度可任意组合，给予了医生更强的操作性，使得医生可以轻松完成缝合、打结等高难度的手术动作；

(2)本发明的器械结构采用仿生原理设计，柔性臂仿生手腕、执行组件仿生手指，使得操作者的手部动作与器械的动作在直观上一致，进而简化操作，缩短操作者的学习时间，且各动作完全独立，没有耦合，利于操作与控制；

(3)本发明手术器械操作时，执行组件的方向、角度与操作者手部动作的方向、角度保持一致性能够保证手术操作过程中的精确度，大大提升手术过程的安全性；

(4)本发明仿生的器械结构与仿生的控制方法相结合，可以极大地缩短医生的学习时间，增大操作的灵活度，使医生可以凭借直观的手部动作就可以实现操作，实现“沉浸式”操作，得心应手。

附图说明

图1为本发明手术器械结构的结构示意图；

图2为手持部的内部结构示意图；

图3为俯仰偏摆控制单元的局部剖面示意图；

图4为俯仰偏摆控制单元的结构示意图；

图5为手指操作部的内部结构示意图；

图6为致动装置的结构示意图；

图7为致动装置的整体结构示意图；

图8为致动装置的整体主视图；

图9为传动机构的立体结构示意图；

图10为图9的A部放大图；

图11为自转传动装置的结构示意图；

图12为传动机构和执行端的结构示意图；

图13为传动机构所在端的结构示意图；

图14为母头复位板的结构示意图；

图15为柔性臂和执行组件的结构示意图；

图16为执行端内部的柔性自转臂的结构示意图；

图17为手持部和驱动机构的整体外部结构示意图；

图18为驱动机构的内部结构示意图；

图19为公头母头的连接结构；

图20为公头的结构示意图；

图21为公头上的公头复位组件的结构示意图；

图22为手掌操作部与执行组件俯仰或偏摆动作时的位置对应图；

图23为手指操作部与执行组件开合动作时的位置对应图；

图24为手指操作部与执行组件自转动作时的位置对应图。

其中：1-传动机构；11-致动装置；111-致动框；112-致动器；1121-驱动索组；113-传动索；114-座体；115-偏转传动轴；116-偏转固线轮；117-偏转过渡轮；12-开合传动装置；121-开合传动轴；122-开合固线轮；123-开合过渡轮；124-开合传动索；13-自转传动装置；131-自转传动轴；132-驱动齿轮；133-传动齿轮；134-从动齿轮；135-驱动杆；136-柔性自转臂；137-第四连接座；14-板件；141-卡钩；15-支撑板；16-第一壳体；161-插槽；17-支柱；18-第二芯片；19-母头；191-倒角；2-轴；3-执行端；31-柔性臂；311-第一连接座；312-关节连杆；313-第二连接座；32-执行组件；321-执行手指；3211-斜槽；322-开合轴；323-铰接轴；324-第三连接座；3241-第一限位槽；4-驱动机构；41-第二壳体；411-第一芯片；412-主控板；42-电机组；421-公头；4211-地插；4212-弹性伸缩件；4213-安装孔；43-电机安装板；431-限位块；432-弹性件；433-按钮；5-手持部；51-手掌操作部；511-第三壳体；512-球形套；5121-上盖；5122-侧套体；51221-第二限位槽；513-球头杆；5131-摇杆传感器；5132-摇杆；5133-柱状凸起；52-手指操作部；521-第四壳体；522-夹片；523-连杆；524-活动杆；525-旋转传感器；526-槽口；527-直线传感器；53-束件；6-母头复位板；61-凸起；7-公头复位组件；71-磁性件；72-电磁复位板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图21所示，本发明一种基于仿生原理的微创手术器械结构，包括手持部5、驱动机构4、传动机构1和执行端3，手持部5通过传动机构1与执行端3连接，手持部5和传动机构1之间还设有驱动机构4，传动机构1与驱动机构4之间可拆卸连接。

手持部5与驱动机构4的远离传动机构1的一端连接，人的手部操控手持部5，手持部5内的各控制单元识别人的手部动作并转化为相应的电信号，驱动机构4的主控板412接收电信号并计算转化为电机组42中的电机的转动量，从而通过传动机构1带动执行端工作。

具体的，手持部5包括手掌操作部51、手指操作部52和束件53，手掌操作部51与驱动机构4连接。

手掌操作部51与手掌相适应，手掌操作部51内设置有俯仰偏摆控制单元，俯仰偏摆控制单元获取手掌摆动动作对应的俯仰偏摆电信号。

具体的，手掌操作部51包括第三壳体511和设置在第三壳体511内的俯仰偏摆控制单元，其中，第三壳体511的形状与人的手掌相适应，方便手掌抓握；俯仰偏摆控制单元包括球形套512和球头杆513，球头套512固定设置在第三壳体511的内部，球头杆513的一端为球头，另一端为杆头，球头杆513的球头伸入球形套512内，并可相对于球头杆513摆动；球头杆513的杆头伸出第三壳体511与驱动机构4的第二壳体41连接。球头杆513的球头为中空结构，球头内容纳有摇杆传感器5131，球头的顶端设置有开口，摇杆传感器5131的摇杆5132可自开口伸出与球形套512的内顶面连接，当球头杆513和球形套512相对摆动时，会带动摇杆5132偏摆，摇杆传感器5131获取球头杆513和球形套512在两个正交方向上的相对摆动电信号，分为为俯仰电信号和偏摆电信号。优选地，球形套512包括上盖5121和侧套体5122，侧套体5122套在球头杆513的球头的外周，上盖5121位于球头杆513的上方并与摇杆5132连接。

进一步地，为了防止球形套512沿球头杆513的轴线自转，球头杆513的球头的外壁上设置有柱状凸起5133，球形套512上开有第二限位槽51221，柱状凸起5133伸入第二限位槽51221内，防止两者发生相对自转。进一步地，第二限位槽51221为设置在侧套体5122上，且轴向延伸的长孔，更进一步地，第二限位槽51221可延伸至侧套体5122的下周边形成开口，如此球形套512可相对于球头杆513摆动但不会相对于球头杆513自转。

当手掌作用于手掌操作部51时，手掌抓握在第三壳体511上，当手掌带动第三壳体511偏摆时，第三壳体511内的球形套512相对于球头杆513沿偏摆方向摆动，摇杆传感器5131获取偏摆电信号，并将电信号传送给驱动机构4的主控板412，主控板412根据电信号驱动制动电机来带动执行端3执行偏摆动作。当手掌带动第三壳体511俯仰时，第三壳体511内的球形套512相对于球头杆513沿俯仰方向摆动，摇杆传感器5131获取俯仰电信号，并将电信号传送给主控板412，主控板412根据电信号驱动制动电机来带动执行端3执行俯仰动作。

手指操作部52与手指相适应，手指操作部52与手掌操作部51可转动连接，手指操作部52内设有开合控制单元和自转控制单元，开合控制单元获取开合动作的开合电信号，自转控制单元获取旋转动作的自转电信号。

具体的，手指操作部52包括第四壳体521，第四壳体521与第三壳体511可转动连接，当手掌作用于手掌操作部51时，手指可以同时作用于手指操作部52。第四壳体521内设置有活动杆524，开合控制单元包括直线传感器527，直线传感器527随活动杆524直线运动，获取开合电信号，并将开合电信号传送给主控板412，主控板412根据开合电信号驱动开合电机来带动执行端3执行开合动作。自转控制单元包括旋转传感器525，旋转传感器525感应活动杆524的转动来获取自转电信号，并将自转电信号传送给主控板412，主控板412根据自转电信号驱动自转电机来带动执行端3执行自转动作。

进一步优选地，活动杆524可滑动地安装在第四壳体521内，第四壳体521上设置有夹片522，夹片522通过连杆523与活动杆524的一端连接，夹片522的一端与连杆523一端连接，连杆523的另一端与活动杆524活动连接，夹片522与连杆523连接的一端铰接设置在第四壳体521上，当外力推动夹片522偏转时，夹片522带动连杆523偏转，连杆523带动活动杆524沿其轴向直线运动。优选地，连杆523与活动杆524连接的一端开有长孔，固定件穿过长孔将连杆523和活动杆524活动连接。优选地，夹片522为两个，两个夹片522分别通过连杆523与活动杆524连接，两个夹片522关于旋转轴524对称设置，拇指和食指同时压合或松开两个夹片522，带动活动杆524直线运动。优选地，夹片522的自由端在复位件的作用下突出与第四壳体521的外表面，复位件可选但不限于扭簧。

进一步优选地，活动杆524上通过间隔设置两个圆盘结构形成槽口526，直线传感器527被滑动设置在第四壳体521内，直线传感器527的至少部分伸入槽口526内，当活动杆524直线运动时，其上的槽口526带动直线传感器527直线运动，直线传感器527获取开合电信号。

进一步优选地，手指作用于两个夹片522并驱动第四壳体521转动时，带动其内的活动杆524随之转动，活动杆524上安装有旋转传感器525，旋转传感器525随活动杆524一起转动，获取自转电信号。

束件53与手掌操作部51连接，用于操作手掌操作部51时将约束力施加到手背。

驱动机构4与传动机构1远离轴2的一端可拆卸连接，驱动机构4用于驱动传动机构1中的各传动轴，具体的，驱动机构4包括第二壳体41和电机组42，电机组42容纳于第二壳体41内部，电机组42包括四个电机，分别为两个致动电机、一个开合电机和一个自转电机，4个电机平行设置并与四个传动轴对应连接。电机组42集成安装在电机安装板43上，电机组42中各电机的驱动端与传动轴对应连接。

各电机和对应的传动轴之间通过公头母头对插连接，具体地，电机组42的各电机的驱动端连接有公头421，各传动轴与电机连接的一端设置有母头19，通过将公头421上的地插4211***对应的母头19上的插孔内，实现两者的传动连接。具体地，地插4211可为圆柱状或其它非圆柱状，本实施例为了方便加工，设置地插4211为圆柱状，且至少为两个。

进一步地，为了方便公头421上的地插4211***母头19上的插孔内，可在插孔的开口处设置倒角191。

进一步地，公头421上的地插4211通过弹性伸缩件4212设置在公头421上。具体地，公头421上开有与地插4211对应的安装孔4213，地插4211通过弹性伸缩件4212可伸缩地设置在安装孔4213内。初始状态下，地插4211在弹性伸缩件4212的作用下伸出安装孔4213；如遇到地插4211没有与母头19上的插孔对应的情况下，在外界作用力下，地插4211可克服弹性伸缩件4212的作用力缩入安装孔4213内，而不影响驱动机构4和传动机构1之间通过快换机构进行快速拆装。

为了实现对所有传动轴上的母头19的复位，可设置母头复位板6，母头复位板6上分布有与所有母头19在初始状态下时其上的插孔位置对应的凸起61，通过将凸起61对应***插孔内实现对所有母头19的同时复位。

为了实现对所有公头421的复位，可设置公头复位组件7，公头复位组件7包括两块相反极性的磁性件71和电磁复位板72，两块所述磁性件71对称设置且随公头421转动，电磁复位板72被固定设置，电磁复位板72感应磁性件71的磁极转换并发出电信号控制相应电机转动带动公头复位。具体地，每个公头421对应一个公头复位组件7，两个磁性件71均为半圆形，两块磁性件71围设在公头421的外壁，两个磁性件71的S-N分界线与公头421上的两个地插4211的连线共线，电磁复位板72被固定在电机安装板43上并位于两个磁性件71的S-N分界线上，电磁复位板72用于检测S-N极转换。当执行对公头的复位功能时，首先，电机带动其上的公头421沿固定方向缓慢转动，当公头421上的磁性件71到位时，电磁复位板72检测到S-N极转换，发出电信号控制电机停止转动，公头421实现复位。

进一步地，为了实现驱动机构4和传动机构1之间的快速拆装，驱动机构4和传动机构1通过快换机构进行连接，快换机构包括设置在电机安装板43上的限位块431和设置在板件14上的卡钩141，限位块431滑动设置在电机安装板43的靠近传动机构1的一面上，限位块431上开有卡槽，限位块431通过弹性件432与第二壳体41的内壁连接，卡钩141伸入并卡入在卡槽内，实现驱动机构4和传动机构1的快速连接。优选地，卡钩141与卡槽卡接的一端呈楔形，当卡钩141朝向卡槽运动时，可推动限位块431克服弹性件432的作用力在电机安装板43上滑动，最终卡钩141的楔形端伸入到卡槽内并被限位。如需驱动机构4和传动机构1脱离，则第二壳体41上设置有按钮433，通过按压按钮433，推动限位块431滑动，接触卡槽对卡钩141的限位作用，卡钩141可自卡槽中脱出，实现驱动机构4和传动机构1的脱离。弹性件432可选但并不限于弹簧。

通过上述的快换机构，结合前述的公头421结构及母头复位板6和公头复位组件5，在驱动机构4与传动机构1连接时，可先使用母头复位板6使所有母头19复位，然后通过快换机构使驱动机构4与传动机构1连接，再对公头421进行复位。或者，对公头421和母头19分别复位后再通过快换机构进行连接均可。

进一步地，驱动机构4和传动机构1可不唯一连接，驱动机构4与传动机构1相接的端面上设置有第一芯片411，第一芯片411上设置有PIN针座；传动机构1与驱动机构4相接的端面上设置有第二芯片18，第二芯片18上设置有PIN针，通过PIN针***PIN针座实现第一芯片411和第二芯片18电连接，第一芯片411可获取第二芯片18上的器械的相关信息。具体地，驱动机构4的第二壳体41至少部分朝向传动机构1凸起，凸起部的端面上设置有第一芯片411，传动机构1的第一壳体16内对应设置有插槽161，插槽161内底面上设置有第二芯片18，当驱动机构4的凸起部***插槽161时，第一芯片411与第二芯片18相接，第一芯片411可获取第二芯片18上的相关信息。其中，相关信息包括器械种类、器械寿命、已用次数等。

进一步地，凸起部内设置有主控板412，主控板412包括芯片，可接收各种电信号进行处理，通过算法，转化为电机组42中各电机对应的转动量，并控制各电机按照转动量工作。

进一步地，第二外壳41的对应主控板412的外表面上还设置有控制按钮。

传动机构1包括致动装置11，开合传动装置12和自转传动装置13，致动装置11驱动执行端3俯仰或偏摆，开合传动装置12驱动执行端3开合，自转传动装置13驱动执行端3自转。

具体的，致动装置11包括致动框111、致动器112和传动索113，致动框111铰接于座体114，致动器112铰接在致动框111内，传动索113驱动致动器112或致动框111偏转，致动器112的偏转方向与致动框111的偏转方向相互垂直。

具体地，致动框111的两端通过俯仰轴铰接在座体114上，致动器112的两端通过偏摆轴铰接在致动框111的内壁上，致动框111可带动致动器112沿俯仰轴偏转，致动器112可相对于致动框111沿偏摆轴偏转。俯仰轴和偏摆轴垂直设置，优选地，致动框111和致动器112的中心点重合，俯仰轴和偏摆轴垂直且相交，交点与上述中心点重合。

致动框111和致动器112的偏转由传动索113驱动。具体地，传动索113为两根，两根传动索113分别连接致动器112的两侧，两根传动索113对称设置，两根传动索113同时、同量一收一放时，致动器112偏转，两根传动索113同时、同量收或放时，致动框111偏转。优选地，两根传动索113连接在致动器112的一端的两侧。优选地，传动索113可选但并不限于钢丝。

传动索113在偏转传动轴115的带动下收放。偏转传动轴115也为两个且与传动索113一一对应，两个偏转传动轴115上分别设置有偏转固线轮116，传动索113的一端缠绕在偏转固线轮116上，传动索113的另一端与致动器112连接。优选地，传动索113从致动器112的上方作用于致动器112，传动索113的拉力方向与初始状态下的致动器112近似垂直。传动索113的拉力方向被偏转过渡轮117控制，传动索113绕过偏转过渡轮117与致动器112连接，所述偏转过渡轮117位于致动器112的正上方。

致动器112的偏转带动执行端3俯仰、偏摆，致动器112上设有驱动索组1121，当致动器112相对于致动框111沿偏摆轴偏转时，致动器112通过驱动索组1121带动执行端3偏摆；当致动框111带动致动器112沿俯仰轴偏转时，致动器112通过驱动索组1121带动执行端3俯仰。进一步地，驱动索组1121包括多个驱动索，优选地，各驱动索的竖直延伸的中间段的至少部分为杆状结构，即驱动索的两端呈索状，中间部分呈杆状，如此可方便加工，且增强刚度和硬度。进一步优选地，驱动索的两端为钢丝，中间部分为钢杆。

进一步地，还包括板件14，两个偏转传动轴115集成安装在板件14上，偏转过渡轮117设置在板件14上。

开合传动装置12包括开合传动轴121，开合传动轴121通过开合传动索124驱动执行端3开合。具体地，开合传动轴121上设置有开合固线轮122，开合传动索124的一端绕在一个开合固线轮122上，开合传动索124的另一端驱动执行端开合。当开合传动轴121转动时，实现开合传动索124的收放，开合传动索124穿过致动器112的中部来驱动执行端3的开合。

进一步地，还包括开合过渡轮123，通过开合过渡轮123来控制开合传动索124的拉力方向，开合过渡轮123设置在板件14上，开合传动索124经过开合过渡轮123，沿垂直于初始状态下的致动器112的方向穿过致动器112的中部延伸，通过开合传动索124带动执行端3的开合轴直线运动来实现执行端3的开合。其中，开合传动索124可选但并不限于钢丝。

自转传动装置13包括自转传动轴131，自传传动轴131通过齿轮组和驱动杆135来驱动执行端3自转。具体地，齿轮组包括设置在自传传动轴131上的驱动齿轮132、中间起到传动作用的传动齿轮133和设置在驱动杆135上的从动齿轮134，自传传动轴131带动其上的驱动齿轮132转动，驱动齿轮132通过传动齿轮133带动从动齿轮134转动，从动齿轮134带动驱动杆135转动，驱动杆135带动执行端3自转。

优选地，两个偏转传动轴115、开合传动轴121和自传传动轴131均集成安装与板件14上，且分布在座体114的四周。

进一步地，还包括支撑板15，支撑板15与板件14平行间隔设置，致动装置11、开合传动装置12和自转传动装置13集成安装在支撑板15和板件14之间。具体地，座体114安装在支撑板15的靠近板件14的一侧，座体114安装在支撑板15的中部，4个传动轴115可转动地设置在支撑板15和板件14之间，4个传动轴115分布在座体114的四周，驱动杆135穿过致动器112驱动执行端3自转，开合传动索124穿过驱动杆135驱动执行端3开合，驱动索组1121围设在驱动杆135的外周。

进一步地，板件14和支撑板15之间还设置有支柱17，通过设置支柱17，增强板件14和支撑板15之间的稳定连接。

进一步地，传动机构1还包括设置在外部的第一壳体16，致动装置11、开合传动装置12、自转传动装置13、板件14和支撑板15均设置在第一壳体16内。

轴2为中空管状，轴2将传动机构1耦合到执行端3，执行端3在传动机构1的带动下执行各种动作。

具体地，轴2的一端与支撑板15连接，驱动索组1121、驱动杆135和开合传动索135均可穿过支撑板15伸入到轴2中，并穿过轴2与执行端3连接，以驱动执行端3动作；轴2的另一端连接执行端3。

执行端3包括柔性臂31和执行组件32，柔性臂31的一端与轴2连接，柔性臂31的另一端连接执行组件32。具体地，柔性臂31包括至少两个关节连杆312，至少两个关节连杆312依次铰接连接。关节连杆312呈具有一定厚度的圆环状，每个关节连杆312的外周轴向延伸有铰接结构，相邻两个关节连杆312通过铰接结构铰接。靠近轴2的关节连杆312通过第一连接座311与轴2固定连接，靠近执行组件32的关节连杆312通过第二连接座312与执行组件32转动连接。优选地，第一连接座311与关节连杆312之间可为铰接或固定连接，第二连接座312与关节连杆312之间可为铰接或固定连接，只要保证第一连接座311、至少两个关节连杆312和第二连接座312之间沿两个垂直的铰接轴线偏转即可。

驱动索组随着致动器的偏转带动关节连杆312运动。具体地，驱动索组包括至少3根驱动索，驱动索在致动器的作用下带动柔性臂沿两个垂直方向偏转，实现柔性臂31带动执行组件32俯仰、偏摆。

执行组件32包括两个铰接的执行手指321和开合轴322，两个执行手指321的中部通过铰接轴323铰接，开合轴322穿过两个执行手指321的驱动端，将两个执行手指321活动连接。具体地，两个执行手指321的驱动端开有斜槽3211，开合轴322穿过两个执行手指321上的斜槽3211将两个执行手指321活动连接。

进一步地，两个执行手指321的驱动端的外部设置有第三连接座324，执行组件32通过第三连接座324与柔性臂31连接。具体地，第三连接座324的一端与第二连接座313转动连接，第三连接座324的另一端呈分叉状，执行手指321的驱动端和开合轴322置于两个分叉之间，铰接轴323的两端分别与两个分叉连接，实现两个执行手指321与第三连接座324的连接。第三连接座324上还开有第一限位槽3241，开合轴322的两端伸入第一限位槽3241内并沿第一限位槽3241运动。优选地，第一限位槽3241轴向延伸。

为了实现自传，驱动杆135通过柔性自转臂136与执行组件32连接，驱动杆135与柔性自转臂136的一端固定连接，柔性自转臂136的另一端通过第四连接座137与执行组件32连接。具体地，第四连接座137与开合轴322滑动连接。开合轴322的中部朝向第四连接座137延伸有连接块，所述连接块伸入到第四连接座137内并可在第四连接座137内轴向滑动，连接块与第四连接座137的端部设置有限位结构，防止连接块和第四连接座137相对转动并防止连接块脱离第四连接座137内部，驱动杆135可通过第四连接座137带动执行组件32转动。

优选地，柔性自转臂136位于柔性臂31的内部，柔性自转臂136的轴向位置和轴向长度与柔性臂31相同。如此，柔性自转臂136可随柔性臂31做俯仰偏摆动作，还可在驱动杆135的驱动作用下，带动执行组件32自转。更甚者，在柔性臂31保持俯仰偏摆姿态时，驱动杆可带动柔性自转臂136在柔性臂31内自转而不影响柔性臂31的俯仰偏摆姿态，即俯仰偏摆动作和自转动作之间不存在干涉，保证了器械结构的操作的准确性。进一步优选地，柔性自转臂136为万向关节。

为了实现执行手指321的开合，开合传动索124带动开合轴322沿轴向运动，进而带动两个执行手指321相向或相背偏转，实现执行手指的开合。具体地，开合传动索124依次穿过驱动杆135、柔性自转臂136与开合轴322连接，当开合传动轴121转动，带动其上的开合传动索124收线时，开合传动索124拉动开合轴322沿第四连接座137向上滑动，实现两个执行手指321的收拢。进一步地，第四连接座137内还设置有弹性复位件，弹性复位件用于给开合轴322提供复位作用力，开合传动索124穿过弹性复位件与开合轴322连接。当需要两个执行手指321收拢时，开合传动轴121转动，带动其上的开合传动索124收线，开合传动索124带动开合轴322克服弹性复位件的作用力沿轴向向上滑动，实现两个执行手指321的收拢；当需要两个执行手指321张开时，开合传动轴121转动，带动其上开合传动索124放线，开合轴322在弹性复位件的作用下沿第四连接座137向下滑动，实现两个执行手指321的张开。优选地，弹性复位件可选但不限于压簧。

如图22-24所示，本发明提供的一种基于仿生原理的微创手术器械结构的控制方法，包括步骤如下：

1)操作者以手掌对应手掌操作部51，手指对应手指操作部52的姿势握紧手持部5；

2)操作者手腕用力，控制手掌操作部51做俯仰动作，则柔性臂31带动执行组件32进行对应的俯仰动作(如图22中A、B所示)；

3)操作者手腕用力，控制手掌操作部51做偏摆动作，则柔性臂31带动执行组件32进行对应的偏摆动作(如图22中C、D所示)；

4)操作者手指用力，控制手指操作部52做开合动作，则执行组件32进行对应的开合动作(如图23所示)；

5)操作者手指用力，控制手指操作部52做自转动作，则执行组件32进行对应的自转动作(如图24所示)。

具体的，当需要执行端3执行俯仰偏摆动作时，手掌带动第三壳体511偏摆，第三壳体511内的球形套512相对于球头杆513的球头偏摆，摇杆传感器5131获得手掌摆动对应的俯仰电信号和偏摆电信号，并将获得的俯仰电信号和偏摆电信号传送给主控板412，主控板412接收俯仰电信号和偏摆电信号并计算转化为电机组42中的两个致动电机的转动量，主控板412根据转动量控制两个致动电机转动；两个致动电机带动两个偏转传动轴115转动，两个偏转传动轴115驱动两个传动索113收放，带动致动框111和/或致动器112偏转，致动器112上的驱动索组1121拉动柔性臂31的关节连杆312执行俯仰、偏摆动作。

当需要执行端3执行开合动作时，手指捏住夹片522克服复位件的作用力发生偏转，连杆523随之偏转，连杆523带动活动杆524做直线运动，旋杆524上的槽口526带动直线传感器527随之直线运动，直线传感器527获取开合电信号，并将开合电信号传送给主控板412，主控板412接收开合电信号并计算转化为电机组42中的开合电机的转动量，主控板412根据转动量控制开合电机转动；开合电机带动开合传动轴121转动，开合传动轴121驱动开合传动索124收放，开合传动索124带动开合轴322沿第一限位槽3241做直线运动，开合轴322驱动两个执行手指321的驱动端，实现两个执行手指321的开合。

当需要执行端3执行自转动作时，手指转动第四壳体521，带动其内的活动杆524转动，活动杆524上的旋转传感器525也随之转动，旋转传感器525获取自转电信号，并将自转电信号传送给主控板412，主控板412接收自转电信号并计算转化为电机组42中的自转电机的转动量，主控板412根据转动量控制自转电机转动；自转电机带动自转传动轴131转动，自转传动轴131带动其上的驱动齿轮132转动，驱动齿轮132通过传动齿轮133带动从动齿轮134转动，从而带动驱动杆135转动，驱动杆135通过柔性自转臂136带动执行组件32自转，实现执行组件32的自转。

需要说明的是，上述步骤2)-5)可以任意单独进行，也可以任意组合同时进行，各动作之间不会发生耦合，相互影响；并且手掌操作部51做俯仰或偏摆动作时，执行组件32在柔性臂31的带动下进行方向、角度一一对应的俯仰或偏摆动作；所述手指操作部52做开合或自转动作时，执行组件32进行方向、角度一一对应的开合或自转动作，做到柔性臂31仿生手腕、执行组件32仿生手指，使得操作者的手部动作与器械的动作在直观上一致，进而简化操作，缩短操作者的学习时间，且各动作完全独立，没有耦合，利于操作与控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于仿生原理的微创手术器械结构，其特征在于，包括：

手持部，所述手持部包括手掌操作部和手指操作部；

传动机构，所述传动机构包括致动装置、开合传动装置和自转传动装置；

执行端，所述执行端包括柔性臂和执行组件，所述柔性臂一端通过轴连接传动机构，另一端与执行组件可转动连接；

所述手持部通过传动机构与执行端连接，其中：

所述手掌操作部通过致动装置驱动柔性臂带动执行组件进行俯仰或偏摆动作；

所述手指操作部通过开合传动装置驱动执行组件进行开合动作；

所述手指操作部通过自转传动装置驱动执行组件进行自转动作；

所述致动装置包括致动框、致动器和传动索，致动框铰接于座体，致动器铰接在致动框内，传动索驱动致动器或致动框偏转，致动器的偏转方向与致动框的偏转方向相互垂直，所述传动索设有两根，当一根传动索收，另一根传动索同时、同量放时，所述致动器偏转；两根所述传动索同时、同量收或两根所述传动索同时、同量放时，所述致动框偏转；

偏转传动轴，所述偏转传动轴为两个且与所述传动索一一对应，所述传动索在所述偏转传动轴的带动下收放；

反向索，所述反向索为两根，两根所述反向索分别连接所述致动器的与所述传动索连接的两侧连接位置，每根所述反向索由连接所述致动器同一连接位置的传动索对应的偏转传动轴带动收放，同一偏转传动轴上的传动索和反向索的收放动作相反。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的微创手术器械结构，其特征在于：所述手持部和传动机构之间还设有驱动机构，所述传动机构与驱动机构之间可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的微创手术器械结构，其特征在于：所述手掌操作部和手指操作部可转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的微创手术器械结构，其特征在于：所述开合传动装置包括开合传动轴，所述开合传动轴通过开合传动索驱动执行组件开合。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的微创手术器械结构，其特征在于：所述自转传动装置包括自转传动轴，所述自转传动轴通过齿轮组和驱动杆驱动执行组件自转。

6.根据权利要求4所述的一种基于仿生原理的微创手术器械结构，其特征在于：所述柔性臂包括至少两个依次铰接的关节连杆，所述柔性臂能够在致动器的驱动下进行偏摆，柔性臂能够在致动框的驱动下进行俯仰。

7.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的微创手术器械结构，其特征在于：所述执行组件包括两个中部铰接的执行手指和开合轴，两个所述执行手指的驱动端均与所述开合轴活动连接。

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