專利名稱：一種微創外科絲傳動、四自由度手術工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微創外科手術機器人醫療設備，尤其涉及一種微創外科手術機器人手術 工具。
背景技術：
隨著醫療技術的發展，微創外科手術誕生并迅速地推廣開來。它是指借助先進的手術器 械與設備，醫生利用細長的手術工具通過體表微小切口探入到體內進行手術操作。它與傳統 的開口手術相比具有手術切口小、出血量少、術后疤痕小、恢復時間短等優點，這使得病人 遭受的痛苦大大減少，手術過程中承受的風險得以降低；因此微創外科被廣泛地應用于臨床 手術。然而，微創手術為病人帶來了諸多利益的同時，卻對醫生的操作帶來了一系列困難， 如靈活性大大降低；操作方向與所期望的方向相反，協調性差；工具前端自由度少從而不 能完成復雜的縫合打結等手術動作；只能通過監視器上的二維圖像獲得手術場景信息，缺乏 深度方向上的感覺；缺乏力感覺等。這些問題造成醫生訓練的復雜性和長期性，這限制了微 創手術在諸如心臟手術、泌尿手術等一系列復雜手術中的運用。
在這樣的背景下結合工業機器人技術和微創外科技術的微創手術機器人孕育而生，他是 指代替醫生抓持手術工具完成微創手術操作的機器人系統。在手術中，醫生通過控制裝置操 作、控制安裝有手術工具的手術機器人系統從而間接地完成手術操作。微創手術機器人將醫 生的手術經驗及機器人操作的靈敏度高、定位準確、運行穩定、靈活性高、有機的結合起來 ，克服了微創手術操作中存在的大部分問題，如工具靈活性，操作舒適性等問題，并且具 有逐步解決其他問題的潛力。微創手術機器人手術提高了手術操作的舒適度，縮短了醫生訓 練的時間，手術工具更加靈活而能夠勝任于復雜的手術操作。正因為這些優點與進步，微創 手術機器人的運用被韻為外科手術新的革命。
同普通微創手術一樣，在微創手術機器人手術過程當中，機器人手術工具作為唯一進入 人體內部的部分，也是直接進行手術操作的機器人部分，因此手術工具的設計優劣直接決定了手術機器人系統的成敗與否，同時手術機器人手術工具的實際特征與性能指標也直接指導 著手術機器人其他部分，比如本體系統的設計，進而影響被動部分與支撐定位部分的設計， 而且前端手術工具的技術指標直接決定了主手操作系統的設計指標與布局方式要求。可見 手術機器人手術工具影響和決定了整個機器人系統的設計工作，手術工具性能是一套手術機 器人系統性能水平的關鍵因素。
手術機器人系統已經取得了長足的發展，也伴隨著手術工具的不斷發展和進步。微創手 術機器人手術工具是由微創手術工具發展而來的，典型的微創手術工具采用桿傳動的傳動方 式，前端具有一個自由度，但是傳統的微創手術工具僅一個自由度的設計決定了其不能完成 復雜的手術操作，限制了微創手術的應用環境，也正是對微創手術工具的功能，性能上的不 斷完善和改進體現了微創手術機器人手術工具的不斷發展和進步。在國際上，美國、法國、 德國、英國、波蘭、日本、韓國等國家政府和學術界都給予了極大關注，并投入了大量的資 金和資源開展微創外科手術機器人的研究，研制了多種微創手術機器人手術工具。而在這些 微創手術機器人系統中僅有三套樣機達到了商業臨床運用水平，他們分別是ZEUS、 DA VINCI 、LAPROTEK系統。縱觀這些手術機器人末端工具，可以發現，手術機器人末端工具發展趨勢 是從傳統桿傳動、少自由度工具向絲傳動、多自由度手術工具發展。大量的手術機器人系統 未能達到臨床運用水平的一個重要原因是它們是桿傳動、少自由度手術工具。ZEUS系統也因 此而被DA VINCI系統收購，現存的兩套商業化微創手術機器人系統都是采用絲傳動的四自由 度手術工具。絲傳動、多自由度手術工具的研究也吸引了學術界越來越多的力量。而在我國 ，手術機器人的自主開發處于起步階段，對手術工具的研究也處于桿傳動、少自由度的水平 ，在多自由度手術工具方面處于空白狀態。因此，開發絲傳動，多自由度手術工具對填補國 內空白，推進相關領域技術進步具有重要意義。研究具有與國外系統不同的絲傳動實現形式 的多自由度手術工具對提升我國在該領域的學術、技術地位意義深遠。
專利號為6394998的美國專利公開了一種微創外科絲傳動、四自由度手術工具，該手術 工具結構為四自由度布置，采用鋼絲繩進行各自由度運動傳動。該手術工具鉗體鋼絲繩從鉗 體中軸線開始向后延伸布置，延伸出的兩段鋼絲繩分別經過一次布置于主體側邊的傳動輪實 現變向，變向后的兩段鋼絲繩分別從安裝于工具后端軸銷上的傳動輪兩側通過，兩段鋼絲繩 在運動時互相補償，實現了閉環鋼絲傳動系統。該結構的缺點為鉗體傳動鋼絲繩不能垂直于 鉗體軸線，因此傳動時鉗體受額外的軸向力，惡化了工具受力情況，增加了絲傳動摩擦；布 置于主體側邊的變向傳動輪增大了工具總體外周尺寸，不利于手術工具尺寸的縮小；腕部自 由度相互交錯的驅動鋼絲繩設計使傳動時腕部自由度受a角影 ，增加了絲傳動摩擦。專利號為6969385的美國專利公開了一種微創外科絲傳動、四自由度手術工具，該手術 工具結構同樣為四自由度布置，采用鋼絲繩進行各自由度運動傳動。該手術工具鉗體鋼絲繩 從鉗體中軸線開始向后延伸布置，在工具主體不經過傳動輪實現變向，未變向的兩段鋼絲繩 從對稱安裝于工具后端連接桿上的兩個傳動輪中間相切位置通過，即鋼絲繩從腕部自由度中 軸線通過，實現了閉環鋼絲傳動系統。該結構的缺點為鉗體傳動鋼絲繩不能垂直于鉗體軸線 ，因此傳動時鉗體受額外的軸向力，惡化了工具受力情況，增加了絲傳動摩擦；從中間線通 過的鋼絲繩在運動過程中會在對稱布置的兩個傳動輪上相互切換，影響絲傳動精度。

發明內容
本發明的目的在于提供一種在醫生的操作下可實現多手配合操作，鋼絲繩傳動賦予大的 輸出力值和各自由度大的偏轉角度，能勝任縫合打結等復雜手術操作的一種微創外科絲傳動 、四自由度手術工具。
為了達到上述目的，本發明的一種微創外科絲傳動、四自由度手術工具，它包括工具連 接桿，所述的工具連接桿一端與動力接口部分相連，另一端與工具末端相連，所述的工具末 端包括工具主體，在所述的工具主體的后端固定地連接有主體驅動輪，所述的工具連接桿前 端安裝有后部軸銷，在所述的后部軸銷兩側分別轉動地安裝有兩個其上設置有整圈的絲槽的 后部傳動輪并且在其中間通過所述的主體驅動輪與工具末端的工具主體轉動相連，在所述的 工具主體的中部安裝有兩個中間傳動輪軸，靠近所述的主體驅動輪的中間傳動輪軸的兩側分 別安裝有兩個與其轉動配合的并且其上設置有整圈的絲槽的第一中間傳動輪，遠離所述的主 體驅動輪的第二中間傳動輪軸兩側分別安裝有一個與其轉動配合的并且其上設置有整圈的絲 槽的第二中間傳動輪，在所述的工具主體的前端安裝有前部軸銷，所述的前部軸銷通過對稱 安裝在其上的兩個鉗體驅動輪與工具鉗體相連，所述的鉗體驅動輪與鉗體固定相連，所述的 鉗體驅動輪能夠圍繞所述的前部軸銷轉動；所述的每一鉗體驅動輪通過插在所述的鉗體驅動 輪上的固絲結與一個前端鋼絲繩的一端固定相連并將所述的前端鋼絲繩分為兩部分，所述的 一部分前端鋼絲繩經過第一中間輪一次變向通過所述的后部傳動輪與第一電機軸纏繞相連， 所述的另一部分前端鋼絲繩經過第二中間輪、第一中間輪兩次變向通過后部傳動輪與第二電 機軸纏繞相連；所述的本體驅動輪通過插在所述的本體驅動輪上的固絲結與一個腕部鋼絲繩 的一端固定相連，所述的腕部鋼絲繩的另一端纏繞在第三電機軸， 一個工具自轉傳動絲一端 纏繞在所述的工具連接桿上，另一端與第四電機軸纏繞相連。本發明的微創外科手術絲傳動 、四自由度手術工具，與現有技術相比具有以下有益效果本發明的工具在機器人本體系統的輔助下通過細長桿探入到腹腔內部進行手術操作。能 夠在大范圍內完成操作。
本發明的工具是具有四個自由度的全功能微操作手，能獨立地在小范圍內完成位置和姿 態調整，完成復雜手術。
本發明的工具全部采用鋼絲繩傳動，實現遠距離傳動，消除回差、保證傳動可靠、高效
本發明的工具鋼絲繩纏繞方法保證各運動部件不受額外軸向力與a角影響，保證絲傳動 系統受力情況最優，減小工具摩擦力，有利于后期力感覺功能的擴展。
本發明用于變向的傳動輪布置于主體中軸線上，傳動輪尺寸不影響總體外周尺寸，有利 于手術工具尺寸的縮小，從而減小手術工具探入點的創傷。
本發明鋼絲繩絲傳動系統保證了鋼絲繩閉環傳動總長度保持不變。從而保證了運動過程 中傳動鋼絲不被拉長與縮短，鋼絲繩不在傳動輪上相互切換，保證了傳動系統可靠與高精度 地驅動鉗體。
本發明絲固定方法能提供大輸出力值，能夠勝任膽囊、心臟手術等大手術力操作力手術
本發明裝置應用領域是面向胸腹腔領域的微創手術，具有向其他手動外科手術器械和其 他相關機械手領域拓展的潛力。


圖l是本發明的微創外科手術絲傳動、四自由度手術工具在微創外科手術的機器人本體 系輔助下手術操作圖2是本發明微創外科絲傳動、四自由度手術工具整體圖3是圖2所示的手術工具的腕部俯仰動作圖4是圖2所示的手術工具的前端偏轉動作圖5是圖2所示的手術工具的前端開合動作圖6是圖2所示的手術工具的手術工具前端各部分分解圖7是圖6所示的主體部分驅動結構分解圖； 圖8是圖6所示的鉗體部分驅動結構分解圖；圖9是本發明的手術工具的絲傳動系統示意圖； 圖10是本發明的手術工具的俯仰自由度絲驅動示意圖； 圖ll是本發明的手術工具的偏轉、開合自由度絲驅動示意圖； 圖12是本發明的手術工具的左邊鉗體傳動系統示意圖13是本發明的手術工具的左邊鉗體驅動鋼絲繩閉環總長度不變演示圖; 圖14是本發明的手術工具的絲固定示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明的微創外科絲傳動、四自由度手術工具做出詳細說明。
如圖l所示手術工具在微創手術本體系統l的輔助下執行手術操作，本體系統具有三個 運動自由度，分別是兩個轉動R1， R2和一個移動自由度P1，并且三個運動自由度的軸線交于 點l-3，對于本體系統的所有運動方式，這個點相對于本體系統基座是固定不變的。在實際
手術操作時，這個固定點就是人體表皮l-l上的手術工具探入點l-3。本體系統具有的圍繞工
具探入點的這兩個轉動和一個移動運動負責完成安裝于本體系統上的手術工具桿在大范圍內
的位置調整操作；手術工具的四個自由度R4， R5， R6， C7完成手術工具末端的末端執行器的小 范圍位置調整、姿態調整和開合操作。以上所有的自由度能夠靈活地調整末端工具2相對于 人體內部器官l-2的相對位置，完成手術操作各項動作。
如圖2所示本發明微創外科絲傳動、四自由度手術工具具有三部分，分別是工具動力 接口部分3，工具連接桿4和工具末端2。工具動力接口部分3具有與安裝在本體系統1上的電 機動力的接口元件，并通過傳動鋼絲牽拉工具末端3個自由度，實現各自由度運動的傳遞。 本體系統1的結構可以采用中國專利CN101390763公開的機構，也可以采用其他能提供圍繞人 體表皮工具探入點三自由度運動的機器人系統。工具連接桿4提供工具動力接口部分3和工具 末端2的剛性連接，內部通過驅動前端各自由度的6根傳動鋼絲繩，工具連接桿4內部兩側的 位置分別安裝了一個絲導向塊4-l，絲導向塊4-l上分別有6個孔，用于對通過手術工具連接 桿內部的鋼絲繩進行導向，防止手術工具運動時鋼絲繩互相纏繞。所述的工具連接桿內部前 后端也可以不安裝絲導向塊，而是在機械裝配時嚴格防止六根傳動鋼絲間的相互纏繞。
如圖3，圖4，圖5所示工具末端2具有三個自由度，分別是末端工具的腕部俯仰自由度 R5，末端工具的前端偏轉自由度R6，末端工具的開合自由度C7。腕部俯仰自由度R5軸線垂直 于工具自轉自由度R4，提供工具主體部分2-1繞R5軸線的角度偏轉；前端偏轉自由度R6軸線同時垂直于工具自轉自由度R4和腕部俯仰自由度R5軸線，提供工具鉗體部分2-2繞R6軸線的 角度偏轉；末端工具的開合自由度C7軸線重合于前端偏轉自由度R6軸線，提供兩個工具鉗體 2-ll之間的相對張開與閉合。
如圖6所示工具末端2由工具末端連接桿部分2-3，工具主體部分2-l，鉗體部分2-2三 部分組成，工具末端連接桿部分剛性連接在連接桿4上，其前端布置了后部軸銷2-4，后部軸 銷上安裝了后部傳動輪2-6作為末端工具絲傳動系統的絲導向元件。
工具主體部分2-l安裝于后部軸銷2-4上，在腕部鋼絲繩2-12的牽拉下能夠圍繞后部軸銷 2-4轉動。在所述的工具主體的后端固定的連接有主體驅動輪并且在其中部安裝有兩個中間 傳動輪軸，靠近所述的主體驅動輪的中間傳動輪軸的兩側分別安裝有兩個與其轉動配合的并 且其上設置有整圈的絲槽的第一中間傳動輪2-7，遠離所述的主體驅動輪的第二中間傳動輪 軸兩側分別安裝有一個與其轉動配合的并且其上設置有整圈的絲槽的第二中間傳動輪2-7， 工具主體部分布置了中間傳動輪作為末端工具絲傳動系統的絲導向元件。主體部分絲牽拉原 理如圖7所示，主體驅動輪2-8 — 2通過銷釘2-9與工具主體2-10鉚接在一起。所述的主體驅動 輪與工具主體也可以通過焊接或膠接連接為一體。如圖10所示，主體驅動輪2-8-2與腕部鋼 絲繩2-12通過固絲結2-15與主體驅動輪焊接或膠接在一起，或者所述的腕部鋼絲繩與主體驅 動輪固定方法為通過固定于工具主體上的壓絲塊壓緊鋼絲繩或鋼絲繩上的固絲結。因此后端 電機帶動腕部鋼絲繩2-12牽拉運動的時候能夠帶動主體驅動輪2-8 — 2圍繞后部軸銷2-4轉動 ，繼而帶動主體部分2-l圍繞后部軸銷2-4轉動，完成腕部俯仰自由度R5。
兩個完全相同的鉗體部分2-2對稱安裝于前部軸銷2-5上，在前端鋼絲繩2-13的牽拉下能 夠圍繞前部軸銷2-5轉動。兩鉗體部分的咬合面加工了適合手術操作的齒形，以利于手術過 程中有效地夾持組織或手術縫合針等手術器械。兩鉗體的絲牽拉方式完全相同且對稱布置， 單個部分絲牽拉原理如圖12所示，鉗體驅動輪2-8-l通過銷釘2-9與工具鉗體2-ll通過焊接或 膠接連接一體。如圖10所示，鉗體驅動輪2-8-l與前端鋼絲繩2-13通過固絲結2-15焊接或膠 接在一起，或者所述的前端鋼絲繩與鉗體驅動輪固定方法為通過固定于鉗體上的壓絲塊壓緊 鋼絲繩或鋼絲繩上的固絲結。因此后端電機帶動前端鋼絲繩2-13牽拉運動的時候能夠帶動鉗 體驅動輪2-8-l圍繞前部軸銷2-5轉動，繼而帶動鉗體部分2-ll圍繞前部軸銷2-5轉動。
電機通過傳動前端鋼絲繩帶動兩結構相同且對稱布置的鉗體2-ll圍繞前部軸銷2-5轉動 。兩鉗體2-11同向轉動提供末端工具的前端偏轉自由度R6，兩鉗體2-ll反向轉動提供末端工 具的開合自由度C7。
如圖9所示本發明微創外科絲傳動、四自由度手術工具四個自由度運動完全采用鋼絲繩傳動，且都是閉環鋼絲繩傳動。其中工具自轉自由度R4傳動鋼絲一端纏繞于工具連接桿4 上，鋼絲繩另一端纏繞于電機軸2-61上，從而整個自轉鋼絲繩2-14組成一個閉環，電機轉動 帶動自轉鋼絲繩2-14牽拉運動繼而帶動連接桿4與固定于其上的工具末端2相對于工具動力接 口部分3轉動，完成工具自轉自由度R4;腕部俯仰自由度R5腕部鋼絲繩2-12—端與主體驅動 輪固定連接在一起，另一端纏繞于電機軸上，從而整個鋼絲繩組成一個閉環，電機轉動帶動 腕部鋼絲繩2-12牽拉運動繼而帶動主體驅動輪2-8 — 2與固定其上的工具主體部分2-l圍繞后 部軸銷2-4轉動，完成腕部俯仰自由度R5;工具前端兩鉗體2-ll采用相同且對稱安裝的傳動 系統，對于其中一個鉗體的傳動鋼絲繩，該前端鋼絲繩2-13—端與鉗體驅動輪固定連接在一 起，另一端經過傳動系統的中間傳動輪2-7、后部傳動輪2-6最終纏繞于電機軸上，從而整個 鋼絲繩組成一個閉環，電機轉動帶動鋼絲繩牽拉運動繼而帶動鉗體驅動輪2-8-l與固定其上 的工具鉗體2-ll圍繞前部軸銷2-5轉動，完成一個鉗體自由度控制。兩工具鉗體2-ll同向轉 動提供末端工具的前端偏轉自由度R6，兩工具鉗體2-ll反向轉動提供末端工具的開合自由度 C7。
兩工具鉗體2-ll的傳動系統為該微創外科絲傳動、四自由度手術工具核心部分，其采用 閉環鋼絲繩傳動，閉環鋼絲繩傳動特性要求傳動鋼絲總長度不變。其中左邊鉗體傳動系統如 圖12所示該鉗體安裝于相對于工具主體軸線2-17的左半部分，與工具鉗體2-ll固定的鉗體 驅動輪2-8-l上的固絲點2-15將前端鋼絲繩2-13分為兩部分，其中鉗體驅動輪2-8-l引出的處 于主體軸線2-17的左上位置的鋼絲繩部分，其沿工具主體軸線2-17向后延伸，經過第二中間 傳動輪2-7進行一次轉向，轉向相對于工具主體軸線2-17的右上位置，該傳動鋼絲部分從相 對于工具主體軸線2-17的右上位置穿過后部傳動輪2-6并由其導向從右上位置延伸到電機軸 上；鉗體驅動輪2-8-l引出的處于工具主體軸線2-17的左下位置的鋼絲繩部分，其沿工具主 體軸線2-17向后延伸，先經過第二中間傳動輪2-7進行一次轉向，轉向相對于工具主體軸線 2-17的右下位置，后再次經過第一中間傳動輪2-7進行一次轉向，從而轉向相對于工具主體 軸線2-17的左下位置，該傳動鋼絲部分從相對于工具主體軸線2-17的左下位置穿過后部傳動 輪2-6并由其導向從左下位置延伸到電機軸上。如上所述的前端鋼絲繩2-13分別從后部驅動 輪2-6輪系的左側與右側通過。
在滿足前端鋼絲繩2-13分別從后部驅動輪2-6輪系的左側與右側通過的情況下，當腕部 俯仰自由度R5運動時即如圖13左圖所示，當手術工具主體2-10相對于連接桿2-3逆時針轉 過一定角度時，纏繞于后部傳動輪2-6上的前端鋼絲繩2-13增加了2-18段；如圖13左圖所示 ，同樣當手術工具主體2-10相對于連接桿2-3逆時針轉過一定角度時，纏繞于后部傳動輪2-6上的前端鋼絲繩2-13縮短了2-19段，因為后部傳動輪2-6的半徑相同，因此2-18段與2-19段 的弧長相等，兩者相互抵消即腕部俯仰自由度R5運動時該前端鋼絲繩2-13閉環傳動總長度保 持不變。從而保證了運動過程中傳動鋼絲不被拉長與縮短，保證了傳動系統可靠與高精度地 驅動鉗體2-11。
傳動鋼絲繩采用如圖14所示的方式與各驅動輪固定，驅動輪上加工有固絲凹槽2-20，用 于固定固絲結2-15，鋼絲繩進行打結2-16以后由釬焊熔液或高強度膠水包覆固化，后修整形 狀加工成固絲結2-15，固絲結2-15與固絲凹槽2-20焊接或膠接于一體，完成鋼絲繩在驅動輪 2-8上的固定。
所述的腕部、前端鉗體傳動鋼絲繩也可以采用分別與主體、鉗體驅動輪通過一圈以上纏 繞方式固定。但是采用一圈以上纏繞的絲固定方式會產生a問題，即鋼絲繩傳動工程中會對 驅動輪軸上產生一個額外的彎矩，從而惡化驅動輪及傳動元件的受力情況。
以上示意性地對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也 只是本發明的實施方式之一，實際的結構并不局限于此。所以，如果相關領域的技術人員受 其啟示，在不脫離本發明創造的鋼絲繩傳動系統情況下，采用其它具體結構形式，絲固定方 式以及將本發明絲固定方式用于絲傳動機器人、手術器械相關領域，均應屬于本發明的保護 范圍。
下面說明本發明微創外科絲傳動、四自由度手術工具的動作實施過程。 1.四自由度運動
手術工具具有四個自由度以完成手術工具末端的末端執行器的小范圍位置調整、姿態調 整和開合操作。上述自由度分別是工具自轉自由度R4;末端工具腕部俯仰自由度R5;末端 工具前端偏轉自由度R6;末端工具開合自由度C7。
工具自轉自由度M自轉鋼絲繩2-14—端纏繞于工具連接桿4上，另一端纏繞于電機軸 2-62上，從而整個自轉鋼絲繩組成一個閉環，電機轉動帶動自轉鋼絲繩牽拉運動繼而帶動工 具連接桿4與固定于其上的工具末端2相對于工具動力接口部分3轉動，完成工具自轉自由度
R4;
腕部俯仰自由度R5腕部鋼絲繩2-12—端與本體驅動輪2-8 — 1固定連接在一起，鋼絲繩另 一端纏繞于電機軸上，從而整個鋼絲繩組成一個閉環，電機轉動帶動鋼絲繩牽拉運動繼而帶 動驅動輪與固定其上的工具主體部分圍繞后部軸銷2-4轉動，完成腕部俯仰自由度R5;
工具前端兩鉗體2-ll采用相同且對稱安裝的傳動系統，對于其中一個鉗體的傳動鋼絲繩抓前端鋼絲繩2-13—端與鉗體驅動輪2-8-l固定連接在一起，前端鋼絲繩另一端經過傳動系 統的中間、后部傳動輪2-7、 2-6最終纏繞于電機軸2-60或2-61上，從而整個鋼絲繩組成一個 閉環，電機轉動帶動鋼絲繩牽拉運動繼而帶動驅動輪與固定其上的工具主體部分圍繞前部軸 銷2-5轉動，完成一個鉗體自由度控制。兩工具鉗體2-ll同向轉動提供末端工具的前端偏轉 自由度R6，兩鉗體2-ll反向轉動提供末端工具的開合自由度C7。
2. 工具鉗體絲傳動系統
工具鉗體絲傳動系統采用閉環鋼絲繩傳動，閉環鋼絲繩傳動特性要求傳動鋼絲總長度不 變。兩個工具鉗體的絲傳動系統結構相同且對稱安裝。單個工具鉗體鋼絲繩分別從鉗體驅動 輪靠外的兩側軸線開始向后延伸布置，單個鉗體傳動系統的驅動輪固絲點2-15將前端鋼絲繩 2-13分成上下兩部分，上部分前端鋼絲繩經過一次變向通過后部傳動輪，下部分前端鋼絲繩 經過兩次變向通過后部傳動輪，即工具鉗體前端鋼絲繩分別從后部驅動輪2-6輪系的左側與 右側通過。如圖13所示，當腕部俯仰自由度R5運動時纏繞于后部傳動輪2-6上的上部分鋼 絲繩增加了2-18段；纏繞于后部傳動輪2-6上的下部分鋼絲繩縮短了2-19段，2-18段與2-19 段的弧長相等，兩者相互抵消即腕部俯仰自由度R5運動時該鉗體鋼絲繩閉環傳動總長度保持 不變。從而保證了運動過程中傳動鋼絲不被拉長與縮短，保證了傳動系統可靠與高精度地驅 動鉗體。
前端鋼絲繩分別從鉗體驅動輪靠外的兩側軸線開始向后延伸布置，決定設計過程中通過 調整中間傳動輪大小以保證中間傳動輪的大小正好與兩對稱安裝的前端鋼絲繩間的距離相等 從而保證鉗體驅動輪2-8-1引出的兩部分鋼絲繩平行于主體軸線2-17，即垂直于鉗體驅動輪 2-8-l軸線，因此在鋼絲繩牽拉過程中承力的情況下，驅動輪不產生沿軸向的分力，即不受 額外軸向力影響，驅動輪非多圈纏繞保證了不受a角影響，以上兩方面保證絲傳動系統受力 情況最優，有利于減小絲傳動系統摩擦受力。
本設計中也可以通過調整所述的鉗體驅動輪和中間傳動輪的半徑，從而所述的前端鋼絲 繩在鉗體驅動輪引出至所述的第一或第二中間傳動輪的部分的鋼絲繩不平行于所述的工具主 體的軸線。但是鋼絲繩不平行于主體軸線時，在傳動過程中能會產生如美國專利6394998， 6969385類似產生對前端鉗體額外的軸向力，從而增大傳動摩擦，惡化了前端鉗體受力情況
3. 驅動輪絲固定方式
驅動輪上加工有固絲凹槽2-20，用于固定固絲結2-15，鋼絲繩進行打結成2-16以后由釬
12焊熔液或高強度膠水包覆固化，后修整形狀加工成固絲結2-15，固絲結2-15與固絲凹槽2-20 焊接或膠接于一體，完成鋼絲繩在驅動輪2 — 8上的固定。鋼絲繩通過絲打結后包覆的方式制 作固絲結，從而驅動鋼絲繩通過固絲結牽拉驅動輪時，鋼絲繩以打結處兩端的絲軸向拉伸力 提供驅動力，比現有手術工具通過絲與固絲結摩擦力提供驅動力的方式能提供更大的負載能 力，保證手術工具大輸出力值。
權利要求
1.一種微創外科絲傳動、四自由度手術工具，它包括工具連接桿，所述的工具連接桿一端與動力接口部分相連，另一端與工具末端相連，所述的工具末端包括工具主體，在所述的工具主體的后端固定地連接有主體驅動輪，所述的工具連接桿前端安裝有后部軸銷，在所述的后部軸銷兩側分別轉動地安裝有兩個其上設置有整圈的絲槽的后部傳動輪并且在其中間通過所述的主體驅動輪與工具末端的工具主體轉動相連，其特征在于在所述的工具主體的中部安裝有兩個中間傳動輪軸，靠近所述的主體驅動輪的中間傳動輪軸的兩側分別安裝有兩個與其轉動配合的并且其上設置有整圈的絲槽的第一中間傳動輪，遠離所述的主體驅動輪的第二中間傳動輪軸兩側分別安裝有一個與其轉動配合的并且其上設置有整圈的絲槽的第二中間傳動輪，在所述的工具主體的前端安裝有前部軸銷，所述的前部軸銷通過對稱安裝在其上的兩個鉗體驅動輪與工具鉗體相連，所述的鉗體驅動輪與鉗體固定相連，所述的鉗體驅動輪能夠圍繞所述的前部軸銷轉動；所述的每一鉗體驅動輪通過插在所述的鉗體驅動輪上的固絲結與一個前端鋼絲繩的一端固定相連并將所述的前端鋼絲繩分為兩部分，所述的一部分前端鋼絲繩經過第一中間輪一次變向通過所述的后部傳動輪與第一電機軸纏繞相連，所述的另一部分前端鋼絲繩經過第二中間輪、第一中間輪兩次變向通過后部傳動輪與第二電機軸纏繞相連；所述的本體驅動輪通過插在所述的本體驅動輪上的固絲結與一個腕部鋼絲繩的一端固定相連，所述的腕部鋼絲繩的另一端纏繞在第三電機軸，一個工具自轉傳動絲一端纏繞在所述的工具連接桿上，另一端與第四電機軸纏繞相連。
2 根據權利l要求所述的微創外科絲傳動、四自由度手術工具，其特征在于在所述的工具連接桿內前后端分別安裝有其上開有六個孔的絲導向塊，所述的一部分前端鋼絲繩經過第一中間輪一次變向通過所述的后部傳動輪以及絲導向塊與第一電機軸纏繞相連，所述的另一部分前端鋼絲繩經過第二中間輪、第一中間輪兩次變向通過后部傳動輪以及絲導向塊與第二電機軸纏繞相連；所述的腕部鋼絲繩的另一端通過所述的絲導向塊后纏繞在第三電機軸上。
3.根據權利l要求所述的微創外科絲傳動、四自由度手術工具，其特征在于所述的前端鋼絲繩分別從鉗體驅動輪靠外的兩側軸線開始向后延伸布置，所述的鉗體驅動輪引出的兩部分前端鋼絲繩垂直于鉗體驅動輪軸線。
4.根據權利l要求所述的微創外科絲傳動、四自由度手術工具，其特征在于所述的腕部和前端鋼絲繩通過固絲結分別卡入所述的主體、鉗體驅動輪驅動輪固絲凹槽實現鋼絲繩在驅動輪上的固定。
5.根據權利l要求所述的微創外科絲傳動、四自由度手術工具，其特征在于所述鋼絲繩固絲結內部為絲纏繞打結，外部由釬焊熔液或高強度膠水包覆固化。
全文摘要
本發明公開了一種微創外科絲傳動、四自由度手術工具，它包括工具連接桿，工具連接桿一端與工具末端相連，工具末端包括工具主體，在工具主體的后端連接有主體驅動輪，工具連接桿前端安裝有后部軸銷，在后部軸銷兩側分別安裝有兩個后部傳動輪并且在其中間通過主體驅動輪與工具末端的工具主體相連，在工具主體的中部安裝有兩個其上裝有中間傳動輪的中間傳動輪軸，在工具主體前端安裝有前部軸銷，前部軸銷通過安裝在其上的兩個鉗體驅動輪與工具鉗體相連；每一鉗體驅動輪與一個前端鋼絲繩的一端固定相連并將前端鋼絲繩分為兩部分，一部分經過一次變向，另一部分經過中間輪兩次變向。本發明的工具采用鋼絲繩實現遠距離傳動，消除回差、保證傳動可靠。
文檔編號A61B17/94GK101637402SQ20091030605
公開日2010年2月3日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者超 何, 李建民, 桑宏強, 王曉菲, 王樹新 申請人:天津大學