CN101637402B - 一种微创外科丝传动、四自由度手术工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微创外科丝传动、四自由度手术工具，它包括工具连接杆，工具连接杆一端与工具末端相连，工具末端包括工具主体，在工具主体的后端连接有主体驱动轮，工具连接杆前端安装有后部轴销，在后部轴销两侧分别安装有两个后部传动轮并且在其中间通过主体驱动轮与工具末端的工具主体相连，在工具主体的中部安装有两个其上装有中间传动轮的中间传动轮轴，在工具主体前端安装有前部轴销，前部轴销通过安装在其上的两个钳体驱动轮与工具钳体相连；每一钳体驱动轮与一个前端钢丝绳的一端固定相连并将前端钢丝绳分为两部分，一部分经过一次变向，另一部分经过中间轮两次变向。本发明的工具采用钢丝绳实现远距离传动，消除回差、保证传动可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种微创外科手术机器人医疗设备，尤其涉及一种微创外科手术机器人手术工具。
背景技术
随着医疗技术的发展，微创外科手术诞生并迅速地推广开来。它是指借助先进的手术器械与设备，医生利用细长的手术工具通过体表微小切口探入到体内进行手术操作。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间短等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少，手术过程中承受的风险得以降低；因此微创外科被广泛地应用于临床手术。然而，微创手术为病人带来了诸多利益的同时，却对医生的操作带来了一系列困难，如：灵活性大大降低；操作方向与所期望的方向相反，协调性差；工具前端自由度少从而不能完成复杂的缝合打结等手术动作；只能通过监视器上的二维图像获得手术场景信息，缺乏深度方向上的感觉；缺乏力感觉等。这些问题造成医生训练的复杂性和长期性，这限制了微创手术在诸如心脏手术、泌尿手术等一系列复杂手术中的运用。
在这样的背景下结合工业机器人技术和微创外科技术的微创手术机器人孕育而生，他是指代替医生抓持手术工具完成微创手术操作的机器人系统。在手术中，医生通过控制装置操作、控制安装有手术工具的手术机器人系统从而间接地完成手术操作。微创手术机器人将医生的手术经验及机器人操作的灵敏度高、定位准确、运行稳定、灵活性高、有机的结合起来，克服了微创手术操作中存在的大部分问题，如：工具灵活性，操作舒适性等问题，并且具有逐步解决其他问题的潜力。微创手术机器人手术提高了手术操作的舒适度，缩短了医生训练的时间，手术工具更加灵活而能够胜任于复杂的手术操作。正因为这些优点与进步，微创手术机器人的运用被韵为外科手术新的革命。
同普通微创手术一样，在微创手术机器人手术过程当中，机器人手术工具作为唯一进入人体内部的部分，也是直接进行手术操作的机器人部分，因此手术工具的设计优劣直接决定了手术机器人系统的成败与否，同时手术机器人手术工具的实际特征与性能指标也直接指导着手术机器人其他部分，比如本体系统的设计，进而影响被动部分与支撑定位部分的设计，而且前端手术工具的技术指标直接决定了主手操作系统的设计指标与布局方式要求。可见：手术机器人手术工具影响和决定了整个机器人系统的设计工作，手术工具性能是一套手术机器人系统性能水平的关键因素。
手术机器人系统已经取得了长足的发展，也伴随着手术工具的不断发展和进步。微创手术机器人手术工具是由微创手术工具发展而来的，典型的微创手术工具采用杆传动的传动方式，前端具有一个自由度，但是传统的微创手术工具仅一个自由度的设计决定了其不能完成复杂的手术操作，限制了微创手术的应用环境，也正是对微创手术工具的功能，性能上的不断完善和改进体现了微创手术机器人手术工具的不断发展和进步。在国际上，美国、法国、德国、英国、波兰、日本、韩国等国家政府和学术界都给予了极大关注，并投入了大量的资金和资源开展微创外科手术机器人的研究，研制了多种微创手术机器人手术工具。而在这些微创手术机器人系统中仅有三套样机达到了商业临床运用水平，他们分别是ZEUS、DA VINCI、LAPROTEK系统。纵观这些手术机器人末端工具，可以发现，手术机器人末端工具发展趋势是从传统杆传动、少自由度工具向丝传动、多自由度手术工具发展。大量的手术机器人系统未能达到临床运用水平的一个重要原因是它们是杆传动、少自由度手术工具。ZEUS系统也因此而被DA VINCI系统收购，现存的两套商业化微创手术机器人系统都是采用丝传动的四自由度手术工具。丝传动、多自由度手术工具的研究也吸引了学术界越来越多的力量。而在我国，手术机器人的自主开发处于起步阶段，对手术工具的研究也处于杆传动、少自由度的水平，在多自由度手术工具方面处于空白状态。因此，开发丝传动，多自由度手术工具对填补国内空白，推进相关领域技术进步具有重要意义。研究具有与国外系统不同的丝传动实现形式的多自由度手术工具对提升我国在该领域的学术、技术地位意义深远。
专利号为6394998的美国专利公开了一种微创外科丝传动、四自由度手术工具，该手术工具结构为四自由度布置，采用钢丝绳进行各自由度运动传动。该手术工具钳体钢丝绳从钳体中轴线开始向后延伸布置，延伸出的两段钢丝绳分别经过一次布置于主体侧边的传动轮实现变向，变向后的两段钢丝绳分别从安装于工具后端轴销上的传动轮两侧通过，两段钢丝绳在运动时互相补偿，实现了闭环钢丝传动系统。该结构的缺点为钳体传动钢丝绳不能垂直于钳体轴线，因此传动时钳体受额外的轴向力，恶化了工具受力情况，增加了丝传动摩擦；布置于主体侧边的变向传动轮增大了工具总体外周尺寸，不利于手术工具尺寸的缩小；腕部自由度相互交错的驱动钢丝绳设计使传动时腕部自由度受α角影响，增加了丝传动摩擦。
专利号为6969385的美国专利公开了一种微创外科丝传动、四自由度手术工具，该手术工具结构同样为四自由度布置，采用钢丝绳进行各自由度运动传动。该手术工具钳体钢丝绳从钳体中轴线开始向后延伸布置，在工具主体不经过传动轮实现变向，未变向的两段钢丝绳从对称安装于工具后端连接杆上的两个传动轮中间相切位置通过，即钢丝绳从腕部自由度中轴线通过，实现了闭环钢丝传动系统。该结构的缺点为钳体传动钢丝绳不能垂直于钳体轴线，因此传动时钳体受额外的轴向力，恶化了工具受力情况，增加了丝传动摩擦；从中间线通过的钢丝绳在运动过程中会在对称布置的两个传动轮上相互切换，影响丝传动精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在医生的操作下可实现多手配合操作，钢丝绳传动赋予大的输出力值和各自由度大的偏转角度，能胜任缝合打结等复杂手术操作的一种微创外科丝传动、四自由度手术工具。
为了达到上述目的，本发明的一种微创外科丝传动、四自由度手术工具，它包括工具连接杆，所述的工具连接杆一端与动力接口部分相连，另一端与工具末端相连，所述的工具末端包括工具主体，在所述的工具主体的后端固定地连接有主体驱动轮，所述的工具连接杆前端安装有后部轴销，在所述的后部轴销两侧分别转动地安装有两个其上设置有整圈的丝槽的后部传动轮并且在其中间通过所述的主体驱动轮与工具末端的工具主体转动相连，在所述的工具主体的中部安装有两个中间传动轮轴，靠近所述的主体驱动轮的中间传动轮轴的两侧分别安装有两个与其转动配合的并且其上设置有整圈的丝槽的第一中间传动轮，远离所述的主体驱动轮的第二中间传动轮轴两侧分别安装有一个与其转动配合的并且其上设置有整圈的丝槽的第二中间传动轮，在所述的工具主体的前端安装有前部轴销，所述的前部轴销通过对称安装在其上的两个钳体驱动轮与工具钳体相连，所述的钳体驱动轮与钳体固定相连，所述的钳体驱动轮能够围绕所述的前部轴销转动；所述的每一钳体驱动轮通过插在所述的钳体驱动轮上的固丝结与一个前端钢丝绳的一端固定相连并将所述的前端钢丝绳分为两部分，所述的一部分前端钢丝绳经过第一中间轮一次变向通过所述的后部传动轮与第一电机轴缠绕相连，所述的另一部分前端钢丝绳经过第二中间轮、第一中间轮两次变向通过后部传动轮与第二电机轴缠绕相连；所述的本体驱动轮通过插在所述的本体驱动轮上的固丝结与一个腕部钢丝绳的一端固定相连，所述的腕部钢丝绳的另一端缠绕在第三电机轴，一个工具自转传动丝一端缠绕在所述的工具连接杆上，另一端与第四电机轴缠绕相连。本发明的微创外科手术丝传动、四自由度手术工具，与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的工具在机器人本体系统的辅助下通过细长杆探入到腹腔内部进行手术操作。能够在大范围内完成操作。
本发明的工具是具有四个自由度的全功能微操作手，能独立地在小范围内完成位置和姿态调整，完成复杂手术。
本发明的工具全部采用钢丝绳传动，实现远距离传动，消除回差、保证传动可靠、高效。
本发明的工具钢丝绳缠绕方法保证各运动部件不受额外轴向力与α角影响，保证丝传动系统受力情况最优，减小工具摩擦力，有利于后期力感觉功能的扩展。
本发明用于变向的传动轮布置于主体中轴线上，传动轮尺寸不影响总体外周尺寸，有利于手术工具尺寸的缩小，从而减小手术工具探入点的创伤。
本发明钢丝绳丝传动系统保证了钢丝绳闭环传动总长度保持不变。从而保证了运动过程中传动钢丝不被拉长与缩短，钢丝绳不在传动轮上相互切换，保证了传动系统可靠与高精度地驱动钳体。
本发明丝固定方法能提供大输出力值，能够胜任胆囊、心脏手术等大手术力操作力手术。
本发明装置应用领域是面向胸腹腔领域的微创手术，具有向其他手动外科手术器械和其他相关机械手领域拓展的潜力。
附图说明
图1是本发明的微创外科手术丝传动、四自由度手术工具在微创外科手术的机器人本体系辅助下手术操作图；
图2是本发明微创外科丝传动、四自由度手术工具整体图；
图3是图2所示的手术工具的腕部俯仰动作图；
图4是图2所示的手术工具的前端偏转动作图；
图5是图2所示的手术工具的前端开合动作图；
图6是图2所示的手术工具的手术工具前端各部分分解图；
图7是图6所示的主体部分驱动结构分解图；
图8是图6所示的钳体部分驱动结构分解图；
图9是本发明的手术工具的丝传动系统示意图；
图10是本发明的手术工具的俯仰自由度丝驱动示意图；
图11是本发明的手术工具的偏转、开合自由度丝驱动示意图；
图12是本发明的手术工具的左边钳体传动系统示意图；
图13是本发明的手术工具的左边钳体驱动钢丝绳闭环总长度不变演示图；
图14是本发明的手术工具的丝固定示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的微创外科丝传动、四自由度手术工具做出详细说明。
如图1所示：手术工具在微创手术本体系统1的辅助下执行手术操作，本体系统具有三个运动自由度，分别是两个转动R1，R2和一个移动自由度P1，并且三个运动自由度的轴线交于点1-3，对于本体系统的所有运动方式，这个点相对于本体系统基座是固定不变的。在实际手术操作时，这个固定点就是人体表皮1-1上的手术工具探入点1-3。本体系统具有的围绕工具探入点的这两个转动和一个移动运动负责完成安装于本体系统上的手术工具杆在大范围内的位置调整操作；手术工具的四个自由度R4，R5，R6，C7完成手术工具末端的末端执行器的小范围位置调整、姿态调整和开合操作。以上所有的自由度能够灵活地调整末端工具2相对于人体内部器官1-2的相对位置，完成手术操作各项动作。
如图2所示：本发明微创外科丝传动、四自由度手术工具具有三部分，分别是工具动力接口部分3，工具连接杆4和工具末端2。工具动力接口部分3具有与安装在本体系统1上的电机动力的接口元件，并通过传动钢丝牵拉工具末端3个自由度，实现各自由度运动的传递。本体系统1的结构可以采用中国专利CN101390763公开的机构，也可以采用其他能提供围绕人体表皮工具探入点三自由度运动的机器人系统。工具连接杆4提供工具动力接口部分3和工具末端2的刚性连接，内部通过驱动前端各自由度的6根传动钢丝绳，工具连接杆4内部两侧的位置分别安装了一个丝导向块4-1，丝导向块4-1上分别有6个孔，用于对通过手术工具连接杆内部的钢丝绳进行导向，防止手术工具运动时钢丝绳互相缠绕。所述的工具连接杆内部前后端也可以不安装丝导向块，而是在机械装配时严格防止六根传动钢丝间的相互缠绕。
如图3，图4，图5所示：工具末端2具有三个自由度，分别是末端工具的腕部俯仰自由度R5，末端工具的前端偏转自由度R6，末端工具的开合自由度C7。腕部俯仰自由度R5轴线垂直于工具自转自由度R4，提供工具主体部分2-1绕R5轴线的角度偏转；前端偏转自由度R6轴线同时垂直于工具自转自由度R4和腕部俯仰自由度R5轴线，提供工具钳体部分2-2绕R6轴线的角度偏转；末端工具的开合自由度C7轴线重合于前端偏转自由度R6轴线，提供两个工具钳体2-11之间的相对张开与闭合。
如图6所示：工具末端2由工具末端连接杆部分2-3，工具主体部分2-1，钳体部分2-2三部分组成，工具末端连接杆部分刚性连接在连接杆4上，其前端布置了后部轴销2-4，后部轴销上安装了后部传动轮2-6作为末端工具丝传动系统的丝导向元件。
工具主体部分2-1安装于后部轴销2-4上，在腕部钢丝绳2-12的牵拉下能够围绕后部轴销2-4转动。在所述的工具主体的后端固定的连接有主体驱动轮并且在其中部安装有两个中间传动轮轴，靠近所述的主体驱动轮的中间传动轮轴的两侧分别安装有两个与其转动配合的并且其上设置有整圈的丝槽的第一中间传动轮2-7，远离所述的主体驱动轮的第二中间传动轮轴两侧分别安装有一个与其转动配合的并且其上设置有整圈的丝槽的第二中间传动轮2-7，工具主体部分布置了中间传动轮作为末端工具丝传动系统的丝导向元件。主体部分丝牵拉原理如图7所示，主体驱动轮2-8-2通过销钉2-9与工具主体2-10铆接在一起。所述的主体驱动轮与工具主体也可以通过焊接或胶接连接为一体。如图10所示，主体驱动轮2-8-2与腕部钢丝绳2-12通过固丝结2-15与主体驱动轮焊接或胶接在一起，或者所述的腕部钢丝绳与主体驱动轮固定方法为通过固定于工具主体上的压丝块压紧钢丝绳或钢丝绳上的固丝结。因此后端电机带动腕部钢丝绳2-12牵拉运动的时候能够带动主体驱动轮2-8-2围绕后部轴销2-4转动，继而带动主体部分2-1围绕后部轴销2-4转动，完成腕部俯仰自由度R5。
两个完全相同的钳体部分2-2对称安装于前部轴销2-5上，在前端钢丝绳2-13的牵拉下能够围绕前部轴销2-5转动。两钳体部分的咬合面加工了适合手术操作的齿形，以利于手术过程中有效地夹持组织或手术缝合针等手术器械。两钳体的丝牵拉方式完全相同且对称布置，单个部分丝牵拉原理如图12所示，钳体驱动轮2-8-1通过销钉2-9与工具钳体2-11通过焊接或胶接连接一体。如图10所示，钳体驱动轮2-8-1与前端钢丝绳2-13通过固丝结2-15焊接或胶接在一起，或者所述的前端钢丝绳与钳体驱动轮固定方法为通过固定于钳体上的压丝块压紧钢丝绳或钢丝绳上的固丝结。因此后端电机带动前端钢丝绳2-13牵拉运动的时候能够带动钳体驱动轮2-8-1围绕前部轴销2-5转动，继而带动钳体部分2-11围绕前部轴销2-5转动。
电机通过传动前端钢丝绳带动两结构相同且对称布置的钳体2-11围绕前部轴销2-5转动。两钳体2-11同向转动提供末端工具的前端偏转自由度R6，两钳体2-11反向转动提供末端工具的开合自由度C7。
如图9所示：本发明微创外科丝传动、四自由度手术工具四个自由度运动完全采用钢丝绳传动，且都是闭环钢丝绳传动。其中工具自转自由度R4传动钢丝一端缠绕于工具连接杆4上，钢丝绳另一端缠绕于电机轴2-61上，从而整个自转钢丝绳2-14组成一个闭环，电机转动带动自转钢丝绳2-14牵拉运动继而带动连接杆4与固定于其上的工具末端2相对于工具动力接口部分3转动，完成工具自转自由度R4；腕部俯仰自由度R5腕部钢丝绳2-12一端与主体驱动轮固定连接在一起，另一端缠绕于电机轴上，从而整个钢丝绳组成一个闭环，电机转动带动腕部钢丝绳2-12牵拉运动继而带动主体驱动轮2-8-2与固定其上的工具主体部分2-1围绕后部轴销2-4转动，完成腕部俯仰自由度R5；工具前端两钳体2-11采用相同且对称安装的传动系统，对于其中一个钳体的传动钢丝绳，该前端钢丝绳2-13一端与钳体驱动轮固定连接在一起，另一端经过传动系统的中间传动轮2-7、后部传动轮2-6最终缠绕于电机轴上，从而整个钢丝绳组成一个闭环，电机转动带动钢丝绳牵拉运动继而带动钳体驱动轮2-8-1与固定其上的工具钳体2-11围绕前部轴销2-5转动，完成一个钳体自由度控制。两工具钳体2-11同向转动提供末端工具的前端偏转自由度R6，两工具钳体2-11反向转动提供末端工具的开合自由度C7。
两工具钳体2-11的传动系统为该微创外科丝传动、四自由度手术工具核心部分，其采用闭环钢丝绳传动，闭环钢丝绳传动特性要求传动钢丝总长度不变。其中左边钳体传动系统如图12所示：该钳体安装于相对于工具主体轴线2-17的左半部分，与工具钳体2-11固定的钳体驱动轮2-8-1上的固丝点2-15将前端钢丝绳2-13分为两部分，其中钳体驱动轮2-8-1引出的处于主体轴线2-17的左上位置的钢丝绳部分，其沿工具主体轴线2-17向后延伸，经过第二中间传动轮2-7进行一次转向，转向相对于工具主体轴线2-17的右上位置，该传动钢丝部分从相对于工具主体轴线2-17的右上位置穿过后部传动轮2-6并由其导向从右上位置延伸到电机轴上；钳体驱动轮2-8-1引出的处于工具主体轴线2-17的左下位置的钢丝绳部分，其沿工具主体轴线2-17向后延伸，先经过第二中间传动轮2-7进行一次转向，转向相对于工具主体轴线2-17的右下位置，后再次经过第一中间传动轮2-7进行一次转向，从而转向相对于工具主体轴线2-17的左下位置，该传动钢丝部分从相对于工具主体轴线2-17的左下位置穿过后部传动轮2-6并由其导向从左下位置延伸到电机轴上。如上所述的前端钢丝绳2-13分别从后部驱动轮2-6轮系的左侧与右侧通过。
在满足前端钢丝绳2-13分别从后部驱动轮2-6轮系的左侧与右侧通过的情况下，当腕部俯仰自由度R5运动时：即如图13左图所示，当手术工具主体2-10相对于连接杆2-3逆时针转过一定角度时，缠绕于后部传动轮2-6上的前端钢丝绳2-13增加了2-18段；如图13左图所示，同样当手术工具主体2-10相对于连接杆2-3逆时针转过一定角度时，缠绕于后部传动轮2-6上的前端钢丝绳2-13缩短了2-19段，因为后部传动轮2-6的半径相同，因此2-18段与2-19段的弧长相等，两者相互抵消即腕部俯仰自由度R5运动时该前端钢丝绳2-13闭环传动总长度保持不变。从而保证了运动过程中传动钢丝不被拉长与缩短，保证了传动系统可靠与高精度地驱动钳体2-11。
传动钢丝绳采用如图14所示的方式与各驱动轮固定，驱动轮上加工有固丝凹槽2-20，用于固定固丝结2-15，钢丝绳进行打结2-16以后由钎焊熔液或高强度胶水包覆固化，后修整形状加工成固丝结2-15，固丝结2-15与固丝凹槽2-20焊接或胶接于一体，完成钢丝绳在驱动轮2-8上的固定。
所述的腕部、前端钳体传动钢丝绳也可以采用分别与主体、钳体驱动轮通过一圈以上缠绕方式固定。但是采用一圈以上缠绕的丝固定方式会产生α问题，即钢丝绳传动工程中会对驱动轮轴上产生一个额外的弯矩，从而恶化驱动轮及传动元件的受力情况。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果相关领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造的钢丝绳传动系统情况下，采用其它具体结构形式，丝固定方式以及将本发明丝固定方式用于丝传动机器人、手术器械相关领域，均应属于本发明的保护范围。
下面说明本发明微创外科丝传动、四自由度手术工具的动作实施过程。
1.四自由度运动
手术工具具有四个自由度以完成手术工具末端的末端执行器的小范围位置调整、姿态调整和开合操作。上述自由度分别是：工具自转自由度R4；末端工具腕部俯仰自由度R5；末端工具前端偏转自由度R6；末端工具开合自由度C7。
工具自转自由度R4自转钢丝绳2-14一端缠绕于工具连接杆4上，另一端缠绕于电机轴2-62上，从而整个自转钢丝绳组成一个闭环，电机转动带动自转钢丝绳牵拉运动继而带动工具连接杆4与固定于其上的工具末端2相对于工具动力接口部分3转动，完成工具自转自由度R4；
腕部俯仰自由度R5腕部钢丝绳2-12一端与本体驱动轮2-8-1固定连接在一起，钢丝绳另一端缠绕于电机轴上，从而整个钢丝绳组成一个闭环，电机转动带动钢丝绳牵拉运动继而带动驱动轮与固定其上的工具主体部分围绕后部轴销2-4转动，完成腕部俯仰自由度R5；
工具前端两钳体2-11采用相同且对称安装的传动系统，对于其中一个钳体的传动钢丝绳抓前端钢丝绳2-13一端与钳体驱动轮2-8-1固定连接在一起，前端钢丝绳另一端经过传动系统的中间、后部传动轮2-7、2-6最终缠绕于电机轴2-60或2-61上，从而整个钢丝绳组成一个闭环，电机转动带动钢丝绳牵拉运动继而带动驱动轮与固定其上的工具主体部分围绕前部轴销2-5转动，完成一个钳体自由度控制。两工具钳体2-11同向转动提供末端工具的前端偏转自由度R6，两钳体2-11反向转动提供末端工具的开合自由度C7。
2.工具钳体丝传动系统
工具钳体丝传动系统采用闭环钢丝绳传动，闭环钢丝绳传动特性要求传动钢丝总长度不变。两个工具钳体的丝传动系统结构相同且对称安装。单个工具钳体钢丝绳分别从钳体驱动轮靠外的两侧轴线开始向后延伸布置，单个钳体传动系统的驱动轮固丝点2-15将前端钢丝绳2-13分成上下两部分，上部分前端钢丝绳经过一次变向通过后部传动轮，下部分前端钢丝绳经过两次变向通过后部传动轮，即工具钳体前端钢丝绳分别从后部驱动轮2-6轮系的左侧与右侧通过。如图13所示，当腕部俯仰自由度R5运动时：缠绕于后部传动轮2-6上的上部分钢丝绳增加了2-18段；缠绕于后部传动轮2-6上的下部分钢丝绳缩短了2-19段，2-18段与2-19段的弧长相等，两者相互抵消即腕部俯仰自由度R5运动时该钳体钢丝绳闭环传动总长度保持不变。从而保证了运动过程中传动钢丝不被拉长与缩短，保证了传动系统可靠与高精度地驱动钳体。
前端钢丝绳分别从钳体驱动轮靠外的两侧轴线开始向后延伸布置，决定设计过程中通过调整中间传动轮大小以保证中间传动轮的大小正好与两对称安装的前端钢丝绳间的距离相等从而保证钳体驱动轮2-8-1引出的两部分钢丝绳平行于主体轴线2-17，即垂直于钳体驱动轮2-8-1轴线，因此在钢丝绳牵拉过程中承力的情况下，驱动轮不产生沿轴向的分力，即不受额外轴向力影响，驱动轮非多圈缠绕保证了不受α角影响，以上两方面保证丝传动系统受力情况最优，有利于减小丝传动系统摩擦受力。
本设计中也可以通过调整所述的钳体驱动轮和中间传动轮的半径，从而所述的前端钢丝绳在钳体驱动轮引出至所述的第一或第二中间传动轮的部分的钢丝绳不平行于所述的工具主体的轴线。但是钢丝绳不平行于主体轴线时，在传动过程中能会产生如美国专利6394998，6969385类似产生对前端钳体额外的轴向力，从而增大传动摩擦，恶化了前端钳体受力情况。
3.驱动轮丝固定方式
驱动轮上加工有固丝凹槽2-20，用于固定固丝结2-15，钢丝绳进行打结成2-16以后由钎焊熔液或高强度胶水包覆固化，后修整形状加工成固丝结2-15，固丝结2-15与固丝凹槽2-20焊接或胶接于一体，完成钢丝绳在驱动轮2-8上的固定。钢丝绳通过丝打结后包覆的方式制作固丝结，从而驱动钢丝绳通过固丝结牵拉驱动轮时，钢丝绳以打结处两端的丝轴向拉伸力提供驱动力，比现有手术工具通过丝与固丝结摩擦力提供驱动力的方式能提供更大的负载能力，保证手术工具大输出力值。
Claims (5)
1.一种微创外科丝传动、四自由度手术工具，它包括工具连接杆，所述的工具连接杆一端与动力接口部分相连，另一端与工具末端相连，所述的工具末端包括工具主体，在所述的工具主体的后端固定地连接有主体驱动轮，所述的工具连接杆前端安装有后部轴销，在所述的后部轴销两侧分别转动地安装有两个其上设置有整圈的丝槽的后部传动轮并且在其中间通过所述的主体驱动轮与工具末端的工具主体转动相连，其特征在于：在所述的工具主体的中部安装有两个中间传动轮轴，靠近所述的主体驱动轮的中间传动轮轴的两侧分别安装有两个与其转动配合的并且其上设置有整圈的丝槽的第一中间传动轮，远离所述的主体驱动轮的第二中间传动轮轴两侧分别安装有一个与其转动配合的并且其上设置有整圈的丝槽的第二中间传动轮，在所述的工具主体的前端安装有前部轴销，所述的前部轴销通过对称安装在其上的两个钳体驱动轮与工具钳体相连，所述的钳体驱动轮与钳体固定相连，所述的钳体驱动轮能够围绕所述的前部轴销转动；所述的每一钳体驱动轮通过插在所述的钳体驱动轮上的固丝结与一个前端钢丝绳的一端固定相连并将所述的前端钢丝绳分为两部分，所述的一部分前端钢丝绳经过第一中间轮一次变向通过所述的后部传动轮与第一电机轴缠绕相连，所述的另一部分前端钢丝绳经过第二中间轮、第一中间轮两次变向通过后部传动轮与第二电机轴缠绕相连；所述的本体驱动轮通过插在所述的本体驱动轮上的固丝结与一个腕部钢丝绳的一端固定相连，所述的腕部钢丝绳的另一端缠绕在第三电机轴，一个工具自转传动丝一端缠绕在所述的工具连接杆上，另一端与第四电机轴缠绕相连。
2.根据权利要求1所述的微创外科丝传动、四自由度手术工具，其特征在于：在所述的工具连接杆内前后端分别安装有其上开有六个孔的丝导向块，所述的一部分前端钢丝绳经过第一中间轮一次变向通过所述的后部传动轮以及丝导向块与第一电机轴缠绕相连，所述的另一部分前端钢丝绳经过第二中间轮、第一中间轮两次变向通过后部传动轮以及丝导向块与第二电机轴缠绕相连；所述的腕部钢丝绳的另一端通过所述的丝导向块后缠绕在第三电机轴上。
3.根据权利要求1所述的微创外科丝传动、四自由度手术工具，其特征在于：所述的前端钢丝绳分别从钳体驱动轮靠外的两侧轴线开始向后延伸布置，所述的钳体驱动轮引出的两部分前端钢丝绳垂直于钳体驱动轮轴线。
4.根据权利要求1所述的微创外科丝传动、四自由度手术工具，其特征在于：所述的腕部和前端钢丝绳通过固丝结分别卡入所述的主体、钳体驱动轮固丝凹槽实现钢丝绳在驱动轮上的固定。
5.根据权利要求1所述的微创外科丝传动、四自由度手术工具，其特征在于：所述钢丝绳固丝结内部为丝缠绕打结，外部由钎焊熔液或高强度胶水包覆固化。
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