本發(fā)明涉及醫(yī)療機器人，尤其涉及一種自動驅動機構及狹小腔道手術機器人。

背景技術：

1、目前微創(chuàng)手術機器人是指利用電鏡、細小柔性器械臂等現(xiàn)代醫(yī)療器械及相關設備在人體內實施外科手術的高端裝備，其包括機械臂和末端執(zhí)行器?，F(xiàn)有的技術包括采用末端柔性手術器械臂的腔鏡手術機器人，手術機器人通過尿道、咽喉、鼻等狹小長距離復雜的腔道，進入到手術部位，利用水射流、激光、等離子體等新型能量器械實施手術。由于腔道狹長對機器人及驅動機構的設計提出新的要求，同時新性能量器械相對于傳統(tǒng)的電刀、超聲等負載要求大，穩(wěn)定性和精準性要求高。

2、末端柔性手術器械臂的腔鏡手術機器人常用的蛇骨關節(jié)是以蛇骨兩側的突起和凹陷配合形成旋轉副，且關節(jié)之間的配合依靠驅動繩索的張力，若驅動繩索松弛，關節(jié)之間配合處產生間隙，將嚴重影響關節(jié)的控制精度和穩(wěn)定性。如圖2所示為常見蛇骨關節(jié)之間驅動控制的示意圖，理想狀態(tài)下假設繩索在拉動過程中不會發(fā)生形變，且繩索只沿著蛇骨索孔的中心軸線動作，此時兩側繩索相對旋轉中心o對稱。設兩側繩索的間距為d，兩關節(jié)之間相對轉動角度為θ，關節(jié)單側最大偏轉角為α，拉線端繩索長l1,放線端繩索長l2，關節(jié)中繩索長度為n，則有：

3、

4、在角度較小的情況下可近似處理，

5、

6、由此計算拉線側繩索位移δl1和放線側繩索位移δl2，即理想狀態(tài)下收線側和放線側繩索的位移在數(shù)值上相同，因此現(xiàn)有常見驅動方式即圖3所示的將繩索纏繞于轉軸s之上，以電機輸出軸驅動轉軸s旋轉使得收線側與放線側的繩索位移數(shù)值相同，理想狀態(tài)下能做到控制柔性臂精確運動。而實際情況中，電機輸出軸會被外力扭動，導致電機軸輸出端抵抗繩索位移的能力不強，影響繩索的張緊以及控制，進而影響柔性關節(jié)控制的穩(wěn)定性。

7、如圖3所示的現(xiàn)象，即使初始狀態(tài)下繩索張緊較好，在反復運動過程中繩索仍然會松弛，原因主要有以下兩點：

8、1)控制末端手術器械的各類器件通過蛇骨的中間通道對柔性蛇骨彎曲的控制產生阻礙，以及各關節(jié)之間的摩擦力和控制各個自由度的繩索之間的耦合等因素使得拉線端繩索在拉線時往往承受較大的拉力，繩索在拉的過程產生形變變長，其結果是在器械臂彎曲同樣的角度下，轉軸旋轉了更多的角度，使得放線側繩索的位移大于理論位移，導致放線側繩索松弛，關節(jié)配合處開始出現(xiàn)間隙。

9、2)由于制造誤差、安裝誤差、設計考量等因素，繩索直徑與蛇骨上索孔并不一致，且繩索受拉后產生形變，繩索直徑將縮小，此時觀察拉線端，繩索在受到較大拉力后,繩索變細在索孔中的活動范圍增大，貼向柔性臂當前彎曲的曲率中心，設柔性臂彎曲角度為θ′,理想狀態(tài)下的拉線端的曲率半徑為r1，實際情況下繩子的曲率約為r′1，近似比較理想狀態(tài)下拉線端繩索在柔性臂中的余量l1和理想狀態(tài)下的余量l′1，r′1＜r1，r′1θ′＝l′1＜l1＝r1θ′。即相同手術臂彎曲角度下，拉線端繩索位移量比理想狀態(tài)更大，這種情況與前述分析一樣都加劇了放線側的繩索松弛，使得柔性臂剛性和穩(wěn)定變差，控制精度降低。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種一種自動驅動機構及狹小腔道手術機器人，現(xiàn)有技術存在柔性手術器械采用繩索驅動，傳統(tǒng)的繞線盤、軸式繩索驅動方式在驅動過程中存在收、放不一致的問題，放線側的繩索松弛，使得柔性臂剛性和穩(wěn)定變差，控制精度降低，繩索在驅動過程中的張力不易調節(jié)。手術部位狹小并且入路距離長，例如尿道、咽喉、鼻腔等，入路直徑通常約3-25毫米，長度約在3-30厘米。

2、為解決上述發(fā)明問題，本發(fā)明提供的技術方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種自動驅動機構，所述自動驅動機構包括拉線機構，所述拉線機構包括導軌桿，在第二驅動模塊主板內安裝有拉線機構軸承，導軌桿的兩端分別安裝在兩個所述拉線機構軸承內、正反牙絲杠的兩端分別安裝在兩個所述拉線機構軸承內，在所述導軌桿上依次安裝有彈簧牽引模組、兩個繩索牽引模組和繩索調整機構，在所述正反牙絲杠上安裝有兩個螺套，兩個所述螺套分別和兩個所述繩索牽引模組連接，兩個所述繩索牽引模組分別獨立驅動兩根繩索，兩根繩索的另一端連接末端執(zhí)行器的柔性段。

4、優(yōu)選地，所述彈簧牽引模組包括牽引基座和牽引擋板，彈簧盒的兩端分別插入所述牽引基座和所述牽引擋板內，在所述彈簧盒內安裝有恒力彈簧，所述恒力彈簧的外伸端安裝有銜接柄內，銜接柄連接繩索。

5、優(yōu)選地，所述繩索牽引模組包括棘輪機構基座和棘輪機構擋板，在所述棘輪機構基座和所述棘輪機構擋板上安裝有滑動軸承，棘輪軸的兩端分別安裝在所述棘輪機構基座的滑動軸承內和所述棘輪機構擋板的滑動軸承內，且所述棘輪機構基座和棘輪機構擋板之間通過支撐柱連接；在所述棘輪軸上安裝有棘輪和繞繩索盤，繩索繞在所述繞繩索盤上，在所述棘輪機構基座上可轉動安裝有棘爪，拉力彈簧的兩端分別連接棘爪和棘輪機構基座；

6、所述棘輪機構基座的側面安裝有旋轉盤后蓋，所述棘輪軸的軸線垂直所述旋轉盤后蓋的軸線；推盤內安裝有滾動軸承，所述滾動軸承的內圈安裝有旋轉導軌套件，所述導軌套件通過圓頭鍵安裝在所述旋轉盤后蓋內，在所述推盤上遠離所述旋轉盤后蓋的一側依次安裝有軸承擋片和旋轉盤前蓋，且所述旋轉盤后蓋、所述軸承擋片和所述旋轉盤前蓋通過螺栓緊固件連接；旋轉導軌套件套設在導軌桿上。

7、優(yōu)選地，所述繩索調整機構包括調整機構基座，在所述調整機構基座上設置有滑輪軸，在所述滑輪軸上安裝有導線滑輪，繩索繞在導線滑輪上，調整機構上蓋與調整機構基座可拆卸連接。

8、另一方面，本發(fā)明提供了一種狹小腔道手術機器人，所述狹小腔道手術機器人包括直線滑臺，在所述直線滑臺的輸出件上依次安裝有第二驅動模塊、所述拉線機構、第一驅動模塊，在所述第一驅動模塊的輸出件上安裝有末端執(zhí)行器，在所述末端執(zhí)行器內插入有手術工具；

9、直線滑臺控制所述第二驅動模塊、所述拉線機構、所述第一驅動模塊和所述末端執(zhí)行器進行直線移動；所述第二驅動模塊驅動所述手術工具繞著其自身軸線轉動、沿著其自身軸線伸縮移動；所述拉線機構連接繩索的一端，繩索的另一端末端執(zhí)行器的柔性段，所述第一驅動模塊驅動所述拉線機構，所述拉線機構通過拉動繩索控制所述末端執(zhí)行器的柔性段彎曲或者伸直；所述第一驅動模塊控制所述末端執(zhí)行器繞著其自身軸線轉動。

10、優(yōu)選地，所述直線滑臺包括底板，在所述底板的兩端設有安裝板，在安裝板上安裝有第一絲杠和第一導軌棒，在一個所述安裝板上安裝有電機動力模塊，所述電機動力模塊的輸出軸連接所述第一絲杠，在所述第一絲杠上安裝有第一絲杠螺母，所述第一絲杠螺母的兩側連接有直線軸承支撐腳，所述直線軸承支撐腳套設在所述第一導軌棒上，在所述第一絲杠螺母的頂部安裝有推進主板，所述第二驅動模塊、所述拉線機構和所述第一驅動模塊安裝在推進主板上。

11、優(yōu)選地，所述第一驅動模塊包括安裝外殼，在所述安裝外殼內安裝有動力輸入軸和動力輸出軸，所述動力輸入軸和所述動力輸出軸通過齒輪傳動，所述安裝外殼蓋有驅動安裝座，在所述驅動安裝座上安裝有驅動電機，所述驅動電機的輸出軸與所述動力輸入軸連接。

12、優(yōu)選地，所述第二驅動模塊包括后蓋，在所述后蓋上安裝有后蓋滑動軸承，引導軸的一端安裝在所述后蓋滑動軸承、另一端安裝在第二驅動模塊后板上，第二驅動模塊前板安裝在第二驅動模塊主板上，所述后蓋和所述第二驅動模塊主板可拆卸連接；在所述第二驅動模塊前板上安裝有軸承，在所述軸承內安裝有第二絲杠的一端，所述第二絲杠的另一端通過聯(lián)軸器連接第二驅動模塊電機一的輸出軸，所述第二驅動模塊電機一安裝在所述第二驅動模塊后板上，所述第二驅動模塊前板和所述第二驅動模塊后板之間通過支撐柱連接；在所述第二絲杠上安裝有第二絲杠螺母，所述第二絲杠螺母與推進單元前板連接，彈簧夾持軸的兩端分別通過軸承安裝在推進單元前板和推進單元后板上，在彈簧夾持軸上安裝有圓柱直齒輪二，第二驅動模塊電機二安裝在所述推進單元后板上，在所述第二驅動模塊電機二的輸出軸上安裝有圓柱直齒輪一，圓柱直齒輪一和圓柱直齒輪二嚙合傳動，推進單元前板和推進單元后板之間通過支撐柱連接；在所述推進單元前板上通過卡簧安裝有直線軸承，所述直線軸承套設在第二導軌棒上，所述第二導軌棒的兩端分別安裝在所述第二驅動模塊前板和所述第二驅動模塊后板內。

13、優(yōu)選地，所述彈簧夾持軸設有徑向螺孔，所述彈簧夾持軸的內部設有圓形通道。

14、優(yōu)選地，所述末端執(zhí)行器包括依次順序連接的空心直桿、柔性段、末端關節(jié)、伸縮管和集成噴口，在所述末端關節(jié)的端部安裝有光源和電鏡。所述柔性段包括多節(jié)蛇骨關節(jié)，所述蛇骨關節(jié)的上側對稱設置有兩個圓弧突起、下側對稱設置有缺口，所述蛇骨關節(jié)上設有斜切面，所述圓弧突起和所述缺口相適配，前一個蛇骨關節(jié)的缺口與后一個蛇骨關節(jié)的圓弧凸起對接形成轉動副，前一個蛇骨關節(jié)的斜切面與后一個蛇骨關節(jié)的斜切面位于同一側形成可彎曲空間。

15、上述技術方案，與現(xiàn)有技術相比至少具有如下有益效果：

16、上述方案，(1)本發(fā)明采用正反牙絲杠驅動的拉線機構，分別獨立驅動兩根繩索，通過獨立的彈簧牽引模組對每根繩索進行張力的調整，實現(xiàn)了對繩索張力進行量化調控、恒定持久的張力控制，同時能夠抵抗干擾，確保了蛇骨關節(jié)控制的穩(wěn)定性和精確性。

17、(2)本發(fā)明拉線機構采用正反牙絲杠驅動，絲杠本身具有自鎖性能，而安裝在正反牙絲杠的螺套在受到相同方向的力作用時更加強了絲杠的自鎖性能的這一特點，能夠使得繩索被拉線機構固定的一頭能夠抵抗繩索位移，這也有利于柔性臂末端抵抗干擾，解決了現(xiàn)有技術中利用電機軸輸出端抵抗繩索位移的能力不強的問題。

18、(3)本發(fā)明與現(xiàn)有技術中常見的手術狹小腔道手術機器人驅動布局有所區(qū)別，使用正反牙絲杠驅動獨立的兩個繩索牽引模組，繩索能夠在繩牽引機構中自由旋轉，使得柔性臂自身旋轉和拉線機構是解耦的，有利于精確和簡化控制。同時，通過兩個直線運動配合正反牙絲桿實現(xiàn)了直線間距調整和自身旋轉的同軸運行。

19、(4)本發(fā)明實現(xiàn)了末端執(zhí)行器多個自由度運動，較剛性直桿經(jīng)自然腔道手術器械而言，能夠到達一些狹小空間位置中較難到達的病灶位置，靈活調整位姿。