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龙图腾网获悉吉林大学申请的专利用于微创手术机器人的钳端柔性手术器械及其控制方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN119139028B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-12-05发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202411457718.3，技术领域涉及：A61B34/30；该发明授权用于微创手术机器人的钳端柔性手术器械及其控制方法是由冯美;师亚龙;董淑鑫;王际岩;李昊举;王祖久设计研发完成，并于2024-10-18向国家知识产权局提交的专利申请。

本用于微创手术机器人的钳端柔性手术器械及其控制方法在说明书摘要公布了：用于微创手术机器人的钳端柔性手术器械及其控制方法，属于微创手术机器人领域，钳端柔性机构控制机构包括钳端左开合控制机构、钳端右开合控制机构、钳端上偏摆控制机构、钳端下偏摆控制机构和钳端360度旋转控制机构；通过钳端左开合控制机构、钳端右开合控制机构、钳端上偏摆控制机构、钳端下偏摆控制机构和钳端360度旋转控制机构分别控制钳端柔性机构进行左开合运动、右开合运动、上偏摆运动、下偏摆运动和360度旋转运动。本发明通过对柔性手术器械功能进行分区进而规划电机排布，大幅度节省电机仓占用空间，同时针对转向滑轮进行梯度结构设计实现传动轴传动不干涉，并通过微创手术机器人控制柔性手术器械运动的方法解决钢丝偏摆问题。

本发明授权用于微创手术机器人的钳端柔性手术器械及其控制方法在权利要求书中公布了：1.用于微创手术机器人的钳端柔性手术器械，其特征在于，包括： 钳端柔性机构和钳端柔性机构控制机构，所述钳端柔性机构控制机构包括：钳端左开合控制机构、钳端右开合控制机构、钳端上偏摆控制机构、钳端下偏摆控制机构和钳端360度旋转控制机构；所述钳端左开合控制机构、钳端右开合控制机构、钳端上偏摆控制机构、钳端下偏摆控制机构和钳端360度旋转控制机构分别与所述钳端柔性机构相连，通过钳端左开合控制机构、钳端右开合控制机构、钳端上偏摆控制机构、钳端下偏摆控制机构和钳端360度旋转控制机构分别控制所述钳端柔性机构进行左开合运动、右开合运动、上偏摆运动、下偏摆运动和360度旋转运动； 所述钳端柔性机构控制机构还包括：钳端刚性连接外管和钳端刚性连接内管，钳端刚性连接内管位于钳端刚性连接外管内部；所述钳端刚性连接内管分别与钳端柔性机构和钳端360度旋转控制机构相连； 所述钳端柔性机构包括：钳端左开合钳、钳端右开合钳、开合钳固定座、开合钳固定销、钳端上摆转向滑轮、钳端下摆转向滑轮、钳端开合座固定销、钳端柔性连接座、钳端柔性十字偏摆销、钳端柔性连接座固定销、连接头、钳端柔性内管和钳端柔性外管；所述钳端柔性连接座的数量为多个，多个钳端柔性连接座依次通过钳端柔性连接座固定销相连组成钳端柔性外管；钳端柔性外管后端与钳端刚性连接外管前端相连，钳端柔性外管前端与连接头一端相连；钳端柔性内管后端与钳端刚性连接内管相连；钳端柔性十字偏摆销的数量为多个，钳端柔性十字偏摆销与钳端柔性连接座数量相同，钳端柔性十字偏摆销外圈固定在钳端柔性连接座内壁上，钳端柔性十字偏摆销内圈套装在钳端柔性内管上；开合钳固定座后端通过钳端开合座固定销与钳端柔性内管相连，开合钳固定座前端通过开合钳固定销与钳端左开合钳和钳端右开合钳相连；钳端左开合钳和钳端右开合钳的相对立面上均设有锯齿形配合结构；钳端上摆转向滑轮和钳端下摆转向滑轮均通过销轴固定在开合钳固定座内部； 所述钳端左开合控制机构包括：钳端左开合控制电机、钳端左开合控制电机连接下座、钳端左开合控制电机连接上座、钳端左开合传动轴缠绕轴、钳端左开合传动轴转向滑轮、第一传动轴和钳端开合传动轴转向滑轮固定座；钳端左开合控制电机连接下座与钳端左开合控制电机连接上座固定相连，钳端左开合控制电机的输出端固定在钳端左开合控制电机连接下座上，钳端左开合传动轴缠绕轴固定在钳端左开合控制电机连接上座上，钳端左开合控制电机的输出轴穿过钳端左开合控制电机连接下座与钳端左开合传动轴缠绕轴端部相连；钳端左开合传动轴转向滑轮固定在钳端开合传动轴转向滑轮固定座上；第一传动轴前端缠绕在钳端左开合钳上，第一传动轴后端依次穿过钳端柔性内管、钳端刚性连接内管后绕上钳端左开合传动轴转向滑轮后缠绕在钳端左开合传动轴缠绕轴上；钳端左开合控制电机通过钳端左开合控制电机连接下座和钳端左开合控制电机连接上座驱动钳端左开合传动轴缠绕轴顺时针转动，进而将第一传动轴顺时针缠绕在钳端左开合传动轴缠绕轴上，通过拉动第一传动轴实现钳端左开合钳张开，反之为闭合； 所述钳端右开合控制机构包括：钳端右开合控制电机、钳端右开合控制电机连接下座、钳端右开合控制电机连接上座、钳端右开合传动轴缠绕轴、钳端右开合传动轴转向滑轮、第二传动轴和钳端开合传动轴转向滑轮固定座；钳端右开合控制电机连接下座与钳端右开合控制电机连接上座固定相连，钳端右开合控制电机的输出端固定在钳端右开合控制电机连接下座上，钳端右开合传动轴缠绕轴固定在钳端右开合控制电机连接上座上，钳端右开合控制电机的输出轴穿过钳端右开合控制电机连接下座与钳端右开合传动轴缠绕轴端部相连；钳端右开合传动轴转向滑轮固定在钳端开合传动轴转向滑轮固定座上；第二传动轴前端缠绕在钳端右开合钳上，第二传动轴后端依次穿过钳端柔性内管、钳端刚性连接内管后绕上钳端右开合传动轴转向滑轮后缠绕在钳端右开合传动轴缠绕轴上；钳端右开合控制电机通过钳端右开合控制电机连接下座和钳端右开合控制电机连接上座驱动钳端右开合传动轴缠绕轴顺时针转动，进而将第二传动轴顺时针缠绕在钳端右开合传动轴缠绕轴上，通过拉动第二传动轴实现钳端右开合钳张开，反之为闭合； 所述钳端上偏摆控制机构包括：钳端上摆控制电机、钳端上摆控制电机连接下座、钳端上摆控制电机连接上座、钳端上摆传动轴缠绕轴、钳端上偏摆传动轴转向滑轮和第三传动轴；钳端上摆控制电机连接下座与钳端上摆控制电机连接上座固定相连，钳端上摆控制电机的输出端固定在钳端上摆控制电机连接下座上，钳端上摆传动轴缠绕轴固定在钳端上摆控制电机连接上座上，钳端上摆控制电机的输出轴穿过钳端上摆控制电机连接下座与钳端上摆传动轴缠绕轴端部相连；第三传动轴前端缠绕在钳端上摆转向滑轮上，第三传动轴后端依次穿过钳端柔性内管、钳端刚性连接内管后绕上钳端上偏摆传动轴转向滑轮后缠绕在钳端上摆传动轴缠绕轴上；钳端上摆控制电机通过钳端上摆控制电机连接下座和钳端上摆控制电机连接上座驱动钳端上摆传动轴缠绕轴顺时针转动，进而将第三传动轴顺时针缠绕在钳端上摆传动轴缠绕轴上，通过拉动第三传动轴实现钳端上偏摆； 所述钳端下偏摆控制机构包括：钳端下摆控制电机、钳端下摆控制电机连接下座、钳端下摆控制电机连接上座、钳端下摆传动轴缠绕轴、钳端下偏摆传动轴转向滑轮和第四传动轴；钳端下摆控制电机连接下座与钳端下摆控制电机连接上座固定相连，钳端下摆控制电机的输出端固定在钳端下摆控制电机连接下座上，钳端下摆传动轴缠绕轴固定在钳端下摆控制电机连接上座上，钳端下摆控制电机的输出轴穿过钳端下摆控制电机连接下座与钳端下摆传动轴缠绕轴端部相连；第四传动轴前端缠绕在钳端下摆转向滑轮上，第四传动轴后端依次穿过钳端柔性内管、钳端刚性连接内管后绕上钳端下偏摆传动轴转向滑轮后缠绕在钳端下摆传动轴缠绕轴上；钳端下摆控制电机通过钳端下摆控制电机连接下座和钳端下摆控制电机连接上座驱动钳端下摆传动轴缠绕轴顺时针转动，进而将第四传动轴顺时针缠绕在钳端下摆传动轴缠绕轴上，通过拉动第四传动轴实现钳端下偏摆； 所述用于微创手术机器人的钳端柔性手术器械的控制方法包括以下步骤： 1钳端柔性手术器械正运动学控制方法； 1刚性段 采用改进DH参数法对柔性手术器械刚性段的正运动学进行建模，柔性手术器械刚性段的改进DH参数见下表，为探入关节的位移量，为操纵杆的自转角度，为刚性杆的偏摆角度，为操纵杆轴线和刚性杆轴线的交点与刚性段末端面中心的距离；所述操纵杆为钳端刚性连接外管，所述刚性杆为钳端刚性连接外管前端与钳端柔性外管连接的那段； ； 由改进DH参数法得到柔性手术器械刚性段相邻关节坐标系的齐次变换矩阵为： ； ； 其中c和s分别为cos、sin的简化形式； 2柔性段 柔性手术器械的柔性段由七个柔性单元组成，每个柔性单元包含十字轴和刚性块，十字轴为钳端柔性十字偏摆销，刚性块为钳端柔性连接座；柔性段末端的位姿与各刚性块的运动都有关，先对单一方向的偏摆进行分析：刚性块上有4个小孔，分别穿过钢丝绳L1、L2、L3和L4，钢丝绳L1、L2、L3和L4分别对应第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴和第四传动轴，控制柔性段产生弯曲，选择末端刚性块和刚性块i进行分析：由于在预紧状态下钢丝绳可传递张力，故末端刚性块受到钢丝绳的拉力和刚性块i的力的共同作用，对末端刚性块进行力平衡分析得到：，均为力的作用线与末端刚性块端面之间的夹角，由上式可得，即；故根据末端刚性块的力平衡得到：；根据刚性块i的力平衡得到： 1 其中和均为力与刚性块i左端面之间的夹角，为力与刚性快i右端面之间的夹角，根据、以及公式1得到，即； 故根据、、公式1、得到：；根据末端刚性块对轴处的力矩平衡得到： 2 其中t为钢丝绳L1、L3与轴之间的距离，h为刚性块的长度，为相邻两个十字轴轴线之间的距离，为轴与相邻刚性块端面之间的距离； 根据刚性块i对轴处的力矩平衡得到： 3 根据、、、公式2、公式3得到： 4 根据公式2和公式4得到； 故根据、、可知四个角相等； 由此可知，柔性段中每个刚性块端面与钢丝绳之间的夹角保持一致，柔性段中每个刚性块的偏转角度也是等大的；同理考虑钢丝绳L2、L4拉力作用下柔性段产生的偏摆，每个刚性块的偏转角度也是等大的，因此无论柔性段在任何方向发生偏摆，各刚性块的偏摆角都是等大的；由于柔性段的每根钢丝绳都可以单独控制，所以只需要调整柔性段内四根钢丝绳的长度，就能使柔性段在各个方向上产生弯曲； 在距离各个十字轴中心点处建立各柔性单元的坐标系，设柔性段由n个柔性单元组成，通过柔性段中各柔性单元坐标系位置的几何关系采用投影法计算可得柔性段末端位置在自身基坐标系下的齐次变换矩阵为： 5 其中为两相邻柔性单元轴线间的夹角即两相邻柔性单元坐标系中Z轴间的夹角，为各柔性单元绕基坐标系中轴的偏转角；通过柔性段相邻柔性单元坐标系位置的几何关系采用投影法计算可得相邻柔性单元间的姿态变换矩阵为： 6 3末端执行器 末端执行器的末端位置在柔性段末端坐标系下的齐次变换矩阵： 9 其中为柔性段末端到末端执行器末端的长度，则柔性手术器械的正运动学方程为： 10 2钳端柔性手术器械逆运动学控制方法； 采用数值解法进行柔性手术器械逆运动学求解，根据柔性手术器械的机械结构及正运动学模型、单孔手术对柔性手术器械的需求取的范围分别为： ； 将操纵杆的自转关节、刚性杆的偏摆关节作为姿态调整关节，分别由主操作手的关节6、关节5直接控制，位置控制时将操纵杆的自转关节、刚性杆的偏摆关节固定，故、为运动学模型中的已知参数；对公式10进行变换得到： 11 令公式11等号左右两端分别为、，则： 12 由公式11、公式12得到： ； 由MATLAB计算得到公式13、公式14、公式15中各项分别为： ； 将公式16各项简化为： 17 公式17中分别为： 18 由公式13、公式15、公式17得到： 19 再由公式14、公式17、公式19得到： 20 公式20中仅含未知参数，令： 21 则由二分法求解得出满足的解；故由公式14和公式17得到： ； 由公式15和公式17得到： ； 至此都已解出； 由于柔性手术器械通过钢丝绳驱动控制，因此需要通过改变钢丝绳的长度来控制柔性手术器械末端的运动，故需得到柔性手术器械各关节变量与各部分绳长变化的关系：设操纵杆自转单元的半径为、控制操纵杆自转的钢丝绳L5、L6的长度变化为、，则有：； 设控制刚性杆偏摆的钢丝绳为L7和L8，不考虑柔性手术器械的重力以及钢丝绳与机械结构之间的摩擦力，认为钢丝绳在整个控制过程中张力不变、通绳孔的半径与钢丝绳半径相等、钢丝绳在操纵杆和刚性杆内的部分长度不变，则钢丝绳L7和L8的长度变化仅体现在从操纵杆通绳孔到刚性杆通绳孔过渡的这一段上；刚性杆未发生偏摆时钢丝绳L7和L8在操纵杆通绳孔到刚性杆通绳之间的长度分别为与，与间的夹角为Y，Y为柔性手术器械的结构参数；刚性杆发生偏摆时钢丝绳L7和L8在操纵杆通绳孔到刚性杆通绳之间的长度分别为与，与间的夹角为，与间的夹角为为刚性杆的偏摆角度，则有： ； 令公式24中的各项等于m，m为柔性手术器械的结构参数，则有： 25 设钢丝绳L7和L8的长度变化为，则有： 26 柔性手术器械的柔性段是通过四根钢丝绳L1、L2、L3和L4进行驱动控制的，每根钢丝绳一端固定在柔性段的末端，另一端固定在对应电机所驱动的线轮上，每根钢丝绳独立控制，由于钢丝绳L1、L2、L3和L4在经过操纵杆与刚性杆时从轴线通过，因此钢丝绳L1、L2、L3和L4在操纵杆与刚性杆内的部分长度不变，同时钢丝绳L1、L2、L3和L4在各柔性单元内部的部分长度不变，故钢丝绳L1、L2、L3和L4的长度变化仅体现在相邻柔性单元上下表面之间的部分，因为柔性段在任意方向发生偏转时，各柔性单元的偏摆角都是相等的，所以任意相邻柔性单元上下表面之间钢丝绳L1、L2、L3和L4的长度变化相同，相邻柔性单元上下表面之间钢丝绳的长度变化为： 33 由于柔性段发生弯曲前后，线L1iL3i、线L2iL4i、线L1i+1L3i+1、线L2i+1L4i+1的长度始终相等，设其长度为D，D为柔性单元的结构参数，根据上述控制柔性手术器械各关节运动的钢丝绳长度变化、探入距离及柔性手术器械的结构参数和电子齿轮比，可计算得到柔性手术器械末端运动到目标位姿T各电机所需要的脉冲值，实现对钳端左开合控制电机、钳端右开合控制电机、钳端上摆控制电机、钳端360度旋转控制电机、钳端下摆控制电机的控制，进而完成对整个钳端柔性手术器械的运动控制。

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