末端执行器、手术器械和手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种末端执行器、包括该末端执行器的手术器械和包括该手术器械的手术机器人。

背景技术

微创手术的诞生在很大程度上克服了传统外科手术存在伤口大、出血量大、并发症多以及手术风险大等缺陷。通过手术机器人辅助医生进行微创手术能够使得微创手术操作更精确和稳定，大大提高了手术的安全性。因此，微创手术正逐步获得医务人员与患者的青睐，成为目前医学研究与临床应用的新领域。

手术机器人包括操作臂，操作臂包括位于端部的手术器械以及可操作地连接到手术器械以便于致动手术器械的器械驱动单元。手术器械包括与器械驱动单元连接的从动机构以及与从动机构连接的末端执行器。器械驱动单元驱动从动机构，进而驱动末端执行器以代替人手在人体内进行手术操作。常见的末端执行器包括夹钳类器械，夹钳类器械包括两个摆动件，通过两个摆动件的相对开合，对手术部位进行夹持、剪切等操作。

在现有技术中，末端执行器的两个摆动件偏置到某些角度，例如极限位置时，出现夹持力衰减现象。因此，现有的末端器械存在夹持力较小的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于手术器械的末端执行器、包括该末端执行器的手术器械和包括该手术器械的手术机器人，该末端执行器的两个摆动件采用非对称结构，从而能够提高工作范围内的夹持力。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于手术机器人的末端执行器，所述末端执行器包括第一摆动件和第二摆动件，所述第一摆动件和所述第二摆动件通过中心转轴枢转连接，所述第一摆动件和所述第二摆动件可为非对称结构。

所述第一摆动件和第二摆动件相对于所述中心转轴可为非对称结构。

所述第一摆动件可包括第一连接部和第一操作部，所述第一连接部与所述第一操作部之间的夹角为第一夹角ф1，所述第二摆动件包括第二连接部和第二操作部，所述第二连接部与所述第二操作部之间的夹角为第二夹角ф2，其中，所述第一夹角ф1大于所述第二夹角ф2。

所述第一操作部和第二操作部具有相互面对的第一操作面和第二操作面，所述第一连接部与第一操作面之间的夹角为第一夹角ф1，所述第二连接部与所述第二操作面之间的夹角为第二夹角ф2。

所述第一连接部具有第一端和第二端，所述第二连接部具有第一端和第二端，所述第一连接部的第二端和所述第二连接部的第二端通过中心转轴枢转连接，所述第一连接部的第一端具有第一驱动部，所述第二连接部的第一端具有第二驱动部，所述第一驱动部和所述中心转轴之间的连线与所述第一操作部之间的夹角为第一夹角ф1，所述第二驱动部和所述中心转轴之间的连线与第二操作部之间的夹角为第二夹角ф2。

所述第一操作面和/或第二操作面与所述中心转轴共面，其中，所述第一操作部与所述第一连接部的第二端固定连接，并相对于所述第一连接部向外突出延伸，所述第二操作部与所述第二连接部的第二端固定连接，并相对于所述第二连接部向外突出延伸。

所述第一夹角ф1大于或等于90度，所述第二夹角ф2小于90度。

所述第一摆动件和所述第二摆动件的摆动角度θ大于等于所述第一夹角ф1和所述第二夹角ф2的差值。

所述第一摆动件和所述第二摆动件的摆动角度为θ的情况下，当所述摆动角度处于θ/2时，所述第一摆动件和所述第二摆动件之间的夹持力最大。

所述θ/2为30度。

所述第一夹角ф1与所述第二夹角ф2的差小于等于90度。

所述第一夹角ф1的范围为127度至137度，所述第二夹角ф2的范围为67度至77度。

根据本发明的另一方面，提供一种手术器械，所述手术器械包括如上所述的末端执行器。

所述手术器械包括被配置为与外部驱动单元连接的从动机构，所述从动机构与第一摆动件和/或第二摆动件连接，其中，所述手术器械还包括导杆，所述导杆内部具有容纳腔，至少部分所述从动机构收容在所述导杆的容纳腔中，将经过所述导杆的轴线和所述中心转轴的轴线的平面定义为中心面，所述第一摆动件和/或所述第二摆动件能够围绕所述中心转轴相对于所述中心面摆动。

所述第一摆动件和/或所述第二摆动件相对于中心面的摆动角度的范围为-10度至70度。

所述第一摆动件和/或所述第二摆动件能够围绕所述中心转轴相对于所述中心面的一侧摆动，其中，所述第一摆动件和/或所述第二摆动件相对于所述中心面的摆动角度为0度至60度。

所述第一摆动件和所述第二摆动件分别通过第一驱动部和第二驱动部连接到所述从动机构，当所述第一摆动件和所述第二摆动件相对于所述中心面摆动角度为30度时，所述第一驱动部与所述第二驱动部相对中心面对称设置；和/或所述第一摆动件和所述第二摆动件分别通过第一驱动部和第二驱动部连接到所述从动机构，当所述第一摆动件和所述第二摆动件相对于所述中心面摆动角度为0度时，所述第一驱动部与第二驱动部相对中心面非对称设置。

所述从动机构包括第一驱动件和第二驱动件，第一驱动件和第二驱动件的第一端用于与外部驱动单元连接，所述第一摆动件通过第一驱动部与所述第一驱动件的第二端转动连接，所述第二摆动件通过第二驱动部与所述第二驱动件的第二端转动连接。

所述导杆中形成有彼此间隔设置的第一导向孔和第二导向孔，所述第一驱动件和所述第二驱动件分别设置在所述第一导向孔和第二导向孔中，所述导杆中设置有使得所述导杆的两端连通的排烟孔，所述排烟孔与第一导向孔和第二导向孔间隔设置，所述导杆包括套筒和连接在所述套筒的第一端的导向件，所述套筒内部形成有容纳所述第一驱动件和所述第二驱动件的容纳腔，所述第一导向孔、所述第二导向孔和所述排烟孔均形成在所述导向件中。

根据本发明的另一方面，还可提供一种手术机器人，手术机器人包括如上所述的手术器械。

根据本发明的实施例，可以提供一种能够增大末端执行器的工作范围的手术器械及具有该手术器械的机器人。

根据本发明的实施例，可以提供一种在摆动件摆动到极限角度时夹持力增大的手术器械及具有该手术器械的机器人。

根据本发明的实施例，可以提供一种设置有排烟孔以防止影响腔镜视野的手术器械及具有该手术器械的机器人。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1A和图1B分别是根据本发明的一个实施例的末端执行器的主视图和后视图；

图1C示出了根据本发明的一个实施例的末端执行器处于零位时的示意图；

图2A和图2B分别示出了在具有对称结构和非对称结构的两个摆动件的工作范围内最大的截圆面积；

图3A至图3C示出了具有对称结构的摆动件的T-θ曲线图；

图4A至图4C示出了根据本发明的实施例的具有非对称结构的摆动件的T-θ曲线图；

图5A至图5D示出了根据本发明的实施例的获得非对称结构的两个摆动件的夹角之差的过程的T-θ曲线图；

图6示出了根据本发明的实施例的手术器械的端部的立体图；

图7A和图7B分别是根据本发明实施例的手术器械在移除套筒后的主视图和后视图；

图8示出了手术器械中的第二摆动件及其从动结构的运动原理简图；

图9示出了根据本发明的导向件的立体图；

图10示出了另一角度的导向件的立体图。

附图标记说明：

100-第一摆动件；110-第一连接部；120-第一操作部；111-第一驱动部；200-第二摆动件；210-第二连接部；220-第二操作部；211-第二驱动部；300-导杆；301-套筒；310-第一导向孔；320-第二导向孔；330-排烟孔；350-导向件；361-第一转动支撑部；362-第二转动支撑部；400-第一驱动件；410-第一推拉杆；420-第一连杆；500-第二驱动件；510-第二推拉杆；520-第二连杆；1201-第一操作面；2201-第二操作面。

具体实施方式

下面将结合附图描述本发明的具体实施方式，以对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明的方案，但是，本发明的方案能够以很多不同于在此描述的其他实施方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明的构思的情况下进行各种变形，因此本发明的保护范围不受下面描述的具体实施方式的限制。

此外，在下面的描述中使用的术语“第一”、“第二”仅用于将一个特征和另一个特征相互区分，不应该理解为指示或暗示所指示的特征的顺序、数量或重要性。除非另有明确的规定或限定，术语“安装”、“连接”、“相连”、“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，或者一体形成，可以是直接连接，也可以通过其他中间部件进行间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，应该根据上下文的内容来理解该术语所表达的具体含义。

本发明涉及一种末端执行器，末端执行器为手术器械的端部的手术工具，手术器械可以安装于用于辅助完成微创手术的手术机器人的前端(也称远端)。在微创手术中，手术器械的端部通过患者身上的微小创口伸入患者体内并达到病灶，在手术过程中，手术器械在摆动时以创口处为远心不动点进行摆动，以此避免手术器械对创口的拉扯。因此，末端执行器的运动范围及合适的夹持力(或剪切力)至关重要。然而，现有的末端器械难以满足合适夹持力(或剪切力)的需求。

经分析，这是因为：当需要维持在某一位置进行夹持时，夹持力由两个摆动件在该位置处产生的力较小的一个决定。即当两个摆动件的夹持力叠加时，一个摆动件的力受另一个摆动件影响，从而使得实际夹持力将由两个摆动件中提供较小力的摆动件决定。由于在整个运动范围内，两个摆动件的最小的夹持力是作为评估全范围内末端执行器的夹持力优劣的一个重要的方面，因此，提高最小夹持力尤为重要。

因此，在某些偏转角度内，例如在极限位置处可能不能获得合适的夹持力(夹持力小)，进而导致摆动件的偏转角度受限，造成难以同时兼顾末端执行器的运动范围和合适夹持力的问题。为提高手术工具在工作范围内的夹持力，本发明提供了一种末端执行器，下面参照附图根据本发明的一个实施例的末端执行器。

图1A和图1B示出了根据本发明的一个实施例的末端执行器的示意图。图1C示出了当该末端执行器结合到从动机构(如下文所述的第一驱动件400和第二驱动件500)和支撑结构(如下文所述的导杆300)时两个摆动件处于零位(即，两个摆动件与Z轴或后文提及的中心面之间的角度为0度)。

如图1A和图1B所示，末端执行器可包括第一摆动件100和第二摆动件200，第一摆动件100和第二摆动件200通过中心转轴150枢转连接。如图所述，优选地，第一摆动件100和第二摆动件200为非对称结构。具体地，第一摆动件100和第二摆动件200相对于中心转轴150为非对称结构。因此，可以在工作范围内，灵活选择第一摆动件100的较佳扭矩范围和第二摆动件200的较佳扭矩范围。从而可以实现，在工作范围内的摆动角度时，两者扭矩的差值较小，进而使实际的夹持力较大。

应理解，第一摆动件100和第二摆动件200的夹持力是通过施加到它们的扭矩实现的，由于夹持力与扭矩的关系为：T＝F

另外，应理解，“工作范围”指的是摆动件在预定的摆动角度范围内，能够进行夹持操作的范围。其中，“摆动角度”是指两个摆动件从一侧的极限位置到另一侧的极限位置的角度。

图2A和图2B分别示出了具有对称结构的两个摆动件和具有非对称结构的两个摆动件在摆动角度均为θ时的工作范围内最大的截圆面积。

如图2A所示，在对称结构中，两个摆动件分别能够相对于零位左右摆动相同的角度，在摆动角度均为θ的情况下，两个摆动件相对于零位的摆动角分别为θ/2。由于安装有末端执行器的手术器械能够绕Z轴转动，因此，具有对称结构的末端执行器能达到的位置范围(即，工作范围)为：

图2A中所示的阴影区域表示末端执行器的工作范围内最大的截圆面积，该阴影区域为圆形且垂直于Z轴。

在具有非对称结构的末端执行器中，两个摆动件可仅在零位的一侧摆动，或者两个摆动件的相对于零位的摆动角不同。图2B示出了非对称结构的末端执行器的工作范围内最大的截圆面积(阴影区域)，更具体地，图2B示出了两个摆动件仅在零位的一侧摆动的情形。

如图所示，当其他条件与上述具有对称结构的末端执行器相同时，具有非对称结构的末端执行器能达到的位置范围为：

s2＝π(L sinθ)L

由此可以得知，当两个摆动件的摆动角度相同时，具有非对称结构的末端执行器的工作范围s2大于具有对称结构的末端执行器的工作范围s1。

同理，当具有非对称结构的两个摆动件在零位的两侧摆动但相对于零位的摆动角度不同时，例如，两个摆动件相对于零位向左(以图2A和图2B中所示的方向为准)摆动θ/5，向右摆动4θ/5，由于摆动件的工作范围由相对于零位摆动较大的摆动角度决定，因此则其工作范围为：

显然，s3也大于s1。

由此可以得知，当两个摆动件的摆动角度相同时，具有非对称结构的末端执行器的工作范围大于具有对称结构的末端执行器的工作范围。

在末端执行器绕Z轴转动的情况，两个摆动件所能达到的工作范围是一个圆锥面，而上述最大截圆面积的描述仅为了便于大体了解对称结构和非对称结构的工作范围，而非对实际工作范围的精准计算。

然而，还应理解的是，参照图2A和图2B的介绍仅便于理解“工作范围”的概念，事实上，“工作范围”可以是预先设定的，也就是说，对称结构和非对称结构的工作范围可被设定为彼此相同的，在后文中，将使用角度值表示摆动件的工作范围，其中工作范围可以大于或等于摆动角度。下文中实施例中，如果描述为“工作范围为±θ”，则表示工作范围大于摆动角度的情况。

当将具有对称结构的末端执行器和具有非对称结构的末端执行器的工作范围设置为彼此相同时，对称结构的夹持力可能将不能满足手术需求，后文将对此进行详细介绍。

返回参照图1A至图1C，第一摆动件100可包括第一连接部110和第一操作部120，第一连接部110与第一操作部120之间的夹角可为第一夹角ф1。第二摆动件200可包括第二连接部210和第二操作部220，第二连接部210第二操作部220之间的夹角可为第二夹角ф2。根据本发明的实施例，第一夹角ф1可大于第二夹角ф2。

此外，第一连接部110与第二连接部210相对于中心转轴150对称。具体地，第一连接部110和第二连接部210可具有相同的长度，或具有相同的结构和尺寸。第一操作部120与第二操作部220也可具有相同的长度或者具有相同的结构或尺寸。也就是说，第一摆动件100与第二摆动件200的不同之处可仅在于第一夹角与第二夹角的不同，即，第一摆动件100与第二摆动件200仅是由于连接部与操作部的夹角的差异而形成非对称结构。在这种情况下，可通过两者夹角的差异，来改变工作范围内摆动件的扭矩范围，从而达到较佳的实际夹持力。

根据本发明的实施例，第一操作部120和第二操作部220具有相互面对的第一操作面1201和第二操作面2201，第一连接部110与第一操作面1201之间的夹角为第一夹角ф1，第二连接部210与第二操作面2201之间的夹角为第二夹角ф2。

此外，第一连接部110具有第一端和第二端，第二连接部210具有第一端和第二端，第一连接部110的第一端具有第一驱动部111，第二连接部210的第一端具有第二驱动部211，第一连接部110的第二端和第二连接部210的第二端通过中心转轴150枢转连接。

第一操作部120与第一连接部110的第二端固定连接，并相对于第一连接部110向外突出延伸，使得第一驱动部111和中心转轴150之间的连线与第一操作部120之间的夹角为第一夹角ф1。

第二操作部220与第二连接部210的第二端固定连接，并相对于第二连接部210向外突出延伸，使得第二驱动部211和中心转轴150之间的连线与第二操作部220之间的夹角为第二夹角ф2。

根据本发明的实施例，第一操作部120的第一操作面1201和/或第二操作部的第二操作面2201与中心转轴150共面。因此，第一驱动部111和中心转轴150之间的连线与第一操作面1201之间的夹角为第一夹角ф1，第二驱动部211和中心转轴150之间的连线与第二操作面2201之间的夹角为第二夹角ф2。

在本发明中，中心转轴150并不一定是独立于第一摆动件100和第二摆动件200的独立部件，其也可以是第一摆动件100或第二摆动件200上固定的可以作为转轴的凸起结构，或者可以是在第一摆动件100和第二摆动件200的支撑结构(如下文所述的导杆300)上安装或一体形成的可以作为转轴的凸起结构。

此外，第一驱动部111和第二驱动部211可以是具有与中心转轴150的轴线平行的轴线转动轴，相似地，第一驱动部111和第二驱动部211可以是分别独立于第一摆动件100和第二摆动件200的独立部件，也可以是分别与第一摆动件100和第二摆动件200一体地形成并从相应的摆动件突出的转轴结构。

此外，如上所述的“第一驱动部/第二驱动部与中心转轴150的连线”指的是第一驱动部/第二驱动部的转轴的虚拟中心轴线与中心转轴150的中心轴线的连线，并且对应第一驱动部/第二驱动部的转轴的虚拟中心轴线与中心转轴150的中心轴线之间的最短距离。

附图中仅示出了末端执行器为手术钳(即，第一摆动件100和第二摆动件200共同构成手术钳)的情形，但本发明不限于此，末端执行器也可以为手术剪或其他手术工具。当末端执行器为手术剪或其他手术工具时，它们也具有相对于中心转轴150具有非对称结构的结构，并且其具体结构与手术钳的结构相似，即，除功能性结构(第一操作部和第二操作部的结构)不同之外，其余结构可与根据本发明的末端执行器相同或相似。

当将具有非对称结构的末端执行器应用于手术器械上时，非对称结构的摆动件的实际夹持力大于具有对称结构的摆动件的实际夹持力。进一步的，在非对称结构的两个摆动件的最大摆动角度与对称结构的两个摆动件在最大摆动角度相同的情况下，两个具有非对称结构的摆动件偏置到极限位置(即最大摆动角度)时的夹持力明显大于具有对称结构的摆动件的夹持力，其中，最大摆动角度为两个摆动件从零位(图2A和图2B中的Z轴)朝向一侧摆动所转过的最大角度，如图2B中最大摆动角度为θ，图2A中最大摆动角度为θ/2。

在一种实施方式中，两个摆动件可分别通过两个连杆结构驱动，两个连杆结构的布置结构可完全相同或不同，并分别独立地驱动两个摆动件，以便于两个摆动件在独立运动的情况下能够彼此配合实现夹持或剪切等操作。

其中，摆动件与连杆结构的驱动结构可等效于偏置的曲柄滑块结构进行分析。在这种情况下，第一连接部110和第二连接部210可分别对应于两个曲柄滑块结构的曲柄的一部分，由于第一连接部110和第二连接部210分别与第一操作部120和第二操作部220固定连接，因此，第一连接部110和第二连接部210的转动可带动第一操作部120和第二操作部220同步转动。

图3A示出了根据一个示例性的由曲柄滑块结构施加到一个摆动件的扭矩随着该摆动件与零位之间的夹角的变化而改变的曲线，即，T-θ曲线图。其中，T-θ曲线是通过预给定一个ф值(即一个摆动件中的操作部与连接部之间的夹角值)及推力F得到曲线，其通过以下公式确定：

T＝F*a*cos(β)*sin(α-β)

β＝arcsin((c-a*sinα)/b)

结合图8所示的偏置的曲柄滑块结构的运动原理简图可知，T为施加到摆动件的扭矩；F为向滑块施加的力(具有方向的矢量)；

由此得到施加到摆动件的扭矩与摆动件转过的角度的曲线图，如图3A至3C所示，横坐标表示操作部与零位(即，中心面)之间的夹角(为具有方向的矢量)，纵坐标表示操作部的扭矩(与施加到操作部的夹持力成比例)，T-θ曲线具有类似抛物线的形状。

根据本发明的实施例，第一操作部120和第二操作部220分别与第一连接部110或第二连接部210固定连接，因此，当曲柄滑块结构的设置结构完全相同时，每个摆动件的扭矩随着位移的变化所形成曲线的形状是相同的，而操作部与连接部的夹角的差异仅会使得该曲线在图3A的坐标轴中左右移动。

应注意的是，图3A中仅示出了在一个摆动件(该摆动件的操作部与连接部之间形成预定夹角)的在等效的偏置曲柄滑块结构的驱动下相对于零位在-90度至90度的范围内摆动时产生的扭矩曲线。此外，在具有对称结构的末端执行器中，由于当两个摆动件的夹角相同，因此两个摆动件的T-θ曲线重合，也就是说，图3A中的T-θ曲线也可被认为是具有对称结构的两个摆动件的重合曲线。

由于两个摆动件需要摆动到同一位置处才能实现夹持或剪切，因此，当两个摆动件保持贴合的时候，它们的偏转角度相对于零位(即，偏转角度为0的位置)互为相反数。例如，当一个摆动件相对于零位偏转20度时，另一个摆动件需要相对于零位偏转-20度，同理，当一个摆动件相对于零位偏转60度时，另一个摆动件需要相对于零位偏转-60度。由此可知，当末端执行器具有对称结构时，两个摆动件的T-θ曲线相对于0度的位置是对称的。

然而，由图3A可知，单个摆动件的扭矩曲线本身并不是对称的，也就是说，当两个摆动件摆动到同一位置(即，相对于零位位于同一摆动角度处)时，它们所能够提供的最大扭矩并不相同，因此，两个摆动件的夹持力应由提供较小夹持力的一个摆动件决定。

因此，在预定的摆动角度范围内，两个摆动件能够实现的夹持力由两个摆动件中的具有较小夹持力的摆动件决定。

图3B示出了具有对称结构的两个摆动件在配合夹持工作时各自的T-θ曲线图。图3C示出了具有对称结构的两个摆动件在配合夹持工作时共同提供的T-θ曲线图。

在将图3A中的T-θ曲线理解为是具有对称结构的两个摆动件的重合曲线时，假设两个摆动件为对称结构且具有图3A的T-θ曲线时，如图3B所示，在两个摆动件配合工作时，其中一个摆动件的T-θ曲线关于0度对称，此时两个摆动件的T-θ曲线在0度处相交。

由于两个摆动件能够实现的夹持力由两个摆动件中的具有较小夹持力的摆动件决定，因而可以得到图3C所示的T-θ曲线图。如图3所示，两个摆动件的扭矩曲线相对于0度对称，且两个摆动件在0度处的扭矩最大。此外，随着摆动件远离零度，扭矩逐渐减小。

现以摆动件的摆动角度设计为±60度(即，从一侧朝向另一侧摆动的摆动角度为120度)为例进一步说明，如图3A至图3C所示，当将摆动件的摆动角度设计为±60度，扭矩的值(即，夹持力的大小)对应于图3C中0度至60度以及0度到-60度的值。因此，两个摆动件的最大扭矩(夹持力)为它们在0度处的扭矩(约145N·mm)，两个摆动件的最小夹持力在它们在60度处的扭矩(约50N·mm)。由此可以看出，随着两个摆动件靠近极限位置(即，±60度处的位置)，夹持力急剧减小，导致在两个摆动件摆动到极限位置时，夹持力可能不能满足手术需求。

图4A至图4C示出了具有非对称结构的末端执行器的两个摆动件各自的T-θ曲线、相互配合工作时各自的T-θ曲线以及相互配合时共同实现的T-θ曲线。

根据本发明的实施例，通过将两个摆动件设计为非对称结构，可使两个摆动件的曲线相对于0度向左或向右移动，在这种情况下，当要实现与对称结构相同的工作范围时，可选择使两个摆动件扭矩的差值较小，进而使实际的夹持力可以选择到两者中较大的扭矩值，由此在摆动件在摆动到极限位置处的夹持力可变大。

图4A至图4C示出了使两个曲线的交点向左移动15度的示例，其中，得到图4B和图4C的曲线过程与图3B和图3C相似，故省略相关描述。

要想实现±60度的工作范围，由于两个摆动件可绕Z轴(即0度)旋转，因此，该工作范围可通过以下几种方式实现：两个摆动件在-60度至0度之间摆动；两个摆动件在0度至60度之间摆动；两个摆动件在-60度至60度之间摆动。也就是说，两个摆动件的夹持力可取-60度至0度、0度至60度、-60度至60度中的具有最大扭矩的范围。

如图4B和图4C所示，在-60度至0度的范围内，两个摆动件最大扭矩值在-15度的位置处，且最大扭矩值约为170N·mm，最小扭矩值在-60度的位置处，且最小扭矩值约为100N·mm。在0度至60度的范围内，最大扭矩值在0度的位置处，且最大扭矩值约为145N·mm，最小扭矩值在60度的位置处，且最小扭矩值约为45N·mm。在-60度至60度的范围内，最大扭矩值在-15度的位置处，且最大扭矩值约为170N·mm，最小扭矩值在60度的位置处，且最小扭矩值约为45N·mm。由此可知，两个摆动件在-60度至0度的范围内摆动，可在实现±60度的工作范围的同时确保最大夹持力。

通过与上述具有对称机构的末端执行器相比可知，非对称结构的两个摆动件在极限位置处的扭矩(约100N·mm)明显大于对称结构的两个摆动件在极限位置处的扭矩(约50N·mm)。

其一个主要原因在于：在-60度至0度的范围，两个摆动件的夹持力的最大值在-15度的位置处，而最小值在-60度的位置处，而具有最小夹持力的60度的位置相对于具有最大夹持力的-15度的位置偏转了45度(小于对称结构中所偏转的60度)。因此，在实现相同的摆动角度的情况下，具有对称结构的末端执行器在极限位置处的夹持力相对于最大夹持力减少了60度跨度的值，而非对称结构相对于最大夹持力减少了45度跨度的值。因此，与具有对称结构的末端执行器相比，具有非对称结构的两个摆动件从最大夹持力到最小夹持力的衰减较少，因而非对称结构能够在摆动件摆动到-60度的位置处时能够提供较大的夹持力。

图3A至图3C以及图4A至图4C仅示出了一种假定的情形，其仅是对获得本发明的结构的一种原理性说明。

根据本发明的实施例，可以根据不同ф值，选择两个摆动件的曲线，使两个摆动件在配合工作时的扭矩的差值较小。例如，第一夹角ф1可大于或等于90度，第二夹角ф2可小于90度。

根据本发明的实施例，第一夹角ф1与第二夹角ф2的差小于等于90度。

此外，当两个摆动件想要实现±60度的偏转角时，可将两个摆动件设计为在30度处具有最大夹持力，从而在30度的位置处，仅需左右摆动30度，即可实现60的摆动角度，进而实现±60度的工作范围。在这种情况下，从最大夹持力到最小夹持力仅减少30度跨度的扭矩值，因此能够最大限度地提高偏转到极限角度时的最大夹持力。

根据本发明的实施例，通过两个摆动件的曲线选择，可使两个摆动件的扭矩在工作范围内的最低值与最高值接近，从而使实际夹持力更加稳定，提高末端执行器的夹持性能。

以上参照图4A至图4C推导出了获得极限角度时的最大夹持力的一种方法，图5A至图5C直观地示出了获得极限角度时的最大夹持力的另一种方法。

图5A所示，首先通过预给定一个ф值及推力F得到一个摆动件的T-θ曲线。如上所述，由于两个摆动件可绕Z轴(即0度)旋转，因此，±60度的工作范围可通过以下几种方式实现：两个摆动件在-60度至0度之间摆动；两个摆动件在0度至60度之间摆动；两个摆动件在-60度至60度之间摆动。也就是说，两个摆动件的夹持力可取-60度至0度、0度至60度、-60度至60度中的具有最大扭矩的范围。

在上述三个工作区间(-60度至0度、0度至60度、-60度至60度)内，由一个摆动件的T-θ曲线可知，选取的横轴(θ轴)的宽度越大，扭矩值的最小值越小，因此采取-60度至0度、0度至60度优于-60度至60度。

对于单个摆动件而言，由于摆动件绕Z轴旋转，因此，无论是在-60度至0度的工作区间，还是在0度至60度的工作区间，最终实现的夹持力效果是相同的。

因此，可以通过改变ф值(即，使T-θ曲线沿横轴移动)在-60度至0度的工作区间或0度至60度的工作区间内获得扭矩最大的值。

由于纵轴(T轴)表示曲柄的扭矩，而扭矩大小直接决定夹持力的大小，因此，在-60度至0度的工作区间内或0度至60度的工作区间内的曲线的最小值越靠近T-θ曲线的顶部表明单个摆动件能够实现的夹持力越大。

由于通过改变ф值，T-θ曲线可沿横轴移动到不同的位置。因此，在-60度至0度的工作区间内或0度至60度的工作区间内存在无数个最小扭矩值，该扭矩值可通过截取在上述工作区间内的曲线获得。在所有的截取方案中，只有当在-60度与0度的T值相等或者在0度与60度的T值相等时，所截取的曲线范围内最小扭矩值最大。图5B中示出了在-60度与0度的T值相等的情形，如此可确定一个摆动件的ф值，下面称为第一摆动件的ф1值。

由于夹持是由两个摆动件配合完成，因此当第一摆动件相对于零位在-60度时，第二摆动件相对于零位在+60度，假设第二摆动件的ф2＝ф1，由此可得图5C。

由5C可知，两个摆动件的夹角相等时，第二摆动件的最佳截取方案没有在-60度到0度的工作区间内，两个摆动件的最小扭矩值的最大值无法在该工作区间内叠加，因此，可通过改变ф2值(即，使第二摆动件的曲线向左平移)来获得最佳的夹持力。

如图5D所示，当第二摆动件的曲线沿θ轴向左平移60度时，在-60度到0度范围内，-60度的夹持力等于0度的夹持力，此时能够实现最优的最小夹持力。

由于第二摆动件沿θ轴平移时的角度即为ф2改变的角度△ф，因此，|ф1-ф2|＝△ф＝60，也就是说，当要实现±60度的工作范围时，两个摆动件的夹角之差可优选地为60度。

此外，通过图5D也可以看出，两个摆动件在-60度到0度范围内的夹持曲线关于它们的中心(即，-30度)对称。

因此，根据本发明的实施例，当想要实现60度的偏转角时，第一摆动件100的第一夹角ф1与第二摆动件200的第二夹角ф2可优选地设计为它们的差为60度。更优选地，第一夹角ф1的范围可为127度至137度，第二夹角ф2的范围可为67度至77度。根据本发明的一个实施例，第一夹角ф1可为132度，第二夹角ф2可为72度。

然而，本发明不限于此，根据将要实现的工作范围的改变，第一夹角ф1与第二夹角ф2的取值可随之变化。例如，当将要实现的工作范围为±70度时，可使第一夹角ф1与所述第二夹角ф2的差为70度，并在35度处具有最大夹持力。当将要实现的工作范围为±50度时，可使第一夹角ф1与所述第二夹角ф2的差为50，并在25度处最有最大夹持力。本发明不限于此，第一夹角ф1与所述第二夹角ф2可根据实际需求设计为其他角度。当然，最大夹持力处并一定在工作范围的中间值出现，也可在非中间值。

作为一种优选方案，所述第一摆动件100和所述第二摆动件200在工作范围内的最大摆动角度具有两处极限值，在两处极限值处，第一摆动件100与第二摆动件200之间的夹持力相等。且，在极限值处的夹持力与工作范围内最大夹持力之间的差值最小。在一种实施方案中，所述第一摆动件100和所述第二摆动件200相对所述中心面的最大摆动角度具有0度和60度极限值，在0度时的第一摆动件100与第二摆动件200之间的夹持力与在60度时第一摆动件100与第二摆动件200之间的夹持力相等。在这种情况下，第一摆动件100和第二摆动件200之间的夹持力与摆动角度为30度时的夹持力之间的差值较小。

根据本发明的另一方面，提供一种手术器械，根据图1A和图1B描述的末端执行器可应用于手术器械。

图6示出了根据本发明的实施例的手术器械的端部的立体图，图7A是根据本发明实施例的手术器械在移除套筒后的主视图，图7B是根据本发明实施例的手术器械在移除套筒后的后视图。

根据本发明的手术器械可包括与第一摆动件100和第二摆动件200连接的从动机构，从动机构与外部驱动单元连接，该从动机构可与摆动件的连接部一起等效于如上所述的曲柄滑块接结构。

如图6、图7A和图7B所示，手术器械还包括导杆300，导杆300的内部具有容纳腔，至少部分从动机构收容在导杆300的容纳腔中。将经过导杆300的轴线和所述中心转轴150的轴线的平面定义为中心面(对应如上所述的“零位”)，第一摆动件100和/或第二摆动件200能够围绕中心转轴150相对于中心面摆动。

根据本发明的实施例，第一摆动件100和/或第二摆动件200相对于中心面的摆动角度的范围可为-10度至70度。本发明的末端执行器采用非对称结构，因而能够实现容易地实现该摆动角度，以扩大手术器械的工作范围。

优选地，第一摆动件100和/或第二摆动件200能够围绕中心转轴150相对于所述中心面的一侧摆动。即，第一摆动件100和/或第二摆动件200的摆动范围可以在0度至70度。但本发明不限于此，第一摆动件100和/或第二摆动件200相对于中心面的摆动角度也可以为0度至60度。

由于手术器械可以绕导杆300的中心轴线旋转，因此末端执行器还具有旋转自由度，即使第一摆动件100和/或第二摆动件200仅在中心面的一侧摆动，手术器械的工作范围可以涉及以Z轴为中心的整个圆周面。

根据本发明的实施例，当第一摆动件100和第二摆动件200相对于中心面的摆动角度为30度时，第一摆动件100和第二摆动件200之间的夹持力最大。如上所述可知，夹持力最大表明此时驱动第一摆动件100和第二摆动件200的曲柄滑块结构相对于中心面对称。

根据本发明的实施例，第一摆动件100和第二摆动件200可分别通第一驱动部111和第二驱动部211可转动地连接到从动机构，从动机构及第一驱动部111和第二驱动部211均形成为曲柄滑块结构的一部分。当第一摆动件100和第二摆动件200之间的夹持力最大时，第一驱动部111和第二驱动部211也相对于中心面对称。相应地，当第一摆动件100和第二摆动件200相对于中心面的摆动角度为0度时，第一驱动部111与第二驱动部211相对中心面非对称设置。

根据本发明的实施例，具有上述末端执行器的手术器械的摆动角度大于或等于第一夹角ф1和第二夹角ф2的差值，以能够在预定的偏转角度范围内提供最大的夹持力。也就是说，当工作角度的范围等于第一夹角ф1和第二夹角ф2的差值，且在摆动角度为(ф1-ф2)/2的角度处具有最大夹持力时，能够防止手术器械在摆动角度内偏转到极限位置时急剧衰减。也就是说，当摆动角度为θ的情况下，当摆动角度处于θ/2时，第一摆动件100和第二摆动件200之间的夹持力最大。例如，摆动角度为60度的情况下，当摆动角度处于30度时，第一摆动件100和第二摆动件200之间的夹持力最大。

继续参照图6、图7A和图7B，根据本发明的手术器械的从动机构可包括第一驱动件400和第二驱动件500。第一驱动件400和第二驱动件500的第一端用于与外部驱动单元连接，第一摆动件100通过第一驱动部111与第一驱动件400的第二端转动连接，第二摆动件200通过第二驱动部211与第二驱动件500的第二端转动连接。

导杆300中形成有彼此间隔设置的第一导向孔310和第二导向孔320，第一驱动件400和第二驱动件500的至少一部分分别设置在第一导向孔310和第二导向孔320中，以分别引导第一驱动件400和第二驱动件500的运动。

第一驱动件400可包括相互连接的第一推拉杆410和第一连杆420，第一摆动件100的第一连接部110的第一端与第一连杆420转动连接。

第二驱动件500可包括相互转动连接的第二推拉杆510和第二连杆520，第二摆动件200的第二连接部210的第二端与第二连杆520转动连接。

为了使第一推拉杆410和第二推拉杆510在导杆300内的移动路径确定，避免两者移动时发生运动干涉，设置了第一导向孔310和第二导向孔320。根据本发明的实施例，导杆300包括套筒301和连接在套筒301的第一端的导向件350，第一导向孔310和第二导向孔320形成在导向件350中，导向件350可以是与套筒301彼此独立的部件，也可以是与套筒301一体形成的部件。

第一驱动件400的第一推拉杆410的至少一部分和第二驱动件500的第二推拉杆510的至少一部分可容纳在套筒301中。

根据本发明的实施例，导向件350设置在套筒301的第一端，末端执行器也设置在套筒的第一端，当利用手术器械进行微创手术时，末端执行器伸入患者体内，在工作中可能产生烟雾，如果不及时将烟雾引导到外部，可能会影响腔镜的视野。

为此，根据本发明的导向件350中还设置有排烟孔330，排烟孔330将烟雾引导到导杆300的套筒301中，并沿着内部通道引导到套筒301的第二端，以将烟雾排放到外部。

根据本发明的实施例，排烟孔330的设置不限于此，只要在导杆300能够实现使导杆300的第一端和第二端连通的路径即可。

此外，为了防止排烟孔330的设置影响第一推拉杆410和第二推拉杆510的移动，排烟孔330可与第一导向孔310和第二导向孔320间隔设置。但本发明不限于此，排烟孔330也可与第一导向孔310和第二导向孔320中的至少一个连通的设置，只要第一导向孔310和第二导向孔320能够引导第一推拉杆410和第二推拉杆510沿与中心面平行的方向移动即可。

此外，第一推拉杆410和第二推拉杆510用于分别驱动第一摆动件100和第二摆动件200，第一推拉杆410和第二推拉杆510可对应于曲柄滑块结构的滑块，其分别通过第一连杆420和第二连杆520与第一摆动件和第二摆动件连接，即，第一推拉杆410和第二推拉杆510通过连杆结构与相应的摆动件间接连接。但本发明不限于此，例如，第一推拉杆410和第二推拉杆510也可以通过齿轮传动机构等与相应的摆动件连接，只要使得在推拉杆沿平行于水平面的方向移动时，对应的摆动件能够发生摆动即可。

如上所述，第一推拉杆410与第二推拉杆510彼此平行地设置，此外，如图6所示，第一推拉杆410的第一端和第二推拉杆510的第一端分别插设在第一导向孔310和第二导向孔320中，第一推拉杆410的第二端和第二推拉杆510的第二端分别与设置在套筒301的第二端的驱动单元(未示出)连接。

根据本发明的实施例，如上所述，根据第一推拉杆410、第一连杆420、第一摆动件100以及它们之间的转动连接结构，第一摆动件100的驱动结构近似构成一个曲柄滑块机构(具体地，偏心曲柄滑块机构)。其中，第一连杆420与第一摆动件100转动连接处的第一驱动部111与中心转轴150之间的连线构成一个虚拟曲柄，该虚拟曲柄的运动规律与第一摆动件100的运动规律相同，因此，可以通过该虚拟曲柄的运动规律，得到第一摆动件100的运动规律。此外，第一推拉杆410在第一导向孔310内滑动，其运动方式可以看做是由具有预设滑动方向的滑块带动的移动。

此外，如上所指，第一推拉杆410、第一连杆420及第一摆动件100之间形成的结构与第二推拉杆510、第二连杆520及第二摆动件200之间形成的结构相同，因此，第二推拉杆510的位移与第二摆动件200转过的角度之间也满足上述关系。

图8示出了手术器械中的第二摆动件及其从动结构的运动原理简图，并且图8中的第二摆动件处于零位。具体地，第二推拉杆510的位移和第二摆动件200的摆动角度之间满足以下关系：

其中：s为第二推拉杆510的位移，为具有方向的矢量；

a为第二驱动部211的中心轴线与中心转轴(150)的连线长度；

b为第二连杆520的长度；

c为第二推拉杆510的中心轴线与所述中心面之间的垂直距离；

d为中心转轴150至第二连杆520和第二推拉杆510的转动连接处的水平(以图8中所示的方向为准)距离；

α为中心转轴150与第二驱动部211的中心轴线的连线与中心面之间的夹角；

θ为在第二推拉杆510的驱动下，第二摆动件200转过的角度，为具有方向的矢量。

此外，第一推拉杆410与第一摆动件100的摆动角度之间的关系与第二推拉杆510的位移和第二摆动件200的摆动角度相同，因此省略其详细描述。

图9示出了根据本发明的设置在套筒301端部的导向件350的立体图。图10示出了另一角度的导向件350的立体图。

如图9和图10所示，导向件350整体可具有圆柱形形状，并且导向件350具有嵌入到套筒301中的第一部分351以及从第一部分351朝末端执行器的方向延伸的第二部分352，第二部分352包括彼此面对且沿着导向件350的外周设置的第一转动支撑部361和第二转动支撑部362，第一摆动件100和第二摆动件200通过中心转轴150可转动地设置在第一转动支撑部361和第二转动支撑部362上。

如图9所示，第一导向孔310、第二导向孔320和排烟孔330形成在第一转动支撑部361和第二转动支撑部362，排烟孔330形成在第一导向孔310、第二导向孔320之间。

然而，本发明不限于此，第一导向孔310、第二导向孔320和排烟孔330也可以采用其他布置形式。

根据本发明的另一方面，一种手术器械可包括：导杆300，导杆300内部设置有容纳腔；连接机构，连接机构设置在容纳腔中，连接机构的一端用于与外部单元连接；末端执行器，末端执行器与连接机构的另一端转动连接，导杆300内设置有使得末端执行器所在的一端与外部单元所在的一端相互连通的通孔。

导杆300可包括套筒301和导向件350，上述通孔可设置在导向件350中，通孔可包括彼此间隔设置或者至少部分连通的设置的导向孔310和320以及排烟孔330，从动机构地设置在所述导向孔中。

如上所述，上述通孔可设置在导杆300的末端。此外，外部单元可设有连通通道，连通通道可以与通孔310、320和330连通。

根据本发明的实施例，连接机构可以为从动机构或电连接件，外部单元可以为外部驱动单元或供电单元。在连接机构为外部驱动单元的情况下，可以分别对两个推拉杆进行的驱动，但并不一定采用分开的两个驱动结构来实现，在可能的实施方式中，外部驱动单元可设为一组，并且具有两个运动输出位置，可以分别对应连接至前述的第一推拉杆410的第二端和第二推拉杆510的第二端上。在连接机构为供电单元的情况下，手术器械为能量器械，供电单元通过电连接件给末端执行器如电钩供电。在此情况下，能量器械在工作时产生的烟雾，可通过通孔进行排烟。

根据本发明的实施例，设置在连接结构的另一端的末端执行器可以为根据上述实施例描述的末端执行器，在此省略其详细描述。

从动机构可包括第一驱动件400和第二驱动件500，第一驱动件400和第二驱动件500结构以及导杆300的结构与根据上述实施例的结构相同，在此省略其详细描述。

根据本发明的另一方面，还可提供一种手术机器人，手术机器人包括如上所述的手术器械。

根据本发明的实施例，可以提供一种能够增大末端执行器的工作范围的手术器械及具有该手术器械的机器人。

根据本发明的实施例，可以提供一种在摆动件摆动到极限角度时夹持力增大的手术器械及具有该手术器械的机器人。

根据本发明的实施例，可以提供一种设置有排烟孔以防止影响腔镜视野的手术器械及具有该手术器械的机器人。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

进一步而言，本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。