用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统，用于驱动手术工具的各自由度的每一个钢丝绳传动链路上均设置有钢丝绳张紧力检测装置，所述的钢丝绳张紧力检测装置用于采集驱动手术工具的各自由度的钢丝绳的张紧力。本发明的优点在于：能够从本质上消除驱动力对末端手术操作力的耦合影响。
【专利说明】用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种力感觉手术工具，特别涉及一种手术机器人用多自由度丝传动力感觉手术工具。
【背景技术】
[0002]机器人微创手术具有很多独特的优点，如较低的组织创伤、较高的手术操作质量、较短的康复时间、更加舒适的手术操作和更强的复杂手术适应能力。然而，现有的机器人微创手术最大的薄弱环节是丧失了力感觉功能。力感觉功能的丧失为手术操作带来很多不利因素，如潜在的安全性问题、使医生严重依赖于视觉反馈、延长手术操作时间并阻碍了微创手术机器人在复杂手术中的应用。
[0003]现有的微创手术机器人力感觉功能的实现面临诸多的技术困难，特别是工具整体尺寸、切入点摩擦力和手术消毒要求等方面的限制。因此，尽管研究者提出了多种力感觉实现方法，如US4573466专利公开一种运用激光检测手术工具杆上的操作力的力检测方法；US8281670公开一种运用电阻应变片在手术工具杆上进行力检测的力感觉方法；文献“Amultifunctional PVDF-based tactile sensor for minimally invasive surgery，，通过在手术工具前端钳体上安装PVDF传感器进行感觉，，力感觉技术仍然不能满足临床手术的苛刻要求。
[0004]在典型的微创手术机器人中，钢丝绳用于多自由度手术工具所有自由度的驱动。目前的力感觉技术为通过上述的力感觉方式在工具杆上或工具钳体上进行力检测，在工具杆上进行力感觉的方案不能检测手术工具开合力，在工具钳体上的力感觉方案实现难度大，可靠性差，设计制造成本 均较高，同时难以满足医疗器械生物相容性要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种能够避免手术工具外径尺寸带来的设计与制造的空间限制；另一方面能够使力传感元件更加地接近手术工具前端；同时该方法也能避免引入力传感元件后端的传动部件的摩擦和惯量，获得更高的力检测精度的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]本发明的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统，用于驱动手术工具的各自由度的每一个钢丝绳传动链路上均设置有钢丝绳张紧力检测装置，所述的钢丝绳张紧力检测装置用于采集驱动手术工具的各自由度的钢丝绳的张紧力。
[0008]本发明的优点在于:
[0009]1.本发明提供的力感觉方案中，所有的力传感器都安装在手术工具的传动盒中，易于实现手术工具的消毒和传感器设计与制造，同时，减低力感觉系统的成本。
[0010]2.本发明提供的力感觉方案直接检测传动钢丝绳的丝张紧力，能够从本质上消除驱动力对末端手术操作力的耦合影响。[0011]3.本发明提供的力感觉方案中，钢丝绳并不与手术工具杆内壁接触，避免了在丝张紧力传感器与手术工具腕部之间的摩擦力，电机、减速机和后部传动机构中的摩擦力和惯量，增加力感觉系统的精度和解析度。
[0012]4.与现有在手术工具杆上进行力检测的方法相比较，本发明提供的力感觉方案能够检测多自由度手术工具的手术操作力，特别是手术工具末端执行器的钳体夹持力。
[0013]5.本发明提供的力感觉方案中，丝张紧力传感器与其他电气元器件不需要和病人内部组织和血液接触，能够很方便地处理生物相容性和消毒方面的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统应用示意图；
[0015]图2是本发明的力感觉系统的一种实施方式中的传动盒部分结构示意图；
[0016]图3是本发明的力感觉系统的一种实施方式中的后部传感器安装模块示意图；
[0017]图4是本发明的力感觉系统的单自由度力检测原理图；
[0018]图5是本发明的力感觉系统的丝张紧力传感器结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
[0020]本发明的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统，用于驱动手术工具的各自由度的每一个钢丝绳传动链路上均设置有钢丝绳张紧力检测装置，所述的钢丝绳张紧力检测装置用于采集驱动手术工具 的各自由度的钢丝绳的张紧力。本系统的工作原理为:通过钢丝绳张紧力检测装置检测并最终推算出钢丝绳张紧力；根据检测到的各自由度钢丝绳张紧力能够实现施加于手术工具末端手术操作力的力感觉。
[0021]优选的所述的钢丝绳张紧力检测装置为丝张紧力传感器，用于驱动手术工具的各自由度的每一个钢丝绳传动链路均绕过对应设置的丝张紧力传感器上的滑轮的凹槽。所述的丝张紧力传感器可以为压电传感器、压阻传感器、光学传感器中的一种。
[0022]作为本发明的一种实施方式优选的所述的丝张紧力传感器包括底座，在所述的底座上安装有传感器弹性梁5-1，在所述的传感器弹性梁5-1顶部安装有转轴，在所述的转轴上套有轴承5-2，在所述的轴承外套有滑轮5-3，在所述的传感器弹性梁5-1侧壁上套有电阻应变片4-1。采用本丝张紧力传感器的优点是该力传感器通过钢丝折弯处的合力间接检测钢丝绳张紧力，钢丝运动对力检测的干扰较小，当然也可以采用其他的定制或商业传感器间接检测钢丝绳张紧力。
[0023]作为本发明的一种实施方式本系统的工作原理为:钢丝绳的张紧力会向丝张紧力传感器施加负载，造成传感器弹性梁5-1的微应变，该应变最终通过电阻应变片4-1检测并最终推算出钢丝绳张紧力；根据检测到的各自由度钢丝绳张紧力能够实现施加于手术工具末端手术操作力的力感觉。
[0024]下面结合CN200910306053.5专利公开的结构对本发明的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统加以详细说明:
[0025]如图1所示的本发明的应用整体示意图，多自由度丝传动手术工具由手术工具末端1-1，力感觉手术工具传动盒1-3与手术工具杆1-2三大部件组成，所述的手术工具末端1-1直接固联于所述的手术工具杆1-2的前端，所述的手术工具杆1-2后端固定安装于自转旋转轴2-2上。
[0026]下面对CN200910306053.5专利公开的结构的多自由度转动实现过程说明如下:
[0027]如图1所示，工具末端1-1具有四个自由度，分别是工具自转自由度R4，工具腕部俯仰自由度R5，工具上钳体偏转自由度R6，工具下钳体偏转自由度R7，工具自转自由度R4提供手术工具前端绕R4的轴线自转运动；所述的工具腕部俯仰自由度R5轴线垂直于工具自转自由度R4，提供手术工具前端绕R5轴线的角度偏转；所述的工具上钳体偏转自由度R6与工具下钳体偏转自由度R7同轴，同时垂直于工具腕部俯仰自由度R5，分别提供工具上钳体1-1-1与工具下钳体1-1-2绕R6轴线的角度偏转。
[0028]图2所示为力感觉手术工具传动盒1-3结构示意图，力感觉手术工具传动盒1-3以工具传动盒底座2-1为基座，工具传动盒底座2-1转动连接R4自由度驱动模块D4，R5自由度驱动模块D5，R6自由度驱动模块D6，R7自由度驱动模块D7与自转旋转轴2_2 ;所述的R4自由度驱动模块D4通过R4自由度驱动模块D4的上钢丝绳C4-2与R4自由度驱动模块D4的下钢丝绳C4-1牵拉驱动自转旋转轴2-2，实现工具自转自由度R4 ;所述的R5自由度驱动模块D5，R6自由度驱动模块D6与R7自由度驱动模块D7通过六根钢丝绳牵拉驱动工具腕部俯仰自由度R5，工具上钳体偏转自由度R6与工具下钳体偏转自由度R7。
[0029]在CN200910306053.5公开的结构中的各自由度的钢丝绳传动链路中加入丝张紧力传感器2-4检测钢丝绳驱动力。如:对于工具自转自由度R4，固定于工具传动盒底座2-1上的第二丝张紧力传感器2-4-2用于R4自由度驱动模块D4的上钢丝绳C4-2的驱动力检测，上钢丝绳C4-2绕过第二丝张紧力传感器2-4-2上的滑轮设置。固定于工具传动盒盖板1-3-1上的第一丝张紧力传感器2-4-1用于R4自由度驱动模块D4的下钢丝绳C4-1的驱动力检测，下钢丝绳C4-1绕过第一丝张紧力传感器2-4-1上的滑轮设置；工具腕部俯仰自由度R5，工具上钳体偏转自由度R6与工具下钳体偏转自由度R7涉及的六根钢丝绳的丝张紧力传感器固定安装于后部传感器安装模块2-3中，以工具下钳体偏转自由度R7为例，其涉及的R7自由度驱动模块D7的上钢丝绳C7-1与R7自由度驱动模块D7的下钢丝绳C7-2分别绕过后部传感器安装模块2-3中的两个丝张紧力传感器2-4，之后向右延伸穿过中空的自转旋转轴2-2和手术工具杆1-2，驱动工具下钳体偏转自由度R7。
[0030]图3所示为后部传感器安装模块结构示意图，后部传感器安装模块2-3以传感器模块底座3-1为基座，向上固定安装三个丝张紧力传感器2-4 ;后部传感器安装模块2-3上的基座螺孔3-1-1用于后部传感器安装模块2-3与工具传动盒底座2-1的连接；后部传感器安装模块2-3以其顶端的传感器模块顶盖3-2为基座，向下固定安装三个丝张紧力传感器2-4，传感器模块顶盖3-2上的顶盖螺孔3-2-1用于传感器模块顶盖3-2与传感器模块底座3-1的固定连接。
[0031]图4描述本发明的单自由度力检测原理。如图所示，以工具上钳体偏转自由度R6为例，R6自由度驱动模块D6通过两根钢丝绳C6-1与C6-2驱动工具上钳体偏转自由度R6，两根钢丝绳的传动链路上分别设置有两个丝张紧力传感器2-4 ;丝张紧力传感器2-4上布置有电阻应变片4-1，手术工具运动过程中，钢丝绳C6-1与C6-2的张紧力会向丝张紧力传感器2-4施加负载，造成传感器弹性梁5-1的微应变，该应变最终通过电阻应变片4-1检测并最终推算出钢丝绳张紧力；根据检测到的各自由度钢丝绳张紧力能够实现施加于手术工具末端手术操作力的力感觉。
[0032]图5所示为丝张紧力传感器结构示意图。丝张紧力传感器2-4以传感器弹性梁5-1为基座，顶端通过轴承5-2转动连接滑轮5-3，滑轮5-3外圆周上开设有凹槽用于对缠绕于其上的钢丝绳进行导向；传感器弹性梁5-1底部设置有传感器螺孔5-1-1用于传感器弹性梁5-1与后部传感器安装模块2-3的连接与拆卸。
【权利要求】
1.用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统，其特征在于:用于驱动手术工具的各自由度的每一个钢丝绳传动链路上均设置有钢丝绳张紧力检测装置，所述的钢丝绳张紧力检测装置用于采集驱动手术工具的各自由度的钢丝绳的张紧力。
2.根据权利要求1所述的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统，其特征在于:所述的钢丝绳张紧力检测装置为丝张紧力传感器，用于驱动手术工具的各自由度的每一个钢丝绳传动链路均绕过对应设置的丝张紧力传感器上的滑轮的凹槽。
3.根据权利要求2所述的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统，其特征在于:所述的丝张紧力传感器为压电传感器、压阻传感器、光学传感器中的一种。
4.根据权利要求2所述的用于多自由度丝传动手术工具的力感觉系统，其特征在于:所述的丝张紧力传感器包括底座，在所述的底座上安装有传感器弹性梁，在所述的传感器弹性梁顶部安装有转轴，在所述的转轴上套有轴承，在所述的轴承外套有滑轮，在所述的传感器弹性梁侧壁上套有电阻应变片。
【文档编号】A61B19/00GK103462694SQ201310404144
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】王树新, 何超, 桑宏强, 苏赫, 师云雷 申请人:天津大学