一种用于连续体手术机器人的主操作手及手术机器人的制作方法

本发明涉及微创手术机器人领域，尤其是一种用于连续体手术机器人的主操作手及手术机器人。

背景技术：

微创手术机器人技术是一个新型医工多学科交叉研究领域，在临床医学的基础上，加入了信息科学，机器人，材料学，医学工程和微电子等方面的技术，使得医疗手术趋向于信息数字化、器械轻型化、设备智能化。机器人技术在微创外科领域的应用，使手术的安全可靠性更高，手术器械操作更灵活，最主要的是能够解决医生在进行长时间手术时产生的疲劳问题，现有微创手术机器人系统多为主从式机器人，主手做为连接操作者与手术执行器的中间桥梁，主手性能对于手术的质量具有重要的影响。

当前商业应用较为成熟的主手是由美国sensable公司研制的串联型主手和由瑞士forcedimension公司在delta并联机构原理上研发的并联主手。sensable公司的产品主要有phantomdesktop、phantomomni和phantompremium等多个系列，phantomdesktop系列设备设计结构紧凑，尺寸体积都比较适中，安装使用方便，但是仅能提供3个自由度的力反馈。forcedimension公司研发的delta、sigma和omega系列并联主手是目前最成功的并联型力反馈主手，其中sigma.7综合性能最好、刚度大、稳定性特别好，能够提供7自由度的精确力反馈，自身重力平衡十分精确，但是结构控制复杂，且运动耦合性高，造价非常昂贵。

国内主手研发开始较晚，较为有代表性的为天津大学“妙手a”手术机器人系统中使用的主手，该主手实现了力反馈功能且能实现位姿解耦和自重平衡。此外哈尔滨工业大学研制的串并混联型力反馈主手，东南大学开发的hco1通用型主手控制器都为我国主手的研发做出了较大贡献。但是发明人发现，当前国内外的主手研发多应用于刚性杆手术机器人，没有针对连续体手术机器人研发的专用主手，现有的主手应用于手术机器人遥操作属于主从异构的方式，不能实现自由度的直接映射，应用于连续体手术机器人时不能完全满足控制需要，存在主从手映射困难、手术灵活性受限的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种用于连续体手术机器人的主操作手，能够满足连续体手术机器人的控制需要。

本发明的第二目的是提供一种手术机器人，控制器能够通过主操作手的动作，来控制手术从手的动作，有利于提高控制精度，有利于提高手术质量。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种用于连续体手术机器人的力反馈主操作手，包括：

基座；

水平偏转机构，包括基座盖，基座盖能够相对于基座实现转动；

垂直偏转机构，包括顶板，顶板通过支臂支撑于基座盖，且顶板相对于支臂能够实现转动；

进给机构，包括伸缩杆，伸缩杆穿过顶板设置，伸缩杆与升降件连接；

数据采集机构，用于获取水平偏转机、垂直偏转机构和进给机构中至少一个的位置变化，并校准各个机构的原点；

手持机构，手持机构与伸缩杆连接以进行操纵。

上述的主操作手，使用者握持手持机构，通过伸缩杆运动，带动垂直偏转机构、水平偏转机构和数据采集机构的运动，提供多个自由度，符合医生固定的手术习惯，能有利于提高手术质量，降低医生劳动强度，通过数据采集机构的设置有利于主操作手与手术从手的直接映射，能够实时反馈主操作手的状态，进而反应手术从手与组织的交互作用力，满足连续体手术机器人的控制需求。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，为了实现数据的全方位采集，所述数据采集机构包括设于所述水平偏转机构的第一检测件、设于垂直偏转机构的第二检测件和设于进给机构的第三检测件。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，还包括腕部旋转机构，腕部旋转机构包括无框动力源，所述的伸缩杆穿过无框动力源设置，无框动力源内置第四编码器以实现腕部旋转角度数据的获取，无框动力源选用无框电机，无框电机提供重力平衡力矩和力反馈力矩，无框电机的设置简化了传动结构，减小了传动误差；

在所述顶板设置第四接近开关，无框动力源顶端设置第四凸起以校准腕部旋转机构的原点，通过第四编码器能准确反馈主操作手腕部的角度，并通过第四接近开关有利于实现位姿自动校准，第四凸起能够位于第四接近开关的上方，第四编码器和第四接近开关构成第四检测件，第四检测件同样为数据采集机构的一部分。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，所述进给机构还包括多根导杆，多根导杆相互平行设置，导杆的一端与所述顶板连接，另一端为自由端，导杆支撑第三传动机构，所述升降件包括滑块，滑块穿过第三传动机构中的传送件和部分导杆设置，以通过伸缩杆的升降运动带动滑块的运动，滑块沿着导杆运动，实现主操作手的进给运动，通过导杆的设置，便于滑块沿着导杆运动，而且通过导杆便于对第三传动机构的支撑。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，所述第三传动机构与第三动力源连接，所述第三检测件包括设于第三动力源的第三编码器，和通过所述导杆支撑的用于校准所述升降件原点的第三接近开关，并通过滑块的设置不仅便于带动第三动力源的动作，从而实现第三编码器数据的获取，同时有利于进给机构原点的校准。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，所述第三传动机构包括第一传动轮和第二传动轮，第一传动轮和第二传动轮均通过所述导杆进行支撑，且所述第三动力源与第三传动机构中的第三传动轮连接，通过三个传动轮的设置，便于滑块穿过第三传动机构中的第三同步带，也便于第三动力源的安装。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，所述基座盖通过第一传动机构与第一动力源连接，所述第一检测件包括设于第一动力源的第一编码器，和用于校准基座盖相对于所述基座原点的第一接近开关，基座盖设置用于同第一接近开关配合的第一凸起，第一接近开关通过检测基座盖第一凸起的位置，来校准基座的原点。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，所述支臂通过转动轴与所述顶板的侧部连接，转动轴通过第二传动机构与第二动力源连接，所述第二检测件包括设于第二动力源的第二编码器，和用于校准顶板相对于所述顶板原点的第二接近开关，在其中一支臂的转动轴处设置垂直校准器，以与第二接近开关配合校准顶板的原点。

其中，第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构均为同步带传动机构。

如上所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，所述手持机构包括壳体，壳体夹持所述的伸缩杆，壳体一侧设置握把，握把一端与安装于壳体内部的第五传动机构连接，第五传动机构与第五动力源连接，握把另一端露出于壳体；壳体包括连接的两段，两段之间的角度为钝角，握把设于壳体两段之间，握把与壳体两段的夹角均为锐角，为了保证壳体内部结构设置的紧凑性，第五传动机构为锥齿轮传动机构，且第五动力源可提供重力平衡力矩和力反馈力矩；

所述数据采集机构还包括设于第五动力源的第五编码器，和设于壳体内侧用于校准握把原点的第五接近开关，第五编码器和第五接近开关构成第五检测件，第五检测件同样为数据采集机构的一部分。

上述的各个动力源均为电机，电机通过力矩控制可克服重力，使得使用者操作主操作手时候是零力拖动，在主操作手与手术从手进行工作过程中，电机提供力矩可模仿从手受到的阻力即提供手术操作的力反馈，提高手术的沉浸感，同时有利于提高手术的安全性，电机配合相应传动机构的设置，同时能保证传动精确，运行平稳。

第二发明，本发明还提供了一种手术机器人，包括手术从手、控制器和所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，数据采集机构与控制器连接，主操作手中数据采集机构采集水平偏转机构、垂直偏转机构和进给机构的位置变化信息，当然还包括腕部旋转机构的角度变化信息，并传送至控制器，控制器控制手术从手进行动作，这样主操作手处相当于放大手术从手的运动，手术精度得到提高。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过力反馈主操作手的设置，提供多自由度的力反馈，整体结构设置相对简单，符合使用者的手术姿态，满足于连续体手术机器人的关节控制对应关系，具有较大的操作空间，大大降低了由于长时间手持器械而发生的抖动，从而提高手术操作的稳定性，提升手术质量；并通过数据采集机构的设置，能够在手术过程中实时反馈手术工具与组织的交互作用力。

2)本发明通过各个编码器和接近开关的设置，能够准确反馈主操作手的各个关节角度，且有利于在系统开机时实现位姿自动校准，使得主操作手进入最佳的操作角度。

3)本发明通过伸缩杆的设置，不仅有利于主操作手实现升降运动，也有利于实现主操作手腕部的运动，并通过无框电机的设置，简化了传动结构，减小了传动误差。

4)本发明通过手持部件的设置，不仅便于使用者的握持，而且对应手术钳或手术剪的开合，符合医生的手术握持习惯。

5)本发明通过手术机器人的设置，能够通过对主操作手的控制，来实现对手术从手的控制，控制精度高，实现远距离操作，充分降低医务人员的劳动强度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种用于连续体手术机器人的主操作手的示意图一。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种用于连续体手术机器人的主操作手的示意图二。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的第一壳体内部示意图。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的第二壳体示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.地脚、2.第一同步带轮、3.第一传动轮、4.第一同步带、5.基座、6.电机固定架、7.第一电机、8.右支臂、9.第一编码器、10.第二编码器、11.第二电机、12.右转动轴、13.右支撑、14.顶板、15.第二同步带轮、16.第二同步带、17基座盖、18.左支臂、19.第三接近开关、20.接近开关固定板、21.导向轮支架、22.第一导向轮、23.滑块、24.导杆、25.同步带压片、26.第三同步带、27.左转动轴、28.左支撑、29.第二导向轮、30.第三导向轮、31.平移电机支架、32.第三电机、33.平移电机固定架、34.伸缩杆、35.第三编码器、36第一接近开关、37.夹持机构、38.第二接近开关、39.垂直偏转器、40.第四接近开关、41.无框电机顶板、42.无框电机、43.第二传动轮、44.导向轮前轴、45、导向轮后轴、46.无框电机盖、37-1.第一壳体、37-2.握把、37-3.第五电机、37-4.握把轴、37-5.第二壳体、37-6.第五接近开关、37-7.第五编码器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中现有主手不能满足连续体手术机器人控制需求的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于连续体手术机器人的主操作手及手术机器人。

本发明的一种典型的实施方式中，一种用于连续体手术机器人的主操作手，包括基座、水平偏转机构、垂直偏转机构、进给机构、腕部旋转机构和手持机构，六个部分共有五个自由度，每个关节均由电机驱动，皆为主动关节且可提供力反馈。

基座5为平板，通过多个地脚1进行支撑，基座5上方布置有能够相对于基座5转动的水平偏转机构，水平偏转机构包括能够实现水平面内转动的基座盖17，基座盖17上表面通过两侧支臂支撑垂直偏转机构，垂直偏转机构包括顶板14，顶板14能够相对于两侧的支臂实现翻转，进给机构通过顶板14进行设置，穿过顶板14设置伸缩杆34，伸缩杆34带动滑块23实现升降运动，腕部旋转机构包括无框电机42，伸缩杆34穿过无框电机14设置，伸缩杆34转动，带动无框电机42转动，实现相应编码器数据的获取，而且伸缩杆34与手持机构连接，通过手持机构实现使用者手的握持。

参考图1和图2来说明水平偏转机构的工作原理，基座盖17下表面固定有轴，轴穿过基座5设置，在外力作用下，基座盖17相对于基座5实现转动，基座盖17的轴通过第一传动机构与第一电机连接，具体地，第一传动机构为同步带传动机构，当然，也可以是其他的传动机构，水平偏转机构通过第一编码器测量主操作手偏转的角度。

本实施例中，第一电机7通过电机固定架6固定于基座5，第一传动轮3固定于第一电机7的轴上，第一传动轮3与第一同步带轮2之间通过第一同步带4传递动力，第一同步带轮2固定于基座盖17下端的轴上，主操作手绕基座盖的轴水平转动时，第一电机7通过基座盖17提供力反馈。第一编码器9安装于第一电机7的尾部，主操作手发生水平偏转时，通过第一编码器9测量主操作手偏转的角度；第一接近开关36安装于基座5设于基座盖17的侧部，基座盖17设置用于同第一接近开关36配合的第一凸起，第一接近开关36通过检测基座盖17第一凸起的位置，从而校准水平偏转的原点。

在一些实施例中，基座盖17为圆形或其他形状。

参考图1和图2来说明垂直偏转机构的工作原理，支臂包括左支臂18和右支臂8，两支臂间隔设定距离设置，垂直偏转机构中顶板14下表面的一侧通过左支撑28与左支臂18活动连接，另一侧通过右支撑13支撑于右支臂8，左支臂18顶端固定有与左支撑28连接的左转动轴27，右支臂8顶端固定有与右支撑连接的右转动轴12，左转动轴27或右转动轴12的其中一个与第二传动机构连接，第二传动机构与第二电机连接，在本实施例中，第二传动机构同样为同步带传动机构。

具体地，左支臂18、右支臂8通过螺钉紧固在基座盖17上表面，第二电机11通过电机固定架固定于右支臂8，第二传动轮43固定于第二电机11的轴上，第二电机11设于右支臂8的一侧，第二传动轮43设于右支臂8的另一侧，第二同步带轮15固定于右转动轴12上，第二传动轮43与第二同步带轮15之间通过第二同步带16传递动力；左转动轴27、右转动轴12分别通过螺钉与左支撑28、右支撑13连接，顶板14通过螺钉螺母与左支撑28、右支撑13分别单独连接。

第二接近开关38通过螺纹安装于两侧支臂内侧，具体安装于左支臂18内侧，垂直偏转器39通过螺钉安装于左转动轴27的轴上，通过第二接近开关38与垂直偏转器39可以进行垂直偏转角度的零点校准。第二编码器10安装于第二电机11的尾部，外力操作顶板相对于支臂实现偏转时，第二同步带带动第二电机动作，通过第二编码器10可以测量主操作手的垂直偏转角度。

容易理解，在一些示例中，垂直偏转器39为矩形块，能够设于第三接近开关38的上方。

参考图1和图2说明进给机构的工作原理，进给机构通过滑块23的移动，通过第三传动机构带动第三电机的运动，第三传动机构同样为同步带传动机构，同步带传动机构通过导向轮支架支撑固定，通过第三编码器实现前后进给的位移的获取。

具体地，进给机构包括多根导杆，本实施例中，导杆共有4根，四根导杆24通过螺纹螺母紧固于顶板14，四个导向轮支架21分上下两排固定到导杆24，每个导向轮支架开有两个孔用于导杆24的穿过，导向轮支架21通过螺母安装于导杆24，沿着导杆轴线方向，上侧的两个导向轮支架21通过导向轮后轴45连接，下侧的两个导向轮支架21通过导向轮前轴44连接，第一导向轮22固定于导向轮前轴44，第二导向轮29固定于导向轮后轴45；第三电机32通过平移电机支架31与平移电机固定架33固定，平移电机固定架33通过螺钉固定于顶板14，第三导向轮30固定于第三电机32轴上，第二导向轮22、第二导向轮29与第三导向轮30之间通过第三同步带26传递动力。

当然，在一些示例中，导杆的数量也可以是其他偶数或者其他奇数，滑块可移动固定于部分导杆，由伸缩杆带动滑块沿着导杆运动，由其他的导杆支撑第三传动机构。

滑块23可为任一形状，且滑块23穿过第三同步带26设置，且滑块23开有两个孔用于穿过导杆24，滑块通过同步带压片25与第三同步带26紧固，同步带压片25穿过滑块23的侧部设置，实现将滑块23压牢于第三同步带26，滑块23可沿着导杆24滑动，并带动第三同步带26运动，滑块23与伸缩杆34连接，伸缩杆34穿过无框电机42和无框电机盖41与手持机构相连。第三编码器35安装于第三电机32的尾部，通过第三电机旋转角度变化得出伸缩杆进给的位移变化。下侧的两个导向轮支架21设置接近开关固定板20，第三接近开关19通过螺纹固定于接近开关固定板20，第一接近开关19通过检测滑块23校准前后进给原点。

参考图1和图2来说明腕部旋转机构的工作原理，无框电机顶部设置无框电机盖41，无框电机底部通过螺钉固定于顶板14，无框电机顶板41通过螺钉与无框电机盖46固定，无框电机顶板41与无框电机盖46随伸缩杆34转动而转动，无框电机内部集成编码器，可以检测腕部旋转角度。第四接近开关40通过螺纹连接安装于顶板14，设于无框电机42的侧部，且无框电机顶板41的侧部设置第四凸起，第四凸起能够位于第四接近开关40的上方，通过第四凸起用于与第四接近开关40的配合，通过检测无框电机顶板41可以校准腕部旋转原点。

参考图3、图4说明手持机构的工作原理，手持机构包括壳体和握把，握把与握把轴连接，握把轴由第五电机带动能够实现转动，壳体的一端与伸缩杆34固定连接，具体地，壳体呈枪型，壳体整体包括连接为一体的两段，两段呈钝角布置，为了方便安装和拆卸，壳体包括第二壳体37-5和第一壳体37-1，第一壳体和第二壳体的形状一致，第二壳体和第一壳体通过螺钉紧固，第五电机37-3固定在第一壳体37-1的电机固定座上，第五传动机构为锥齿轮传动机构，第一锥齿轮固定于第四电机37-3的轴上并与握把轴37-4的第二锥齿轮相啮合，握把37-2通过螺钉与握把轴37-4紧固。第五编码器37-7安装在第五电机37-3的尾部，通过检测第五电机转动角度检测握把开合角；第五接近开关37-6通过螺纹安装于第一壳体37-1内侧设于握把的一侧，通过检测握把37-2可以校准握把37-2张开角原点。

在另一实施例中，还提供了一种手术机器人，包括手术从手、控制器和所述的一种用于连续体手术机器人的主操作手，数据采集机构、手术从手分别与控制器连接，主操作手中数据采集机构采集水平偏转机构、垂直偏转机构、进给机构的位置变化信息，并传送至控制器，控制器控制手术从手进行动作。

在使用时，使用者手持机构的壳体，通过使用者的自身情况，调整握把相对于第五电机的夹角，再由使用者转动手腕，实现无框电机的转动，使用者使用外力，实现第一电机的转动，并通过操作手持机构带动伸缩杆的前进后退，实现第三电机的转动，在各个电机转动过程中，相应编码器获取数据，相应的接近开关获取数据，并由编码器、接近开关将数据传送给控制器，控制器可为工控机，由控制器通过各个数据的获取，可无线或者有线控制手术从手进行操作，实现远距离的操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。