输入设备和手术机器人的制作方法

文档序号:26139749发布日期:2021-08-03 14:23阅读:75来源:国知局
输入设备和手术机器人的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域,具体而言涉及一种输入设备和手术机器人。



背景技术:

医疗手术机器人大多采用主从控制结构,医生操作诸如输入设备的主操作手,通过远程通信和计算机控制诸如末端执行机构的从手的运动。例如,医生通过输入设备的夹爪的开合来控制末端执行机构,比如钳子、剪刀、夹子等。

已知的输入设备的转动单元的旋转角度的测量,通常将转动单元的旋转通过锥齿轮进行转换,然后通过编码器测量该锥齿轮的角度。由于锥齿轮之间存在间隙,导致编码器检测的角度于实际的转动单元的旋转角度之间存在一定差异,也会出现检测角度不准确的情况。

此外,输入设备的开合装置的开合角度作为控制的重要输入参数,因此其测量的精度及稳定性极其重要。已知的开合装置的角度检测方法,通常是在某一部分设置有霍尔感应芯片,在另一部分设置有磁性元件(例如,转动支架设置有霍尔感应芯片,开合装置设置有磁性元件),通过其中一部分带动磁性元件做运动,从而引起霍尔感应芯片处磁场强度发生变化。然而,由于磁性元件与霍尔感应芯片之间的距离并不是线性变化,导致磁场强度的变化也不是线性的,因此无法直接映射出转动角度,需要利用其它传感器做角度标定。

为此,本发明提供了一种输入设备和手术机器人,以至少部分地解决现有技术中的问题。



技术实现要素:

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征,更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决上述问题,根据本发明的第一个方面,公开了一种输入设备,其包括:

固定基座;

转动支架,所述转动支架相对于所述固定基座绕第一中心轴线可转动;

开合装置,所述开合装置设置于所述转动支架,并且相对于所述转动支架可弹性开合;

连接件,所述连接件与开合装置连接,并且能够随着所述开合装置的开合动作沿沿平行于所述第一中心轴线的方向移动;

磁性元件,所述磁性元件设置于所述转动支架或所述连接件;以及

至少一个第一检测器件,所述第一检测器件设置于所述固定基座,所述第一检测器件可检测所述磁性元件的磁场方向。

根据本发明的输入设备,磁性元件设置于转动支架或连接件,连接件经由开合装置间接地连接至转动支架,因此磁性元件能够随着转动支架的转动而转动,以能够改变第一检测器件和磁性元件之间的位置关系,使得磁性元件的磁场相对于第一检测器件发生偏转,第一检测器件能够检测到磁场方向的变化,通过数据运算后能够获知转动支架的转动角度,因此无需利用其它传感器做角度标定即可实现转动支架的旋转角度的检测。

可选地,所述开合装置包括第一夹爪和第二夹爪,所述第一夹爪和所述第二夹爪分别可枢转地设置于所述转动支架。

可选地,所述第一夹爪和所述第二夹爪相对地设置在所述转动支架的两侧,所述第一夹爪和所述第二夹爪联动设置,并且/或者

所述连接件的一端分别可枢转地连接至所述第一夹爪和所述第二夹爪,所述磁性元件设置在所述连接件的远离所述第一夹爪和所述第二夹爪的一端。

可选地,所述输入设备还包括第一销轴和平行于所述第一销轴的第二销轴,所述第一销轴将所述第一夹爪的一端可枢转地连接至所述转动支架,所述第二销轴将所述第二夹爪的一端可枢转地连接至所述转动支架。

可选地,所述转动单元还包括第一连杆和第二连杆,所述第一连杆的两端分别可枢转地连接至所述第一夹爪和所述连接件,所述第二连杆的两端分别可枢转地连接至所述第二夹爪和所述连接件。

可选地,所述输入设备还包括相互平行的第三销轴、第四销轴和第五销轴,所述第三销轴将所述第一连杆的所述一端可枢转地连接至所述第一夹爪,所述第四销轴将所述第二连杆的所述一端可枢转地连接至所述第二夹爪,所述第五销轴将所述第一连杆的另一端和所述第二连杆的另一端分别可枢转地连接至所述连接件。

可选地,所述第三销轴平行于所述第一销轴,并且/或者

所述第三销轴的中心轴线垂直于所述第一中心轴线。

可选地,所述第一检测器件沿平行于所述第一中心轴线的方向与所述磁性元件间隔开,并且/或者

所述第一检测器件和所述磁性元件设置在与所述第一中心轴线平行的同一直线上。

可选地,所述输入设备还包括至少一个第二检测器件,所述第二检测器件设置于所述固定基座,所述第二检测器件可检测磁性元件的磁场强度。

可选地,所述输入设备包括两个第二检测器件,

其中,两个所述第二检测器件沿平行于所述第一中心轴线的方向与所述磁性元件间隔开,并且/或者

所述输入设备包括一个所述第一检测器件,所述第一检测器件和所述第二检测器件设置在与所述第一中心轴线垂直的同一平面上,两个所述第二检测器件设置在所述第一检测器件的两侧。

可选地,所述固定基座和/或所述转动支架设置有导向孔,所述导向孔沿平行于所述第一中心轴线的方向延伸,所述连接件可活动地穿过所述导向孔。

可选地,所述导向孔包括设置于所述固定基座的第一导向孔和设置于所述转动支架的第二导向孔,所述第一导向孔和所述第二导向孔的中心轴线重合。

根据本发明的第二发明目的,公开了一种输入设备,包括:

固定基座;以及

转动支架,所述转动支架相对于所述固定基座绕第一中心轴线可转动;

开合装置,所述开合装置设置于所述转动支架,并且相对于所述转动支架可弹性开合;

连接件,所述连接件与开合装置连接,并且能够随着所述开合装置的开合动作沿平行于所述第一中心轴线的方向移动;

磁性元件,所述磁性元件设置于所述连接件;以及

至少一个第二检测器件,所述第二检测器件设置于所述固定基座,所述第二检测器件可检测所述磁性元件的磁场强度。

根据本发明的输入设备,磁性元件设置于连接件,连接件能够随着开合装置的开合动作而移动,因此磁性元件的位置能够随着开合装置的开合动作而发生改变,从而能够改变第二检测器件和磁性元件和之间的位置关系,使得第二检测器件能够检测到磁场强度的变化,通过数据运算后能够获知开合装置的开合角度,因此无需利用其它传感器做角度标定即可实现开合装置的开合角度的测量。

可选地,所述输入设备包括两个所述第二检测器件,两个所述第二检测器件沿平行于所述第一中心轴线的方向与所述磁性元件间隔开。

根据本发明的第三发明,公开了一种手术机器人,其包括根据上述第一方面或者第二方面中任一项所述的输入设备。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述,用来解释本发明的原理。

附图中:

图1为根据本发明的一个优选实施方式的手术机器人的输入设备的立体示意图,其中第一夹爪和第二夹爪位于最大开合角度;

图2为图1中的输入设备的立体分解示意图;

图3为图1中的输入设备的另一个立体分解示意图;

图4为图1中的输入设备的剖视示意图,其中第一夹爪和第二夹爪位于最大开合角度;

图5为图1中的输入设备的另一个剖视示意图,其中第一夹爪和第二夹爪位于最小开合角度;

图6为图2中的输入设备的固定单元的局部结构示意图,其中示出了感应板卡、第一检测器件和第二检测器件。

附图标记说明:

100:输入设备110:固定基座

112:感应板卡113:信号处理板卡

114:第一检测器件115:第二检测器件

116:第一导向孔120:转动支架

121:开合装置122:第一夹爪

123:第二夹爪124:连接件

125:第二导向孔126:第一安装孔

127:第二安装孔128:第一连接孔

129:第二连接孔131:第一销轴

132:第二销轴133:第三销轴

134:第四销轴135:第五销轴

136:第三安装孔137:第四安装孔

138:第三连接孔139:第四连接孔

140:磁性元件141:第五安装孔

142:第五连接孔143:第六连接孔

150:第一连杆160:第二连杆

具体实施方式

在下文的描述中,给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而,对于本领域技术人员来说显而易见的是,本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中,为了避免与本发明实施方式发生混淆,对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式,将在下列的描述中提出详细的结构。显然,本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。需要说明的是,本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识,而不具有任何其他含义,例如特定的顺序等。而且,例如,术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在,术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。本发明中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并非限制。

本发明提供了一种输入设备100和手术机器人。手术机器人包括输入设备100,可以通过医生操作输入设备100经由远程通信和计算机来控制末端执行机构,末端执行机构可以为钳子、剪刀、夹子等。对于手术机器人的其他结构为本领域技术,在此不再进行详细的说明。

下面将结合图1至图6对本发明的输入设备100进行详细的说明。

如图1至图6所示,输入设备100主要包括固定基座110、转动支架120、开合装置121、连接件124、磁性元件140、至少一个第一检测器件114、至少一个第二检测器件115、感应板卡112和信号处理板卡113。

固定基座110用于将输入设备100固定在桌面上或者其他结构上,并且用于安装驱动电机(未示出)。转动支架120设置于固定基座110,并且相对于固定基座110绕第一中心轴线可转动。例如,第一中心轴线可以为转动支架的120的中心轴线。

开合装置121设置于转动支架120,并且相对于转动支架120可弹性开合。连接件124与开合装置121连接,并且能够随着开合装置121的开合动作沿平行于第一中心轴线的方向移动。图6所示,感应板卡112和信号处理板卡113分别安装至固定基座110。第一检测器件114和第二检测器件115分别安装至感应板卡112,信号处理板卡113用于接收和处理感应板卡112(例如,第一检测器件114和第二检测器件115)传递的信息数据。

第一检测器件114可检测磁性元件的磁场方向,例如第一检测元件114能够基于与磁性元件140磁场的偏转的变化而检测转动支架120的转动角度。第二检测器件115可检测磁性元件140的磁场强度,例如第二检测器件115能够基于与磁性元件140距离远近的变化而检测开合装置121的开合角度。具体地,磁性元件140可以为磁铁。在一些实施例中,磁性元件也可以是具有磁性的合金。在一个优选实施例中,第一检测器件114与磁性元件140位于与第一中心轴线平行的同一直线上。

在本实施方式中,如图4和图5所示,磁性元件140设置于连接件124,因此能够随着开合装置121的开合动作与连接件124一起沿平行于第一中心轴线的方向移动,以改变磁性元件140与第二检测器件115之间的距离,测得开合装置121的开合角度,而进一步磁性元件140还能够随着转动支架120的转动,以改变磁性元件140与第一检测器件114的相对偏转角度,使得第一检测器件114以测得磁性元件140的磁场偏转角度而测得开合装置121的转动角度。在本实施例中,仅使用一个磁性元件140,可以检测得开合装置121的开合角度和转动角度,减少了检测器件(例如,传感器件)的设置数量。同时,第一检测器件114和第二检测器件115设置于同一信号处理板卡113上,减少了线路连接的数量,且可放在同一套编码系统进行处理。

如图1至图5所示,开合装置121包括第一夹爪122和第二夹爪123,第一夹爪122和第二夹爪123分别可枢转地连接至转动支架120,并且第一夹爪122和第二夹爪123可以经由一对直齿轮联动地设置,使得第一夹爪122和第二夹爪123同步枢转。第一夹爪122的一端可枢转地设置在转动支架120的一侧。第二夹爪123的一端可枢转地设置在转动支架120的与第一夹爪122相对的另一侧。第一夹爪122和第二夹爪123能够在靠近转动支架120的最小开合角度和远离转动支架120的最大开合角度之间切换。在本实施方式中,第一夹爪122和第二夹爪123相对于第一中心轴线对称地设置。本领域技术人员可以理解,第一夹爪122和第二夹爪123的设置位置不限于本实施方式。

在一些实施方式中,磁性元件可以直接设置于转动支架或者经由中间连接件间接地设置于转动支架(未示出),以能够随着转动支架的转动而转动,从而能够改变磁性元件转动角度,使得第一检测器件能够检测转动支架的转动角度。

在本实施方式中,连接件124的一端用于分别与第一夹爪122和第二夹爪123枢转连接,并且连接件124能够绕其中心轴线转动。如图2至图4所示,磁性元件140设置在连接件124的远离第一夹爪122和第二夹爪123的一端。磁性元件140沿平行于第一中心轴线的方向分别与第一检测器件114和第二检测器件115间隔开一段距离,以避免连接件124沿平行于第一中心轴线的方向移动时磁性元件140与第一检测器件114和第二检测器件115发生干涉,并且避免磁性元件140与第一检测器件114和第二检测器件115的距离过近而影响第一检测器件114和第二检测器件115的检测(例如,影响检测精度)。

如图3和图6所示,在本实施方式中,输入设备100包括一个第一检测器件114和两个第二检测器件115。优选地,第一检测器件114沿着第一中心轴线与磁性元件140的位置相对应。第一检测器件114和该两个第二检测器件115设置在与第一中心轴线垂直的同一平面上,该两个第二检测器件115沿竖直方向设置在第一检测器件114的两侧。第一检测器件114和第二检测器件115可以为霍尔感应芯片。可以理解,第一检测器件114和第二检测器件115的位置关系不限于本实施方式。根据需要,该两个第二检测器件115还可以沿水平方向设置在第一检测器件114的两侧,或者可以设置在任何其他合适的位置处。

第二检测器件115在检测时,其检测的磁场强度并不随着与磁性元件的距离的变化呈线性变化,但是在一定的范围区间内,可以近似为线性变化。在本实施例中,均以检测到位于该范围区间内的磁场强度作为有效依据,以运算或匹配处于该磁场强度时第一夹爪122和第二夹爪123的开合角度。此外,由于第一检测器件114和第二检测器件115合并在一套编码器系统中,可以简化检测方案,并且简化输入设备100的结构,降低走线的难度,增加整个输入设备100的可靠性。

固定基座111和/或转动支架120设置有导向孔,导向孔沿平行于第一中心轴线的方向延伸。连接件124可活动地穿过导向孔,例如,连接件124能够沿着导向孔的长度方向移动。连接件124可以构造为轴状、杆状、长条状或者任何合适的形状。如图2至图5所示,导向孔包括设置于固定基座111的第一导向孔116和设置于转动支架120的第二导向孔125。第一导向孔116和第二导向孔125均构造为圆形通孔,并且第一导向孔116和第二导向孔125的中心轴线重合。优选地,第一导向孔116和第二导向孔125的中心轴线与第一中心轴线重合。

输入设备100还包括弹性元件(未示出),弹性元件的相对的两端分别连接至第一夹爪122和第二夹爪123,以向第一夹爪122和第二夹爪123施加张开趋势的推力,使得第一夹爪122和第二夹爪123在没有受到外力的情况下能够保持在最大打开位置,即最大开合角度。弹性元件可以为压缩弹簧。在一些实施例中,弹性元件可以为弹片或其他具有形变功能的连接件。

如图1至图5所示,输入设备100还包括第一销轴131和平行于第一销轴131的第二销轴132,第一销轴131垂直于第一中心轴线。第一销轴131将第一夹爪122的一端可枢转地连接至转动支架120,第二销轴132将第二夹爪123的一端可转动地连接至转动支架120。

具体地,转动支架120上设置有第一安装孔126和第二安装孔127,第一夹爪122上对应地设置有第一连接孔128,第二夹爪123上对应地设置有第二连接孔129。第一安装孔126、第二安装孔127、第一连接孔128和第二连接孔129均可以构造为圆形通孔。第一销轴131插入到第一安装孔126和第一连接孔128,以将第一夹爪122可枢转地连接至转动支架120。第二销轴132插入到第二安装孔127和第二连接孔129中,以将第二夹爪123可枢转地连接至转动支架120。

如图3至图5所示,输入设备100还包括第一连杆150、第二连杆160、第三销轴133、第四销轴134和第五销轴135。第三销轴133、第四销轴134和第五销轴135之间相互平行,并且垂直于第一中心轴线。第三销轴133将第一连杆150的一端可枢转地连接至第一夹爪122,第四销轴134将第二连杆160的一端可枢转地连接至第二夹爪123,第五销轴135将第一连杆150的另一端和第二连杆160的另一端分别可枢转地连接至连接件124的靠近第一夹爪122和第二夹爪123的一端。

具体地,第一夹爪122上设置有第三安装孔136,第一连杆150的一端对应地设置有第三连接孔138,第三销轴133插入到第三安装孔136和第三连接孔138,以将第一连杆150可枢转地连接至第一夹爪122。第二夹爪123上设置有第四安装孔137,第二连杆160的一端对应地设置有第四连接孔139,第四销轴134插入到第四安装孔137和第四连接孔139,以将第二连杆160可枢转地连接至第二夹爪123。第三安装孔136、第三连接孔138、第四安装孔137和第四连接孔139均可以构造为圆心通孔。

连接件124的一端设置有第五安装孔141,第一连杆150的另一端对应地设置有第五连接孔142,第二连杆160的另一端对应地设置有第六连接孔143,第五销轴135插入到第五安装孔141、第五连接孔142和第六连接孔143,以将第一连杆150的另一端(即远离第一夹爪122的一端)和第二连杆160的另一端(即远离第二夹爪123的一端)分别可枢转地连接至连接件124。第五安装孔141、第五连接孔142和第六连接孔143均可以构造为圆形通孔。

下面对本发明的输入设备100的工作原理进行具体地说明。

如图4所示,当输入设备100的第一夹爪122和第二夹爪123位于最大开合角度时,此时磁性元件140距离第一检测器件114和第二检测器件115最远。用手指对第一夹爪122和第二夹爪123施加朝向最小开合角度的作用力,则第一夹爪122和第二夹爪123分别对第一连杆150和第二连杆160施加作用力,从而将作用力传递到连接件124,带动连接件124沿其轴向做直线运动。如图5所示,当第一夹爪122和第二夹爪123位于最小开合角度时,此时磁性元件140距离第一检测器件114和第二检测器件115最近。在第一夹爪122和第二夹爪123枢转的过程中,第二检测器件115能够检测磁性元件140在不同位置时的磁场强度,第二检测器件115检测到的数据信息被传输到信号处理板卡113,经由信号处理板卡113处理后即可得到第一夹爪122和第二夹爪123的开合角度信息。

当转动支架120转动时,转动支架120带着第一夹爪122、第二夹爪123、连接件124和磁性元件140一起转动,此时在第一检测器件114处,在第一检测器件114所处的平面内会有x和y两个方向的磁场分量。第一检测器件114检测到的数据信息被传输到信号处理板卡113,经由信号处理板卡113通过数据运算可计算出当前的磁性元件140相对于感应板卡112的角度,映射出来就是当前转动支架120的转动角度。在转动支架120转动的过程中,虽然可能会产生第一夹爪122和第二夹爪123的开合角度发生变化,使得连接件124会带着磁性元件140移动,从而引起磁性元件140相对于第一检测器件114的位置或距离的发生变化。但是在转动支架120的每个确定的旋转角度,位于第一检测器件114平面内的x和y两个方向的磁场分量的运算结果(例如,磁场分量的方向)并不随着第一检测器件114与磁性元件140的距离远近变化而变化,所以不管第一夹爪122和第二夹爪123的开合角度为多少,转动支架120相对于固定基座110的旋转角度可以通过第一检测器件114和信号处理板卡113进行计算和检测。

除非另有定义,本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的,不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件,也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式,除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明,但应当理解的是,上述实施方式只是用于举例和说明的目的,而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是,根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改,这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

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