主手夹持关节、主操作手以及手术机器人的制作方法

1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别是涉及主手夹持关节、主操作手以及手术机器人。


背景技术：

2.手术机器人在外科手术过程中能够辅助医生进行更精准的操作。在使用手术机器人的外壳手术过程中，医生需要将注册探针、手术器械(比如手术刀、缝合结构)等末端工具根据当前手术进程的需要安装到手术机器人的从机械臂，然后医生操作手术机器人的主操作手，从机械臂在主操作手的控制下执行相应的操作。在目前机器人手术中，医生操作的主操作手没有夹持力反馈，从而医生无法感知从机械臂对手术器械的夹持力，一方面会增加医生的操作时间，另一方面会加速磨损手术器械，减少其使用寿命。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对一般的主操作手无法反馈夹持力的问题，提供一种能够实现夹持力反馈的主手夹持关节、主操作手以及手术机器人。
4.一种主手夹持关节，包括：
5.基座；
6.开合组件，活动设置于所述基座，所述开合组件能够在工作范围内开合；
7.传动轮组件，转动设置于所述基座，所述传动轮组件与所述开合组件传动连接；
8.夹持动力组件，固定设置于所述基座，所述夹持动力组件与所述传动轮组件传动连接，所述夹持动力组件还能够与从机械臂连接；
9.所述传动轮组件和所述夹持动力组件中的至少一者包括有位置传感器，所述位置传感器能够与手术机器人中的控制器连接，所述开合组件在工作范围内开合并通过所述传动轮组件驱动所述夹持动力组件，进而控制从机械臂执行对应的开合动作，所述夹持动力组件根据从机械臂的夹持力产生对应的夹持力矩，所述夹持动力组件输出对应的夹持力矩并通过所述传动轮组件带动所述开合组件产生打开趋势或者闭合趋势。
10.在其中一个实施例中，所述开合组件包括第一夹片、第二夹片、第一指套和第二指套；所述第一夹片和所述第二夹片分别转动设置于所述基座，所述第一指套和所述第二指套分别设置于所述第一夹片和所述第二夹片；所述第一夹片与所述传动轮组件传动连接，所述第一夹片和所述第二夹片保持角度相同、方向相反的同步转动。
11.在其中一个实施例中，所述第一夹片的一端和所述第二夹片的一端分别转动设置于所述基座，所述第一夹片靠近转动中心的一端和所述第二夹片靠近转动中心的一端之间通过齿面耦合的方式进行传动；所述第一夹片远离转动中心的一端设置弯向转动中心的圆弧段，所述圆弧段通过绳传动的方式与所述传动轮组件传动配合。
12.在其中一个实施例中，所述传动轮组件包括中间轮和主动轮，所述中间轮转动设置于所述基座，所述中间轮与所述开合组件传动连接，所述主动轮与所述夹持动力组件的
输出轴固定连接；所述中间轮和所述主动轮传动连接，所述中间轮和所述主动轮之间的传动比小于1。
13.在其中一个实施例中，所述传动轮组件包括传动轴，所述传动轴转动设置于所述基座，所述中间轮固定设置于所述传动轴；所述传动轴上开设有螺纹槽，所述螺纹槽允许传动绳缠绕，所述传动轴通过所述螺纹槽与所述开合组件以绳传动的方式传动连接；所述中间轮固定设置于所述传动轴的一端；所述传动轮组件还包括第一位置传感器，所述第一位置传感器设置于所述传动轴远离所述中间轮的一端，所述第一位置传感器用于检测所述传动轴的转角，所述第一位置传感器能够与手术机器人中的控制器连接。
14.在其中一个实施例中，所述夹持动力组件包括夹持电机，所述夹持电机固定设置于所述基座，所述主动轮固定设置于所述夹持电机的转轴；所述主动轮通过绳传动的方式与所述中间轮传动连接；所述夹持电机还能够与从机械臂连接。
15.在其中一个实施例中，所述夹持电机的外壳固定设置于所述基座，所述夹持电机的外壳嵌入所述基座内；所述夹持动力组件还包括第二位置传感器，所述第二位置传感器设置于所述夹持电机的转轴，所述第二位置传感器能够与手术机器人中的控制器连接。
16.在其中一个实施例中，所述传动轮组件和所述夹持动力组件间隔设置于所述基座，所述开合组件设置于所述传动轮组件和所述夹持动力组件之间。
17.一种主操作手，包括第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节和上述各个实施例中任一项所述的主手夹持关节；所述第二转动关节转动设置于所述第一转动关节，所述第三转动关节转动设置于所述第二转动关节，所述第四转动关节转动设置于所述第三转动关节，所述主手夹持关节转动设置于所述第四转动关节；所述第一转动关节、所述第二转动关节、所述第三转动关节和所述第四转动关节的转动中心相交于一点。
18.一种手术机器人，包括从机械臂、内窥镜图像系统以及上述实施例中所述的主操作手，所述主操作手与所述从机械臂连接，所述内窥镜图像系统用于显示手术区域的图像。
19.上述主手夹持关节、主操作手以及手术机器人中，开合组件、传动轮组件和夹持动力组件顺次传动连接，通过夹持动力组件和传动轮组件能够将从机械臂的夹持力反馈到开合组件，进而进行手术的医生能够准确的感知从机械臂的夹持力大小。医生通过夹持力的变化就可以判断手术的执行状态，便于手术医生随时调整通过主操作手施加的夹持力，从而更高效地执行手术动作，也有一种更真实的手术操作体验，同时保证了从机械臂内的零部件在正常载荷内工作，有利于延长手术机器人的使用寿命。
附图说明
20.图1为本实用新型一实施例提供的主操作手第一立体结构示意图；
21.图2为本实用新型一实施例提供的主操作手第二立体结构示意图；
22.图3为本实用新型一实施例提供的主操作手平面结构示意图；
23.图4为图3中a-a截面结构示意图；
24.图5为本实用新型一实施例提供的第一夹片与圆弧段立体结构示意图；
25.图6为本实用新型一实施例提供的主操作手立体结构示意图。
26.其中：10、主操作手；100、主手夹持关节；110、基座；120、开合组件； 121、第一夹片；122、第二夹片；123、第一指套；124、第二指套；125、圆弧段；126、第一预紧螺柱；130、传
动轮组件；131、传动轴；132、中间轮；133、螺纹槽；134、第二预紧螺柱；135、第一位置传感器；140、夹持动力组件；141、夹持电机；142、主动轮；150、第一钢丝绳；160、第二钢丝绳；200、第一转动关节；300、第二转动关节；400、第三转动关节；500、第四转动关节。
具体实施方式
27.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
30.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
33.手术机器人系统是一种通过微创方法实现复杂外科手术的主从式高级机器人平台。该系统可以简单的分为主操作手、从机械臂以及内窥镜图像系统三个部分。其中，主操作手由主刀医生操作，用于录入医生的操作信息；从机械臂位于病床旁，按照主操作手检测到的操作信息动作，代替医生操作手术器械；内窥镜图像系统用于把手术区域的图像采集
出来，并清晰地呈现给医生和助手。在手术过程中，医生可以根据看到的手术图像，通过操作主操作手实现控制从机械臂把持的手术器械动作，从而完成复杂的手术。在手术机器人的工作过程中，主操作手和从机械臂之间的相互力传递是保证手术过程顺利进行的前提。
34.本实用新型提供一种主手夹持关节100，能够接收从机械臂与手术器械之间的相互作用力，或者说能够向操作医生反馈从机械臂对手术器械的夹持力。具体的，如图1-3所示，主手夹持关节100包括基座110、开合组件120、传动轮组件130以及夹持动力组件140，所述传动轮组件130和所述夹持动力组件140 中的至少一者包括有位置传感器，所述位置传感器能够与手术机器人中的控制器连接。基座110是整个主手夹持关节100的支撑结构，开合组件120、传动轮组件130以及夹持动力组件140分别安装在基座110上并形成一定的位置关系。开合组件120活动设置于基座110，开合组件120能够在工作范围内开合，比如医生的两根手指驱动开合组件120打开或者闭合。传动轮组件130转动设置于基座110，传动轮组件130与开合组件120传动连接，传动轮组件130是开合组件120和夹持动力组件140之间的传动结构。夹持动力组件140固定设置于基座110，夹持动力组件140与传动轮组件130传动连接，夹持动力组件140还能够与从机械臂连接，当夹持动力组件140动作时能够驱动从机械臂执行对应的松开或者夹紧的动作。
35.在上述实施例中，开合组件120在工作范围内开合并通过传动轮组件130 驱动夹持动力组件140，进而控制从机械臂执行对应的开合动作，夹持动力组件 140根据从机械臂的夹持力产生对应的夹持力矩，夹持动力组件140输出对应的夹持力矩并通过传动轮组件130带动开合组件120产生打开趋势或者闭合趋势，实现从机械臂中夹持力向主手夹持关节100的反馈，进而使得医生直观的感受当前从机械臂对手术器械的夹持力大小。上述主手夹持关节100中，开合组件 120、传动轮组件130和夹持动力组件140顺次传动连接，通过夹持动力组件140 和传动轮组件130能够将从机械臂的夹持力反馈到开合组件120，进而进行手术的医生能够准确的感知从机械臂的夹持力大小。医生通过夹持力的变化就可以判断手术的执行状态，便于手术医生随时调整通过主操作手10施加的夹持力，从而更高效地执行手术动作，也有一种更真实的手术操作体验，同时保证了从机械臂内的零部件在正常载荷内工作，有利于延长手术机器人的使用寿命。
36.开合组件120、传动轮组件130和夹持动力组件140顺次传动连接是保证主手夹持关节100控制从机械臂动作的前提，也是从机械臂向主手夹持关节100 反馈夹持力的保证。可选的，开合组件120、传动轮组件130和夹持动力组件 140可根据实际工况设计。比如开合组件120、传动轮组件130和夹持动力组件 140沿直线方向顺次设置，或者开合组件120、传动轮组件130和夹持动力组件140沿折线/弧线方向顺次设置，亦或者传动轮组件130和夹持动力组件140分别设置在开合组件120的两端。以下各个实施例仅以“传动轮组件130和夹持动力组件140间隔设置于基座110，开合组件120设置于传动轮组件130和夹持动力组件140之间”为例进行说明；可以理解的，其他类型的布置形式可以基于下述各个实施例进行合理的变形得到。
37.开合组件120是医生直接操作的部分，也是向医生反馈夹持力的结构。在本实用新型一实施例中，如图2-5所示，开合组件120包括第一夹片121、第二夹片122、第一指套123和第二指套124。第一夹片121和第二夹片122分别转动设置于基座110，第一指套123和第二指套124分别设置于第一夹片121和第二夹片122，第一指套123和第二指套124分别允许医生
的两个手指插入，比如医生的大拇指和食指/中指插入，当医生的两个手指进行张开或者闭合时，第一夹片121和第二夹片122对应的执行张开或者闭合的动作。同时第一夹片121 和第二夹片122以转动的方式打开或者闭合更能适应医生手指的动作过程。并且两个夹片中的第一夹片121与传动轮组件130传动连接，第一夹片121和第二夹片122保持角度相同、方向相反的同步转动，进而保证第一夹片121和第二夹片122之间稳定的相对位置关系。在其它的实施例中，开合组件120可以仅仅包括一个转动设置在基座110上的夹片，夹片在外力驱动下的转动方向及转动角度共同对应从机械臂的开合状态以及开合程度。
38.可选的，第一夹片121和第二夹片122之间设置传动结构进而保证两者相对稳定的位置关系。在本实用新型一实施例中，如图4-3所示，第一夹片121 的一端和第二夹片122的一端分别转动设置于基座110，第一夹片121靠近转动中心的一端和第二夹片122靠近转动中心的一端之间通过齿面耦合的方式进行传动，且齿形模数比为1:1，从而可以形成对称运动。在本实用新型其他的实施例中，还可以借助第一夹片121和第二夹片122作为相临边形成平行四杆机构。只要能够保证第一夹片121和第二夹片122之间相对稳定的位置关系即可。
39.可选的，开合组件120与传动轮组件130之间以及传动轮组件130与夹持动力组件140之间通过绳传动、齿轮传动、链传动、带传动或者螺纹传动等方式实现传动连接。在本实用新型一实施例中，如图2-5所示，第一夹片121远离转动中心的一端设置弯向转动中心的圆弧段125，圆弧段125通过绳传动的方式与传动轮组件130传动配合。圆弧段125能够保证第一夹片121在转动的过程中，圆弧段125始终避免与传动轮组件130发生碰撞或者抵接，保证第一夹片121和第二夹片122的顺利开合。作为一种可实现的方式，在圆弧段125上设置第一预紧螺柱126，对传动绳进行预紧，进而保证第一夹片121和传动轮组件130之间稳定的传动关系。
40.在其中一个实施例中，如图1-3所示，传动轮组件130包括中间轮132和主动轮142，中间轮132转动设置于基座110，中间轮132与开合组件120传动连接，主动轮142与夹持动力组件140的输出轴固定连接。中间轮132和主动轮142传动连接，中间轮和主动轮之间的传动比小于1，进而允许使用较小规格的夹持动力组件140(比如电机)即可实现力反馈。作为一种可实现的方式，中间轮和主动轮的半径之比介于1.5-3之间，对应的，中间轮和主动轮之间的传动比大致介于0.3-0.7之间。
41.在本实用新型一实施例中，如图1-3所示，传动轮组件130包括传动轴131 和中间轮132，传动轴131转动设置于基座110，中间轮132固定设置于传动轴 131。传动轴131上开设有螺纹槽133，螺纹槽133允许传动绳缠绕，传动轴131 通过螺纹槽133与开合组件120以绳传动的方式传动连接。具体的，采用第一钢丝绳150实现第一夹片121上圆弧段125与传动轴131的螺纹槽133之间的传动，将第一钢丝绳150的一端首先固定在圆弧段125的一端，然后将第一钢丝绳150的另一端绕过螺纹槽133多圈后固定在圆弧段125的另一端，并使用第一预紧螺柱126对第一钢丝绳150进行预紧。钢丝绳传动具有稳定、精准且结构紧凑、体积小的优点。需要说明的是，传动轮组件130通过中间轮132与夹持动力组件140传动连接。
42.在本实用新型一实施例中，如图1-3所示，中间轮132固定设置于传动轴 131的一端。所述传动轮组件130和所述夹持动力组件140中的至少一者包括有位置传感器可以表现为，传动轮组件130还包括第一位置传感器135，第一位置传感器135设置于传动轴131远离
中间轮132的另一端，第一位置传感器135 用于检测传动轴131的转角，第一位置传感器135能够与手术机器人中的控制器连接。作为一种可实现的方式，采用磁性编码器作为第一位置传感器135，磁体固定在传动轴131远离中间轮132的一端，可以跟随其旋转。编码器芯片固定在编码器安装座上，编码器安装座固定到基座110上。
43.夹持动力组件140与从机械臂连接，夹持动力组件140能够带动从机械臂执行张开或者闭合的动作，夹持动力组件140还能够将从机械臂的夹持力通过传动轮组件130向开合组件120进行反馈。可选的，夹持动力组件140的类型可以是电动、液动或者气动。在本实用新型一实施例中，如图1-3所示，夹持动力组件140包括夹持电机141，夹持电机141固定设置于基座110，主动轮142 固定设置于夹持电机141的转轴。主动轮142通过绳传动的方式与传动轮组件 130传动连接。夹持电机141还能够与从机械臂连接。夹持电机141具有动作精准、结构紧凑的优点。作为一种可实现的方式，主动轮142和中间轮132之间通过第二钢丝绳160传动连接，并且在中间轮132或者主动轮142上安装第二预紧螺柱134，进而保证第二钢丝绳160的精准传动。
44.在本实用新型一实施例中，夹持电机141的外壳固定设置于基座110，夹持电机141的外壳嵌入基座110内，能够进一步使得主手夹持关节100的整体结构更加紧凑。进一步，所述传动轮组件130和所述夹持动力组件140中的至少一者包括有位置传感器可以表现为，夹持动力组件140还包括第二位置传感器，第二位置传感器设置于夹持电机141的转轴，第二位置传感器能够与手术机器人中的控制器连接。比如在夹持电机141的末端安装相对编码器，从而更好地进行运动控制。第一位置传感器135和第二位置传感器共同使用能够增强主手夹持关节100的安全性。在设定的传动关系下，第一位置传感器135和第二位置传感器的检测数据呈一定的关系；当第一位置传感器135和第二位置传感器的检测数据偏离设定的关系，则认为夹持动力组件140和中间轮132之间的传动出现异常。主手夹持关节100可进行自适应调整、停机或者发出警报。在本实用新型其他的实施例中，夹持电机141通过支架或者支撑块安装在基座110 上。
45.在上述实施例中，主手夹持关节100通过两级钢丝绳传动，夹持片的开合运动传递到中间轮132的旋转运动，从而传递到主动轮142，再传递到夹持电机 141的轴上。同样的，在力反馈模式下，由夹持电机141产生的力矩，通过电机轴传递到主动轮142，再传递到中间轮132，最后传递到两个夹持片上，由于两个夹持片通过齿轮耦合，夹持电机141施加的反馈力，可以均分到两个夹持片上，这样，操作者的两个手指就可以感受到施加的反馈力。在实际操作中，可以调整中间轮132、主动轮142和圆弧段125弧度等尺寸来调节传动比，从而调节夹持电机141力反馈的范围。夹持力和反馈力分别通过传动轮组件130进行传递，同时力反馈装置控制夹持电机141转动，从而保证手指施加的夹持力以及反馈力能够准确。
46.如图6所示，本实用新型一实施例还提供一种主操作手10，包括第一转动关节200、第二转动关节300、第三转动关节400、第四转动关节500和上述各个实施例中任一项所记述的主手夹持关节100。第二转动关节300转动设置于第一转动关节200，第三转动关节400转动设置于第二转动关节300，第四转动关节500转动设置于第三转动关节400，主手夹持关节100转动设置于第四转动关节500。第一转动关节200、第二转动关节300、第三转动关节400和第四转动关节500的转动中心(分别为a1、a2、a3、a4)相交于一点。本实施例提供的主操作手10具有多个自由度。
47.上述主操作手10中，开合组件120、传动轮组件130和夹持动力组件140 顺次传动连接，通过夹持动力组件140和传动轮组件130能够将从机械臂的夹持力反馈到开合组件120，进而进行手术的医生能够准确的感知从机械臂的夹持力大小。医生通过夹持力的变化就可以判断手术的执行状态，便于手术医生随时调整通过主操作手10施加的夹持力，从而更高效地执行手术动作，也有一种更真实的手术操作体验，同时保证了从机械臂内的零部件在正常载荷内工作，有利于延长手术机器人的使用寿命。
48.本实用新型一实施例还提供一种手术机器人，包括从机械臂、内窥镜图像系统以及上述实施例所述的主操作手10，主操作手10与从机械臂连接，内窥镜图像系统用于显示手术区域的图像。上述手术机器人中，开合组件120、传动轮组件130和夹持动力组件140顺次传动连接，通过夹持动力组件140和传动轮组件130能够将从机械臂的夹持力反馈到开合组件120，进而进行手术的医生能够准确的感知从机械臂的夹持力大小。医生通过夹持力的变化就可以判断手术的执行状态，便于手术医生随时调整通过主操作手10施加的夹持力，从而更高效地执行手术动作，也有一种更真实的手术操作体验，同时保证了从机械臂内的零部件在正常载荷内工作，有利于延长手术机器人的使用寿命。
49.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。
50.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。