具有力检测功能的手术器械及手术机器人系统的制作方法

1.本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种具有力检测功能的手术器械及手术机器人系统。


背景技术：

2.微创手术相比于传统手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快的优势，随着技术的发展，微创手术机器人系统被广泛的应用到各种类型的手术中。
3.手术机器人系统通常包括主控制操作台和从操作设备，医生通过主控制操作台中的操纵手柄等装置向从操作设备传递控制信息进而控制从操作设备执行手术操作，这种手术方式允许医生进行远程手术操作，相比于手持式微创手术器械，手术机器人系统从操作设备上的手术器械可提供更丰富的自由度，同时这种手术方式也减轻了医生在手术过程中的疲劳。但是，手术机器人系统上的手术器械一般不含有力反馈系统，医生无法感受到手术过程中手术器械的受力状态，只能凭借视野内的图像和自身经验进行操作，无法了解到视野外的情况，也感觉不到手术操作中的力，这可能会导致一些不必要的碰撞，并降低了手术操作的精准度，增大了手术的难度和风险。
4.现阶段，一些手术器械虽然配备了力反馈系统，但其检测装置位于器械末端的外侧表面，而信号处理装置位于器械近端，检测信号需要从器械末端传输到器械近端，这种远距离信号传输容易产生信号干扰，降低了力检测的精度；同时，受限于手术器械末端的空间尺寸过小，增大了结构的复杂性，降低了器械的可靠性。并且器械末端的传动元件比如钢缆、连杆等会在力检测过程中与末端外载荷耦合，叠加到力检测装置上，需要进行复杂的解耦计算才能得到真实的末端外力。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种具有力检测功能的手术器械及手术机器人系统，以解决上述现有手术器械力检测装置存在的结构复杂以及测量精度低的缺点。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种具有力检测功能的手术器械，包括：
8.器械盒，所述器械盒内设置有第一转轴和第二转轴，所述第一转轴和所述第二转轴均转动安装于所述器械盒内，且分别连接转动驱动；
9.器械杆，所述器械杆包括依次连接的输入端、杆体、远端关节和手术工具；所述远端关节包括器械杆连接座、手术工具连接座和关节转接板，所述器械杆连接座的一端与所述杆体连接，另一端通过第一铰接轴与所述关节转接板铰接，所述手术工具连接座的一端通过第二铰接轴与所述关节转接板铰接，另一端连接所述手术工具，所述第二铰接轴垂直于所述第一铰接轴；所述输入端设置于所述器械盒内，包括穿引于所述杆体内的第一牵引绳、第二牵引绳、第三牵引绳和第四牵引绳；所述第一牵引绳和所述第二牵引绳分别位于所述第一铰接轴和所述第二铰接轴交叉形成的一组对角区域，所述第一牵引绳的一端和所述
第二牵引绳的一端均连接于所述手术工具连接座，所述第一牵引绳的另一端和所述第二牵引绳的另一端呈相反方向卷绕于所述第一转轴上；所述第三牵引绳和所述第四牵引绳分别位于所述第一铰接轴和所述第二铰接轴交叉形成的另一组对角区域，所述第三牵引绳的一端和所述第四牵引绳的一端均连接于所述手术工具连接座，所述第三牵引绳的另一端和所述第四牵引绳的另一端呈相反方向卷绕于所述第一转轴上；
10.测力组件，所述测力组件设置于所述器械盒内，其能够通过检测所述第一牵引绳、所述第二牵引绳、所述第三牵引绳和所述第四牵引绳的张力变化，获取并调控所述手术工具绕所述第一铰接轴的输出转矩和所述手术工具绕所述第二铰接轴的输出转矩。
11.可选的，所述手术工具包括：
12.工具机座，所述工具机座的一端与所述手术工具连接座连接；
13.连接头，所述连接头设置于所述工具机座内，且所述连接头的一端连接有张合牵引件；
14.下侧工具，所述下侧工具的一端与第一传动连杆的一端可回转连接，所述下侧工具的另一端可回转连接于所述工具机座的另一端；所述第一传动连杆的另一端与所述连接头的另一端可回转连接；
15.上侧工具，所述上侧工具的一端与第二传动连杆的一端可回转连接，所述下侧工具的另一端和所述下侧工具可回转连接于所述工具机座的同一端；所述第二传动连杆的另一端和所述第一传动连杆可回转连接于所述连接头的同一端；
16.所述张合牵引件能够推拉所述连接头，以使所述第一传动连杆和所述第二传动连杆反向转动，实现所述下侧工具与所述下侧工具之间的张合。
17.可选的，所述器械盒内设置有第三转轴，所述第三转轴转动安装于所述器械盒内，并配置有转动驱动；所述第三转轴上卷绕有两根牵引缆绳，两根所述牵引缆绳的一端呈相反方向卷绕于所述第三转轴上，另一端均固定缠绕于所述输入端。
18.可选的，所述张合牵引件为穿引于所述杆体内的软轴或缆绳；所述张合牵引件连接有牵引驱动，所述牵引驱动包括第四转轴、设置于所述第四转轴上的齿轮以及与所述齿轮啮合的齿条，所述齿条固定于所述张合牵引件；所述第四转轴转动安装于所述器械盒内，并配置有转动驱动。
19.可选的，所述测力组件包括：
20.安装架，所述安装架包括应变梁、导向梁和固定轴，所述导向梁的两端上部分别设置有第一导向轮和第二导向轮，所述应变梁垂直于所述导向梁设置形成“t”型架面，且所述应变梁的一端连接于所述导向梁的中点；所述应变梁另一端的上部沿垂直于所述“t”型架面的方向由上至下依次设置有第三导向轮和第四导向轮，下部设置有固定轴，所述固定轴与所述第三导向轮、所述第四导向轮同轴布置，用于将所述安装架悬空安置于所述器械盒内；所述第一导向轮与所述第三导向轮等高设置，所述第二导向轮与所述第四导向轮等高设置；
21.敏感元件，所述敏感元件对称设置于所述应变梁的两侧；
22.控制元件，所述控制元件设置于所述器械盒内，所述控制元件与所述敏感元件通讯连接；
23.所述第一转轴与所述第二转轴以所述杆体为中心对称分布，所述第一转轴与所述
杆体之间以及所述第二转轴与所述杆体之间均设置有一所述测力组件，且两组所述测力组件以所述杆体为中心对称分布；其中，位于所述第一转轴与所述杆体之间的所述测力组件的所述导向梁垂直于所述第一转轴，且所述第一转轴位于所述导向梁的背离所述应变梁的一侧的中心，所述第一牵引绳和所述第二牵引绳分别由外部绕经所述第一导向轮和所述第二导向轮并相互交叉后，分别绕经所述第三导向轮和所述第四导向轮进入所述杆体；位于所述第二转轴与所述杆体之间的所述测力组件的所述导向梁垂直于所述第二转轴，且所述第二转轴位于所述导向梁的背离所述应变梁的一侧的中心，所述第三牵引绳和所述第四牵引绳分别由外部绕经所述第一导向轮和所述第二导向轮并相互交叉后，分别绕经所述第三导向轮和所述第四导向轮进入所述杆体。
24.可选的，所述器械盒内还设置有第一导向过渡轮、第二导向过渡轮、第三导向过渡轮和第四导向过渡轮，其中，所述第一导向过渡轮设置于所述杆体的轴向延伸方向上，且位于所述测力组件与所述杆体之间，所述第二导向过渡轮与所述第一导向过渡轮同轴布置，且位于所述第一导向过渡轮的下方，所述第三导向过渡轮和所述第四导向过渡轮对称分布于所述第一导向过渡轮的两侧；
25.所述第一牵引绳绕经所述第三导向轮后，绕经所述第一导向过渡轮的靠近所述第三导向过渡轮的一侧进入所述杆体；所述第二牵引绳绕经所述第四导向轮后，绕经所述第四导向过渡轮的靠近所述第一导向过渡轮的一侧进入所述杆体；
26.所述第三牵引绳绕经所述第三导向轮后，绕经所述第二导向过渡轮的靠近所述第四导向过渡轮的一侧进入所述杆体；所述第四牵引绳绕经所述第四导向轮后，绕经所述第三导向过渡轮的靠近所述第一导向过渡轮的一侧进入所述杆体。
27.可选的，所述器械盒包括分体设置的底板和上盖；所述底板和所述上盖之间通过螺栓连接。
28.可选的，所述敏感元件为电阻应变片。
29.同时，本发明提出一种手术机器人系统，包括如上所述的手术器械。
30.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
31.本发明提出的具有力检测功能的手术器械，将用于力检测的测力组件安装在器械近端的器械盒中，器械盒内部空间较大，与力检测装置位于器械末端的手术器械相比，结构布置更加灵活，并且容易安装，降低了结构的复杂程度，提高了结构的可靠性，降低了成本。此外，通过直接测量传动件的力(即牵引绳的张力变化)即可得到对应的末端关节的合力，避免了测量过程中的力耦合，不需要复杂的解耦计算便可以直接得到器械的真实受力，简化了力检测过程，提高了手术器械力检测的测量精度和可靠性。
32.本发明还提出一种具有上述手术器械的手术机器人系统，其具备上述手术器械所具备的所有优势，在此不再赘述。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例所公开的手术器械的整体结构示意图；
35.图2为本发明实施例所公开的器械盒的内部结构示意图；
36.图3为本发明实施例所公开的测力组件的部分结构示意图；
37.图4为本发明实施例所公开的器械盒内线缆连接示意图；
38.图5为本发明实施例所公开的远端关节的结构示意图；
39.图6为本发明实施例所公开的远端关节与手术工具的连接示意图；
40.图7为本发明实施例所公开的远端关节与手术工具的外部结构示意图。
41.其中，附图标记为：
42.具有力检测功能的手术器械100；
43.器械盒1、输入转轴11、第一转轴111、第一缆绳1111、第一缆绳1112、第二转轴112、第二缆绳1121、第二缆绳1122、第三转轴113、第三缆绳1131、第三缆绳1132、第四转轴114、绕线轮12、第一绕线轮121、第二绕线轮122、第三绕线轮123、导向过渡轮13、第一导向过渡轮131、第二导向过渡轮132、第三导向过渡轮133、第四导向过渡轮134、导向轮轴14、第一导向轮轴141、第二导向轮轴142、第三导向轮轴143、固定底板15、齿轮16、齿条17、传动软轴18；
44.器械杆2、输入端21、细长杆22、远端关节23、器械杆连接座231、手术工具连接座232、连接板2321、缆绳固定头2322、关节转接板233、水平转轴234、竖直转轴235；
45.手术工具3、工具机座31、连接头32、传动连杆33、下侧工具34、上侧工具35、转轴36、转轴37、转轴38；
46.测力组件4、安装架41、应变梁411、导向梁412、固定轴413、导向轮轴42、第一导向轮轴421、第二导向轮轴422、第三导向轮轴423、导向轮43、第一导向轮431、第二导向轮432、第三导向轮433、第四导向轮434、敏感元件44、控制元件45。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.本发明的目的之一是提供一种具有力检测功能的手术器械，以解决现有手术器械力检测装置存在的结构复杂以及测量精度低的缺点。
49.本发明的另一目的还在于提供一种包含上述手术器械的手术机器人系统。
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
51.实施例一
52.如图1-图7所示，本实施例提供一种具有力检测功能的手术器械100主要包括机械结构组件和测力组件4。其中：
53.机械结构组件包括器械盒1、器械杆2和手术工具3，器械盒1包括输入转轴11、绕线轮12、导向过渡轮13、导向轮轴14、固定底板15、齿轮16、齿条17和传动软轴18。输入转轴11共包括4个转轴，即第一转轴111、第二转轴112、第三转轴113和第四转轴114，第一转轴111、
第二转轴112、第三转轴113和第四转轴114呈矩形分布固定在器械盒1的固定底板15上，用于将旋转驱动的运动输入。第一转轴111和第二转轴112上分别安装有第一绕线轮121和第二绕线轮122，第一绕线轮121上固定(缠绕)有第一对缆绳，即第一缆绳1111(对应前述的第一牵引绳)和第一缆绳1112(对应前述的第二牵引绳)，第二绕线轮122上固定(缠绕)有第二对缆绳，即第二缆绳1121(对应前述的第三牵引绳)和第二缆绳1122(对应前述的第四牵引绳)。第三转轴113上固定有第三绕线轮123，第三绕线轮123上固定有第三对缆绳，即第三缆绳1131(对应前述的牵引缆绳)和第三缆绳1132(对应前述的牵引缆绳)，第三缆绳1131和第三缆绳1132从相反的方向缠绕并固定到器械杆2的输入端21。第四转轴114上固定有齿轮16，齿轮16与齿条传动件，即齿条17啮合，齿条17可在固定底板15上沿齿条方向做往复运动；齿条17上固定有传动软轴18(即张合牵引件)，传动软轴18的另一端穿过细长杆22(即杆体)内部固定连接到到手术工具3上，传动软轴18可以实现推拉运动，进而驱动手术工具3运动。
54.本实施例中，上述的第一转轴111、第二转轴112、第三转轴113和第四转轴114分别配置一旋转驱动，该旋转驱动优选为外部电机，任意一根转轴分别由一个外部电机独立驱动，进而带动转轴上的绕线轮、缆绳或齿轮进行转动。
55.本实施例中，上述固定底板15上还固定有3根导向轮轴14，即第一导向轮轴141、第二导向轮轴142和第三导向轮轴143，第一导向轮轴141位于器械杆2的延长线上，第二导向轮轴142和第三导向轮轴143相对于器械杆2的延长线对称布置，第一导向过渡轮131和第二导向过渡轮132一上一下设置在第一导向轮轴141上，第三导向过渡轮133设置在第二导向轮轴142上，第四导向过渡轮134设置在第三导向轮轴143上。实际操作中，第一导向过渡轮131和第二导向过渡轮132也可采用一个导向轮进行代替。
56.本实施例中，器械杆2包括输入端21、细长杆22和远端关节23；输入端21与器械盒1连接；远端关节23一端与细长杆22连接，另一端与手术工具3连接。远端关节23包括器械杆连接座231、手术工具连接座232、关节转接板233、水平转轴234和竖直转轴235，其中，器械杆连接座231的一端与细长杆22连接，另一端通过水平转轴234与关节转接板233连接；手术工具连接座232的一端与手术工具3的工具机座31连接，另一端通过竖直转轴235与关节转接板233连接。
57.进一步地，上述手术工具3包括工具机座31、连接头32、传动连杆33、下侧工具34、上侧工具35、转轴36、转轴37和转轴38。其中，工具机座31一端与手术工具连接座232连接，另一端通过转轴38连接下侧工具34和上侧工具35，连接头32一端与传动软轴18的末端固定连接，另一端与传动连杆33通过转轴36可回转连接，传动连杆33的另一端与下侧工具34通过转轴37可回转连接，下侧工具34的中心通过转轴38可回转地连接到工具机座31上；上侧工具35也是通过一组传动连杆33和转轴36、转轴37设置在工具机座31上，且传动连杆33与连接下侧工具34的传动连杆33方向设置相反，联动动作也完全相反，以确保下侧工具34和上侧工具35保持反向动作(相互靠近或相互远离)。
58.本实施例中，每一根缆绳，即第一缆绳1111、第一缆绳1112、第二缆绳1121、第二缆绳1122的末端依次穿过关节转接板233上圆周分布的缆绳孔、手术工具连接座232的连接板2321上的圆周分布的缆绳孔后，固定设置有缆绳固定头2322，缆绳固定头2322的直径比连接板2321上的圆周分布的缆绳孔大，进而固定在手术工具连接座232上。当第二缆绳1122和
第一缆绳1112收缩，第一缆绳1111和第二缆绳1121伸展时，远端关节23带动手术工具3绕水平转轴234向上转动(顺时针转动)，反之当第二缆绳1122和第一缆绳1112伸展，第一缆绳1111和第二缆绳1121收缩时则向下转动。当第一缆绳1111和第二缆绳1122收缩，第二缆绳1121和第一缆绳1112伸展时，远端关节23带动手术工具3绕竖直转轴235向左转动，反之当第一缆绳1111和第二缆绳1122伸展，第二缆绳1121和第一缆绳1112收缩时，远端关节23带动手术工具3绕竖直转轴235向右转动。
59.本实施例中，测力组件4包括安装架41、导向轮轴42、导向轮43、敏感元件44和控制元件45；安装架41包括应变梁411、导向梁412、固定轴413；导向梁412的两端设置有第一导向轮轴421和第二导向轮轴422，第一导向轮轴421和第二导向轮轴422上分别安装有第一导向轮431和第二导向轮432；应变梁411和导向梁412相互垂直，应变梁411的一端垂直连接在导向梁412的中点，应变梁411的另一端上方设置有第三导向轮轴423，第三导向轮433和第四导向轮434一上一下安装在第三导向轮轴423上，第三导向轮轴423的下方设置有固定轴413，固定轴413固定连接在器械盒1的固定底板15上，应变梁411除固定轴413以外的部分和导向梁412均悬空设置；敏感元件44固定在应变梁411的两侧，并与控制元件45通讯连接。其中，控制元件45和敏感元件44通过线缆或无线传输方式实现信号传输。敏感元件44优选为电阻应变片，也可以采用其他类型的应变测量元件，其外表面设置有保护层，在手术器械的高温高压消毒时起到保护敏感元件44的作用。控制元件45具有信号处理功能，其作用是接受敏感元件44的信号，并将信号传输出去。
60.本实施例中，第一导向过渡轮131和第二导向过渡轮132同轴设置，且第一导向过渡轮131位于第二导向过渡轮132的上方，第三导向过渡轮133和第四导向过渡轮134分布于第二导向过渡轮132的两侧，且均位于第二导向过渡轮132的下方，其中，第三导向过渡轮133位于第四导向过渡轮134的下方。此结构设置是为了第一缆绳1111、第一缆绳1112、第二缆绳1121、第二缆绳1122之间在高度方向上相互避让，避免相邻缆绳之间产生受力干扰。在上述第一导向过渡轮131、第二导向过渡轮132、第三导向过渡轮133和第四导向过渡轮134在高度方向上错位布局的结构基础上，两组测力组件4的安装高度也不相同，第一导向过渡轮131、第二导向过渡轮132、第三导向过渡轮133和第四导向过渡轮134中，第一导向过渡轮131和第四导向过渡轮134配合其中一组测力组件4绕线，第二导向过渡轮132和第三导向过渡轮133则配合另一组测力组件4绕线，所以在设置位置上，与第一导向过渡轮131和第四导向过渡轮134配合的测力组件4，高于另一组与第二导向过渡轮132、第三导向过渡轮133配合的测力组件4，具体如图3和图4所示。
61.本实施例中，第一缆绳1111和第一缆绳1112，分别从测力组件4应变梁411上的第二导向轮432和第一导向轮431外侧缠绕后，相互交叉后分别缠绕到第三导向轮轴423上的第四导向轮434和第三导向轮433上，第一缆绳1111和第一缆绳1112在第三导向轮轴423的不同侧，之后分别缠绕在第一导向过渡轮131和第四导向过渡轮134上，然后穿越器械杆的输入端21延伸到远端关节23上。第二缆绳1121和第二缆绳1122以同样的方式缠绕在另一个测力组件4后，之后分别缠绕在第二导向过渡轮132和第三导向过渡轮133上，然后穿越器械杆的输入端21延伸到远端关节23上。上述第一对缆绳(第一缆绳1111和第一缆绳1112)和第二对缆绳(第二缆绳1121和第二缆绳1122)共同驱动远端关节23。控制元件45控制每对缆绳两侧的张力差就可以控制每对缆绳的输出力，进而控制末端手术工具3或末端活动关节的
输出载荷，可以起到保护手术器械的作用。
62.以第一绕线轮121上的第一对缆绳(第一缆绳1111和第一缆绳1112)为例说明检测原理：第一对缆绳，第一缆绳1111和第一缆绳1112的一端卷绕固定在第一绕线轮121上，并以相反的方向缠绕在第一绕线轮121上，当第一转轴111带动第一绕线轮121转动时，第一缆绳1111和第一缆绳1112中的一个收缩缠绕在第一绕线轮121上，另一个则不断释放缠绕在第一绕线轮121上的部分，即第一绕线轮121之外的缆绳一个伸长，另一个收缩。第一缆绳1111从外侧缠绕在第二导向轮432上，第一缆绳1112从外侧缠绕在第一导向轮431上，而后第一缆绳1111和第一缆绳1112交叉后分别缠绕到第四导向轮434和第三导向轮433上，第一缆绳1111和第一缆绳1112所处的平面彼此平行但高度不同，第一缆绳1111和第一缆绳1112在各自所处的平面内对第二导向轮432和第一导向轮431的缠绕角度相等，并且关于应变梁411对称，当第一缆绳1111和第一缆绳1112的张力相等时，两根缆绳对第二导向轮432和第一导向轮431的合力沿导向梁412方向上的分力为零，应变梁411不会承受弯矩作用，固定在应变梁411上的敏感元件44输出的信号不会产生变化。而当第一缆绳1111和第一缆绳1112的张力不相等时，两根缆绳对第二导向轮432和第一导向轮431的合力沿导向梁412方向上的分力不为零，在应变梁411上会产生弯矩，应变梁411和敏感元件44产生形变，控制元件45检测到敏感元件44变形后信号的变化，进而测得了两根缆绳的张力变化。
63.手术过程中会进行两种运动：传动软轴18伸缩使得手术工具3的下侧工具34、上侧工具35进行开合运动(传动软轴18收缩对应手术工具3的闭合运动，伸长对应张开运动)，以及远端关节23绕水平转轴234的俯仰运动和绕竖直转轴235的侧摆运动。开合运动用于手术工具3末端对人体组织进行手术操作，俯仰运动和侧摆运动用于调整手术工具3使其处于有利于手术操作的位置和姿态，以及带动手术工具3进行连续的运动进而完成某些操作。目前的结构方案能够通过测量缆绳的张力来测得远端关节23在两个方向(俯仰和侧摆)的转矩，使用传动软轴18来驱动手术工具3只是一种优选方案，也可以使用缆绳或其他等效方式实现，如果将手术工具3的传动方式由传动软轴18更换为缆绳，那么也可以用同样的方式测量手术工具3的开合转矩(输出力/力矩)。
64.在非工作状态第一缆绳1111和第一缆绳1112的张力等于缆绳预紧力，并且相等，因此敏感元件不会产生变形；当通过远端关节23调整手术器械的位置和姿态时，输入第一转轴111带动第一绕线轮121转动时，两根缆绳中的一根收缩不断缠绕在第一绕线轮121上，另一根不断释放缠绕在第一绕线轮121上的部分，收缩的缆绳张力增大，释放的缆绳张力减小，两侧张力的差值会产生对应变梁411的弯矩导致应变梁411变形，变形幅度由敏感元件44和控制元件45检测到。当然，在非工作状态下，同一个转轴上的绕线轮上固定的一对缆绳优选具有相同的张紧力，以实现预张紧；也可以具有不同的张紧力；当具有不同的张紧力时，应变梁411和敏刚元件44在非工作状态也具有形变。
65.同理，第二对缆绳，第二缆绳1121和第二缆绳1122的张力也采用以上方式通过另一组测力组件4来测量。
66.根据缆绳与远端关节23的传动关系可以得到两侧缆绳的内力差值与远端关节23输出转矩的关系，进而根据控制元件45检测到的敏感元件44的信号换算得到远端关节23的输出转矩。具体测力原理如下：
67.测力组件一(与第一转轴111配合的测力组件4)的测量值f1＝f
1111-f
1112
(第一缆绳
1111和第一缆绳1112之间的内力差值)；
68.测力组件二(与第二转轴112配合的测力组件4)的测量值f2＝f
1121-f
1122
(第二缆绳1121和第二缆绳1122之间的内力差值)；
69.四根缆绳(即第一缆绳1111、第一缆绳1112、第二缆绳1121和第二缆绳1122)到水平转轴234和竖直转轴235的垂直距离都为r；
70.对于手术工具3绕远端关节23的水平转轴234转动时的俯仰转矩m1为
71.m1＝(f
1111
+f
1121-f
1112-f
1122
)
×
r＝(f1+f2)
×
r；
72.对于手术工具3绕远端关节23的竖直转轴235转动时的侧摆转矩m2为
73.m2＝(f
1111
+f
1122-f
1112-f
1121
)
×
r＝(f
1-f2)
×
r；
74.当f1和f2通过测力组件4测得后，即可通过以上公示计算出远端关节23的俯仰转矩和侧摆转矩，进而控制末端手术工具3对手术组织的输出力矩。
75.本实施例中，上述第一缆绳1111、第一缆绳1112、第二缆绳1121和第二缆绳1122均优选不锈钢钢丝或钨钢钢丝，也可以选择其他材料；可以选择只能承受拉力不能承受压力的缆绳，也可选择既能承受拉力又能承受压力的缆绳。
76.本实施例中，输入转轴11的数量不限于上述的4根，可以是1个、2个、3个或不少于5个，输入转轴11的设置数量和作用可以根据不同手术器械的需求进行调整。同理，每个输入转轴11上可以有1个或者多个绕线轮12，每个转轴上固定一对或多对缆绳，每对缆绳可以是中间固定在绕线轮上的一根缆绳的两端，也可以是一侧末端分别固定在绕线轮上的两根缆绳。输入转轴和缆绳的数量由要驱动的自由度数量和驱动方式决定。
77.本实施例中，上述两对缆绳间可以分别独立的驱动末端关节23上两个互相垂直的关节，也可耦合驱动。导向轮轴14和导向过渡轮13的作用是引导缆绳以预定的方向延伸到器械杆2的输入端21，其位置和数量可以根据根据缆绳数量、方向等进行调整，本实施例只是其中一种可选方案。
78.本实施例中，末端关节23是一个两自由度、转轴相互垂直的关节，可以根据需要变更自由度数量、关节数量和关节形式。手术工具3的开合传动结构只是当前传动方案下的一种优选方案，可以替换为螺旋传动、缆绳滑轮传动等其他方案。
79.本实施例中，器械盒1中的导向过渡轮13和测力组件4中的导向轮43的侧面均设置有环形槽，缆绳缠绕在环形槽内，环形槽的形状可以根据缆绳的类型和工作模式进行改变。
80.本实施例中，应变梁411可以是本实施例中垂直于导向梁412的“一”字梁，也可以是能使得导向梁两侧受到的不对称力在应变梁411上产生变形的其他形式。
81.本实施例中，远端关节23只是一种优选的结构方案，可以替换为其他使用缆绳独立驱动或耦合驱动的结构方案。
82.上述可知，与力检测装置位于器械末端的手术器械相比，本技术方案提供的具有力检测功能的手术器械100，一方面力检测装置与信号接收装置距离较近，减小了信号传输过程中的干扰，提高了力的测量精度；另一方面力检测装置安装在器械近端的器械盒中，内部空间较大，结构布置更加灵活，并且容易安装，降低了结构的复杂程度，提高了结构的可靠性，降低了成本；最后通过直接测量传动件的力即可得到对应的末端关节的合力，避免了测量过程中的力耦合，不需要复杂的解耦计算便可以直接得到器械的真实受力，简化了力检测过程，提高了手术器械力检测的可靠性。
83.本技术方案中提供的手术器械可以同时测量一对或多对驱动缆绳两侧的张力差(每对缆绳是由一个转轴驱动)，每对缆绳可以单独控制末端手术工具或者与末端手术工具相连接的活动关节，也可以使用多对缆绳进行耦合控制，通过测量驱动缆绳两侧的张力差进而得到末端手术工具或者活动关节所承受的负载。
84.此外，本技术方案还提出一种包含上述具有力检测功能的手术器械100的手术机器人系统，其具备上述手术器械所具备的所有优势，在此不再赘述。
85.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
86.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。