具备触觉反馈功能的高级微创手术机器人系统的制作方法

本实用新型属于医疗器械技术领域，涉及一种微创手术机器人系统，特别涉及到一种具备触觉反馈功能的高级微创手术机器人系统系统。

背景技术：

传统的外科手术是医生用医疗器械对病人的身体病灶进行切除、缝合等治疗。用刀、剪、针等器械在人体局部进行操作，除去病变组织、修复损伤、移植器官、改善机能和形态等。然而在某些手术中，患者需要承受巨大的痛苦。相对于传统外科手术而言，手术机器人具有定位时间短、创伤小、定位精，减少人为误差、可以代替医务人员进行有损害的操作等优点。

手术机器人由上个世纪20年代完成研发并具体应用到医疗手术实施当中。至此的几十年中，手术机器人不断更新换代。就应用市场占有率而言，目前最广的主要包括伊索手术机器人、宙斯手术机器人以及达芬奇手术机器人。

以达芬奇手术机器人系统为例，目前最新的达芬奇系统包括三个部分，分别为符合人体工程学的医生操作台，配有四个互交式器械臂的患者手术车，以及集成三维高清视频系统和专用系统处理器的视频塔。其中上述四个互交式器械臂分别包括三个主器械臂以及一个镜头臂。主器械臂用于卡持手术器械以完成具体的手术动作，镜头臂用于架设内窥镜以为手术医生提供视角。

但目前该系统存在致命缺点，即手术医生无法在无菌室外的医生操作台上获得具体的手术触觉感受。在以往正常的手术过程当中，医生仅依靠自身，手持手术器械进行外科手术，可以通过手以及手术器械与患者肉体的碰触获得感觉，医生在进行大量外科手术之后，由于触感经验的积累，会形成宝贵的手上感觉，即手感，手感对于外科手术的良好进行，通常起到非常大的作用。

但使用常规的微创手术机器人系统对患者进行微创手术时，由于医生不与患者进行直接接触，而是均由手术机器人完成。在整个手术过程当中，医生仅能获得包括听觉和视觉等有限信息资源，结合获得的听觉和视觉信息，医生依据判断，决定机械臂的具体动作。医生的每个动作必须依靠视觉完成，如此会极大的延缓医生手术完成时间，增加医生投入精力，加大医生出错概率，提高手术风险。并且虽然在现有技术的达芬奇微创手术机器人中，为了避免手术器械的横向拉动造成患者微创部位撕裂受伤，而设计了以微创点为基点转动的行动模式，但手术机器人为了能够达到上述目的，往往采用较为复杂的结构和软件加以配合才能实现，不利于微创手术机器人后续的微型化，简易化发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，提供一种新型的微创手术机器人，具有不同于现有技术的触觉反馈功能，医生在利用机械臂进行手术的过程当中，亦会感受到触感，使整个手术过程更为安全，并且手术时间耗时更短。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种具备触觉反馈功能的高级微创手术机器人系统，包括主端医生控制台以及从端患者手术车，所述主端医生控制器包括处理系统组件以及主控制器，位于所述从端患者手术车上设置有机械臂；其特征在于：

所述主控制器与所述机械臂同构；所述主控制器包括肩关节控制部件、肘关节控制部件以及腕关节控制部件，所述肩关节控制部件、肘关节控制部件以及腕关节控制部件均与所述处理系统组件电连接；位于所述肩关节控制部件上连接有一肩关节变力阻碍部件，位于所述肘关节控制部件上连接有一肘关节变力阻碍部件，以及位于所述腕关节控制部件上连接有一腕关节变力阻碍部件，所述肩关节变力阻碍部件、所述肘关节变力阻碍部件以及所述腕关节变力阻碍部件均与所述处理系统组件电连接；

所述机械臂包括机械臂基座、大臂、小臂以及手术器械末端连接器，所述机械臂基座通过一前端关节与所述大臂的一端相连接，所述大臂的另一端通过一中间关节与所述小臂的一端相连接，所述小臂的另一端通过一末端关节与所述手术器械末端连接器相连接，所述前端关节、所述中间关节与所述末端关节均与所述处理系统组件电连接；位于所述前端关节上安装有一前端角度传感器，位于所述中间关节上安装有一中间角度传感器，位于所述末端关节上安装有一末端角度传感器，所述前端角度传感器、所述中间角度传感器以及所述末端角度传感器均与所述处理系统组件电连接；

所述处理系统组件包括驱动单元、中央处理单元和反馈单元；其中，所述驱动单元包括主端数据采集模块以及从端关节控制模块，所述中央处理单元包括数模信号转换模块以及解码模块，所述反馈单元包括从端数据采集模块以及主端阻碍控制模块；所述数模信号转换模块分别与所述主端数据采集模块、所述从端数据采集模块、所述解码模块、所述从端关节控制模块和所述主端阻碍控制模块相连接；

所述肩关节控制部件、肘关节控制部件以及腕关节控制部件均与所述主端数据采集模块电连接；所述前端关节、所述中间关节与所述末端关节均与所述从端关节控制模块电连接；所述前端角度传感器、所述中间角度传感器以及所述末端角度传感器均与所述从端数据采集模块电连接；所述肩关节变力阻碍部件、所述肘关节变力阻碍部件以及所述腕关节变力阻碍部件均与所述主端阻碍控制模块电连接。

在本技术方案中，主控制器与机械臂同构，各部件为一一对应的关系，其中具体的：肩关节控制部件对应前端关节，用于对前端关节进行控制；肘关节控制部件对应中间关节，用于对中间关节进行控制；腕关节控制部件对应末端关节，用于对末端关节进行控制。

变力阻碍部件用于阻碍控制部件的形态改变，从而阻碍医生臂部关节运动。其中具体的：所述肩关节变力阻碍部件用于阻碍医生的肩关节运动，所述肘关节变力阻碍部件用于阻碍医生的肘关节运动，所述腕关节变力阻碍部件用于阻碍医生的腕关节运动。

机械臂的各关节用于调整相邻臂部件的夹角以及空间位置。其中具体的，前段关节用于调节机械臂基座与大臂，中间关节用于调节大臂与小臂，末端关节用于调节小臂与手术器械末端连接器。

角度传感器用于感应各关节的角度变化数值。其中具体的，前端角度传感器用于感应前端关节的角度变化，中间角度传感器用于感应中间关节的角度变化，末端角度传感器用于感应末端关节的角度变化。

处理系统组件起到协调主端与从端的作用。其中具体的，驱动单元用于主端驱动从端实施手术动作；中央处理单元用于数据信息的处理；反馈单元用于从端驱动主端实施阻碍动作。更为具体的，主端数据采集模块用于采集由肩关节控制部件、肘关节控制部件以及腕关节控制部件发来的模拟信号；从端关节控制模块用于控制所述前端关节、所述中间关节与所述末端关节运动；从端数据采集模块用于采集所述前端角度传感器、所述中间角度传感器以及所述末端角度传感器的相关模拟信号；所述主端阻碍控制模块用于控制所述肩关节变力阻碍部件、所述肘关节变力阻碍部件以及所述腕关节变力阻碍部件作用。数模信号转换模块用于模拟信号与数字信号之间的转换。解码模块用于主端与从端两者进行计算匹配。

当本方案的具备触觉反馈功能的高级微创手术机器人系统系统，在进行主端控制从端做手术动作时，其工作原理以肩部运动为例：医生穿戴好主控制器，根据自身肩部的运动，触发肩关节控制部件工作，肩关节控制部件将获得的模拟信号被处理系统组件的主端数据采集模块采集，主端数据采集模块后将该采集到的模拟信号传送给数模信号转换模块进行信号转换，数模信号转换模块将模拟信号转换成数字信号后，传输给解码模块，解码模块将该数字信号所代表的动作特征转换为适应从端的动作特征，获得第二组数字信号，后将该组数字信号返回给数模信号转换模块，再次进行信号转换，生成第二组模拟信号，该模拟信号输送给从端关节控制模块，从端关节控制模块根据获得的模拟信号控制机械臂的前端关节作相应动作。从而完成整个从端控制从端的动作。其他关节原理与上述原理类似。

当本方案的具备触觉反馈功能的高级微创手术机器人系统系统，在进行从端控制主端做阻碍动作时，其工作原理以腕部运动为例：医生穿戴好主控制器，使腕关节控制部件固定在医生的腕部。此时医生腕部活动，触发上述主端控制从端的相应动作流程。当该流程进行到最后一步时，末端角度感应器感应末端关节的角度变化，并将该模拟信号传送给从端数据采集模块，而后经数模信号转换模块的信号转换，变为数字信号继续传送给解码模块，此时解码模块会对该数字信号的程度进行判断，如符合常规数值，则判断主端控制从端做了完全动作；当不符合常规数值时，判断主端控制从端做了不完全动作，则会判断此时机械臂的末端关节收到实际阻碍；而后启动保护动作流程。保护动作流程为：解码模块将生成的运动模式数字信息传送给数字信号转换模块，生成模拟信号，该模拟信号会传送到主端阻碍控制模块出，主端阻碍控制模块会控制腕关节变力阻碍部件采用相应大小的力，对腕关节控制部件进行阻碍作用，从而阻碍医生的腕关节活动。医生此时获得阻碍信息，意识到机械臂的末端关节附近收到阻力，从而形成手感。

优选地，所述主控制器的数量为两个，所述机械臂的数量为两个，所述的两个主控制器与所述的两个机械臂一一对应配合。医生最多同时操控两个机械臂活动，因此在本优选的技术方案中，将主控制器与机械臂的数量均设计为两个。

优选地，所述处理系统组件的所述中央处理单元还包括有一校验模块，所述校验模块与所述解码模块相连接。所述校验模块用于校验解码模块的解码结果是否正确，保证了中央处理单元的正常工作，确保了处理系统具有较高的可靠性，使得医生在使用本优选技术方案中的具备触觉反馈功能的微创手术机器人系统时，操作更具安全性。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

医生能够感知机械臂从端的活动状态，并形成手感，同时手术的安全性更高。

附图说明

图1为本实用新型的具备触觉反馈功能的微创手术机器人系统的主控制器的立体结构示意图。

图2为本实用新型的具备触觉反馈功能的微创手术机器人系统的机械臂的立体结构示意图。

图3为本实用新型的具备触觉反馈功能的微创手术机器人系统的拓扑结构示意图。

图4为主端控制从端做手术动作时的拓扑结构图。

图5为从端控制主端做阻碍动作时的拓扑结构图。

图6为另一种从端控制主端做阻碍动作时的拓扑结构图。

其中：

1、主控制器；2、机械臂；3、肩关节控制部件；4、肘关节控制部件；5、腕关节控制部件；6、肩关节变力阻碍部件；7、肘关节变力阻碍部件；8、腕关节变力阻碍部件；9、机械臂基座；10、大臂；11、小臂；12、手术器械末端连接器；13、前端关节；14、中间关节；15、末端关节；16、前端角度传感器；17、中间角度传感器；18、末端角度传感器；19、主端数据采集模块；20、从端关节控制模块；21、数模信号转换模块；22、解码模块；23、从端数据采集模块；24、主端阻碍控制模块；25、校验模块。

具体实施方式

实施例1

参照图1～5，本实施例介绍了一种具备触觉反馈功能的高级微创手术机器人系统，包括主端医生控制台以及从端患者手术车，所述主端医生控制器包括处理系统组件以及主控制器1，位于所述从端患者手术车上设置有机械臂2；所述主控制器1与所述机械臂2同构；所述主控制器1包括肩关节控制部件3、肘关节控制部件4以及腕关节控制部件5，所述肩关节控制部件3、肘关节控制部件4以及腕关节控制部件5均与所述处理系统组件电连接；位于所述肩关节控制部件3上连接有一肩关节变力阻碍部件6，位于所述肘关节控制部件4上连接有一肘关节变力阻碍部件7，以及位于所述腕关节控制部件5上连接有一腕关节变力阻碍部件8，所述肩关节变力阻碍部件6、所述肘关节变力阻碍部件7以及所述腕关节变力阻碍部件8均与所述处理系统组件电连接；所述机械臂2包括机械臂基座9、大臂10、小臂11以及手术器械末端连接器12，所述机械臂基座9通过一前端关节13与所述大臂10的一端相连接，所述大臂10的另一端通过一中间关节14与所述小臂11的一端相连接，所述小臂11的另一端通过一末端关节15与所述手术器械末端连接器12相连接，所述前端关节13、所述中间关节14与所述末端关节15均与所述处理系统组件电连接；位于所述前端关节13上安装有一前端角度传感器16，位于所述中间关节14上安装有一中间角度传感器17，位于所述末端关节15上安装有一末端角度传感器18，所述前端角度传感器16、所述中间角度传感器17以及所述末端角度传感器18均与所述处理系统组件电连接；所述处理系统组件包括驱动单元、中央处理单元和反馈单元；其中，所述驱动单元包括主端数据采集模块19以及从端关节控制模块20，所述中央处理单元包括数模信号转换模块21以及解码模块22，所述反馈单元包括从端数据采集模块23以及主端阻碍控制模块24；所述数模信号转换模块21分别与所述主端数据采集模块19、所述从端数据采集模块23、所述解码模块22、所述从端关节控制模块20和所述主端阻碍控制模块24相连接；所述肩关节控制部件3、肘关节控制部件4以及腕关节控制部件5均与所述主端数据采集模块19电连接；所述前端关节13、所述中间关节14与所述末端关节15均与所述从端关节控制模块20电连接；所述前端角度传感器16、所述中间角度传感器17以及所述末端角度传感器18均与所述从端数据采集模块23电连接；所述肩关节变力阻碍部件6、所述肘关节变力阻碍部件7以及所述腕关节变力阻碍部件8均与所述主端阻碍控制模块24电连接。所述主控制器1的数量为两个，所述机械臂2的数量为两个，所述的两个主控制器1与所述的两个机械臂2一一对应配合。

实施例2

参照图1、图2和图6，本实施例介绍了另一种具备触觉反馈功能的高级微创手术机器人系统，包括主端医生控制台以及从端患者手术车，所述主端医生控制器包括处理系统组件以及主控制器1，位于所述从端患者手术车上设置有机械臂2；所述主控制器1与所述机械臂2同构；所述主控制器1包括肩关节控制部件3、肘关节控制部件4以及腕关节控制部件5，所述肩关节控制部件3、肘关节控制部件4以及腕关节控制部件5均与所述处理系统组件电连接；位于所述肩关节控制部件3上连接有一肩关节变力阻碍部件6，位于所述肘关节控制部件4上连接有一肘关节变力阻碍部件7，以及位于所述腕关节控制部件5上连接有一腕关节变力阻碍部件8，所述肩关节变力阻碍部件6、所述肘关节变力阻碍部件7以及所述腕关节变力阻碍部件8均与所述处理系统组件电连接；所述机械臂2包括机械臂基座9、大臂10、小臂11以及手术器械末端连接器12，所述机械臂基座9通过一前端关节13与所述大臂10的一端相连接，所述大臂10的另一端通过一中间关节14与所述小臂11的一端相连接，所述小臂11的另一端通过一末端关节15与所述手术器械末端连接器12相连接，所述前端关节13、所述中间关节14与所述末端关节15均与所述处理系统组件电连接；位于所述前端关节13上安装有一前端角度传感器16，位于所述中间关节14上安装有一中间角度传感器17，位于所述末端关节15上安装有一末端角度传感器18，所述前端角度传感器16、所述中间角度传感器17以及所述末端角度传感器18均与所述处理系统组件电连接；所述处理系统组件包括驱动单元、中央处理单元和反馈单元；其中，所述驱动单元包括主端数据采集模块19以及从端关节控制模块20，所述中央处理单元包括数模信号转换模块21、解码模块22以及校验模块25，所述反馈单元包括从端数据采集模块23以及主端阻碍控制模块24；所述数模信号转换模块21分别与所述主端数据采集模块19、所述从端数据采集模块23、所述解码模块22、所述从端关节控制模块20和所述主端阻碍控制模块24相连接，所述校验模块25与所述解码模块22相连接；所述肩关节控制部件3、肘关节控制部件4以及腕关节控制部件5均与所述主端数据采集模块19电连接；所述前端关节13、所述中间关节14与所述末端关节15均与所述从端关节控制模块20电连接；所述前端角度传感器16、所述中间角度传感器17以及所述末端角度传感器18均与所述从端数据采集模块23电连接；所述肩关节变力阻碍部件6、所述肘关节变力阻碍部件7以及所述腕关节变力阻碍部件8均与所述主端阻碍控制模块24电连接。所述主控制器1的数量为两个，所述机械臂2的数量为两个，所述的两个主控制器1与所述的两个机械臂2一一对应配合。