一种用脚控制的手术机器人控制装置的制作方法

本发明涉及一种手术机器人系统，具体涉及一种用脚控制的手术机器人控制装置。

背景技术：

随着科技的进步，越来越多的微创外科手术开始普及。微创手术具有创伤小、患者较容易恢复等优点，随着医用内窥镜技术的发展，微创手术越来越得到广泛的应用。但微创手术的观察视野狭小、手术区域不灵活，因此其手术难度比一般的普通手术难度要大得多。需要一名主刀医师和一名持镜操作师进行完美的配合，才能使一场手术达到理想的效果。而两者间的默契需要主刀医师和持镜操作师长期配合才能形成，且中间还存在很多不稳定的因素。

手术机器人的出现改变了常规手术方式，主刀医生可以脱离手术台，在旁边的控制器上操作机械臂为患者手术。

以目前世界上最先进的达芬奇手术机器人为例，其脚踏实际上是一个具有切换功能的开关电源控制器，是通过切换控制线路来工作的。当踩下摄像机踏板时，主操作手与机械臂的控制线路断开，此时主操作手可以调整摄像机的位置，直接实现视野的上下左右移动及旋转。放开摄像机脚踏可使主操作手与机械臂重新获得连接。离合器脚踏板可以实现主操作手和控制端的脱离，在机械臂系统完全不动的情况下，主操作手可以移动到符合人机工程学的位置。达芬奇还有一个脚踏板控制电热系统，此外还有一个备用脚踏板。

人的脚具有灵活度，可以像手一样完成一些简单的夹取动作。但由于没有适合被脚灵活控制的控制器，所以在绝大部分设备中，脚只能执行一些简单的踩踏动作。因此研发一种适合脚操作的机器人控制装置对全世界机器人领域发展具有重要意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用脚控制的手术机器人控制装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的用脚控制的手术机器人控制装置，包括基座、支撑件和安装在所述基座上的球窝关节；所述支撑件用于支撑脚；所述球窝关节由球型件和关节座组成，所述关节座内具有感应组件，所述感应组件用于感应所述球型件的运动；所述关节座内还具有限位件。

优选，所述感应组件包括感应件和感应器，感应件和感应器直接连接或通过传动装置联接。所述感应件与球型件紧密连接，通过摩擦或啮合传动。

具体地，所述感应件和球型件上分别安装有感应磁极和磁传感器，所述磁传感器感应到感应磁极运动后产生的磁场变化，产生脉冲信号。

具体地，所述的限位件是关节座外壳上的通孔，所述通孔直径小于球型件直径。用于限制球型件只能在关节座内做旋转运动。

具体地，所述的支撑件是固定连接在基座上的脚踏，所述脚踏与脚接触面是弧形。

具体地，所述的支撑件与基座活动连接的脚踏。优选，脚踏一端与基座活动连接，另一端与基座通过弹簧连接，用于提供弹性支撑。

具体地，所述的支撑件是悬吊在基座上的足套。优选，足套下部有硬质的脚踏，上部为柔软布料制成。优选用弹性吊带悬吊，可以提供更大的自由度。

具体地，所述的基座和/或支撑件上有触碰传感器或按钮。用于接收脚的控制动作。

具体地，所述球型件中心有通孔，所述通孔内有穿过物，所述穿过物为通道管和/或控制杆。所述的穿过物上有适合脚趾夹持的杆。优选，杆头有扁圆的环。

具体地，所述球型件通孔内有穿过物，所述球型件内安装有感应穿过物运动的感应组件。所述感应组件可以感应穿过物进退或旋转运动。

具体地，所述球型件中心的通孔内穿设有通道管，所述通道管内有穿过物，所述通道管的管壁上安装有感应穿过物运动的感应组件。所述感应组件可以感应穿过物进退或旋转运动。

具体地，所述感应组件包括感应件和感应器，所述感应件和感应器直接连接或通过传动装置联接。

具体地，所述关节座内和/或球型件内还包括驱动组件，所述驱动组件与所述球型件或所述通孔内的穿过物传动连接。优选，所述驱动组件包括驱动件和驱动电机，驱动件和驱动电机直接连接或通过传动装置联接。

本发明同时提供一种手术机器人，其特征在于：该手术机器人的结构是在所述用脚控制的机器人控制装置结构的基础上，采用驱动组件替换机器人控制装置中的感应组件。

操作者通过脚控制装置遥控手术机器人执行左右、俯仰、旋转或前进等动作。可以有如下方式：1、在手术台下通过脚遥控装置控制手术机器人运动。2、主刀医生在手术台上，自己用脚遥控。

有益效果：

1.减少手术人员配置。该系统可以让主刀医生在双手操作时，还能由脚自由控制其他的机械臂，相当于多了两只手，减少一个扶镜医生或助手医生，也能避免两人沟通时发生的障碍。

2.结构简单，安装、调试简单。需要控制的部件少，系统简单，发生故障少，维修容易。经济性好，减少患者的经济负担。

本发明利用球窝关节的三维旋转能力简化了手术机器人及控制装置的结构，而且开发了主刀医生的双脚。手脚并用可以让主刀医生直接控制原来需要助手配合的机械臂，避免了两人之间的沟通误差，并用可以提高手术操作效率，而且操作便利。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

附图说明

图1是实施例一中安装在控制台上的脚控手术机器人控制装置的示意图；

图2是实施例一中脚控时放大构示意图；

图3是实施例一中球窝关节结构示意图；

图4是实施例一中球窝关节内部结构示意图；

图5是实施例一中感应组件结构示意图；

图6是实施例一中磁场变化感应组件结构示意图；

图7是实施例二中球型件内穿过控制杆的示意图；

图8是实施例二中球型件内安装球内感应组件的示意图；

图9是实施例三中有通道管和感应座的控制装置示意图；

图10是实施例三中有防旋转横梁的控制装置示意图；

图11是实施例四中有踏板结构的脚控制装置示意图；

图12是实施例五中有悬吊足套的脚控制装置侧面示意图；

图13是实施例五中有悬吊足套的脚控制装置立体示意图；

图14是实施例六中提供的一种被上述实施例控制的手术机器人示意图。

其中：1-球型件，2-球窝关节，3-基座，4-控制件，5-支撑件，6-感应组件，7-脚趾，8-球窝关节手术机器人，9-执行器械；

11-球型件外壳，12-球型件通孔，13-球内感应组件；

21-关节座，22-防旋转横梁，23-通孔，

31-横梁，32-立柱，33-底座，34-弹簧；

40-通道管缺口，41-通道管，46-感应座，47-控制杆，48-球型杆头；

51-球型脚踏，52-踏板，53-圆孔，54-连接环，55-吊带，56-足套，57-按钮；

61-感应件，62-旋转编码器，63-感应滚轴，64-感应磁环，65-霍尔传感器及电路板，66-外壳；67-传动装置，68-感应件固定架。

具体实施方式

实施例一

如图1和图2所示，用脚控制的手术机器人控制装置是球窝关节2以及起支撑作用的基座3和球型脚踏51。球窝关节2由球型件1和关节座21组成，球型件1上连接有控制杆47和球型杆头48。操作者坐在控制台前，用脚趾7控制球型件1在关节座21内向左右、前后旋转。运动的位移和方向都分别被感应设备感应后产生信号，经控制台处理后传送到手术机器人。关节座21直径10cm，厚4cm，球型件1直径6cm。

如图3、图4和图5所示，关节座21内具有感应组件6。关节座21中心有孔，其直径小于球型件1最大直径，可以作为限位件限制球型件1只能在关节座21内转动。关节座21为两对称部分对合组成，对合后将球型件1卡位于关节壳内，被内部固定的互相垂直的感应组件6共同夹住。驱动组件6有固定卡座固定，与球型件1的接触点围绕球型件1中心点呈对称分布，并且都在同一平面上。感应组件6的位置在所安装部位对应的外壳表面有标示。在一个非限制实施例中，外壳为透明材料制成，可以直接看见内部不同组件的位置。

球型件1的中心连接控制杆47，可以被控制杆47带动发生旋转。感应件61与球型件1紧密接触，通过摩擦传动也被带动旋转。再通过传动装置67将动力传至旋转编码器62，使之旋转发出电信号给手术机器人。

在一个非限制实施例中，感应组件6有图6所示结构，感应件61是球型，与球型件1接触。感应件61的转动可带动感应滚轴63转动，安装在感应滚轴63上的感应磁环64会随之转动。安装在电路板上的霍尔传感器65感应到感应磁环64上磁极的变化，产生脉冲信号，通过信号传输系统发送到手术机器人。

在一个非限制实施例中，感应组件6安装有磁传感器，球型件1上安装有感应磁极。当球型件1旋转运动时，感应磁极与磁传感器之间的距离和磁性发生变化，从而产生信号，经计算机处理后形成有效的控制机器人运动的信号。

实施例二

如图7和图8所示，本实施例与实施例一相似，区别在于本实施例中球型件1中心有通孔23，内部还有球内感应组件13，与上述感应组件6有相同的结构，其感应件与控制杆47紧密接触，通过摩擦传动也被带动旋转。当控制杆47在球型件1的通孔内做前后运动时，会带动球内感应组件13运动，使之发出电信号给手术机器人。

在一个非限制实施例中，球内感应组件13上有齿轮，控制杆47上有与之契合的齿条，二者通过齿轮啮合传动。

在另一个非限制实施例中，球内感应组件13上分别安装有磁传感器，控制杆47上安装有感应磁极。当控制杆47上下或旋转运动时，感应磁极与磁传感器之间的距离和磁性发生变化，从而产生信号，经计算机处理后形成有效的控制机器人运动的信号。

操作者如图1用脚夹住控制杆47，脚的运动被分解为上、下、前、后、左和右这几种运动，运动的位移和方向都分别被感应组件6和球内感应组件13采集，经信号处理传送到手术机器人。

实施例三

如图9和图10所示，本实施例与实施例二相似，区别在于，本实施例中球型件1的通孔23内穿设有通道管41，通道管41内穿设有控制杆47。通道管41上有长条形的感应座46，感应座46内有感应组件6。感应组件6通过通道管41上的通道管缺口40与控制杆47紧密接触，可以感应控制杆47在通道管41内的前后运动。

本实施例中球内感应组件13的感应件61长轴与通道管41的长轴平行。使用者用脚拨动感应座46，可以带动通道管41在球型件1内旋转，带动球内感应组件13的感应件61旋转，产生电信号。

通道管41位于球型件1通孔23两端的开口处分别有限位件，限位件宽于通孔23的直径，限制通道管41在球型件1内只能旋转，不能前后运动。

球型件1上有对称分布的旋转横梁14，卡在防旋转固定架15中的凹槽内。防旋转固定架15中的凹槽与关节座21的底面垂直，可防止球型件1在运动中沿通道管41的长轴方向发生旋转。

关节座内只有两组相互垂直的感应组件6，可以减轻重量。在一个非限制实施例中，空余空间安装电池和无线传输装置，用于供电和无线联系。

操作者如图1用脚趾7夹住控制杆47，脚的运动被分解为上、下、前、后、左、右和旋转这几种运动。控制杆47运动的位移和方向都分别被各处感应组件感应。其中关节座内感应组件6感应前后左右运动，球内感应组件13感应旋转运动，感应座46内感应组件感应上下运动。采集的信号经处理传送到手术机器人。

实施例四

如图11所示，本实施例与实施例三相似，区别在于本实施例中球窝关节上还安装踏板52上。踏板52为长条型，通过连接环54与横梁31活动连接。踏板52会使操作者感觉更加舒适，前方有圆孔53被控制杆47从下方穿过。基座横梁31上还安装了弹簧34为踏板52提供向上的弹力。

在一个非限制实施例中，踏板52上还设有至少一个按钮或感应装置，使用者可以用脚触碰这些按钮或感应装置，控制更多设备。

实施例五

如图12和图13所示，本实施例与实施例三相似，区别在于踏板不安装在基座横梁31上，而是通过吊带55悬吊在基座上。吊带55为脚提供支撑的同时也方便脚自由活动。控制杆不从踏板中间穿过而是活动连接在踏板底部。踏板52上有足套56，让操作者脚和踏板一体化运动。踏板52上还有按钮57供脚趾按压。

操作者用脚操纵控制杆4，使球窝关节2内的感应组件6产生电信号，将输出信号传送给被控制的手术机器人。操作者还可以用脚趾7按压不同的按钮来进一步控制手术机器人的活动。

实施例六

如图14所述，本发明还提供一种被上述实施例控制的手术机器人，是球窝关节机器人8，与实施例一中用脚控制装置具有相似的结构。区别在于，球窝关节机器人8的尺寸是控制装置的1-5倍。内部除了安装感应组件6之外还安装了驱动组件。驱动组件由驱动电机驱动，通过传动装置驱动球型件和连接在球型件上的执行器械9运动。控制装置中的每一个感应组件6在球窝关节机器人8的对应位置均为驱动组件。控制装置中的控制杆47在球窝关节机器人8的对应位置是执行器械9。

本实施例中用脚控制装置中除了安装感应组件6之外也安装了驱动组件。执行器械9的运动被球窝关节机器人8的感应组件采集，经信号处理传送到用脚控制装置，控制内部的驱动组件运动，带动控制杆运动。由于此时控制杆被操作者用脚趾夹着，因此会给操作者以力反馈，产生真实触碰组织的触觉并感受反作用力的大小。

实施例七

用脚控制的手术机器人控制装置安装在操作台上，使用时，球窝关节手术机器人8由操作台控制，操作台的指令由脚控制装置下达，通过rtc即时通讯到达从端机器人控制装置，从端机器人控制装置接收指令后将传达给球窝关节手术机器人8进行相应的动作。球窝关节手术机器人8的状态汇总到从端机器人控制装置，由从端机器人控制装置通过rtc通讯到达操作台，同时操作台的状态信息与球窝关节手术机器人8的状态信息汇总处理后通过液晶面板反馈给工作人员。

操作台控制装置上设置有用于监测工作人员是否到位的监测装置及用于显示操作台及机器人的状态信息的显示器。监测装置在监测到非正常状态时，则会根据监测结果进行制动或断电操作，以确保手术的安全进行。作为优选的，上述监测装置包括3d体感摄影机(kinect)和脚踏开关，当3d体感摄影机监测到工作人员到位时，才能够进行球窝关节手术机器人8的部分功能操作，此时工作人员打开开关时，球窝关节手术机器人8便能够开始运作；在工作人员未到位时，且未打开开关，球窝关节手术机器人8制动，以避免非正常因素所引起的操作界面运作而导致的球窝关节手术机器人8移动。

机器人控制装置上还设置了用于获取电机状态信息的电机驱动装置及反应机器人状态的电机制动装置，当监测到危险信号时，电机制动装置自动制动。上述电机驱动装置能够与编码器配合使用，在编码器监测到球窝关节手术机器人8的运动路径存在异常时，编码器能够将信息反馈至电机驱动装置，并使电机驱动装置驱动电机开始新的工作路径。

上述机器人控制装置上还包括有电机通讯装置，以实时监测电机与电机驱动装置、电机驱动装置与球窝关节手术机器人8之间的反馈状态，并将监测信息反馈至工作人员，在出现故障的情况下，电机通讯装置能够根据监测信息进行制动灯操作，以保证手术机器人的正常运作，或者将故障信息反馈至工作人员，使工作人员能够快速处理故障。

此外，操作台控制装置用于记录球窝关节手术机器人8参数信息和/或操作台参数信息的数据记录模块，以便于查找故障信息。具体的，该数据记录模块包括运行日志和控制手数据，比如在控制手数据中，工作人员操作手柄，通过操作台控制器传达到球窝关节手术机器人端，使球窝关节手术机器人8运动，球窝关节手术机器人8动作时的信息通过编码器、电机驱动装置反馈到操作台控制器，形成反馈机制，若操作数据与编码器或电机数据出现不一致，则系统自动调整，若调整不了，则出现故障，需要在控制手数据中查看数据并找寻故障地点。

作为优选，操作台控制装置上设置有用于紧急制动的急停开关以在发生故障时对机器人进行紧急制动，进而减少故障所造成的损失。

本申请的一个实施例中，机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测电压并保护电路的第一ups电源(不间断电源)和第二ups电源。用于监测电压的大小及电网的稳定情况，且在断电的情况下，启用上述ups电源，保证手术的顺畅进行，并将监测所得的信息通过操作台控制器反馈给工作人员。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有监测控制装置各部位电路状态的第一电源功率监测器和第二电源功率监测器，电路的电压、电流数值在预设参数范围内时则正常工作，超过预设参数时，则有故障存在，立即制动或断电。

机器人控制装置和操作台控制装置上还分别设置有显示球窝关节手术机器人8工作状态的第一状态指示灯和显示操作台工作状态的第二状态指示灯。上述指示灯能够将机器人端和操作台的工作状态最直观的呈现给工作人员，工作人员根据指示灯的显示情况，通过检查错误代码，能够快速的查找出故障所在。具体的，上述指示灯可具体设置有正常、待命、警告、危险等指示情况，以便工作人员监测机器人的使用状态。

本发明实施例提供的用脚控制的手术机器人控制装置，具体包括操作台控制装置及机器人控制装置，以分别对操作台及球窝关节手术机器人的状态进行控制，且操作台控制装置与机器人控制装置连接，从而实现两者之间的信息连接及反馈，使工作人员能够在操作台端对球窝关节手术机器人进行操作以实施手术。手术过程中，监测装置能够实时监测工作人员是否到位，从而判断是否进行制动，有效的避免了部分误操作下球窝关节手术机器人的运作；显示器能够将操作台及机器人的所有状态信息显示直接呈现给工作人员，使工作人员能够快速准确的发现系统存在的问题，进而快速解决问题，保证手术的安全；此外，机器人控制装置上的编码器能够记录电机的转动圈数，从而记录机械手臂的运动轨迹，通过编码器反馈的信息系统可以自动判断运动路径是否存在问题，并判断多个球窝关节手术机器人运动时是否发生干涉，根据其反馈信息能够确保各球窝关节手术机器人更加精准的安全工作，进而提高了手术的安全性。

基于上述实施例提供的控制装置，本发明实施例还提供一种手术机器人，包括操作台、球窝关节手术机器人，及分别与操作台及球窝关节手术机器人连接的控制装置；且控制装置为上述任一项的控制装置。对于上述手术机器人的其余部分的结构，请参见现有技术，本文不再赘述。

由于该手术机器人具有上述控制装置，因此在一定程度上，该手术机器人也具有较高的使用安全性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，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，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。