一种多自由度手术机器人控制装置的制作方法

本发明涉及一种手术装置，具体涉及一种多自由度手术机器人控制装置。

背景技术：

在微创手术中，外科医生通过患者身上打开的较小创口，借助细长的微创手术器械进入人体实施手术操作任务。与传统的开放式手术相比，微创手术具有创伤小，术后恢复快，复发率降低，并发症减少等优势。基于微创手术创口小的特点，微创手术要求的手术路径复杂，手术操作空间狭窄，在操作中常会遇到手术遮挡区域的情况。另外手术中的不同操作任务(夹持、缝合、打结等)都增加了手术的难度。这些情况都要求手术器械需要有足够的腕部自由度，保证末端执行机构顺利到达手术操作部位并完成动作。但目前缺乏一种能够在较复杂的手术环境中进行复杂手术操作的专用器械。现有的产品中主要以预弯曲和可转腕来实现腹腔镜手术钳的弯曲和旋转。由于预弯曲单孔腹腔镜手术钳的器械间存在相互干扰、手柄缺少指向性、手柄转动使器械位置难以控制等不足，且单一形状手术钳无法满足各种手术位置的需求，造价昂贵，不利于长期使用和维护。有些手术器械如中国专利文献cn106264665a所公开的一种可弯曲的手术装置，虽然可以完成主动弯曲，但弯曲自由度较少。现有技术中也有靠多个伺服电机控制的可转腕的腹腔镜手术钳，既可以根据手腕的运动来控制器械头部的运动，实现多个自由度的灵活操作，同时又能锁定角度，如美国的“达芬奇”手术机器人，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。

但这“达芬奇”手术机器人结构复杂，价格昂贵，机械臂巨大笨重，其控制装置也巨大笨重。因此研发一种简洁轻巧的机器人及其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，本发明提供一种多自由度手术机器人控制装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的多自由度手术机器人控制装置，包括万向关节、支撑装置、感应组件和驱动装置；所述万向关节分别连接支撑装置和驱动装置；所述感应组件用于感应万向关节的活动。

具体地，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。

具体地，所述驱动装置的表面与感应组件紧密接触。

具体地，所述万向关节包括万向联轴器。优选万向联轴器中的主动轴连接驱动装置，从动轴连接支撑装置

优选，万向联轴器是十字轴式万向联轴器或球笼式万向联轴器。优选，单关节的十字轴式万向联轴器。

具体地，所述驱动装置有适合握持的表面，所述驱动装置的表面与感应组件紧密接触。优选，所述驱动装置驱动装置是空心球，内部空腔为球型，外部有适合手握持的表面，万向关节位于在空心球的中心。所述空心球的内表面与感应组件紧密接触。感应组件通过曲杆与从动轴固定连接。

优选，空心球将万向关节包裹在中心位置，通过主动轴与万向关节连接。使用者握持空心球时可以以万向关节为圆点进行多方向旋转。

具体的，所述万向关节包括球窝关节，所述球窝关节包括球座和球头，所述球座有球型外表面，所述球座外表面与感应组件紧密接触；所述感应组件通过曲杆与支撑装置固定连接。

具体地，所述感应组件和万向关节上分别安装有感应磁传感器或和磁极，所述磁传感器可感应到感应磁极运动后产生的磁场变化，产生脉冲信号。

具体地还包括指控装置，所述指控装置安装在驱动装置上，用于控制手术器械。优选扳机结构，扳机的扳动可引起弹簧形变，带动拉索产生电信号。或者指套有类似剪刀的结构，其开关和闭合引起固定轴的旋转，带动旋转编码器产生电信号。

具体地，还包括硬质外壳，所述外壳上有通孔，所述感应装置固定在外壳上；所述感应装置穿过所述通孔。

优选，所述外壳与万向关节之间有摩擦件，支撑装置内有支撑弹簧；当操作者按压驱动装置时万向关节与摩擦件脱离，当操作者松开驱动装置时支撑弹簧令万向关节与摩擦件接触，并将万向关节和外壳相对位置锁定。

具体地，还包括驱动组件，所述驱动组件用于驱动万向关节运动。优选，驱动装置是空心球，驱动组件是伺服电机，通过滚轴与空心球的内表面紧密接触，可以驱动空心球以万向关节为中心旋转，让使用者有阻力感觉。

本发明还提供一种手术机器人，其特征在于：是在上述任一种多自由度手术机器人控制装置的结构基础上，采用驱动组件替换用机器人控制装置中的感应组件。

有益效果：本发明具备以下显著的进步：

1、可以灵活旋转弯曲，拥有可媲美人类手腕的自由度。

2、操作方便。手控实施例：手术者可以单手同时控制旋转和夹持。手掌握住驱动装置可以实现两个自由度的前后、左右旋转。手指套入指套后，可以控制手术机器人末端的执行装置开合运动。

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是本发明实施例一中控制装置结构示意图；

图2是实施例一的剖面示意图；

图3是感应组件的内部结构示意图；

图4是与旋转编码器连接的感应组件示意图；

图5是与伺服电机连接的驱动组件示意图；

图6是实施例二中使用十字轴式万向联轴器的控制装置示意图；

图7是实施例三中使用空心球做驱动装置的控制装置示意图；

图8是实施例三中控制装置剖面示意图；

图9是实施例三中空心球向左旋转的示意图；

图10是实施例三中空心球向前旋转的示意图；

其中：

1-万向关节，2-支撑装置，3-感应组件，4-驱动装置，5-指套，6-控制杆，7-球窝关节；

11-十字轴式万向联轴器，12-主动叉，13-从动叉，14-十字轴，15-曲杆，16-球座，17-球头，18-方向控制件；

20-扳机，21-支撑弹簧，22-支撑杆，23-支撑架，24-手柄，25-弧圈，26-执行拉索，27-扳机锁定齿，28-执行拉索孔，29-外壳；

31-感应件，32-旋转编码器，33-感应滚轴，34-感应磁环，35-霍尔传感器及电路板，37-传动装置，38-旋转杆；

41-空心球，42-缺口，43-连接杆，44-半球头。

具体实施方式

实施例一

本实施例的机器人手术控制装置如图1、图2所示，便于采用手控的方式操作，整体呈枪形，具有手握的手柄24，贴合手术者手的弯曲方向，弯曲弧度符合人体工程学。

操作者控制可多方向运动的球窝关节运动，驱动感应组件3产生电信号来控制手术机器人运动。球窝关节由半球型的球座16和球头17组成。球座16底面有半球型凹陷，大小与球头17相适合，共同形成球窝关节。

球头17连接在支撑杆22上，支撑杆22上安装了支撑弹簧21，支撑弹簧21安装在支撑架23和球头17之间。支撑架23与控制装置外壳29固定连接，外壳29与球座16接触的部分为半球型球壳，后部有圆形通孔，通孔直径小于球座16的球型直径，从而限制球座16只能在空心半球型的外壳29内部运动。

外壳29上固定连接有至少一个感应组件3，本实施例中还安装了2个驱动组件8，其驱动方向相互垂直。感应组件3和驱动组件8都通过曲杆15固定连接在外壳29上。

感应组件3结构如图3所示，其球型的感应件31通过外壳29上的小通孔与球座16紧密接触，可以被球座16驱动旋转。感应件31的转动可带动感应滚轴33转动，安装在感应滚轴33上的感应磁环34会随之转动。安装在电路板上的霍尔传感器35感应到感应磁环34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。

如图4所示，在一个非限制实施例中，感应组件3具有球型的感应件31，通过外壳29上的小通孔与球座16紧密接触。感应件31的转动可带动旋转杆38转动，通过传动装置37传递给旋转编码器32，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3安装有磁传感器，球座16上安装有感应磁极。当球座16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。

如图5所示，驱动组件8具有球型的驱动件30，通过外壳29上的小通孔与球座16紧密接触，可以驱动球座16旋转。伺服电机39的转动通过传动装置37传递给旋转杆38，可带动驱动件30转动，从而给球座16的运动带来一定阻力，对使用者产生一定的力反馈。

方向控制件18可以选用球形、环型、柱形和碗型等，优选碗型，以下都以碗型为例，连接在球座16上，操作者用拇指就可控制球座16多方向旋转。还可以连接柔性圆筒型拇指套，方便拇指较短的手术者使用。

球座16的外表面和外壳29内表面之间有摩擦锁定，摩擦锁定是安装了高摩擦系数的摩擦材料。摩擦材料可以固定在外壳29的内表面或球座16的外表面，也可以二者都有。球座16断面中心有光滑的凹陷，与光滑的球头17形成无摩擦的球窝关节。球座16被球头17顶压时，会与外壳29内的摩擦材料紧贴，锁定在当前位置。当手术者通过方向控制件18按压球座16时，球座16与摩擦材料脱离，可在光滑的球窝关节上灵活转动方向。当转到手术者满意的方向时，减小按压力度，球座16再次与摩擦材料接触，接触越紧摩擦力越大。手术者停止按压时，球座16会被摩擦力锁定在当前位置。曲杆15具有弹性，可始终给感应组件3和驱动组件8以压力，保持感应件31和驱动件30始终与球座16紧密接触。

握持部包括手柄24、弧圈20、扳机25、执行拉索孔28、扳机锁定齿27。使用时，扳机25向后拉动后，可以带动执行拉索26，执行拉索26从执行拉索孔28处穿出与扳机25相连，另一端牵引弹簧。执行拉索孔28内设有感应组件3，当执行拉索26来回运动时，可以被感应组件3记录运动位移。

扳机25的弧圈20用于遮挡扳机25，防止误操作。另外由于拇指需要套在控制方向，不能参与握持手柄25。设计较大的弧圈20，可以将中指套入，将弧圈20夹在中指和无名指之间，使握持更加稳定有力。

弧圈20上有扳机锁定齿27，手指向内把扳机25钩入齿槽可以将扳机25锁定，维持执行拉索26固定在某一位置。手指继续拉扳机25，扳机会沿着齿槽的斜面滑入下一个齿槽。轻轻侧推可以滑出扳机锁定齿27，让扳机25自由活动。松开扳机25，执行拉索26在弹簧的弹力下初始恢复状态。

实施例二

本实施例如图6所示，是对实施例一中球窝关节的一种改进，改进之处在于将球窝关节改为十字轴式万向联轴器11。

十字轴式万向联轴器11的主动叉12连接在半球头44上，从动叉13连接在支撑杆22上，两者经过十字轴14连接，同时又可以绕十字轴中心在任意方向摆动。十字轴式万向联轴器11可以为半球头44提供灵活的支撑，也会限制半球头44无法22以支撑杆为轴心旋转。

在一个实施例中，十字轴式万向联轴器11被球叉式万向联轴器替代。在另一个实施例中，球笼式万向联轴器11被球笼式万向联轴器替代。

实施例三

如图7-图10所示，本实施例的手术装置使用空心的驱动装置4，内部空腔为球型，外部有适合手握持的表面，本实施例选用空心球41作为驱动装置4。万向关节1包在空心球41中心，十字轴14的中心也是空心球41的球心，当使用者握持空心球41时，可以万向关节1的中心旋转。

万向关节1选用十字轴式万向联轴器11，主动叉12通过连接杆43与空心球41固定连接，从动叉13与控制杆6连接。控制杆6与球窝关节控制装置7连接，可以控制内部的球窝关节运动，带动感应器产生控制信号。

感应组件3通过曲杆15固定连接在从动叉13或控制杆6上面。曲杆15具有弹性，可始终给感应组件3以压力，保持感应件31始终与空心球41的内壁紧密接触。当空心球41旋转时，会带动感应组件3产生控制信号。

在一个非限制实施例中，驱动组件8也通过曲杆15固定连接在从动叉13或控制杆6上面。曲杆15具有弹性，可始终给驱动组件8以压力，保持驱动件30始终与空心球41的内壁紧密接触。当伺服电机39带动驱动件30旋转时，会带动空心球41运动，对使用者产生一定的力反馈。

实施例四

本实施例与实施例三结构相似，区别在于空心球41上还安装有类似剪刀结构指控装置，设有食指和拇指的指套，通过旋转柄连接在同一个旋转轴上，指套的开合引起旋转轴的旋转，带动与旋转轴连接的旋转编码器产生控制电信号。

本发明结构设计合理，便于使用，同时具备良好的便携性及经济性。

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。