力感知连接结构、手术机器人及手术系统的制作方法

1.本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种力感知连接结构、手术机器人及手术系统。


背景技术：

2.戳卡广泛应用于现代微创手术医疗设备中，在腹腔手术机器人中，戳卡的应用非常重要，在使用过程中，需要通过戳卡装置连接手术器械的器械杆，所以戳卡需要被可靠固定工具臂的末端，通过工具臂带动戳卡及戳卡上的手术器械执行手术操作。手术器械执行手术操作时，器械杆与戳卡之间有相互应力，通常通过力感知套管结构来检测该应力。
3.目前的力感知套管结构电气连接基于弹簧顶针接触方式，在器械摆动时，套管与工具臂之间存在应力，传递到弹簧针接触节点，造成弹簧针内部磨损，甚至故障，失去弹性等情况，而且，弹簧顶针和对应接触铜柱长期应力会产生磨损，一旦磨损长度超过弹簧针弹性伸缩长度，会造成接触不良的情况，耐久性偏低，影响器械杆应力检测的准确性。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对目前力感知套管的电气连接基于弹簧顶针接触方式存在故障、影响检测准确性的问题，提供一种能够实现器械杆应力的准确检测、实现电气隔离的力感知连接结构、手术机器人及手术系统。
5.一种力感知连接结构，包括：
6.力戳卡组件，包括力感知套管以及戳卡安装部，所述戳卡安装部设置于所述力感知套管的侧面，所述力感知套管中安装手术器械的器械杆；
7.末端连接件，设置于工具臂的末端，所述末端连接件具有安装腔，所述力戳卡组件与所述末端连接件对接时所述戳卡安装部安装于所述安装腔；以及
8.无线连接组件，无线连接所述力戳卡组件与所述末端连接件，所述力戳卡组件与所述末端连接件对接后，所述无线连接组件能够无线供电，以采集所述器械杆对所述力感知套管的应力、进行处理得到所述器械杆受到的力矩，并将所述力矩传输到所述工具臂的第二电路板。
9.在其中一个实施例中，所述无线连接组件包括无线供电模组、信号采集处理模组以及信号传输模组；所述无线供电模组分设于所述力戳卡组件与所述末端连接件，所述信号采集处理模组设置于所述力感知套管，并电连接所述供电模组与所述信号传输模组，所述信号传输模组分设于所述戳卡安装部与所述末端连接件，所述无线供电模组为所述信号采集处理模组供电，使所述信号采集处理模组采集所述应力并得到所述力矩，所述信号传输模组将所述力矩传输至所述第二电路板。
10.在其中一个实施例中，所述无线供电模组包括无线连接的第一供电部分和第二供电部分，所述第一供电部分设置于所述力戳卡组件，所述第二供电部分设置于所述末端连接件；所述力戳卡组件与所述末端连接件对接时所述第二供电部分使所述第一供电部分产
生供电电压；
11.所述第一供电部分与所述信号采集处理模组电连接，并为所述信号采集处理模组供电。
12.在其中一个实施例中，所述力感知套管包括内套管与外套管，所述外套管套设于所述内套管的外侧，所述信号采集处理模组包括四个应变片，四个所述应变片均匀且间隔设置于所述内套管与所述外套管之间，四个所述应变片电连接形成全桥电路。
13.在其中一个实施例中，所述信号采集处理模组还包括连接电路板以及第一电路板，所述力感知套管还包括基座，所述外套管设置于所述基座，所述第一电路板设置于所述基座中，并电连接所述第一供电部分及所述连接电路板，所述连接电路板电连接所述全桥电路。
14.在其中一个实施例中，所述信号采集处理模组还包括第一控制单元及信号放大电路，所述第一控制单元及所述信号放大电路集成设置于所述第一电路板，所述信号放大电路电连接所述连接电路板及所述第一控制单元；所述第一控制单元包括模数转换器、第一存储模块、解耦模块以及第一传输模块，所述模数转换器电连接所述解耦模块与所述信号放大电路，所述第一存储模块电连接所述解耦模块，所述第一传输模块传输连接所述解耦模块与所述信号传输模组。
15.在其中一个实施例中，所述信号传输模组包括发射部件与接收部件，所述发射部件设置于所述戳卡安装部，所述接收部件设置于所述安装腔的内壁，所述力戳卡组件与所述末端连接件对接时，所述发射部件与所述接收部件对应设置，用于实现所述力矩传输；
16.所述发射部件电连接所述信号采集处理模组，所述接收部件电连接所述工具臂的第二控制单元。
17.在其中一个实施例中，所述末端连接件还具有限位件，所述限位件设置于所述安装腔，所述限位件用于对所述戳卡安装部限位。
18.在其中一个实施例中，所述第二供电部分包括供电电源、第二供电电路以及供电线圈，所述供电电源及所述第二供电电路电连接并设置于所述工具臂，所述供电线圈设置于所述末端连接件，并电连接所述第二供电电路，所述供电电源通过所述第二供电电路为所述供电线圈供电。
19.在其中一个实施例中，所述第一供电部分包括感应线圈以及第一供电电路，所述感应线圈设置于所述戳卡安装部，所述第一供电电路电连接所述感应线圈与所述信号采集处理模组，所述力戳卡组件与所述末端连接件对接后，所述供电线圈套设于所述感应线圈，所述感应线圈感应所述供电线圈中的交流电以产生感应电压，所述第一供电电路将所述感应电压转化为模拟电源信号与数字电源信号为所述信号采集处理模组供电；所述第一供电电路包括整流滤波电路、两个稳压电路、模拟信号电源以及数字信号电源，所述整流滤波电路电连接所述感应线圈与两个所述稳压电路，其中一个所述稳压电路电连接所述模拟信号电源，另一所述稳压电路电连接所述数字信号电源。
20.在其中一个实施例中，所述供电模组还包括导磁件，所述力戳卡组件与所述末端连接件对接后，所述导磁件位于所述戳卡安装部与所述安装腔的内壁之间。
21.一种手术机器人，包括机器人台车、工具臂、手术器械以及如上述任一技术特征所述的力感知连接结构，所述工具臂设置于所述机器人台车，所述力感知连接结构设置于工
具臂的末端，所述手术器械设置于所述工具臂，并穿过所述力感知连接结构伸出。
22.一种手术系统，包括显示台以及如上述技术特征所述的手术机器人，所述手术机器人的工具臂与所述显示台传输连接。
23.采用上述技术方案后，本发明至少具有如下技术效果：
24.本发明的力感知连接结构、手术机器人及手术系统，在该力感知连接结构中，力戳卡组件通过力感知套管安装手术器械的器械杆，并且，器械杆能够对力感知套管产生应力，戳卡安装部设置在力感知套管的侧面，当力戳卡组件与末端连接件对接连接时，戳卡安装部安装到末端连接件的安装腔中，使得力戳卡组件通过末端连接件安装到工具臂的末端。
25.当力戳卡组件与末端连接件对接后，无线连接组件能够实现力戳卡组件与末端连接件的无线连接，实现无线供电，使得无线连接组件能够为其在力感知组件的部分无线供电，进而采集器械杆对力感知套管的应力，并对该应力进行处理形成器械杆受到的力矩，同时，无线连接组件实现信号的无线传输，其能够接收信号采集处理模组的力矩并反馈到工具臂的第二电路板中，进而通过工具臂的第二电路板反馈到手术系统的显示台中，由显示台显示器械杆受到的应力和方向。
26.该力感知连接结构通过无线连接组件实现无线供电，使得力戳卡组件与末端连接件之间无接触式的电气连接，实现力戳卡组件与末端连接件之间的电气隔离，减少噪声串扰，减少电气连接不良失效的问题。同时，通过无线连接组件直接采集器械杆对力感知套管的应力，并直接进行处理得到器械杆的力矩，实现器械杆应力输出信号的就近采集处理，无需传输到工具臂进行处理，减少长采集路径造成的信号衰减和杂波干扰的问题。本发明的力感知连接结构通过无线连接以及无线传输的方式供电与传输信号，以准确采集并处理手术器械的器械杆的应力，进而反馈到工具臂中，无需采用弹簧顶针的结构形式，提高信号传输的稳定性与可靠性。
附图说明
27.图1为本发明一实施例的力感知连接结构应用于手术系统的示意图；
28.图2为本发明一实施例的力感知连接结构的立体图；
29.图3为图2所示的力感知连接结构的局部剖视图；
30.图4为图3所示的应变片安装于力感知套管的横截面示意图；
31.图5为图4所示的器械杆在力感知套管中挤压应变片的示意图；
32.图6为图3所示的力感知连接结构中应变片组成全桥电路的示意图；
33.图7为图2所示的力感知结构中信号采集处理模组的功能框图；
34.图8为图7所示的信号采集处理模组中解耦模块的参数图；
35.图9为图7所示的信号采集处理模组中解耦模块进行标定的流程图；
36.图10为图2所示的力感知连接结构中信号传输模组的安装示意图；
37.图11为图10所示的信号传输模组在力戳卡组件与末端连接件的示意图；
38.图12为图2所示的力感知连接结构中第一供电部分的功能框图；
39.图13为图2所示的力感知连接结构中第二供电部分的功能框图；
40.图14为图2所示的力感知连接结构中戳卡安装部与末端连接件对接后的侧视图；
41.图15为图14所示的戳卡安装部与末端连接件对接后的横向切开示意图；
42.图16为图2所示的力感知连接结构中力戳卡组件中内部电路框图；
43.图17为图2所示的末端连接件安装于工具臂的内部电路框图；
44.图18为图1所示的手术器械的器械杆的应力在显示台显示的示意图。
45.其中：10、力感知连接结构；100、力戳卡组件；110、力感知套管；111、内套管；112、外套管；120、戳卡安装部；130、密封帽；140、基座；200、末端连接件；210、安装腔；310、第一供电部分；311、感应线圈；312、第一供电电路；3121、整流滤波电路；3122、稳压电路；313、数字信号电源；314、模拟信号电源；320、第二供电部分；321、供电电源；322、第二供电电路；3221、升压电路；3222、dc/ac转换器；323、供电线圈；330、导磁件；400、信号采集处理模组；410、全桥电路；411、应变片；420、信号放大电路；430、第一控制单元；431、模数转换器；432、解耦模块；433、第一传输模块；434、第一存储模块；440、第一电路板；450、连接电路板；500、信号传输模组；510、基体；520、发射部件；530、接收部件；60、手术器械；601、器械杆；70、工具臂；701、第二控制单元；702、第二存储模块；80、显示台。
具体实施方式
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明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发明。但是本发明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发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
47.在本发明的描述中，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。
48.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。在本发明的描述中，“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。
49.在本发明中，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发明中的具体含义。
50.在本发明中，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。
51.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。
52.参见图1至图18，本发明提供一种力感知连接结构10。该力感知连接结构10应用于手术机器人中，并与手术机器人的工具臂70连接，实现戳卡可靠的固定到工具臂70。可以理解的，目前的力感知套管结构电气连接基于弹簧顶针接触方式，在器械摆动时，套管与工具臂之间存在应力，传递到弹簧针接触节点，造成弹簧针内部磨损，甚至故障，失去弹性等情况，而且，弹簧顶针和对应接触铜柱长期应力会产生磨损，一旦磨损长度超过弹簧针弹性伸缩长度，会造成接触不良的情况，耐久性偏低，影响器械杆应力检测的准确性。
53.为此，本发明提供一种新型的力感知连接结构10，该力感知连接结构10能够通过无线连接以及无线传输的方式供电与传输信号，以准确采集并处理手术器械60的器械杆601的应力，进而反馈到工具臂70中，无需采用弹簧顶针的结构形式，提高信号传输的稳定性与可靠性。以下介绍一实施例的力感知连接结构10的具体结构。
54.参见图1至图18，在一实施例中，力感知连接结构10包括力戳卡组件100、末端连接组件以及无线连接组件。力戳卡组件100包括力感知套管110以及戳卡安装部120，所述戳卡安装部120设置于所述力感知套管110的侧面，所述力感知套管110中安装手术器械60的器械杆601。末端连接件200设置于工具臂70的末端，所述末端连接件200具有安装腔210，所述力戳卡组件100与所述末端连接件200对接时所述戳卡安装部120安装于所述安装腔210。无线连接组件无线连接所述力戳卡组件100与所述末端连接件200，所述力戳卡组件100与所述末端连接件200对接后，所述无线连接组件能够无线供电，以采集所述器械杆601对所述力感知套管110的应力、进行处理得到所述器械杆601受到的力矩，并将所述力矩传输到所述工具臂70的第二电路板。
55.力戳卡组件100为外科手术的重要部件，通过力戳卡组件100建立外科手术通道，使得手术器械60穿过力戳卡组件100刺入患者的病灶位置，满足手术需求。通常力戳卡组件100先定位在患者病灶部位的体表，手术机器人带动工具臂70运动到手术位置，进行手术操作时，将力戳卡组件100与工具臂70对接，在工具臂70安装手术器械60，并将手术器械60的器械杆601穿过力戳卡组件100伸出，随后可以进行后期的手术操作。
56.末端连接件200用于实现力戳卡组件100安装到工具臂70。末端连接件200设置在工具臂70的末端，力戳卡组件100能够与末端连接件200对接连接，进而使得力戳卡组件100固定到工具臂70。可选地，末端连接件200与工具臂70为一体结构。也就是说，末端连接件200位于工具臂70的末端，并为工具臂70的一部分。当然，在本发明的其他实施方式中，末端连接件200与工具臂70也可分体设置。也就是说，末端连接件200与工具臂70为两个部件，二者通过可拆卸方式连接。
57.具体的，如图2所示，力戳卡组件100包括力感知套管110以及戳卡安装部120，戳卡安装部120设置在力感知套管110的侧面，力感知套管110为中空结构。手术器械60安装到工具臂70时，手术器械60的器械杆601位于力感知套管110中，并且，器械杆601的端部能够穿过力感知套管110伸出，使得手术器械60的末端能够伸入患者体内执行手术操作。末端连接件200具有中空的安装腔210，该安装腔210用于安装戳卡安装部120。可选地，末端连接件200为安装座或者其他能够与工具臂70连接并能够对接戳卡安装部120的结构形式。
58.力戳卡组件100与末端连接件200对接时，末端连接件200位于工具臂70的末端，拖拽工具臂70使得力戳卡组件100的戳卡安装部120安装到末端连接件200的安装腔210中。力戳卡组件100通过戳卡安装部120安装到安装腔210实现力戳卡组件100固定到工具臂70的末端，避免戳卡安装部120脱离安装腔210。最后在工具臂70上安装手术器械60。
59.如图3至图17所示，为了检测手术器械60的器械杆601在手术过程中产生的应力以及力的方向，本发明的力感知连接结构10还包括无线连接组件，该无线连接组件分设到力戳卡组件100以及末端连接件200中，该无线连接组件能够实现无线供电以及无线传输。当力戳卡组件100与末端连接件200对接后，无线连接组件能够实现末端连接件200为力戳卡组件100的无线供电。这样在手术时，无线连接组件能够在力感知套管110中检测器械杆601对力感知套管110的应力，并对该应力进行处理，得到器械杆601在手术过程中的力矩，无线连接组件能够将器械杆601的力矩反馈到工具臂70的第二电路板的第二控制单元701中，通过第二控制单元701传输到手术系统的显示台80，通过显示台80将力矩显示为器械杆601在手术时的应力及方向。
60.上述实施例的力感知连接结构10，通过无线连接组件实现无线供电，使得力戳卡组件100与末端连接件200之间无接触式的电气连接，实现力戳卡组件100与末端连接件200之间的电气隔离，减少噪声串扰，减少电气连接不良失效的问题。同时，通过无线连接组件直接采集器械杆601对力感知套管110的应力，并直接进行处理得到器械杆601的力矩，实现器械杆601应力输出信号的就近采集处理，无需传输到工具臂70进行处理，减少长采集路径造成的信号衰减和杂波干扰的问题。本发明的力感知连接结构10通过无线连接以及无线传输的方式供电与传输信号，以准确采集并处理手术器械60的器械杆601的应力，进而反馈到工具臂70中，无需采用弹簧顶针的结构形式，提高信号传输的稳定性与可靠性。
61.在一实施例中，所述无线连接组件包括无线供电模组、信号采集处理模组400以及信号传输模组500；所述无线供电模组分设于所述力戳卡组件100与所述末端连接件200，所述信号采集处理模组400设置于所述力感知套管110，并电连接所述供电模组与所述信号传输模组500，所述信号传输模组500分设于所述戳卡安装部120与所述末端连接件200，所述无线供电模组为所述信号采集处理模组400供电，使所述信号采集处理模组400采集所述应力并得到所述力矩，所述信号传输模组500将所述力矩传输至所述第二电路板。
62.无线供电模组为无线供电部件，该无线供电模组分设于戳卡安装部120与末端连接件200之间，信号采集处理模组400设置于力感知套管110，并与无线供电模组电连接，信号传输模组500分设于戳卡安装部120与末端连接件200，并且，信号传输模组500与信号采集处理模组400电连接。工具臂70具有第二电路板，信号传输模组500与第二电路板传输连接，信号传输模组500能够将收到的力矩信息传输到第二电路板中，第二电路板与手术系统的显示台80传输连接。
63.当力戳卡组件100与末端连接件200对接后，无线供电模组被触发，无线供电模组在末端连接件200中的部分能够为无线供电模组在戳卡安装部120的部分供电，使得无线供电模组在戳卡安装部120中产生供电电压，为信号采集传输模组供电。手术器械60安装到工具臂70时，器械杆601位于力感知套管110中。
64.当手术器械60进行手术操作时，器械杆601会在力感知套管110中运动，并抵接力感知套管110的内壁。此时，器械杆601对力感知套管110产生应力，通过信号采集处理模组
400采集器械杆601对力感知套管110的应力，并且，信号采集处理模组400能够对采集到的应力进行处理生成器械杆601在手术过程中的力矩。信号采集处理模组400将该力矩传输到信号传输模组500，并通过信号传输模组500传输到工具臂70的第二电路板中，进而第二电路板将力矩传输到手术系统的显示台80中，通过显示台80显示力矩反应的应力和方向。
65.而且，器械杆601在力感知套管110中朝向任一方向移动并抵接力感知套管110的内壁，信号采集处理模块都能够检测到器械杆601的应力，并将该应力处理成对应的力矩。值得说明的是，本发明中提到信号的传输连接，可以是无线连接，也可以是有限连接，只要能够实现相应的功能即可，需要进行供电的连接通常为电连接，关于传输连接与电连接在此不再一一赘述。
66.在一实施例中，所述无线供电模组包括无线连接的第一供电部分310和第二供电部分320，所述第一供电部分310设置于所述力戳卡组件100，所述第二供电部分320设置于所述末端连接件200；所述力戳卡组件100与所述末端连接件200对接时所述第二供电部分320使所述第一供电部分310产生供电电压。所述第一供电部分310与所述信号采集处理模组400电连接，并为所述信号采集处理模组400供电。
67.当力戳卡组件100与末端连接件200对接后，末端连接件200中的第二供电部分320能够感应到第一供电部分310，使得第一供电部分310产生供电电压。第一供电部分310在力戳卡组件100中与信号采集处理模组400电连接，第二供电部分320为第一供电部分310无线供电后，第一供电部分310为力感知套管110中的信号采集模组供电，使得信号采集处理模组400能够采集器械杆601对力感知套管110的应力，并对力感知套管110的应力进行处理。
68.本发明的力感知连接结构10在使用时，将力戳卡组件100的戳卡安装部120与末端连接件200的安装腔210对接，无线供电模组中的第二供电部分320能够感应到第一供电部分310，使得力戳卡组件100中的第一供电部分310产生供电电压，并对信号采集处理模组400以及信号传输模组500进行供电。信号采集处理模组400通电后能够采集器械杆601对力感知套管110的应力，并对该应力进行处理形成器械杆601受到的力矩，信号传输模组500接收信号采集处理模组400的力矩并反馈到工具臂70的第一电路板440中，进而通过工具臂70的第一电路板440反馈到手术系统的显示台80中，由显示台80显示器械杆601的力矩。
69.该力感知连接结构10通过无线供电模组的第一供电部分310与第二供电部分320无线连接为信号采集处理模组400与信号传输模组500的无线供电，使得力戳卡组件100与末端连接件200之间无接触式的电气连接，实现力戳卡组件100与末端连接件200之间的电气隔离，减少噪声串扰，减少电气连接不良失效的问题。同时，在力戳卡组件100中设置信号采集处理模组400，使得信号采集模组直接采集器械杆601对力感知套管110的应力，并直接进行处理得到器械杆601的力矩，实现器械杆601应力输出信号的就近采集处理，无需传输到工具臂70进行处理，减少长采集路径造成的信号衰减和杂波干扰的问题。本发明的力感知连接结构10通过无线连接以及无线传输的方式供电与传输信号，无需采用弹簧顶针的结构形式，提高信号传输的稳定性与可靠性。
70.如图2至图6所示，在一实施例中，所述力感知套管110包括内套管111与外套管112，所述外套管112套设于所述内套管111的外侧，所述信号采集处理模组400包括四个应变片411，四个所述应变片411均匀且间隔设置于所述内套管111与所述外套管112之间，四个所述应变片411电连接形成全桥电路410。
71.外套管112套设在内套管111的外侧，并且，内套管111与外套管112同轴设置，内套管111与外套管112之间围设成横截面为环状的封闭空间。信号采集处理模组400的四个应变片411设置在内套管111与外套管112之间，并且，各应变片411分别连接内套管111的外壁以及外套管112的内壁。也就是说，四个应变片411间隔设置在内套管111与外套管112之间，并连接内套管111与外套管112。
72.四个应变片411均匀分布后，能够准确采集器械杆601对力感知套管110的应力，进而四个应变片411能够感应应变片411在平面四个方向的应力，如图4所示。同时，外套管112能够起到防护作用，保护内部元器件，避免内部元器件损坏。而且，四个应变片411在内套管111与外套管112的位置靠近患者设置。即四个应变片411位于力感知套管110的近端，以更好的采集器械杆601对力感知套管110施加的应力。可选地，四个应变片411设置在力感知套管110的不动点附近。可以理解的，对于戳卡而言，其在手术过程中具有不动点，所以将四个应变片411放置到力感知套管110的不动点位置，以准确检测器械杆601对力感知套管110的应力。
73.手术器械60安装到工具臂70，进而器械杆601穿过力感知套管110伸出时，器械杆601位于内套管111中。如图4所示，为了记录应变片411的位置，引入xy坐标系，图中显示了四个应变片411在力感知套管110的横截面视图中的位置，位于正交xy正交方向四个位置，分别用于感应x+、x-、y+、y-四个方向的应力。
74.在器械杆601不受力的情况下，器械杆601与内套管111之间存在微小的缝隙。理论上，在器械杆601与内套管111及外套管112处于同心圆位置时，四个应变片411没有感应到器械杆601的应力，从而无应变量输出，也就是受力为0的初始状态。
75.如图5所示，当器械杆601受到一个方向的应力时，力感知套管110与器械杆601装配后的横截面视图。当器械杆601受到某一个方向的应力后，器械杆601会产生形变，挤压力感知套管110中内套管111的内壁，进而内套管111与外套管112之间产生挤压，导致某个方向的应变片411产生形变，应变片411的阻值产生变化，此时输出应变模拟量电信号。
76.图6以其中一个方向(x或y)为例，显示应变片411的应变量转换成电信号的原理，结构中采用的应变片411是由两个电阻构成的半桥，一个方向的+和－两个位置的应变片411通过右图所示方式组成全桥电路410。s1、s2作为供电端，a、b两端作为信号采集端，a、b两端的电势e
ab
反应应变计的应变量。在器械杆601没有应力作用时，四个电阻的阻值是一致的，因此此时电势e
ab
的值为0。在器械杆601受到应力作用时，应力会导致对应的电阻阻值产生变化，产生应变量，此时电势e
ab
会产生随应变量变化的值，实现应变量转换。
77.可选地，应变片411为薄膜应变计。当然，在本发明的其他实施方式中，应变片411还可为其他能够检测器械杆601对力感知套管110应力的部件。可选地，应变片411采用的电阻为康铜电阻。
78.如图3所示，在一实施例中，所述信号采集处理模组400还包括连接电路板450以及第一电路板440，所述力感知套管110还包括基座140，所述外套管112设置于所述基座140，所述第一电路板440设置于所述基座140中，并电连接所述第一供电部分310及所述连接电路板450，所述连接电路板450电连接所述全桥电路410。
79.基座140设置在力感知套管110的侧面，基座140连接力感知套管110与戳卡安装部120，实现戳卡安装部120设置在力感知套管110。并且，基座140还能够为第一电路板440提
供安装位置，以承载第一电路板440，以实现力感知功能需求。连接电路板450设置在内套管111与外套管112之间，并且，连接电路板450的一端连接四个应变片411，连接电路板450的另一端连接到第一电路板440。
80.图3为力感知套管110的剖面示意图，显示了应变片411在力感知套管110的位置以及信号传输方式。器械杆601穿过力感知套管110的内套管111伸出，在内套管111的外壁嵌设四个应变片411，分别在xy正交的四个方向上。当器械杆601受到应力后，内套管111与外套管112之间的应力使应变计产生应变量，连接电路板450提供应变片411的供电电压，并传输应变片411感应的应变信号到力戳卡组件100的第一电路板440中进行采集处理。
81.第二供电部分320电连接第一电路板440，并为第一电路板440供电。这样，第一电路板440能够通过连接电路板450为四个应变片411供电，进而四个应变片411在供电后能够根据内套管111与外套管112之间的应力产生应变量，通过连接电路板450传输到第一电路板440，如此实现器械杆601应力的采集。可选地，连接电路板450为fpc软板(柔性电路板)，便于实现应变片411与第一电路板440的电连接。
82.可选地，力感知套管110还包括密封帽130，密封帽130设置在力感知套管110的近端，以防止异物进入到力感知套管110中。
83.如图7和图16所示，在一实施例中，所述信号采集处理模组400还包括第一控制单元430及信号放大电路420，所述第一控制单元430及所述信号放大电路420集成设置于所述第一电路板440，所述信号放大电路420电连接所述连接电路板450及所述第一控制单元430。
84.信号放大电路420集成设置在第一电路板440，用于实现应变片411应变量信号的放大，方便第一控制单元430采集应变片411的应变量信号。第一控制单元430集成设置在第一电路板440，为信号采集处理模组400的主要控制元件。信号放大电路420的输入端与连接电路板450连接，信号放大电路420的输出单与第一控制单元430电连接。第一控制单元430与信号传输模组500传输连接。
85.连接电路板450为应变片411的全桥电路410供电，在应变片411受到应力时，应变片411的电阻产生变化，经过全桥电路410输出应变量模拟信号，经过信号放大电路420运放采集放大后，被输送到第一控制单元430中，通过第一控制单元430进行处理运算，得到器械杆601受到的力矩。第一控制单元430将该力矩传输到信号传输模组500，并通过信号传输模组500传输到工具臂70的第二电路板中，通过第二电路板将器械杆601的力矩传输到手术系统的显示台80。
86.本发明的力感知连接结构10在信号采集传输模组中增加第一控制单元430，在对应变片411的信号进行放大后，通过第一控制单元430采集应变片411的信号，并进行解耦运算，提高输出的稳定性。可选地，第一控制单元430为mcu(microcontroller unit，微控制单元)。可选地，信号放大电路420的数量为两个，两个信号放大电路420并联设置，并分别连接第一控制电源以及连接电路板450。两个信号放大电路420分别对x、y方向的应变片411进行供电。
87.如图7和图16所示，在一实施例中，所述第一控制单元430包括模数转换器431、第一存储模块434、解耦模块432以及第一传输模块433，所述模数转换器431电连接所述解耦模块432与所述信号放大电路420，所述第一存储模块434电连接所述解耦模块432，所述第
一传输模块433传输连接所述解耦模块432与所述信号传输模组500。
88.模数转换器431的输入端连接信号放大电路420的输出端，模数转换器431的输出端连接到解耦模块432，解耦模块432还连接第一存储模块434、第一传输模块433以及信号传输模组500。解耦模块432用于实现器械杆601受到力矩的解耦计算，以得到器械杆601受到的力矩。第一存储模块434中存储零点偏置以及力感知套管110灵敏度参数。解耦模块432进行解耦计算时，能够从第一存储模块434获取零点偏置以及力感知套管110灵敏度参数，并通过信号传输模组500从手术机器人处获取器械杆601的刚度和高度系数，解耦模块432结合这三个数值，经解耦计算得出器械杆601的力矩，并通过第一传输模块433传输到信号传输模组500，信号传输模组500将力矩传递到工具臂70的第二电路板中。
89.解耦模块432进行解耦计算时，图8描述解耦运算的标定公式，总分类可以分成零点偏置以及力感知套管110灵敏度；其中f代表物理感应力值，c代表零点偏置，s1，s2
…
sn代表f不同幂值下的灵敏度。图8中反应了两个参数的具体产生原因。
90.具体如下：应变片411出厂后的原始阻值公差以及实际电路布局中的走线线阻会导致没有应力作用时的应变电势不等于0，即零点偏置c。应变片411工艺指应变计材料差异，康铜丝厚度等原因导致同样的应变力作用下的应变量存在微小差异。套管工艺指套管材料、尺寸公差、应变计焊接工艺等，均会影响实际应变量输出值。器械杆601的刚度差异指同样应变力作用下的器械杆601形变量差异。应变片411工艺、力感知套管110工艺、器械杆601刚度影响表现在标定公式中的影响就是影响灵敏度参数s1，s2
…
sn。
91.解耦模块432进行解耦前，对力戳卡组件100以及器械杆601进行标定。对力戳卡组件100标定时，采用标准器械杆601，或器械杆601保持不变，对不同的力感知套管110进行模拟量标定，对输出模拟值进行拟合后转换成灵敏度值，与理论标准灵敏度值的差异值存储到第一电路板440的第一存储模块434中。对器械杆601进行标定时，采用标准的力感知套管110，或力感知套管110保持不变，对不同器械杆601进行模拟量标定，对输出模拟值进行拟合后转换成灵敏度值，与理论标准灵敏度值的差异值存储到工具臂70的第二电路板的第二控制单元701中。
92.标定过程如图9所示，图9反应了影响解耦公式的不同因素的标定方式以及标定参数的存储位置，从而保证标定之后实际使用中能够正确读取到标定系数，进行正确的解耦计算。标定之后，解耦模块432进行获取零点偏置以及力感知套管110灵敏度参数，获取器械杆601的刚度和高度系数，并进行解耦计算，得到器械杆601受到的力矩。解耦模块432进行结构计算时，通过模数转换器431获取adc值，并根据零点偏置、力感知套管110灵敏度参数、器械杆601刚度和高度系数，按照解耦公式：adc＝c+s1*f^1+s2*f^2+
…
+sn*f^n计算得出器械杆601受到的力矩。
93.本发明的力感知连接结构10，在信号采集处理模组400中添加第一控制单元430，对应变片411的应变量信号进行放大后，通过第一控制单元430采集，进行解耦运算，通过软件处理可以替代传统微调电位器进行调零的方式，提高信号输出稳定性。
94.可选地，模数转换器431可以是在第一控制单元430设置的adc(analog-to-digital converter，模数转换器431)接口，也可以是独立于第一控制单元430的专用adc(analog-to-digital converter，模数转换器431)芯片采集。可选地，第一存储模块434为eeprom(electrically erasable programmable read-only memory，带电可擦可编程只读
存储器)。可选地，第一传输模块433采用uart(通用异步收发传输器，universal asynchronous receiver/transmitter)向信号传输模块发送力矩数值。
95.第一存储模块434用于存储上文中对应的数据参数信息。可选地，第一存储模块434可以集成设置于第一控制单元430中，也可独立于第一控制单元430设置；当然，第一存储模块434集成设置在第一控制单元430后，还可将第一控制单元430外接一个存储模块。
96.可选地，第二电路板中具有第二存储模块702，第二存储模块702用于存储上文中对应的数据参数信息。可选地，第二电路板具有第二控制单元701(mcu)，第二存储模块702可以集成设置于第二控制单元701中，也可独立于第二控制单元701设置；当然，第二存储模块702集成设置在第二控制单元701后，还可将第二控制单元701外接一个存储模块。第二控制单元70集成设置在第二电路板，通过第二控制单元701实现工具臂70端的控制。
97.参见图10和图11，在一实施例中，所述信号传输模组500包括基体510、发射部件520与接收部件530，所述发射部件520设置于所述戳卡安装部120，所述接收部件530设置于所述安装腔210的内壁，所述力戳卡组件100与所述末端连接件200对接时，所述发射部件520与所述接收部件530对应设置，用于实现所述力矩传输。所述发射部件520电连接所述信号采集处理模组400，所述接收部件530电连接所述工具臂70的第二控制单元701。
98.基体510的数量为两个，其中一个基体510设置在戳卡安装部120的端部，并安装发射部件520，另一个基体510设置在安装腔210的内壁，并安装接收部件530。发射部件520与信号采集处理模组400的第一传输模块433传输连接，基体510与第一供电部分310电连接，第一供电部分310为基体510供电，使得基体510能够进行光电转换等功能。
99.当信号传输模组500要正常完成信息传输时，需要戳卡安装部120安装到安装腔210中，并保证发射部件520与接收部件530对接。发射部件520与接收部件530之间的距离满足信息传输要求，保证传输的可靠性。可选地，信号传输模组500为红外收发器，发射部件520为红外发射器，接收部位为红外接收器。可选地，基体510内部只要是光电转换等功能组成的芯片级电路。
100.以信号传输模组500为红外收发器为例进行说明。当红外发射器与红外接收器要完成正常信息传输功能是，红外发射器与红外接收器需要径向设置，如图10和图11所示，其中一方的红外发射器正对红外接收器。并且，传输距离应当不超过选用红外收发器规定的最远距离，且尽可能缩短传输距离，保证传输可靠性。
101.而且，红外发射器的发射角度一般在30
°
左右，对应的红外接收器在上述角度范围内尽可能对正红外发射器，保证两者角度在红外发射器的发射角度范围，保证信号的可靠传输。
102.可选地，发射部件520位于戳卡安装部120的端部，接收部件530在安装腔210中的位置与发射部件520相对应。如图11所示，发射部件520位于戳卡安装部120的最左端，相应的，接收部件530位于安装腔210的底壁。当然，在本发明的其他实施方式中，发射部件520与接收部件530还可设置于其他能够相对应的位置，只要保证信号传输可靠即可。
103.在一实施例中，所述末端连接件200还具有限位件，所述限位件设置于所述安装腔210，所述限位件用于对所述戳卡安装部120限位。限位件用于实现戳卡安装部120的限位安装。力戳卡组件100与末端连接件200对接时，限位件能够抵接在戳卡安装部120的端部，以对戳卡安装部120进行限位，这样能够确保发射部件520与接收部件530之间的传输距离，同
时，还能够防止猛力安装等情况下，发射部件520与接收部件530之间产生碰撞，甚至损坏。可选地，限位件为限位凸台。
104.参见图13和图17，在一实施例中，所述第二供电部分320包括供电电源321、第二供电电路322以及供电线圈323，所述供电电源321及所述第二供电电路322电连接并设置于所述工具臂70，所述供电线圈323设置于所述末端连接件200，并电连接所述第二供电电路322，所述供电电源321通过所述第二供电电路322为所述供电线圈323供电。
105.供电电源321设置在工具臂70中，当手术机器人在使用时供电电源321始终保持供电状态。供电电源321通过第二供电电路322与供电线圈323电连接，为供电线圈323供电。如图13所示，图13显示的是末端连接件200在工具臂70端的无线供电方式。供电电源321租出的直流电，通过第二供电电路322进行升压以及直交转换成交流电后，输送到供电线圈323中。
106.供电线圈323设置在末端连接件200中，并且，供电线圈323位于安装腔210的外侧。当力戳卡组件100与末端连接件200对接后，末端连接件200的供电线圈323套设于第一供电部分310的外侧，此时，供电线圈323能够对第一供电部分310无线供电，使得第一供电部分310能够产生供电电压。
107.可选地，第二供电电路322包括升压电路3221和dc/ac转换器3222，升压电路3221的输入端连接供电电源321的输出端，升压电路3221的输出端连接dc/ac转换器3222的输入端，dc/ac转换器3222的输出端连接供电线圈323。dc/ac转换器3222用于将直流电转换成交流电，以使转换后的交流电能够接入到供电线圈323中。升压电路3221能够对供电电源321输出的直流电进行升压，以提高交流转换后的交流频率，满足力戳卡组件100中信号采集处理模组400的功率需求。
108.值得说明的是，升压电路3221的结构形式原则上不受限制，只要能够对供电电源321输出的电压进行升压即可。如图13所示，图13中的升压电路3221为一种可实现形式，还可为其他能够实现升压的结构形式。可选地，dc/ac转换器3222可以为转换电路，也可以为集成的转换器。
109.参见图12和图16，在一实施例中，所述第一供电部分310包括感应线圈311以及第一供电电路312，所述感应线圈311设置于所述戳卡安装部120，所述第一供电电路312电连接所述感应线圈311与所述信号采集处理模组400，所述力戳卡组件100与所述末端连接件200对接后，所述供电线圈323套设于所述感应线圈311，所述感应线圈311感应所述供电线圈323中的交流电以产生感应电压，所述第一供电电路312将所述感应电压转化为模拟电源信号与数字电源信号为所述信号采集处理模组400供电。
110.第一供电电路312设置在力戳卡组件100中，感应线圈311设置在戳卡安装部120中，第一供电电路312与连接电路板450电连接，还电连接第一控制单元430与信号传输模组500。当力戳卡组件100与末端连接件200对接后，戳卡安装部120位于安装腔210中，此时，感应线圈311位于供电线圈323的内侧。
111.也就是说，力戳卡组件100与末端连接件200对接连接后，供电线圈323位于感应线圈311的内侧，并且，感应线圈311与供电线圈323在轴向方向上基本重合。这样，供电线圈323能够使得感应线圈311中产生感应电压，进而该感应电压通过第一供电电路312处理后，第一供电电路312能够将供电电压转化为模拟电源信号与数字电源信号，为信号采集处理
模组400的模拟电路以及数字电路进行供电。
112.参见图12和图16，在一实施例中，所述第一供电电路312包括整流滤波电路3121、两个稳压电路3122、模拟信号电源314以及数字信号电源313，所述整流滤波电路3121电连接所述感应线圈311与两个所述稳压电路3122，其中一个所述稳压电路3122电连接所述模拟信号电源314，另一所述稳压电路3122电连接所述数字信号电源313。
113.整流滤波电路3121的输入端连接感应线圈311，整流滤波电路3121的输出端分别连接两个稳压电路3122，两个稳压电路3122分别连接模拟信号电源314以及数字信号电源313。感应线圈311输出供电电压后，整流滤波电路3121中的整流二极管能够对感应线圈311感应供电线圈323中的交流电进行整流，而后通过整流滤波电路3121滤除交流谐波。滤波后的直流电分别进入到两个稳压电路3122中，进行电压转换，分别为模拟信号电源314和数字信号电源313供电。
114.这样，模拟信号电源314供电后能够输出模拟电源信号，数字信号电源313供电后能够输出数字电源信号，模拟电源信号对信号采集处理模组400中的模拟电路部分如全桥电路410等进行供电，数字电源信号用于对信号采集处理模组400中的数字电路部分如第一控制单元430等进行供电。
115.可选地，稳压电路3122为ldo电路(low dropout regulator，低压差线性稳压器)。值得说明的是，整流滤波电路3121的结构形式原则上不受限制，只要能够对感应线圈311感应供电线圈323中的交流电进行整流，而后通过整流滤波电路3121滤除交流谐波即可。
116.在本发明的力感知连接结构10中，当力戳卡组件100与末端连接件200对接后，力戳卡组件100的戳卡安装部120安装到末端连接件200的安装腔210中，并且，戳卡安装部120中的感应线圈311位于末端连接件200中的供电线圈323的内侧，此时，感应线圈311与供电线圈323构成无线感应供电模块。
117.在第二供电部分320中，供电电源321输出的直流电通过升压电路3221进行升压，升压后，通过dc/ac转换器3222转化为交流电输送到供电线圈323中。感应线圈311感应到末端连接件200中供电线圈323中的交流电后，会产生供电电压，通过整流二极管进行整流，而后经过整流滤波电路3121滤除交流谐波后，输送到两个稳压电路3122中，稳压电路3122将滤波整流后的直流电进行电压转换，转换成模拟电源信号和数字电源信号，分别对模拟电路和数字电路进行供电。
118.为了提高线圈供电功率和传输效率，在线圈电气特性和力戳卡组件100中感应线圈311的耐压能力内，尽可能的提升升压电路3221升压后的幅值，以及提高交流转换后的交流频率，保证满足信号采集处理模组400的功率需求。
119.如图14和图15所示，在一实施例中，所述供电模组还包括导磁件330，所述力戳卡组件100与所述末端连接件200对接后，所述导磁件330位于所述戳卡安装部120与所述安装腔210的内壁之间。导磁件330用于增加供电线圈323与感应线圈311之间的磁通量，以保证供电效率。
120.导磁件330采用柔性导磁材料制成。示例性地，导磁件330为导磁橡胶圈。导磁力戳卡组件100与末端连接件200对接时，先将导磁件330安装到安装腔210中，再将戳卡安装部120安装到导磁件330中。这样，戳卡安装部120与末端连接件200的安装腔210之间采用导磁件330填充，提高磁通量，保证供电效率。
121.戳卡安装部120安装到末端连接件200的安装腔210后，感应线圈311与供电线圈323沿轴向方向上重合，保证供电线圈323对感应线圈311的供电效率。在感应线圈311与供电线圈323之间设置导磁件330后，提高无线供电线缆。供电线圈323由工具臂70的第二电路板施加交流电，感应线圈311接收感应交流电，并接入第一电路板440进行转换，为信号采集处理模组400供电。
122.参见图7、图12、图13、图16和图17，本发明的力感知连接结构10使用时，将力戳卡组件100与末端连接件200对接，此时，力戳卡组件100的戳卡安装部120安装到末端连接件200的安装腔210中。感应线圈311位于供电线圈323的内侧，感应线圈311能够接收供电线圈323的感应交流电，经过整流以及转换电路转换成多个独立信号电源，分别为不同电路模块供电。连接电路板450用于给两路正交方便的应变片411进行供电，以及传输应变片411采集的应变量信号xy。
123.应变片411的应变量信号xy经过两路独立的信号放大电路420进行处理，处理后的模拟信号接入到第一控制单元430，通过第一控制单元430的模数转化器进行采集。发射部件520与第一控制单元430通过第一传输模块433接口互联，将第一控制单元430外发的信号通过第一传输模块433传输到信号传输模组500的发射部件520，与工具臂70的第二电路板进行数据交换。并且，第一控制单元430可以通过外接的存储模块存取数据参数信息。
124.工具臂70中的供电电源321经过dc/ac转换器3222转换成激励交流电，接入供电线圈323进行电路传输。第二控制单元701与接收部件530电连接，与进行数据交互。第二控制单元701通过ethercat(以太网控制自动化技术)网络模块实现第二控制单元701与手术系统的显示台80进行数据、指令交互传输。并且，第二控制单元701可以通过外接的存储模块存储数据参数信息。
125.本发明的力感知连接结构10采用线圈与感应的方式进行无线供电，利用戳卡安装部120与末端连接件200处的配合结构，在戳卡安装部120中布置感应线圈311，在末端连接件200的位置布置供电线圈323。当力戳卡组件100与末端连接件200对接后，供电线圈323能够使感应线圈311产生感应电压，经过转化成直流，从而对力戳卡组件100中的信号采集处理模组400以及发射部件520进行供电。
126.并且，信号采集处理模组400中添加第一控制单元430，对应变片411的应变量信号进行放大后，通过第一控制单元430采集，进行解耦运算，通过软件处理可以替代传统微调电位器进行调零的方式，提高输出稳定性。在戳卡安装部120嵌入发射部件520，在末端连接件200中嵌入接收部件530，第一控制单元430将应力感应信息和加密芯片等信息通过发射部件520与接收部件530进行无线传输。
127.本发明的力感知连接结构10，采用供电线圈323与感应线圈311通过感应的方式进行无线供电，免除力戳卡组件100与末端连接件200之间的任何接触时电气连接，从而减少电气连接不良失效的问题，实现电气隔离，减少噪音串扰。从模拟信号采集角度考量，在力戳卡组件100中内置第一控制单元430后，第一控制单元430能够就近采集应变量，并转化为通讯数字信号通过无线通信传输，大大减少了模拟信号的传输距离，实现应变片411输出信号的就近采集，减少场采集路径造成的信号衰减和杂波干扰。而且，信号经过数字量变换后传输，能够提高抗干扰性，具有较高的稳定性。
128.本发明还提供一种手术机器人，包括机器人台车、工具臂70、手术器械60以及如上
述任一实施例所述的力感知连接结构10，所述工具臂70设置于所述机器人台车，所述力感知连接结构10设置于工具臂70的末端，所述手术器械60设置于所述工具臂70，并穿过所述力感知连接结构10伸出。本发明的手术机器人采用上述的力感知连接结构10后，能够实现手术器械60的器械杆601在手术过程中应力的检测，并减少电气连接，减少了模拟信号的传输距离，保证信号传输的稳定性和可靠性。
129.参见图18，本发明还提供一种手术系统，包括显示台80以及如上述实施例所述的手术机器人，所述手术机器人的工具臂70与所述显示台80传输连接。在手术过程中，器械杆601与力感知套管110产生应力，通过信号采集处理模组400转换后传输到手术系统的显示台80中，通过显示台80显示出来。即器械杆601尖部受到的应力经过处理计算后传输到手术系统的显示台80，在通过显示台80显示出应力和方向，方便医护人员知晓器械杆601受到的应力。
130.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。
131.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。