开合输入装置、旋转输入装置、力反馈主手及手术机器人的制作方法

本发明涉及医疗器械，更具体的说，涉及一种开合输入装置、旋转输入装置、主手输入装置、力反馈主手及手术机器人。

背景技术：

1、随着医疗器械、计算机技术及控制技术的不断发展，微创手术以其手术创伤小、康复时间短、患者痛苦少等优点得到了越来越广泛的应用。而微创手术机器人以其高灵巧性、高控制精度、直观的手术图像等特点能够避免操作局限性，如过滤操作时手部的震颤等，广泛适用于腹腔、盆腔、胸腔等手术区域。目前，广泛使用的主从式手术机器人包括医生控制平台的主控制臂和患者手术平台的从操纵臂，主控制臂采集到医生的操作信号经控制系统处理后生成从操纵臂的控制信号，由从操纵臂执行手术操作。在手术时，医生坐在主控制臂前操作一输入控制装置，实现遥操作安装在从操纵臂上的器械，实现不同部位的外科手术，其中的输入控制装置控制旋转、夹持、剪切、缝合打结等操作，需要满足结构紧凑小巧、重量轻、夹持舒适、安全、自动复位等使用要求。

2、中国专利cn112168359b，公开了一种主手夹持控制装置、主操作手以及微创手术机器人，其核心在于主手夹持控制装置，所述主手夹持控制装置包括基座、夹持控制组件、传动组件以及反馈组件。传动组件由一组同轴嵌套设置的转动轴组成，夹持控制组件的开合和旋转运动通过传动组件同轴独立传动。反馈组件为电机，传动组件与电机连接。夹持控制组件通过电机向从机械臂发送控制信号和/或反馈从机械臂的受力状态。所述夹持传动机构包括夹持轴、连接件、夹持齿轮组，所述夹持轴转动设置于所述基座，所述夹持轴通过所述夹持齿轮组与所述夹持电机传动连接所述夹持轴上具有开设螺纹的螺纹段，所述连接件套设于所述夹持轴的所述螺纹段，所述连接件沿所述夹持轴的轴向运动时驱动所述夹持轴转动，所述夹持轴转动时带动所述连接件沿所述夹持轴的轴向运动；所述连接件与所述夹持控制组件连接。

3、该专利通过带减速机的电机和锥齿轮结构进行夹持控制组件的力传动，齿轮传动过程中力的损耗大，导致电机细微的反馈力/辅助力不能准确的传送至操作末端，同时操作末端的细微接触力变化也不能准确的传送至夹持控制组件。另外，齿轮传动的回差无法消除，必然导致夹持方向调换时控制不精确。同时由于存在力的损耗，因此夹持开合角度检测不准甚至是难以检测，即使电机末端带增量编码器，也无法知晓准确的夹持开合角度，因此控制不够准确。而且该专利中细长型双电机占用的空间大，导致主控制臂整体的尺寸大、重量大，与主控制臂应当满足结构紧凑小巧、重量轻的使用要求相违背，使操作沉重不灵活。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种开合输入装置、旋转输入装置、主手输入装置、力反馈主手及手术机器人，其通过丝杠滑块组件与无框力矩电机直接连接，提高力的传动效率与反馈的分辨率，为提供精确的力反馈/力辅助建立了基础，同时使开合输入装置满足结构紧凑小巧的要求。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种开合输入装置，包括开合座和指夹，所述指夹的一端铰接于所述开合座以在被操作时相对于所述开合座绕铰接轴转动，其还包括连接杆、设置在所述开合座内的第一电机以及丝杆滑块组件；所述第一电机为无框力矩电机，包括第一定子和第一转子；第一定子固定于所述开合座内，第一转子固定于所述丝杆滑块组件的转动部分上；所述连接杆一端铰接于所述指夹远离所述开合座的位置，另一端铰接于所述丝杆滑块组件的移动部分；所述指夹被操作而开合时，所述第一电机通过所述丝杆滑块组件带动所述连接杆的运动以提供以下多个力中的至少一者：持续给所述指夹开合方向的辅助力，或者适时给所述指夹开合方向的相反方向的反馈力，或者持续给所述指夹闭合方向的复位力。

3、本发明进一步设置为：所述丝杆滑块组件包括丝杆螺母和丝杆，第一转子与所述丝杆螺母固定连接，所述丝杆螺母螺纹连接在所述丝杆上，所述丝杆可沿所述第一电机的轴线往复运动。

4、本发明进一步设置为：所述丝杆远离所述第一电机的一端设有连接结构，所述连接结构沿所述丝杆的径向上铰接有所述连接杆，以在所述连接杆的限制下阻止所述丝杆跟随所述丝杆螺母转动。

5、本发明进一步设置为：所述丝杆远离所述第一电机的一端开设有外螺纹，所述连接结构包括固定螺母和连接块，所述连接块与所述连接杆铰接，所述固定螺母锁紧所述连接块，或者，所述连接结构为异形固定螺母，所述异形固定螺母与所述连接杆铰接。

6、本发明进一步设置为：还包括第一轴承，开合座与丝杆螺母通过第一轴承转动连接。

7、本发明进一步设置为：还包括控制主从离合的离合按键，所述离合按键的信号通过导线传递至控制器，所述丝杆为空心结构，所述导线穿过所述丝杆。

8、本发明进一步设置为：还包括第一传感器，所述第一传感器用于检测丝杆螺母和丝杆之间的相对转动角度。

9、本发明进一步设置为：第一传感器包括第一码盘和第一编码器；第一码盘与丝杆螺母相对固定，第一编码器与丝杆相对固定。

10、本发明还提供了一种旋转输入装置，其用于限定开合输入装置整体的旋转，其包括第二电机和旋转座；所述第二电机为无框力矩电机，包括第二定子和第二转子；第二转子固定于旋转座上，所述旋转座用于连接所述开合输入装置，所述开合输入装置被操作而转动时，所述第二电机通过所述旋转座给所述开合输入装置提供以下多个力中的至少一者：持续给所述开合输入装置被转动方向的辅助力，或者适时给所述开合输入装置被转动方向的相反方向的反馈力，或者持续给所述开合输入装置回转动零位的复位力。

11、本发明进一步设置为：所述旋转座为阶梯形圆筒结构，旋转座直径最小的一端被固定于所述第二转子内，旋转座直径最大的一端被固定于所述开合输入装置。

12、本发明进一步设置为：还包括第二轴承，第二转子与旋转座固定连接，第二定子通过第二轴承与旋转座转动连接。

13、本发明进一步设置为：还包括第二传感器，所述第二传感器用于检测第二定子与所述开合输入装置之间的相对转动角度。

14、本发明进一步设置为：第二传感器包括第二码盘和第二编码器；第二码盘与所述旋转座相对固定，第二编码器与第二定子相对固定。

15、本发明还提供了一种主手输入装置，其包括上述开合输入装置和/或上述旋转输入装置。

16、本发明进一步设置为：所述主手输入装置包括上述开合输入装置和上述旋转输入装置时，所述丝杆可插入所述旋转座的中央并沿自身轴线方向往复运动。

17、本发明还提供了一种力反馈主手，其包括主手手腕，以及主手输入装置，所述主手输入装置采用上述主手输入装置，所述主手输入装置安装在所述主手手腕上。

18、本发明还提供了一种手术机器人，其包括从操作臂、内窥镜图像系统，以及上述力反馈主手，所述力反馈主手用于控制所述从操作臂动作并将所述从操作臂收到的外力反馈给操作者，所述内窥镜图像系统用于显示手术区域的图像。

19、综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

20、1、本发明中丝杠滑块组件与第一电机直接连接，第一电机的细微反馈力可直接准确的传送至指夹，同时来自指夹的细微控制力变化也可以直接准确的传送至第一电机，传动效率高，力反馈的分辨率较高，准确性高。

21、2、本发明通过丝杆在第二电机和第一电机内部的往复移动实现指夹的开合，一方面使得开合输入装置在第一电机轴线方向上结构更加紧凑小巧；另一方面则使得指夹与开合座铰接处无需预留丝杆移动的空间，开合输入装置手持部分的直径更细，便于操作者握持。

22、3、本发明中第二电机直接连接开合输入装置，第一电机直接连接丝杆滑块组件，因此在两电机定子转子处布置的角度传感器可以实时准确的采集到开合输入装置的旋转角度及指夹开合角度，提高控制准确度。