一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种力反馈操作手，特别涉及一种微创手术机器人的遥操作控制手，属于操作手技术领域。
【背景技术】
[0002]微创手术因其创伤面小、恢复快为患者带来十分理想的手术结果而得到广泛的应用。然而，微创手术由于操作空间有限，手的灵活性降低，手术时间较长，医生容易产生疲劳引起抖动导致操作失误。遥操作微创手术机器人系统使医生可以通过机器人完成微创手术，通过三维立体成像与计算机控制系统帮助滤除医生在手术时由于长时间操作手术器械造成的疲劳感或手部震动产生的误操作，提高手术操作的稳定性与精度。在传统微创手术中，医生通过手术器械与组织接触来获得触觉信息，从而测量组织属性、评估解剖学结构进而实施安全的手术行为。但是现有的手术机器人系统中，存在主操作手缺少足够的力反馈自由度以及操作方式不符合人体工学的问题，医生无法获取足够的手术工具末端与患处的接触力，制约了手术机器人的临床使用价值。美国Sensable公司的PHANTOM系统具有6个自由度的运动空间以及3个自由度的力反馈维度，具有较好的静态特性以及较高的动态响应速度，但是该设备的反馈力较小，无法满足微创手术机器人在力觉导航方面的需求。Force Dimens1n公司的Omega系列力/触觉设备采用并联结构实现了较大的工作空间、作用力输出以及再现刚度，但是存在操作方式不符合人体工学，长时间操作容易导致腕部疲劳，距离实际临床应用还有距离。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明的目的在于克服上述不足，提供一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，通过串并联机构以及传统器械操作机构，让医生自由选择操作方式，提高遥操作力反馈设备的可靠性与适用性。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005]本发明的一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，包括夹持机构、串联机构、并联机构和球面操作机构，所述夹持机构包括夹持装置、夹持座、螺旋转盘、编码器1、直流电机I，所述夹持装置通过导向杆与螺旋转盘滑动连接，所述螺旋转盘与夹持座转动连接，并通过钢丝绳与直流电机I的一个输出轴连接，所述螺旋转盘与钢丝绳驱动机构轴线相交，直流电机的另一输出轴与编码器I连接；
[0006]所述串联机构包括旋转臂1、旋转臂I1、钢丝轮驱动机构1、钢丝轮驱动机构I1、钢丝轮驱动机构II1、编码器I1、编码器II1、编码器IV、直流电机I1、直流电机II1、直流电机IV，所述钢丝轮驱动机构I与夹持座连接，所述钢丝轮驱动机构I与旋转臂I转动连接，并通过钢丝绳与直流电机II的一个输出轴连接，所述钢丝轮驱动机构II与旋转臂I连接，所述钢丝轮驱动机构II与旋转臂II转动连接，并通过钢丝绳与直流电机III的一个输出轴连接，所述钢丝轮驱动机构III与旋转臂II连接，并通过钢丝绳与直流电机IV连接，所述旋转臂II与连接平台转动连接，所述直流电机II的另一输出轴与编码器II连接、直流电机III的另一输出轴与编码器III连接、直流电机IV的另一输出轴与编码器IV连接，所述钢丝轮驱动机构I与钢丝轮驱动机构II以及钢丝轮驱动机构III的轴线相交；
[0007]所述并联机构包括连接平台、连杆1、连杆I1、连杆II1、钢丝轮驱动机构IV、钢丝轮驱动机构V、钢丝轮驱动机构V1、直流电机V、直流电机V1、直流电机VI1、连接座1、连接座
I1、连接座III，连杆1、连杆II和连杆III与连接平台转动连接，所述连杆I与钢丝轮驱动机构IV转动连接，所述连杆II与钢丝轮驱动机构V转动连接，所述连杆III与钢丝轮驱动机构VI转动连接，所述钢丝轮驱动机构IV与连接座I转动连接，并通过钢丝绳与直流电机V连接，所述钢丝轮驱动机构V与连接座II转动连接，并通过钢丝绳与直流电机VI连接，所述钢丝轮驱动机构VI与连接座III转动连接，并通过钢丝绳与直流电机VE连接；
[0008]所述球面操作机构包括支撑架1、支撑架I1、球面半圆、器械固定装置、联轴器、器械驱动装置以及夹取器械，所述夹取器械与支撑架I转动连接，所述支撑架II与支撑架I转动连接，所述夹取器械通过器械固定装置与球面半圆滑动连接，所述器械驱动装置与夹取器械转动连接。
[0009]进一步，所述操作手夹持机构夹持装置包括导向杆、夹持柄、手指环，所述螺旋转盘上有螺旋空心槽，所述夹持座底部有导向槽，与导向杆滑动连接；
[0010]进一步，所述钢丝轮驱动机构1、钢丝轮驱动机构I1、钢丝轮驱动机构III均为半圆形空心槽结构，所述旋转臂1、旋转臂I1、连接平台上设置有限位销。
[0011]进一步，所述球面操作机构与连接平台连接。
[0012]本发明的有益技术效果是:
[0013]1、本发明的操作手的夹持机构、串联机构和并联机构均通过钢丝传动进行连接，并通过钢丝绳连接钢丝轮驱动机构和电机实现在七个自由度上的力反馈输出，钢丝传动在保证运动顺滑性的同时也保证反馈力的放大输出，可以在七个自由度上分别施加力反馈，操作更加灵活，可作为微创手术机器人通用主操作手，实施各种复杂操作，提高了遥操作力反馈设备的可靠性与适用性，避免现有六自由度操作手存在的反馈力较小的问题；同时，本操作手的工作空间为105x80x180mm，位姿空间为180° xl80° xl50°，结构紧凑，刚度好，不容易导致腕部疲劳的问题，寿命更高，使用成本低。
[0014]2、本发明通过串并联机构与球面操作机构的切换，可自由切换串并联操作方式与传统微创手术的操控方式。
[0015]3、本发明的夹持机构在实现对手夹持张角控制的同时，将手夹持人体组织的力通过电机驱动螺旋转盘转动反映出来，让夹持片产生反向的力，夹持座的底部设置有导向槽，与导向杆配合完成运动限位。
[0016]4、本发明的夹持机构的夹持座，串联机构的旋转臂1、旋转臂II构成三个关节，三个关节的轴线相交于一点。
[0017]5、本发明的夹持机构，串联机构和并联机构均通过钢丝传动实现运动，通过钢丝轮驱动机构和电机配合提高传动转矩，从而加大反馈力的大小。
[0018]本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研宄对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0019]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0020]图1为本发明七自由度遥操作手的第一实例例结构示意图；
[0021]图2为本发明七自由度遥操作手的第二实例例结构示意图；
[0022]图3为夹持机构的立体结构示意图；
[0023]图4是串联机构的立体结构示意图；
[0024]图5为并联机构的立体结构示意图；
[0025]图6为球面操作机构的立体结构示意图。
[0026]附图标记:1 一夹持机构；1-1 一夹持装置；1-2 —夹持座；1-3 —螺旋转盘、1-4 一编码器I ;1-5—直流电机I ;1_1_1 一导向杆；1-1-2—夹持柄；1-1-3—手指环；2—串联机构；2_1 —钢丝绳驱动机构；2_1 —旋转臂I ;2_2 —旋转臂II ；2-3 一钢丝轮驱动机构I ;钢2_4 —丝轮驱动机构II ;2_5 —钢丝轮驱动机构III ;2_6 —编码器II ;2_7 —编码器III ;编
2-8一码器IV ；2-9 一直流电机II ；2-10 一直流电机III ;2_11 —直流电机IV ；3 一并联机构；
3-1一连接平台；3-2 —连杆I ;3-3 —连杆II ；3-4 一连杆III ；3-5 一钢丝轮驱动机构IV ；3-6 一钢丝轮驱动机构V ；3-7 一钢丝轮驱动机构VI ；3-8 一直流电机V ;3_9 —直流电机VI ；3-10 一直流电机VE ；3-11 一连接座I ;3_12 —连接座II ；3-13 一连接座III ；4 一球面操作机构；4-1 一支撑架I ;4-2 —支撑架II ；4-3 一球面半圆；4_4 一器械固定装置；4_5 —联轴器；4-6 —器械驱动装置；4-7夹取器械。
【具体实施方式】
[0027]以下是本发明优选实施例的详细描述，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0028]实施例1
[0029]如图1所示，本实施例的一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手包括夹持机构1、串联机构2、并联机构3 ；
[0030]如图3所示，所述夹持机构I包括夹持装置1-1、夹持座1-2、螺旋转盘1-3、编码器I 1-4、直流电机I 1-5，夹持装置1-1通过导向杆1-1-1与螺旋转盘1-3滑动连接，螺旋转盘1-3与夹持座1-2转动连接，并通过钢丝绳与直流电机I 1-5的一个输出轴连接，螺旋转盘1-3与钢丝绳驱动机构轴线相交，直流电机1-5的另一输出轴与编码器I 1-4连接；
[0031]如图4所示，所述串联机构2包括旋转臂I 2-1、旋转臂II 2-2、钢丝轮驱动机构
I2-3、钢丝轮驱动机构II 2-4、钢丝轮驱动机构III 2-5、编码器II 2-6、编码器III 2-7、编码器IV 2-8、直流电机II 2-9、直流电机III 2-10、直流电机IV 2-11，钢丝轮驱动机构I 2-3与夹持座1-2连接，钢丝轮驱动机构I 2-3与旋转臂I 2-1转动连接，并通过钢丝绳与直流电机
II2-9的一个输出轴连接，钢丝轮驱动机构II 2-4与旋转臂I 2-1连接，钢丝轮驱动机构II 2-4与旋转臂II 2-2转动连接，并通过钢丝绳与直流电机III 2-10的一个输出轴连接，钢丝轮驱动机构III 2-5与旋转臂II 2-2连接，并通过钢丝绳与直流电机IV 2-11连接，旋转臂II2-2与连接平台3-1转动连接，直流电机II 2-9的另一输出轴与编码器II 2-6连接、直流电机III 2-10的另一输出轴与编码器III 2-7连接、直流电机IV 2-11的另一输出轴与编码器
IV2-8连接，钢丝轮驱动机构I 2-3与钢丝轮驱动机构II 2-4以及钢丝轮驱动机构III 2-5的轴线相交；
[0032]如图5所示，所述并联机构3包括连接平台3-1、连杆I 3