CN101444431B - 辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手，底座机构包括底座、立柱，一个扇形底板安装在立柱顶面上；四连杆机构包括安装在弧形底板上的弧形支架，上下近架杆、上下远架杆组组成的平行四边体机构；所述的手腕机构包括腕体，在腕体上部设置有第五伸出轴，一个指节的一端套在第五伸出轴上；指节的另一端通过轴承套在设置在一个指柄座上的第六伸出轴上；在所述的指柄座上通过轴承连接有两个指柄轴，所述的两个指柄轴之间通过齿轮相啮合配合，在所述的每一指柄轴上粘结有一个指柄。本发明的装置手腕机构三个转动自由度的旋转中心交于一点，并且将工作点置于该汇交点的设计，消除了姿态调整时位姿的补偿量，可以实现六轴联动。

Description

辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手

技术领域

本发明涉及主从操作微创外科手术领域内的主操作器，它可以辅助外科医生完成微创手术操作，尤其涉及一种辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手。

背景技术

以腹腔镜为代表的微创外科被誉为20世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一，微创手术操作是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作的。它与传统的开口手术相比具有手术切口小、出血量少、术后疤痕小、恢复时间快等优点，这使得病人遭受的痛苦大大减少；因此微创外科被广泛的应用于临床手术。然而，微创手术由于操作对象较小(如直径小于1mm血管的缝合)，而且工作时间很长，故医生容易疲惫，并由此导致动作不准确。医疗机器人能够准确地完成一些负载的微操作而又不损坏组织，并且能够根据操作过程中的节处理信息来调整操作过程，因而受到广泛的关注。20世纪90年代初期，医疗外科手术机器人地主操作手的研制取得了飞跃性的发展，一批研究成果相继被报道，而主从式显微外科手术机器人的主操作手是医疗外科手术机器人研究中的一个重要分支。

目前，国外做的比较成功的主操作器是，Sensable公司的PHANToM操作器，它属于关节坐标式主手，有六个自由度，并可以感受3到6个方向的力和力矩，其主要特点是可以有效抑制手术操作过程中人手的抖动。目前国内还没有用于显微外科中的主操作手。

发明内容

本发明的目的在于提供辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手，该主操作手操作轻便灵活具有三维力感觉和7个自由度，可以有效抑医生在制操作过程中手部的颤抖。

本发明的辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手，它包括底座机构、四连杆机构、手腕机构，所述的底座机构包括一个底座，在所述的底座上固定有一个立柱，在所述的立柱内装有第一伺服电机，所述的立柱顶面固定有第一丝筒座，第一丝筒通过轴承固定在所述第一丝筒座内，所述的第一伺服电机的输出轴与第一电位器的转轴分别固定在第一丝筒的两端，所述的第一电位器的本体固定在所述的第一丝筒座上，一个其上设置有第一伸出轴的扇形底板通过轴承安装在所述的立柱顶面上，所述的第一伸出轴的轴线与地面垂直设置，在所述的第一丝筒上缠绕有钢丝，所述的钢丝通过所述的扇形底板的弧形面、预紧机构固定在所述的扇形底板上；所述的四连杆机构包括安装在所述的弧形底板上的弧形支架，由分别由两根远架杆组成的上下远架杆组、其上分别开有中心孔的上下近架杆构成的平行四边体机构，其上左右对称的分别设置有上、下远架杆轴的上下远架杆座，在所述的弧形支架上固定有一个扇形摆盘，在所述的扇形摆盘两侧的支架上具有同轴线对称设置的第二、三伸出轴，所述的第二、三伸出轴分别通过一对轴承与所述的上、下近架杆的中心孔相连，所述的上下远架杆组的两根杆的一端分别与所述的上下远架杆座上的上下远架杆轴相连；所述的上下近架杆的一端分别与所述的上下远架杆座相连并且其另一端安装有第二、三伺服电机和第二、三丝筒座，第二、三丝筒分别通过轴承固定在所述第二、三丝筒座内，所述的第二、三丝筒的两端分别与第二、三伺服电机的输出轴和第二、三电位器的转轴相连，所述的第二、三电位器的本体分别固定在所述第二、三丝筒座上，在所述的第二、三丝筒上分别缠绕有钢丝，所述的钢丝通过所述的扇形摆盘的弧形面、预紧机构固定在所述的扇形摆盘上，配重块固定在所述的第二，三丝筒座上；所述的手腕机构包括腕体，在所述的腕体两端分别固定连接有左右腕体盖，在所述的左右腕体盖上分别设置有第四伸出轴，所述的左右腕体盖同轴线对称设置，所述的上下远架杆末端分别通过轴承套在所述的第四伸出轴上，在所述的腕体内装有其本体固定在所述的腕体上的第四电位器，所述的第四电位器的转轴与所述的第四伸出轴上的轴承的轴承盖内侧的凸台相连；在所述的腕体上部设置有第五伸出轴，一个指节的一端通过轴承套在所述的第五伸出轴上，一个第五电位器的转轴与所述腕体上的第五伸出轴相连并且其本体固定在所述的指节上；所述的指节的另一端通过轴承套在一个指柄座上的第六伸出轴上，一个第六电位器的转轴与所述指柄座的第六伸出轴相连并且其本体固定在所述的指节上；在所述的指柄座上通过轴承连接有两个指柄轴，所述的两个指柄轴之间通过齿轮相啮合配合，在所述的每一指柄轴上粘结有一个指柄，一个第七电位器的本体与所述的指柄座固定相连并且其转轴与所述的一个指柄轴相连。

本发明的用于辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手，具有以下有益效果：

1.本发明通过采用丝传动的形式使机构具有结构精简、体积小、重量轻等优点；

2.机构运动轻便灵活，适应外科手术操作要求；

3.采用并联结构，优化尺寸和材料，具有刚性好，质量轻，惯性小的优点；

4.针对微创外科手术的手术空间和作用力大小进行设计，更加符合外科医生的操作方式；

5.采用平行四边形机构，利用电机自重和适当的配重实现机构的重力平衡；

6.手腕机构三个转动自由度的旋转中心交于一点，并且将工作点置于该汇交点的设计，消除姿态调整时位姿的补偿量；

7.该机构可以实现六轴联动。

附图说明

图1是本发明的用于辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手总体装配示意图；

图2是图1所示的主操作手的底座机构示意图；

图3是图1所示的主操作手的丝筒安装方式示意图；

图4是图1所示的主操作手的丝传动原理图；

图5是图1所示的主操作手的四连杆杆机构示意图；

图6是图1所示的主操作手的手腕机构示意图；

图7是图1所示的主操作手的自重平衡原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

如图1所示，辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手，包括底座机构A、四连杆机构B、手腕机构C。上、下近架杆16分别绕轴线R2、R3旋转，使得四连杆机构B的末端即手腕机构C的中心在由近架杆16和远架杆17组成平面内的平动，连同四连杆机构B绕轴线R1的旋转运动共同实现手腕机构C的中心在空间中的三个方向X、Y、Z的运动。手腕机构具有三个转动自由度并且转动轴线R4、R5、R6交于一点，连同手指开合运动，该装置共具有七个自由度。

如图2所示，所述的底座机构A包括一个底座1，在所述的底座1上固定有一个立柱2，在所述的立柱2内装有第一伺服电机7，所述的立柱2顶面固定有第一丝筒座6，第一丝筒5通过轴承固定在所述第一丝筒座6内，所述的第一伺服电机7的输出轴与第一电位器4的转轴分别固定在第一丝筒5的两端，所述的第一电位器4的本体固定在所述的第一丝筒座6上。一个其上设置有第一伸出轴的扇形底板3通过轴承安装在所述的立柱2顶面上，所述的第一伸出轴的轴线R1与地面垂直设置。在所述的第一丝筒5上缠绕有钢丝33，所述的钢丝通过所述的扇形底板3的弧形面、预紧机构34固定在所述的扇形底板3上。预紧机构包括弹簧和螺钉，安装钢丝时通过弹簧形变提供一个固定的预紧力，然后将钢丝缠绕在三个螺钉上，利用摩擦力保持该预紧力。丝筒安装及丝传动原理如图3、4所示，第一丝筒5位置固定不动，扇形底板3绕其上的第一伸出轴的轴线R1旋转时，第一丝筒5在钢丝33带动下随扇形底板3以相同的线速度一起旋转。从而使第一电位器4产生输出量，并且第一伺服电机7将反馈力矩通过第一丝筒5和钢丝传递到扇形底板3上。

如图5所示，所述的四连杆机构B包括安装在所述的扇形底板3上的弧形支架8，由分别由两根远架杆组成的上下远架杆组17、其上分别开有中心孔的上下近架杆16构成的平行四边形机构，其上左右对称的分别设置有上、下远架杆轴19、21的上下远架杆座18、22，在所述的弧形支架8上固定有一个扇形摆盘12，在所述的扇形摆盘12两侧的支架上具有同轴线对称设置的第二、三伸出轴，如图1所示，所述的第二、三伸出轴的轴线R2、R3与第一伸出轴的轴线R1垂直，并且分别通过一对轴承与所述的上、下近架杆16的中心孔相连，所述的上下远架杆组17的两根杆的一端分别与所述的上下远架杆座18、22上的上下远架杆轴19、21相连并且其另一端共同连接在手腕机构C的腕体盖23上；所述的上下近架杆16的一端分别与所述的上下远架杆座18、22相连并且其另一端安装有第二、三伺服电机11、15和第二、三丝筒座10、14，第二、三丝筒的安装方式与底座机构A中第一丝筒的安装方式相同，第二、三丝筒分别通过轴承固定在所述第二、三丝筒座10、14内，所述的第二、三丝筒的两端分别与第二、三伺服电机11、15的输出轴和第二、三电位器9、13的转轴相连，所述的第二、三电位器9、13的本体分别固定在所述第二、三丝筒座10、14上，在所述的第二、三丝筒上分别缠绕有钢丝，所述的钢丝通过所述的扇形摆盘的弧形面、预紧机构固定在所述的扇形摆盘上，配重块固定在所述的第二，三丝筒座上；丝传动原理与底座机构A中的丝传动原理相同，所不同的是丝筒位置是浮动的，而扇形摆盘12是固定的，当四连杆机构改变形状时，第二，三丝筒在钢丝带动下随近架杆16一起绕扇形摆盘12圆弧面滚动，从而使第二、三电位器9、13产生输出量，第二、三伺服电机11、15通过第二、三丝筒和钢丝将反馈力矩分别传递到上下近架杆16。连同底座机构A中的第一伺服电机所提供的力反馈，该装置具有三维的空间力反馈。

如图6所示，所述手腕机构C位于四连杆机构B末端，具有三个转动自由度和一个开合自由度，并且三个转动自由度的旋转中心x、y、z轴如图1所示交于一点，即位于四连杆机构B末端中心处。所述的手腕机构C包括腕体20，在所述的腕体20两端分别固定连接有左右腕体盖23，在所述的左右腕体盖23上分别设置有第四伸出轴，所述的左右腕体盖23同轴线对称设置，所述上下远架杆末端分别通过轴承套在所述的第四伸出轴上，在所述的腕体20内装有其本体固定在所述的腕体20上的第四电位器24，所述的第四电位器24的转轴与所述的四伸出轴上的轴承的轴承盖22内侧的凸台相连，所述第四电位器本体随腕体20一起转动产生输出量；在所述的腕体20上部设置有其轴线与第四伸出轴的轴线R4垂直的第五伸出轴R5，一个指节30的一端通过轴承套在所述的第五伸出轴上，一个第五电位器31的转轴与所述腕体20的第五伸出轴相连并且其本体固定在所述的指节30上，所述第五电位器本体随指节30一起转动产生输出量；所述的指节30的另一端通过轴承套在设置在一个指柄座28上的第六伸出轴上，所述的第六伸出轴的轴线R6与第五伸出轴的轴线R5垂直设置，一个第六电位器29的转轴与所述指柄座28的第六伸出轴相连并且其本体固定在所述的指节30上，所述第六电位器29转轴随指柄座28一起转动产生输出量；在所述的指柄座28上通过轴承连接有两个指柄轴27，所述的两个指柄轴27之间通过齿轮相啮合配合，在所述的每一指柄轴27上粘结有一个指柄25，一个第七电位器26的本体与所述的指柄座28固定相连并且其转轴与所述的一个指柄轴27相连，所述第七电位器26转轴随指柄轴27一起转动产生输出量。

下面说明本发明辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手的动作实施过程。

1.三维力感觉的主操作手的操作方法：

操作时，拇指和食指分别置于指柄上，在人手的带动下该装置可以实现六轴连动，即手腕机构C用以实现姿态调整的绕三个方向x、y、z的转动和手腕机构C中心用以实现空间三维位置方向X、Y、Z的移动。同时，可以通过拇指和食指的开合控制从手的手指的开合。也可以实现姿态和位置的分别调整，即可以实现单轴的运动。

2.三维力感觉的主操作手的自重平衡：

如图7所示，由于近架杆的中心孔与扇形摆盘伸出轴配合，因此近架杆以中心孔的中心线为旋转轴在竖直平面内转动。中心孔左侧机构的质量可以看做集中在重心1的位置，中心孔右侧机构的质量可以看做集中在重心2的位置上，由于上下近架杆和上下远架杆完全对称，无论该平行四边形机构如何运动，近架杆的中心孔左右两侧机构的重心(重心1和重心2)始终位于近架杆的中心孔和手腕机构中心之间的连线上。利用杠杆原理，在近架杆安装伺服电机的一侧安装配重块，通过改变配重块的厚度调整配重块的质量，从而使近架杆的中心孔左右两侧重力平衡，使操作者能够轻松的移动手腕机构的位置。

Claims (1)

1.辅助微创外科手术机器人的三维力反馈主操作手，其特征在于：它包括底座机构、四连杆机构、手腕机构，所述的底座机构包括一个底座，在所述的底座上固定有一个立柱，在所述的立柱内装有第一伺服电机，所述的立柱顶面固定有第一丝筒座，第一丝筒通过轴承固定在所述第一丝筒座内，所述的第一伺服电机的输出轴与第一电位器的转轴分别固定在第一丝筒的两端，所述的第一电位器的本体固定在所述的第一丝筒座上，一个其上设置有第一伸出轴的扇形底板通过轴承安装在所述的立柱顶面上，所述的第一伸出轴的轴线与地面垂直设置，在所述的第一丝筒上缠绕有钢丝，所述的钢丝通过所述的扇形底板的弧形面、预紧机构固定在所述的扇形底板上；所述的四连杆机构包括安装在扇形底板上的弧形支架，由分别由两根远架杆组成的上下远架杆组、其上分别开有中心孔的上下近架杆构成的平行四边体机构，其上左右对称的分别设置有上、下远架杆轴的上下远架杆座，在所述的弧形支架上固定有一个扇形摆盘，在所述的扇形摆盘两侧的支架上具有同轴线对称设置的第二、三伸出轴，所述的第二、三伸出轴分别通过一对轴承与所述的上、下近架杆的中心孔相连，所述的上下远架杆组的两根杆的一端分别与所述的上下远架杆座上的上下远架杆轴相连并且其另一端共同连接在手腕机构的腕体盖上；所述的上下近架杆的一端分别与所述的上下远架杆座相连并且其另一端安装有第二、三伺服电机和第二、三丝筒座，第二、三丝筒分别通过轴承固定在所述第二、三丝筒座内，所述的第二、三丝筒的两端分别与第二、三伺服电机的输出轴和第二、三电位器的转轴相连，所述的第二、三电位器的本体分别固定在所述第二、三丝筒座上，在所述的第二、三丝筒上分别缠绕有钢丝，所述的钢丝通过所述的扇形摆盘的弧形面、预紧机构固定在所述的扇形摆盘上，配重块固定在所述的第二，三丝筒座上；所述的手腕机构包括腕体，在所述的腕体两端分别固定连接有左右腕体盖，在所述的左右腕体盖上分别设置有第四伸出轴，所述的左右腕体盖同轴线对称设置，所述的上下远架杆末端分别通过轴承套在所述的第四伸出轴上，在所述的腕体内装有其本体固定在所述的腕体上的第四电位器，所述的第四电位器的转轴与所述的第四伸出轴上的轴承的轴承盖内侧的凸台相连；在所述的腕体上部设置有第五伸出轴，一个指节的一端通过轴承套在所述的第五伸出轴上，一个第五电位器的转轴与所述腕体上的第五伸出轴相连并且其本体固定在所述的指节上；所述的指节的另一端通过轴承套在一个指柄座上的第六伸出轴上，一个第六电位器的转轴与所述指柄座的第六伸出轴相连并且其本体固定在所述的指节上；在所述的指柄座上通过轴承连接有两个指柄轴，所述的两个指柄轴之间通过齿轮相啮合配合，在所述的每一指柄轴上粘结有一个指柄，一个第七电位器的本体与所述的指柄座固定相连并且其转轴与所述的一个指柄轴相连。

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