CN101773400A - 微创外科手术机器人主控数据手套 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微创外科手术机器人主控数据手套，包括手部位置机构，手部位置机构包括底座和一四连杆机构；四连杆机构包括顺序铰接的上臂、上前臂、下前臂和下臂；上前臂和下前臂之间的铰接轴上设置有末端接头；末端接头上设置有手部控制机构；手部控制机构包括顺序串联的手臂控制机构、腕关节控制机构和手掌，手掌上并联有拇指、食指和中指控制机构，各并联处均设置有关节轴；手臂控制机构和腕关节控制机构上均设置有关节轴；各关节轴均与一电位器联接。本发明用来采集人手在三维空间运动时的位置信号和手的拇指、食指、中指、腕关节及手臂的动作信号，可用于控制微创外科手术机器人多功能末端工具进行机器人腹腔、胸腔部位微创外科手术。
Description
技术领域
本发明涉及一种微创外科手术机器人主控数据手套。特别是涉及一种测量操作者手在三维空间中所处位置，测量操作者手臂、手腕、拇指、食指、中指关节动作的控制设备，使用方便、操作灵活的微创外科手术机器人主控设备。
背景技术
微创手术是借助先进的手术器械与设备、以较小的创伤完成手术，达到优于传统开口手术的疗效。机器人技术进入微创外科手术领域后，为完成复杂的手术操作，机器人末端工具要求有较高灵活性，末端工具由最初的单自由度构型发展为多自由度、多功能形式。机器人末端工具由医生通过主操作器进行控制，随着末端工具的发展，其自由度数增加，拓扑结构可进行变化。手形多功能、多自由度机器人微创手术工具出现以后，现有的微创外科手术机器人主控制器无法满足其控制需求，如：公开日为2009年6月3日的中国发明专利申请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。虽然，上述主操作手的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，可以实现六轴联动。但该主操作手只能控制简单结构的微创外科手术机器人末端工具。
迄今为止，在微创外科手术机器人主控制器领域，用来同时测量操作者手臂、手腕、拇指、食指、中指关节动作及手的空间位置，控制多功能、多自由度机器人微创手术工具的主操作手，没有得到开发与使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种微创外科手术机器人主控数据手套，用来测量操作者手的空间位置，测量手的手臂、手腕、拇指、食指、中指等关节的动作信号，可控制多自由度、多功能微创外科手术机器人末端手术工具。本发明中所称关节轴是指微创外科手术机器人主控数据手套中相关铰接连接件之间的铰接轴。
为了解决上述技术问题，本发明微创外科手术机器人主控数据手套予以实现的技术方案是：包括手部位置机构，所述手部位置机构包括底座和一四连杆机构；所述底座内设置有伺服电机，所述底座上连接有一水平板和第一电位器，所述水平板上固定有一弧形支架；所述四连杆机构包括顺序铰接的上臂、上前臂、下前臂和下臂；所述上臂与所述下臂之间的铰接轴设置在上述弧形支架的中上部，所述上臂端部的第二电位器和所述下臂端部的第三电位器通过柔性钢丝与所述弧形支架的弧形部分连接，从而构成一传动机构；所述上前臂和下前臂之间的铰接轴上设置有末端接头；所述末端接头上设置有手部控制机构；所述手部控制机构包括顺序串联的手臂控制机构、腕关节控制机构和手掌，所述手掌上并联有拇指控制机构、食指控制机构和中指控制机构；所述手掌与所述拇指控制机构、食指控制机构和中指控制机构的连接处均设置有关节轴；所述拇指控制机构、食指控制机构和中指控制机构自身活动部件之间均设置有关节轴，所述手臂控制机构和所述腕关节控制机构上均设置有关节轴；上述每个关节轴处均设置有用于获得每个关节轴转动角度的测量部件。
本发明微创外科手术机器人主控数据手套，其中，所述手臂控制机构包括通过一关节轴与所述末端接头连接的连接叉架，该关节轴与所述四连杆机构中上前臂和下前臂之间的铰接轴的轴线相交；所述连接叉架的底部固定有手臂环体，所述手臂环体包括套装在一起的外环和内环，其外环为定环，内环为动环；所述外环上方固定一轴套，所述手臂控制机构上的关节轴通过轴承部件装配在该轴套中；所述关节轴一端设置有传动轮，另一端与一关节动作测量部件连接；所述传动轮通过柔性钢丝与内环连接，从而构成一传动机构。所述关节动作测量部件包括电位器和电位器卡，所述电位器通过电位器卡固定在外环上，所述电位器轴通过联轴器与关节轴联接。
本发明微创外科手术机器人主控数据手套，其中，所述腕关节控制机构由腕体I和腕体II通过两个共轴线的关节轴连接，其中关节轴处设置有关节动作测量部件。所述关节动作测量部件包括电位器、电位器卡和防转卡槽，所述防转卡槽设置在腕体II，所述电位器轴通过联轴器与关节轴及腕体I联接，所述电位器通过电位器卡与防转卡槽的配合来固定。
本发明微创外科手术机器人主控数据手套，其中，所述拇指控制机构包括与手掌顺序铰接的拇指体I、拇指体II、拇指体III和固定在拇指体III末端的拇指指套；各铰接处设置有关节轴，所述每个关节轴上均设置有关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述拇指指套在三维空间中的位置和动作数据。所述食指控制机构包括与手掌顺序铰接的食指体I、食指体II、食指体III和固定在食指体III末端的食指指套；各铰接处设置有关节轴，所述每个关节轴上均设置有与关节轴同轴设置的关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述食指指套在三维空间中的位置和动作数据。所述中指控制机构包括与手掌顺序铰接的中指体I、中指体II、中指体III和固定在中指体III末端的中指指套；各铰接处设置有关节轴，所述每个关节轴上均设置有关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述中指指套在三维空间中的位置和动作数据。所述关节动作测量部件包括电位器、电位器卡和防转块，所述防转块固定在相应的指体上，所述电位器轴通过联轴器与关节轴联接，所述电位器通过电位器卡与防转块的配合来固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由于本发明微创外科手术机器人主控数据手套的手部位置机构采用了串并混联机构，并在相应关节处设置了电位器，通过相应数学算法可用来测量操作者的手在三维空间中的位置信息；
(2)由于本发明微创外科手术机器人主控数据手套设置了手臂控制机构、腕关节控制机构，并在对应关节设置电位器，可用来测量操作者的手臂、手腕的关节动作信息；
(3)由于本发明微创外科手术机器人主控数据手套设置了关节式拇指、食指、中指控制机构，并在对应关节处设置了电位器，故可用来测量操作者的拇指、食指、中指关节动作信息，进而获取三个手指的抓取信息；
(4)由于本发明微创外科手术机器人主控数据手套设置了手部位置机构、手部控制机构，可控制多新型自由度、多功能微创外科手术机器人末端工具在病人腹腔、胸腔中的位置和动作，进行微创外科手术机器人操作。
附图说明
图1是本发明微创外科手术机器人主控数据手套的系统构成示意图；
图2是如图1所示机器人主控数据手套中手部位置机构L的示意图；
图3是如图1所示机器人主控数据手套中手臂控制机构A的示意图；
图4是如图1所示机器人主控数据手套中腕关节控制机构W的示意图；
图5是如图1所示机器人主控数据手套中拇指控制机构T的示意图；
图6是如图1所示机器人主控数据手套中食指控制机构F的示意图；
图7是如图1所示机器人主控数据手套中中指控制机构M的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
本发明主要零部件及细节说明：
L.手部位置机构 F.食指控制机构 15.电位器卡
H.手部控制机构 M.中指控制机构 16.电位器
17.联轴器
A.手臂控制机构 1.内环 20.关节轴
W.腕关节控制机构 2.外环 23.腕体I
P.手掌 3.定位环 24.腕体II
7.传动轮 26.防转块
T.拇指控制机构 10.连接叉架
28.拇指体I 37.中指III 43.上前臂
29.拇指体II 38.拇指指套 44.下臂
31.拇指体III 381.食指指套 45.下前臂
32.食指体I 382.中指指套 46.末端接头
33.食指体II 39.底座 47.第二电位器
34.食指体III 40.水平板 48.第三电位器
35中指体I 41.弧形支架 49.第一电位器
36.中指体II 42.上臂
如图1和图2所示，所述微创外科手术机器人主控数据手套，包括手部位置机构L，所述手部位置机构L包括底座39和一四连杆机构；所述底座39内设置有伺服电机，所述底座39上连接有一水平板40和第一电位器49，所述水平板40上固定有一弧形支架41；如图2所示，所述四连杆机构包括顺序铰接的上臂42、上前臂43、下前臂45和下臂44；所述上臂42与所述下臂44之间的铰接轴设置在上述弧形支架41的上端部，所述上臂42端部的第二电位器47和所述下臂端部的第三电位器48通过柔性钢丝与弧形支架41的弧形部分连接，构成类似齿轮啮合的传动关系；所述上前臂43和下前臂45之间的铰接轴上设置有末端接头46。
如图1所示，本发明微创外科手术机器人主控数据手套中，所述末端接头46上设置有手部控制机构H；所述手部控制机构H包括顺序串联的手臂控制机构A、腕关节控制机构W和手掌P，所述手掌P上并联有拇指控制机构T、食指控制机构F和中指控制机构M；所述手掌P与所述拇指控制机构T、食指控制机构F和中指控制机构M的并联处均设置有关节轴；所述手臂控制机构A和所述腕关节控制机构W上均设置有关节轴20；上述每个关节轴20上均设置有用于获得该关节轴关节动作信息的测量部件。
如图3所示，本发明微创外科手术机器人主控数据手套中，如图2所示，所述手臂控制机构A包括与位置控制机构L中的末端接头46连接的连接叉架10；所述连接叉架10的底部固定有手臂环体，所述手臂环体包括配合连接在一起的外环2和内环1，其外环2为定环，内环1为动环，外环2通过螺钉与连接叉架10连接，一定位环3通过螺钉5与内环1连接；所述外环2上方固定一轴套，所述手臂控制机构A的关节轴20通过轴承部件(包括轴承6、12、套筒11、轴承盖4、14、螺钉5、13)与外环(2)连接；所述关节轴20的一端与一关节动作测量部件连接；所述关节轴20另一端设置有传动轮7；所述传动轮7通过柔性钢丝与内环1连接，可以实现类似于齿轮啮合方式的传动关系。所述关节动作测量部件包括电位器16和电位器卡15，所述电位器16通过电位器卡15固定在外环2上，所述电位器16的轴通过联轴器17与关节轴20联接。
如图4所示，本发明微创外科手术机器人主控数据手套中，所述腕关节控制机构W由腕体I23和腕体II24两端分别通过轴/孔配合连接构成一框架，其中一端的连接处设置有腕部关节轴20，为了与人体腕部形状吻合，所述框架的一侧投影呈弧形。所述腕体II24通过螺钉与外环2连接；如图1所示，腕体I23通过螺钉与手掌P连接，所述关节轴20上设置有关节动作测量部件，所述关节动作测量部件包括电位器16、电位器卡15和防转卡槽19，所述防转卡槽19设置在腕体II24上，所述电位器16的轴通过联轴器17与关节轴20联接，所述电位器16通过电位器卡15与防转卡槽19的配合来固定。
如图5所示，本发明微创外科手术机器人主控数据手套中，所述拇指控制机构T包括与手掌P顺序铰接的拇指体I28、拇指体II29、拇指体III31和固定在拇指体III31末端的拇指指套38；各铰接处设置有关节轴20，所述每个关节轴20上均设置有关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述拇指指套38在三维空间中的位置和动作数据。
如图6所示，本发明微创外科手术机器人主控数据手套中，所述食指控制机构F包括与手掌P顺序铰接的食指体I32、食指体II33、食指体III4和固定在食指体III4末端的食指指套381；各铰接处设置有关节轴20，所述每个关节轴20上均设置有与关节轴20同轴连接设置的关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述食指指套381在三维空间中的位置和动作数据。
如图7所示，本发明微创外科手术机器人主控数据手套中，所述中指控制机构M包括与手掌P顺序铰接的中指体I35、中指体II36、中指体III37和固定在中指体III37末端的中指指套382；各铰接处设置有关节轴，所述每个关节轴上均设置有关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述中指指套382在三维空间中的位置和动作数据。所述关节动作测量部件包括电位器16、电位器卡15和防转块26，所述防转块26固定在相应的指体上，所述电位器16的轴通过联轴器17与关节轴20联接，所述电位器16是通过电位器卡1与防转块26的配合来固定。
综上述所，本发明微创外科手术机器人主控数据手套的关键所在是：在各关节处装有电位器，由此，可测量相应转动关节的角度变化。使用者手部穿过手臂环1，手腕与腕关节控制机构W重合。操作者手臂与手臂控制机构A重合。拇指、食指及中指的前端分别通过指套与主控数据手套的拇指控制机构T、食指控制机构F、中指控制机构M的前端连接。
下面说明本发明微创外科手术机器人主控数据手套的动作实施过程。
本微创外科手术机器人主控数据手套通过在各关节处装有电位器，用来测量相应转动关节的角度。操作者手部穿过手臂环体，操作者手臂与手臂控制机构A重合，手腕与腕关节控制机构W自然重合。拇指、食指及中指的前端分别通过各指套与主控数据手套的拇指控制机构T、食指控制机构F、中指控制机构M的前端连接。本发明主控数据手套可采集操作者手在空间运动的位置信号和手臂、腕关节、拇指、食指及中指的关节运动信号，用于控制微创外科手术机器人多功能末端工具进行腹腔、胸腔等部位微创外科手术。
一、微创外科手术机器人主控数据手套手指关节测量
操作者拇指动作时，通过拇指指套38带动拇指体III31及关节轴20相对于拇指体II29转动，关节轴20通过联轴器17带动电位器16的轴转动，电位器卡15通过螺母将电位器16相对于防转块26及拇指体II29固定，拇指体III31相对于拇指体II29的转动转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。拇指体III31带动拇指体II29及防转块26相对于拇指体I28转动，电位器卡15通过螺母将电位器16与防转块26及拇指体II29固定，电位器16的轴通过联轴器17与关节轴20及拇指体I28固定，拇指体II29相对于拇指体I28的转动转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。拇指体II29带动拇指体I28及该对应位置的关节轴(即：手指基轴)20相对于手掌P转动，电位器16的轴通过联轴器17与手指基轴20连接，电位器卡15通过螺母将电位器16与防转块26及手掌P固定，拇指体I28相对于手掌P的转动可转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。即操作者拇指的动作可由拇指控制机构T测量。
操作者食指动作时，通过食指指套381带动食指体III34及关节轴20相对于食指体II33转动，关节轴20通过联轴器17带动电位器16的轴转动，电位器卡15通过螺母将电位器16相对于防转块26及食指体II33固定，食指体III34相对于食指体II33的转动转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。食指体III34带动食指体II33及防转块26相对于食指体I32转动，电位器卡15通过螺母将电位器16与防转块26与食指体II33固定，电位器16的轴通过联轴器18与关节轴20及食指体I32固定，食指体II33相对于食指I32的转动转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。食指体II33带动食指体I32及关节轴(手指基轴)20相对于手掌P转动，电位器16的轴通过联轴器17与手指基轴20连接，电位器卡15通过螺母将电位器16与防转块26及手掌P固定，食指体I32相对于手掌P的转动可转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。即操作者食指的动作可由食指控制机构F测量。
操作者中指动作时，通过中指指套382带动中指体III37及关节轴20相对于中指体II36转动，关节轴20通过联轴器17带动电位器16的轴转动，电位器卡15通过螺母将电位器16相对于防转块26及中指体II37固定，中指体III37相对于中指体II36的转动转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。中指体III37带动中指体II36及防转块26相对于中指体I35转动，电位器卡15通过螺母将电位器16与防转块26及中指体II36固定，电位器16的轴通过联轴器17与关节轴20及中指体I35固定，中指体II36相对于中指体I35的转动转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。中指体II36带动中指体I35及关节轴(手指基轴)20相对于手掌P转动，电位器16的轴通过联轴器17与手指基轴20连接，电位器卡15通过螺母将电位器16与防转块26及手掌P固定，中指体I35相对于手掌P的转动可转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可由电位器16测量。及操作者中指的动作可由中指控制机构M测量。
二、微创外科手术机器人主控数据手套腕关节动作测量
操作者手腕关节转动时，通过数据手套前端拇指机构、食指机构、中指机构及手掌带动腕体I23相对于腕体II24转动；腕体I23通过锁紧机构带动腕部关节轴20转动；腕部关节轴20通过联轴器17带动电位器16的轴转动；电位器卡15通过通过螺母将电位器16相对于腕体II24固定；腕体I23相对于腕体II24的转动转化为电位器16的轴相对于自身的转动，即可测量操作者的手腕的转动动作。
三、微创外科手术机器人主控数据手套手臂动作测量
操作者手臂自转时，通过数据手套前端拇指机构、食指机构、中指机构及手掌、手腕机构带动手臂环体的内环1相对于外环2转动；手臂环体上缠绕的丝带动传动轮7转动，传动轮7将动力传递给关节轴20，并通过联轴器17带动电位器16的轴转动；电位器卡15通过螺母将电位器16相对于外环2锁紧不可转动；内环1相对于外环2的转动转换为电位器16的轴相对于自身的转动，即可测量操作者手臂的转动动作。
四、微创外科手术机器人主控数据手套手部位置测量
操作者手部动作时，通过数据手套手部控制机构H带动手部位置机构L的末端接头46在三维空间中运动；末端接头46带动上前臂43、下前臂45运动；上前臂43、下前臂45分别带动上臂42、下臂44绕弧形支架41转动；第二电位器47、第一电位器48分别测量上臂42、下臂44相对于弧形支架41的转动角度；上臂42、下臂44带动弧形支架41及水平板40相对于底座39转动，第一电位器49测量水平板40相对于底座39的转动。由该第一电位器49的测量值和手部位置机构的几何尺寸，通过几何算法可以得出末端接头在三维空间中的位置信息，即可得到操作者的手在三维空间中的位置。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种微创外科手术机器人主控数据手套，包括手部位置机构(L)，所述手部位置机构(L)包括底座(39)和一四连杆机构；
所述底座(39)内设置有伺服电机，所述底座(39)上连接有一水平板(40)和第一电位器(49)，所述水平板(40)上固定有一弧形支架(41)；
所述四连杆机构包括顺序铰接的上臂(42)、上前臂(43)、下前臂(45)和下臂(44)；
所述上臂(42)与所述下臂(44)之间的铰接轴设置在上述弧形支架(41)的中上部，所述上臂(42)端部的第二电位器(47)和所述下臂端部的第三电位器(48)通过柔性钢丝与所述弧形支架(41)的弧形部分连接，从而构成一传动机构；
所述上前臂(43)和下前臂(45)之间的铰接轴上设置有末端接头(46)；
其特征在于：
所述末端接头上设置有手部控制机构(H)；
所述手部控制机构(H)包括顺序串联的手臂控制机构(A)、腕关节控制机构(W)和手掌(P)，所述手掌(P)上并联有拇指控制机构(T)、食指控制机构(F)和中指控制机构(M)；所述手掌(P)与所述拇指控制机构(T)、食指控制机构(F)和中指控制机构(M)的连接处均设置有关节轴；所述拇指控制机构(T)、食指控制机构(F)和中指控制机构(M)自身活动部件之间均设置有关节轴，所述手臂控制机构(A)和所述腕关节控制机构(W)上均设置有关节轴；上述每个关节轴处均设置有用于获得每个关节轴转动角度的测量部件。
2.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述手臂控制机构(A)包括通过一关节轴与所述末端接头(46)连接的连接叉架(10)，该关节轴与所述四连杆机构中上前臂(43)和下前臂(45)之间的铰接轴的轴线相交；所述连接叉架(10)的底部固定有手臂环体，所述手臂环体包括套装在一起的外环(2)和内环(1)，其外环(2)为定环，内环(1)为动环；所述外环(2)上方固定一轴套，所述手臂控制机构(A)上的关节轴通过轴承部件装配在该轴套中；所述关节轴一端设置有传动轮(7)，另一端与一关节动作测量部件连接；所述传动轮(7)通过柔性钢丝与内环(1)连接，从而构成一传动机构。
3.根据权利要求2所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述关节动作测量部件包括电位器和电位器卡，所述电位器通过电位器卡固定在外环上，所述电位器轴通过联轴器与关节轴联接。
4.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述腕关节控制机构(W)由腕体I(23)和腕体II(24)通过两个共轴线的关节轴连接，其中关节轴(20)处设置有关节动作测量部件。
5.根据权利要求4所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述关节动作测量部件包括电位器、电位器卡和防转卡槽，所述防转卡槽设置在腕体II(24)，所述电位器轴通过联轴器与关节轴(20)及腕体I(23)联接，所述电位器通过电位器卡与防转卡槽的配合来固定。
6.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述拇指控制机构(T)包括与手掌(P)顺序铰接的拇指体I(28)、拇指体II(29)、拇指体III(31)和固定在拇指体III(31)末端的拇指指套(38)；各铰接处设置有关节轴，所述每个关节轴上均设置有关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述拇指指套(38)在三维空间中的位置和动作数据。
7.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述食指控制机构(F)包括与手掌(P)顺序铰接的食指体I(32)、食指体II(33)、食指体III(4)和固定在食指体III(4)末端的食指指套(381)；各铰接处设置有关节轴，所述每个关节轴上均设置有与关节轴同轴设置的关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述食指指套(381)在三维空间中的位置和动作数据。
8.根据权利要求1所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述中指控制机构(M)包括与手掌(P)顺序铰接的中指体I(35)、中指体II(36)、中指体III(37)和固定在中指体III(37)末端的中指指套(382)；各铰接处设置有关节轴，所述每个关节轴上均设置有关节动作测量部件，通过该关节动作测量部件获得所述中指指套(382)在三维空间中的位置和动作数据。
9.根据权利要求7、8或9所述的微创外科手术机器人主控数据手套，其特征在于：所述关节动作测量部件包括电位器、电位器卡和防转块，所述防转块固定在相应的指体上，所述电位器轴通过联轴器与关节轴联接，所述电位器通过电位器卡与防转块的配合来固定。
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