CN103940539B - 面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台。包括微器械指尖受力加载平台（1）、导绳轮组安装平台（2）和传感器及电机安装平台（3），指尖受力加载平台（1）通过砝码牵引钢丝绳对微器械实施力加载，导绳轮组安装平台（2）实现对驱动微器械的钢丝绳的空间绕绳和预紧，传感器及电机安装平台（3）实现对驱动微器械的六根钢丝绳拉力的测量和对微器械运动的控制。本发明采用检测驱动微器械运动的钢丝绳上的拉力结合力学模型的方法来检测微器械夹持力。本发明思路独特，实验装置简单易行。对微创手术机器人系统有很好的促进作用。

Description

面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台

技术领域

本发明涉及的是一种手术机器人微器械受力检测装置。

背景技术

随着机器人技术和相关技术的发展微创手术机器人的手术范围逐渐涉及更复杂的手术领域，手术操作也向智能化和精确化发展。在国际上美国的IntuitiveSurgical公司研制了DaVinci微创手术机器人系统，ComputerMotion公司研制了ZEUS系统均已成功推向临床，但手术费用昂贵。目前国内也开始了微创腹腔手术机器人的研究，天津大学研究了“妙手”系统但同国外相比还从在很大差距，其中一个最大挑战就是让外科手术医生准确的“感受”到人体组织。目前主要是通过有力感的主收来实现的。这就需要对腹腔手术机器人微器械进行受力检测。其方法多半是设计多维力传感器，这种方法对传感的设计和制造来说是个巨大的挑战，同时也需要大量的资金支持。

发明内容

本发明目的在于提供一种使用方便灵活，可以实现对微器械夹持力的检测和对微器械运动进行驱动的面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台。

本发明的目的是这样实现的：

包括微器械指尖受力加载平台1、导绳轮组安装平台2和传感器及电机安装平台3，指尖受力加载平台1通过砝码牵引钢丝绳对微器械实施力加载，导绳轮组安装平台2实现对驱动微器械的钢丝绳的空间绕绳和预紧，传感器及电机安装平台3实现对驱动微器械的六根钢丝绳拉力的测量和对微器械运动的控制。

所述微器械指尖受力加载平台1的组成为：立柱1-19固定在底板1-5上，上横梁A1-18、下横梁A1-22分别固定在立柱1-19的两侧，横梁B1-21固定在立柱1-19的正前面，两个相同的垫块A1-10分别固定在横梁B1-21的两端，垫块B1-16固定在上横梁A1-18前端，下横梁A1-22前端也固定一个垫块B1-16，垫块A1-10上面安装有过轮支架1-11，绳轮支架A1-6和绳轮支架B1-7分别固定在上横梁A1-22上面的垫块之上，上横梁A1-18上的垫块1-16也安装有两个绳轮支架，各个绳轮支架和过轮支架上面都安装有导绳轮1-13或者绕绳轮1-4，钢丝绳A1-15分别绕过横梁B1-21两侧的导绳轮1-13和微器械手指相连，通过砝码A1-1、砝码B1-9对钢丝绳A1-15的牵引将砝码的重力水平加载在微器械指尖，从而模拟微器械水平方向受力，钢丝绳B1-3绕过上横梁A1-18和下横梁A1-22上的四个绕绳轮1-4和微器械手指相连，通过砝码C1-2和砝码D1-14对钢丝绳B1-3的牵引将砝码的重力竖直加载在微器械指尖，从而模拟微器械竖直方向受力。

上横梁A1-18、下横梁A1-22和横梁B1-21上面有长孔，上横梁A1-18、下横梁A1-22和横梁B1-21均通过螺钉安装在立柱1-19上，通过螺钉调整上横梁A1-18、下横梁A1-22和横梁B1-21相对于底板1-5的位置调整高度。

所述导绳轮组安装平台2的组成为：绳索过轮布置面板2-12分别与面板支架A2-15和面板支架B2-19相连，绳索过轮布置面板2-12上面分布有12个导绳轮2-10，所述12个导绳轮用10根螺钉2-11固定在绳索过轮布置面板2-12上面，其中两个螺钉上面分别固定有2个导绳轮、剩余8根螺钉各自固定一个导绳轮，其中六个导绳轮在微器械支架2-13的端口处、剩余6个处于6组预紧轮支架底座2-9和过绳轮支架2-2之间，预紧轮支架底座2-9和过绳轮支架2-2也通过螺钉固定在绳索过轮布置面板2-12上面，6个预紧轮支架2-7安装在6个预紧轮支架底座2-9上，每个预紧轮支架2-7和过绳轮支架2-2都安装有导绳轮2-18，驱动微器械运动的6根钢丝绳分别绕过处于微器械支架2-13的端口处导绳轮后绕过预紧轮支架上的导绳轮，再次绕过预紧轮支架底座2-9和过绳轮支架2-2之间导绳轮最后绕过过绳轮支架2-2上的导绳轮。

所述传感器及电机安装平台3的组成为：面板支架A2-15和面板支架B2-19固定在底板3-1上面，接近开关安装支架底座3-2、电机安装支架3-8和下层过绳轮组支架3-9固定在底板3-1上，接近开关安装面板3-5通过接近开关安装板连接架3-4和接近开关安装支架底座3-2相连，上层过绳轮组支架3-12和下层过绳轮组支架3-9相连，6个直线步进电机3-7安装在电机安装支架3-8上面，下层过绳轮组支架3-9和上层过绳轮组支架3-12分别安装有三个绳轮支架3-13，其中每个绳轮支架3-13上面安装有绳轮3-14，驱动微器械运动的6根钢丝绳通过传感器绳索连接帽3-18连接到6个拉力传感器3-17上端，各个拉力传感器3-17下端也通过传感器绳索连接帽3-18连接有钢丝绳，传感器3-17下端的钢丝绳分别绕过各自对应的绳轮3-14连接到安装在直线步进电机3-7上面的电机绳索连接帽3-10上面，通过钢丝绳对拉力传感器3-17的牵引，拉力传感器3-17的输出电压会发生变化，从而通过拉力传感器3-17的信息采集到六根钢丝绳上的拉力。

本发明提供了一种面向外科手术机器人微器械夹持力测试平台，采用检测驱动微器械运动的钢丝绳上的拉力结合力学模型的方法来检测微器械夹持力。本发明思路独特，实验装置简单易行。对微创手术机器人系统有很好的促进作用。

通过砝码1-1和另外一个砝码1-9对钢丝绳1-15的牵引可以将砝码的重力水平加载在微器械指尖，从而模拟微器械水平方向受力。同理通过两个砝码1-2和1-14对钢丝绳1-3的牵引可以将砝码的重力竖直加载在微器械指尖，从而模拟微器械竖直方向受力。绕绳伦1-4和导绳轮1-13可以保证钢丝绳1-3、1-15的移动平滑稳定。横梁A1-18、1-22以及横梁B1-21上面加工有长孔，可以调整其相对于底板的高度，这样可以保证当微器械在不同状态加载力始终恒定。

绳索过轮布置面板2-12上所有的过绳轮2-3导绳轮2-18过绳轮支架2-2预紧轮支架2-7设计都一样，所有安装绳轮用的轴都为统一规格的螺钉，减少了设计难度和加工难度。钢丝绳2-1、2-5、、2-6、2-20、2-21、2-22的运动可以操作微器械手指的运动。钢丝绳通过导绳轮可以改变方向。其中螺钉2-8可以改变预紧轮支架2-7和预紧轮支架底座2-9之间的相对位置，从而使钢丝绳2-1、2-5、、2-6、2-20、2-21、2-22处于张紧状态。

通过钢丝绳对拉力传感器3-17的牵引，拉力传感器3-17的输出电压会发生变化，从而通过拉力传感器3-17的信息采集到六根钢丝绳上的拉力，进而通过数学模型得到微器械的指尖夹持力。直线步进电机3-7对六根钢丝绳的牵引可以实现电机对微器械运动状态的控制。接近开关3-5可以检测试验装置的原点。

通过砝码1-1、1-2、1-9、1-14、可以实现对微器械受力的加载通过拉力传感器3-17可以检测到驱动微器械运动的六根钢丝绳的拉力，通过直线步进电机3-7可以控制微器械的运动，进而通过数学方法得到微器械的夹持力。

本发明一种面向外科手术机器人微器械夹持力测试平台，具有以下特点：

1、本发明通过拉力传感器测量驱动微器械的六根钢丝绳上的拉力，通过数学模型推导出微器械的夹持力，测力方法简单、经济、实用，不用专门设计多维力传感器。

2、本发明结构精巧，采用模块化设计，降低了设计难度和加工难度。

3、本发明力加载方法采用标准砝码简单、准确。横梁的位置可调可以对微器械各个状态下进行加载

4、本发明的导绳轮组安装平台具有预紧装置可以调整驱动微器械的六根钢丝绳的松紧，保证运动精度。

5、本发明采用直线步进电机驱动钢丝绳来操作微器械运动，不需要旋转运动转化直线运动的机构。

附图说明

图1是本发明的整体机构图。

图2是本发明的微器械指尖受力加载平台示意图。

图3是本发明的导绳轮组安装平台示意图。

图4是本发明的传感器及电机安装平台示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，并结合附图加以说明。

结合图1，本发明的一种面向外科手术机器人微器械夹持力测试平台主要由微器械指尖受力加载平台1、导绳轮组安装平台2、传感器及电机安装平台3组成。指尖受力加载平台1通过砝码牵引钢丝绳的对微器械实施力加载；导绳轮组安装平台2可以实现对驱动微器械的的钢丝绳的空间绕绳和预紧；传感器及电机安装平台3可以实现对驱动微器械的六根钢丝绳拉力的测量和对微器械运动的控制，进而通过力学模型得到微器械在不同运动状态的夹持力。

结合图2，微器械指尖受力加载平台1主要由以下几部分组成：砝码1-1、砝码1-2、砝码1-9、砝码1-14、钢丝绳1-3、绕绳轮1-4、底板1-5、绳轮支架A1-6、绳轮支架B1-7、螺钉1-8、螺钉1-17、螺钉1-20、螺钉1-23、垫块A1-10、过轮支架1-11、螺母1-12、导绳轮1-13、钢丝绳1-15、垫块B1-16、横梁A1-18、横梁A1-22、立柱1-19、横梁B1-21。

立柱1-19通过四组均匀分布的螺钉1-23固定在底板1-5上面。横梁A1-18、1-22分别通过四个螺钉安装固定在立柱1-19的两侧，其中横梁A1-18在上，横梁A1-22在下。横梁B1-21通过四个螺钉1-20固定在立柱1-19的正前面。其中横梁A1-18、1-22和横梁B1-21上面有长孔，通过螺钉可以调整横梁A1-18、1-22和横梁B1-21相对于底板1-5的位置，调整其高度。两个一样的垫块A1-10分别通过螺钉1-17固定在横梁B1-21两侧。垫块B1-16通过螺钉固定在横梁A1-18前端，同样的横梁A1-22前端也固定一个垫块。垫块A1-10上面通过螺钉安装有过轮支架1-11。绳轮支架A1-6和绳轮支架B1-7分别通过螺钉固定在横梁A1-22上面的垫块之上。同样的横梁A1-18上的垫块1-16也安装有两个绳轮支架。各个绳轮支架和过轮支架上面都通过螺钉1-8和螺母1-12安装有导绳轮1-13或者绕绳轮1-4。钢丝绳1-15分别绕过横梁B1-21两侧的导绳轮1-13和微器械手指相连，这样通过砝码1-1、1-9对钢丝绳1-15的牵引可以将砝码的重力水平加载在微器械指尖，从而模拟微器械水平方向受力。同样的钢丝绳1-3绕过横梁A1-18和1-22上的四个绕绳轮1-4和微器械手指相连，这样通过砝码1-2和1-14对钢丝绳1-3的牵引可以将砝码的重力竖直加载在微器械指尖，从而模拟微器械竖直方向受力。

结合图3，导绳轮组安装平台2主要由以下几部分组成：钢丝绳2-1、钢丝绳2-5、钢丝绳2-6、钢丝绳2-20、钢丝绳2-21、钢丝绳2-22、过绳轮支架2-2、过绳轮2-3、螺母2-4、预紧轮支架2-7、螺钉2-8、螺钉2-11、螺钉2-14、螺钉2-16）预紧轮支架底座2-9、导绳轮2-10、导绳轮2-18、绳索过轮布置面板2-12、微器械支架2-13、面板支架A2-15、螺母2-17、面板支架B2-19。

绳索过轮布置面板2-12通过四个螺钉2-14分别与面板支架A2-15和面板支架B2-19相连，绳索过轮布置面板2-12上面分布有12个导绳轮2-10，这12个导绳轮用10根螺钉2-11固定在绳索过轮布置面板2-12上面，其中有两个螺钉上面分别固定有2个导绳轮，剩余8根螺钉各自固定一个导绳轮，其中六个导绳轮在微器械支架2-13的端口处，剩余6个处于6组预紧轮支架底座2-9和过绳轮支架2-2之间。预紧轮支架底座2-9和过绳轮支架2-2也通过螺钉固定在绳索过轮布置面板2-12上面。6个预紧轮支架2-7通过螺钉安装在6个预紧轮支架底座2-9上。每个预紧轮支架2-7和过绳轮支架2-2都通过螺钉2-16和螺母2-17安装有导绳轮2-18。驱动微器械运动的6根钢丝绳2-1、2-5、、2-6、2-20、2-21、2-22分别绕过处于微器械支架2-13的端口处导绳轮后绕过预紧轮支架上的导绳轮，再次绕过预紧轮支架底座2-9和过绳轮支架2-2之间导绳轮最后绕过过绳轮支架2-2上的导绳轮。通过调整预紧轮支架底座2-9上的螺钉，就可以调整预紧轮支架底座2-9和预紧轮支架2-7的相对位置来达到调整钢丝绳2-1、2-5、、2-6、2-20、2-21、2-22松紧的目的。这样通过驱动钢丝绳就可以达到精准控制微器械的目的。

结合图4，传感器及电机安装平台3主要由以下几部分组成：底板3-1、接近开关安装支架底座3-2、螺钉3-3、螺钉3-16、接近开关安装板连接架3-4、接近开关安装面板3-5、接近开关3-6、直线步进电机3-7、电机安装支架3-8、下层过绳轮组支架3-9、电机绳索连接帽3-10、绳索卡头3-11、上层过绳轮组支架3-12、绳轮支架3-13、绳轮3-14、螺栓3-15、拉力传感器3-17、传感器绳索连接帽3-18、绳索卡头3-19。

面板支架A2-15和面板支架B2-19通过螺钉固定在底板3-1上面，这样导绳轮组安装平台2就和底板3-1连为一体了。接近开关安装支架底座3-2电机安装支架3-8和下层过绳轮组支架3-9通过螺钉3-3固定在底板3-1上。接近开关安装面板3-5通过接近开关安装板连接架3-4和接近开关安装支架底座3-2相连，上层过绳轮组支架3-12通过螺钉和下层过绳轮组支架3-9相连，6个直线步进电机3-7安装在电机安装支架3-8上面。下层过绳轮组支架3-9和上层过绳轮组支架3-12分别通过螺钉3-16安装有三个绳轮支架3-13，其中每个绳轮支架3-13上面通过螺栓3-15安装有绳轮3-14。驱动微器械运动的6根钢丝绳通过传感器绳索连接帽3-18连接到6个拉力传感器3-17上端，并用绳索卡头3-19卡住。同样的各个拉力传感器3-17下端也通过传感器绳索连接帽3-18连接有钢丝绳。传感器3-17下端的钢丝绳分别绕过各自对应的绳轮3-14连接到安装在直线步进电机3-7上面的电机绳索连接帽3-10上面并用绳索卡头3-11卡住。这样直线步进电机3-7对六根钢丝绳的牵引可以实现电机对微器械运动状态的控制。通过钢丝绳对拉力传感器3-17的牵引，拉力传感器3-17的输出电压会发生变化，从而通过拉力传感器3-17的信息采集到六根钢丝绳上的拉力，进而通过数学模型得到微器械的指尖夹持力。接近开关3-5可以检测试验装置的原点。

结合图1，图2，图3，图4对本一种面向外科手术机器人微器械夹持力测试平台的功能进行总体说明。一种面向外科手术机器人微器械夹持力测试平台主要由微器械指尖受力加载平台1、导绳轮组安装平台2、传感器及电机安装平台3组成。

通过砝码1-1、1-2、1-9、1-14对钢丝绳的牵引可以将砝码的重量加载到微器械指尖。从而模拟微器械指尖受力。直线步进电机3-7通过控制钢丝绳的运动从而控制微器械的运动，同时拉力传感器3-17两侧钢丝绳会对拉力传感器产生拉伸作用，拉力传感器3-17的输出电压会发生变化，进而可以将电压转化为六根钢丝绳上的拉力，最终通过数学方法得到微器械的夹持力。导绳轮组安装平台2具有预紧装置可以起到绳轮和绳索空间布置的作用，保整微器械运动精度。

Claims (5)

1.一种面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台，其特征是：包括微器械指尖受力加载平台(1)、导绳轮组安装平台(2)和传感器及电机安装平台(3)，指尖受力加载平台(1)通过砝码牵引钢丝绳对微器械实施力加载，导绳轮组安装平台(2)实现对驱动微器械的钢丝绳的空间绕绳和预紧，传感器及电机安装平台(3)实现对驱动微器械的六根钢丝绳拉力的测量和对微器械运动的控制；

所述微器械指尖受力加载平台(1)的组成为：立柱(1-19)固定在底板(1-5)上，上横梁A(1-18)、下横梁A(1-22)分别固定在立柱(1-19)的两侧，横梁B(1-21)固定在立柱(1-19)的正前面，两个相同的垫块A(1-10)分别固定在横梁B(1-21)的两端，垫块B(1-16)固定在上横梁A(1-18)前端，下横梁A(1-22)前端也固定一个垫块B(1-16)，垫块A(1-10)上面安装有过轮支架(1-11)，绳轮支架A(1-6)和绳轮支架B(1-7)分别固定在上横梁A(1-22)上面的垫块之上，上横梁A(1-18)上的垫块(1-16)也安装有两个绳轮支架，各个绳轮支架和过轮支架上面都安装有导绳轮(1-13)或者绕绳轮(1-4)，钢丝绳A(1-15)分别绕过横梁B(1-21)两侧的导绳轮(1-13)和微器械手指相连，通过砝码A(1-1)、砝码B(1-9)对钢丝绳A(1-15)的牵引将砝码的重力水平加载在微器械指尖，从而模拟微器械水平方向受力，钢丝绳B(1-3)绕过上横梁A(1-18)和下横梁A(1-22)上的四个绕绳轮(1-4)和微器械手指相连，通过砝码C(1-2)和砝码D(1-14)对钢丝绳B(1-3)的牵引将砝码的重力竖直加载在微器械指尖，从而模拟微器械竖直方向受力。

2.根据权利要求1所述的面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台，其特征是：上横梁A(1-18)、下横梁A(1-22)和横梁B(1-21)上面有长孔，上横梁A(1-18)、下横梁A(1-22)和横梁B(1-21)均通过螺钉安装在立柱(1-19)上，通过螺钉调整上横梁A(1-18)、下横梁A(1-22)和横梁B(1-21)相对于底板(1-5)的位置调整高度。

3.根据权利要求1或2所述的面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台，其特征是所述导绳轮组安装平台(2)的组成为：绳索过轮布置面板(2-12)分别与面板支架A(2-15)和面板支架B(2-19)相连，绳索过轮布置面板(2-12)上面分布有12个导绳轮(2-10)，所述12个导绳轮用10根螺钉(2-11)固定在绳索过轮布置面板(2-12)上面，其中两个螺钉上面分别固定有2个导绳轮、剩余8根螺钉各自固定一个导绳轮，其中六个导绳轮在微器械支架(2-13)的端口处、剩余6个处于6组预紧轮支架底座(2-9)和过绳轮支架(2-2)之间，预紧轮支架底座(2-9)和过绳轮支架(2-2)也通过螺钉固定在绳索过轮布置面板(2-12)上面，6个预紧轮支架(2-7)安装在6个预紧轮支架底座(2-9)上，每个预紧轮支架(2-7)和过绳轮支架(2-2)都安装有导绳轮(2-18)，驱动微器械运动的6根钢丝绳分别绕过处于微器械支架(2-13)的端口处导绳轮后绕过预紧轮支架上的导绳轮，再次绕过预紧轮支架底座(2-9)和过绳轮支架(2-2)之间导绳轮最后绕过过绳轮支架(2-2)上的导绳轮。

4.根据权利要求1或2所述的面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台，其特征是所述传感器及电机安装平台(3)的组成为：面板支架A(2-15)和面板支架B(2-19)固定在底板(3-1)上面，接近开关安装支架底座(3-2)、电机安装支架(3-8)和下层过绳轮组支架(3-9)固定在底板(3-1)上，接近开关安装面板(3-5)通过接近开关安装板连接架(3-4)和接近开关安装支架底座(3-2)相连，上层过绳轮组支架(3-12)和下层过绳轮组支架(3-9)相连，6个直线步进电机(3-7)安装在电机安装支架(3-8)上面，下层过绳轮组支架(3-9)和上层过绳轮组支架(3-12)分别安装有三个绳轮支架(3-13)，其中每个绳轮支架(3-13)上面安装有绳轮(3-14)，驱动微器械运动的6根钢丝绳通过传感器绳索连接帽(3-18)连接到6个拉力传感器(3-17)上端，各个拉力传感器(3-17)下端也通过传感器绳索连接帽(3-18)连接有钢丝绳，传感器(3-17)下端的钢丝绳分别绕过各自对应的绳轮(3-14)连接到安装在直线步进电机(3-7)上面的电机绳索连接帽(3-10)上面，通过钢丝绳对拉力传感器(3-17)的牵引，拉力传感器(3-17)的输出电压会发生变化，从而通过拉力传感器(3-17)的信息采集到六根钢丝绳上的拉力。

5.根据权利要求3所述的面向外科手术机器人微器械夹持力的测试平台，其特征是所述传感器及电机安装平台(3)的组成为：面板支架A(2-15)和面板支架B(2-19)固定在底板(3-1)上面，接近开关安装支架底座(3-2)、电机安装支架(3-8)和下层过绳轮组支架(3-9)固定在底板(3-1)上，接近开关安装面板(3-5)通过接近开关安装板连接架(3-4)和接近开关安装支架底座(3-2)相连，上层过绳轮组支架(3-12)和下层过绳轮组支架(3-9)相连，6个直线步进电机(3-7)安装在电机安装支架(3-8)上面，下层过绳轮组支架(3-9)和上层过绳轮组支架(3-12)分别安装有三个绳轮支架(3-13)，其中每个绳轮支架(3-13)上面安装有绳轮(3-14)，驱动微器械运动的6根钢丝绳通过传感器绳索连接帽(3-18)连接到6个拉力传感器(3-17)上端，各个拉力传感器(3-17)下端也通过传感器绳索连接帽(3-18)连接有钢丝绳，传感器(3-17)下端的钢丝绳分别绕过各自对应的绳轮(3-14)连接到安装在直线步进电机(3-7)上面的电机绳索连接帽(3-10)上面，通过钢丝绳对拉力传感器(3-17)的牵引，拉力传感器(3-17)的输出电压会发生变化，从而通过拉力传感器(3-17)的信息采集到六根钢丝绳上的拉力。