CN104546144B - 一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，属于机械手技术领域，包括夹持机构，串联机构,并联机构以及可安装在并联机构上的球面操作机构；所述夹持机构包括夹持装置、夹持座、螺旋转盘、编码器Ⅰ、直流电机Ⅰ。本发明操作手的夹持机构、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。

Description

一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手

技术领域

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

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 Dimension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

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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

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Ⅰ、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；

所述串联机构包括旋转臂Ⅰ、旋转臂Ⅱ、钢丝轮驱动机构Ⅰ、钢丝轮驱动机构Ⅱ、钢丝轮驱动机构Ⅲ、编码器Ⅱ、编码器Ⅲ、编码器Ⅳ、直流电机Ⅱ、直流电机Ⅲ、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；

所述并联机构包括连接平台、连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、钢丝轮驱动机构Ⅳ、钢丝轮驱动机构Ⅴ、钢丝轮驱动机构Ⅵ、直流电机Ⅴ、直流电机Ⅵ、直流电机Ⅶ、连接座Ⅰ、连接座Ⅱ、连接座Ⅲ，连杆Ⅰ、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Ⅶ连接；

所述球面操作机构包括支撑架Ⅰ、支撑架Ⅱ、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。

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；

进一步，所述钢丝轮驱动机构Ⅰ、钢丝轮驱动机构Ⅱ、钢丝轮驱动机构Ⅲ均为半圆形空心槽结构，所述旋转臂Ⅰ、旋转臂Ⅱ、连接平台上设置有限位销。

进一步，所述球面操作机构与连接平台连接。

本发明的有益技术效果是：

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°x180°x150°，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。

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。

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。

4、本发明的夹持机构的夹持座，串联机构的旋转臂Ⅰ、旋转臂Ⅱ构成三个关节，三个关节的轴线相交于一点。

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。

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究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

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：

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；

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；

图3为夹持机构的立体结构示意图；

图4是串联机构的立体结构示意图；

图5为并联机构的立体结构示意图；

图6为球面操作机构的立体结构示意图。

附图标记：1－夹持机构；1-1－夹持装置；1-2－夹持座；1-3－螺旋转盘、1-4－编码器Ⅰ；1-5－直流电机Ⅰ；1-1-1－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－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－码器Ⅳ；2-9－直流电机Ⅱ；2-10－直流电机Ⅲ；2-11－直流电机Ⅳ；3－并联机构；3-1－连接平台；3-2－连杆Ⅰ；3-3－连杆Ⅱ；3-4－连杆Ⅲ；3-5－钢丝轮驱动机构Ⅳ；3-6－钢丝轮驱动机构Ⅴ；3-7－钢丝轮驱动机构Ⅵ；3-8－直流电机Ⅴ；3-9－直流电机Ⅵ；3-10－直流电机Ⅶ；3-11－连接座Ⅰ；3-12－连接座Ⅱ；3-13－连接座Ⅲ；4－球面操作机构；4-1－支撑架Ⅰ；4-2－支撑架Ⅱ；4-3－球面半圆；4-4－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

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。

实施例1

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；

如图3所示，所述夹持机构1包括夹持装置1-1、夹持座1-2、螺旋转盘1-3、编码器Ⅰ1-4、直流电机Ⅰ1-5，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Ⅰ1-5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Ⅰ1-4连接；

如图4所示，所述串联机构2包括旋转臂Ⅰ2-1、旋转臂Ⅱ2-2、钢丝轮驱动机构Ⅰ2-3、钢丝轮驱动机构Ⅱ2-4、钢丝轮驱动机构Ⅲ2-5、编码器Ⅱ2-6、编码器Ⅲ2-7、编码器Ⅳ2-8、直流电机Ⅱ2-9、直流电机Ⅲ2-10、直流电机Ⅳ2-11，钢丝轮驱动机构Ⅰ2-3与夹持座1-2连接，钢丝轮驱动机构Ⅰ2-3与旋转臂Ⅰ2-1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Ⅱ2-4与旋转臂Ⅰ2-1连接，钢丝轮驱动机构Ⅱ2-4与旋转臂Ⅱ2-2转动连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅲ2-10的一个输出轴连接，钢丝轮驱动机构Ⅲ2-5与旋转臂Ⅱ2-2连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅳ2-11连接，旋转臂Ⅱ2-2与连接平台3-1转动连接，直流电机Ⅱ2-9的另一输出轴与编码器Ⅱ2-6连接、直流电机Ⅲ2-10的另一输出轴与编码器Ⅲ2-7连接、直流电机Ⅳ2-11的另一输出轴与编码器Ⅳ2-8连接，钢丝轮驱动机构Ⅰ2-3与钢丝轮驱动机构Ⅱ2-4以及钢丝轮驱动机构Ⅲ2-5的轴线相交；

如图5所示，所述并联机构3包括连接平台3-1、连杆Ⅰ3-2、连杆Ⅱ3-3、连杆Ⅲ3-4、钢丝轮驱动机构Ⅳ3-5、钢丝轮驱动机构Ⅴ3-6、钢丝轮驱动机构Ⅵ3-7、直流电机Ⅴ3-8、直流电机Ⅵ3-9、直流电机Ⅶ3-10、连接座Ⅰ3-11、连接座Ⅱ3-12、连接座Ⅲ3-13，连杆Ⅰ3-2、连杆Ⅱ3-3和连杆Ⅲ3-4与连接平台3-1转动连接，连杆Ⅰ3-2与钢丝轮驱动机构Ⅳ3-5转动连接，连杆Ⅱ3-3与钢丝轮驱动机构Ⅴ3-6转动连接，连杆Ⅲ3-4与钢丝轮驱动机构Ⅵ3-7转动连接，钢丝轮驱动机构Ⅳ3-5与连接座Ⅰ3-14转动连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅴ3-8连接，钢丝轮驱动机构Ⅴ3-6与连接座Ⅱ3-12转动连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅵ3-9连接，钢丝轮驱动机构Ⅵ3-7与连接座Ⅲ3-13转动连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅶ3-10连接。

本实施例中，所述操作手夹持机构夹持装置1-1包括导向杆1-1-1、夹持柄1-1-2、手指环1-1-3，所述螺旋转盘1-3上有螺旋空心槽，所述夹持座1-2底部有导向槽，与导向杆1-1-1滑动连接完成运动限位；

本实施例中，所述钢丝轮驱动机构Ⅰ2-3、钢丝轮驱动机构Ⅱ2-4、钢丝轮驱动机构Ⅲ2-5为半圆形空心槽结构，旋转臂Ⅰ2-1、旋转臂Ⅱ2-2、连接平台3-1上设置有限位销3-1-1，所述限位销3-1-1可将夹持座1-2、旋转臂Ⅰ2-1、旋转臂Ⅱ2-2的转动角度控制在0°-180°之间。

本实施例的基座为三角形基座，导向杆为双层导向杆，有利于运动协调一致，从而提高动作的准确性。

医生在利用手术机器人进行遥操作的手术过程中，通常不能有效地感受到手术执行端与手术组织之间的作用力，因此导致医生在手术操控端的施加的作用力不能精确地度量，但是通过本力反馈系操作手，使得手术操控端可以感知手术执行端对组织的作用力，医生可以参考反馈的作用力，进一步调节对手术组织的作用力的位置或大小。而且目前的手术机器人操作主手的结构缺少人体工学方面的设计，通过本操作手并采用传统微创器械操作方式，有利于医生迅速掌握手术机器人的操作技术。

实施例2

如图2所示，本实施例的一种可切换式七自由度力反馈遥操作手包括夹持机构1、并联机构3、球面操作机构4，所述球面操作机构4包括支撑架Ⅰ4-1、支撑架Ⅱ4-2、球面半圆4-3、器械固定装置4-4、联轴器4-5、器械驱动装置4-6以及夹取器械4-7，夹取器械4-7与支撑架Ⅰ4-1转动连接，支撑架Ⅱ4-2与支撑架Ⅰ4-1转动连接，夹取器械4-7通过器械固定装置4-4与球面半圆4-3滑动连接，器械驱动装置4-6与夹取器械4-7转动连接。

本实施例中，所述球面操作机构4与连接平台3-1连接，可实现球面操作机构4替代夹持机构1与串联机构2与并联机构3连接，实现类似传统微创手术的操控方式。

本发明具有以下技术效果：

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°x180°x150°，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。

2、本发明通过串并联机构与球面操作机构的切换，可自由切换串联操作方式、并联操作方式与传统微创手术的操控方式。

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。

4、本发明的夹持机构的夹持座，串联机构的旋转臂Ⅰ、旋转臂Ⅱ构成三个关节，三个关节的轴线相交于一点。

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，提高反馈信号的强度。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，其特征在于：包括夹持机构(1)、串联机构(2)、并联机构(3)和球面操作机构(4)：

所述夹持机构(1)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)，所述夹持装置(1-1)通过导向杆(1-1-1)与螺旋转盘(1-3)滑动连接，所述螺旋转盘(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，所述螺旋转盘(1-3)与钢丝绳驱动机构(2-1)轴线相交，所述直流电机I(1-5)的另一输出轴与编码器Ⅰ(1-4)连接；

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Ⅰ(2-3)、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)，所述钢丝轮驱动机构Ⅰ(2-3)与夹持座(1-2)连接，所述钢丝轮驱动机构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Ⅱ(2-9)的一个输出轴连接，所述钢丝轮驱动机构Ⅱ(2-4)与旋转臂Ⅰ(2-1)连接，所述钢丝轮驱动机构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，所述钢丝轮驱动机构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，所述旋转臂Ⅱ(2-2)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Ⅳ(2-8)连接，所述钢丝轮驱动机构Ⅰ(2-3)、所述钢丝轮驱动机构Ⅱ(2-4)以及所述钢丝轮驱动机构Ⅲ(2-5)的轴线相交；

所述并联机构(3)包括连接平台(3-1)、连杆Ⅰ(3-2)、连杆Ⅱ(3-3)、连杆Ⅲ(3-4)、钢丝轮驱动机构Ⅳ(3-5)、钢丝轮驱动机构Ⅴ(3-6)、钢丝轮驱动机构Ⅵ(3-7)、直流电机Ⅴ(3-8)、直流电机Ⅵ(3-9)、直流电机Ⅶ(3-10)、连接座Ⅰ(3-11)、连接座Ⅱ(3-12)、连接座Ⅲ(3-13),所述连杆Ⅰ(3-2)、连杆Ⅱ(3-3)和连杆Ⅲ(3-4)与连接平台(3-1)转动连接，所述连杆Ⅰ(3-2)与钢丝轮驱动机构Ⅳ(3-5)转动连接，所述连杆Ⅱ(3-3)与钢丝轮驱动机构Ⅴ(3-6)转动连接，所述连杆Ⅲ(3-4)与钢丝轮驱动机构Ⅵ(3-7)转动连接，所述钢丝轮驱动机构Ⅳ(3-5)与连接座Ⅰ(3-14)转动连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅴ(3-8)连接，所述钢丝轮驱动机构Ⅴ(3-6)与连接座Ⅱ(3-12)转动连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅵ(3-9)连接，所述钢丝轮驱动机构Ⅵ(3-7)与连接座Ⅲ(3-13)转动连接，并通过钢丝绳与直流电机Ⅶ(3-10)连接，

所述球面操作机构(4)包括支撑架Ⅰ(4-1)、支撑架Ⅱ(4-2)、球面半圆(4-3)、器械固定装置(4-4)、联轴器(4-5)、器械驱动装置(4-6)以及夹取器械(4-7)，所述夹取器械(4-7)与支撑架Ⅰ(4-1)转动连接，所述支撑架Ⅱ(4-2)与支撑架Ⅰ(4-1)转动连接，所述夹取器械(4-7)通过器械固定装置(4-4)与球面半圆(4-3)滑动连接，所述器械驱动装置(4-6)与夹取器械(4-7)转动连接，

所述夹持装置(1-1)包括导向杆(1-1-1)、夹持柄(1-1-2)、手指环(1-1-3)，所述螺旋转盘(1-3)上有螺旋空心槽，所述夹持座(1-2)底部有导向槽，与导向杆(1-1-1)滑动连接，

所述球面操作机构(4)与连接平台(3-1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可切换式的七自由度力反馈遥操作手，其特征在于：所述钢丝轮驱动机构Ⅰ(2-3)、钢丝轮驱动机构Ⅱ(2-4)、钢丝轮驱动机构Ⅲ(2-5)均为半圆形空心槽结构，所述旋转臂Ⅰ(2-1)、旋转臂Ⅱ(2-2)、连接平台(3-1)上设置有限位销(3-1-1)。