CN107961078A - 手术机器人系统及其手术器械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种手术机器人系统及手术器械，消除了动力驱动环境中相关因素的干扰，还降低了噪音，提高了接触力测量的准确性。所述手术器械包括末端执行器、自转关节、俯仰关节、摆动关节、动力模组和控制单元；所述自转、俯仰、摆动关节分别驱动末端执行器做自转、俯仰和摆动，所述动力模组分别驱动三个关节运动；所述俯仰关节的轴线与自转关节的轴线垂直相交，且与摆动关节的轴线垂直不相交；所述控制单元获取动力模组输出的力矩，还建立末端执行器的局部坐标系和手术器械的基坐标系，并还用于建立两个坐标系之间的映射关系，另用于根据动力模组输出的力矩，获取局部坐标系下末端执行器的受力，并根据映射关系获取基坐标系下末端执行器的受力。

Description

手术机器人系统及其手术器械
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人系统及其手术器械。
背景技术
在手术机器人辅助下的外科手术的常见场景中，医生在远离病人的位置操作机器人的主手端，按照主从操作的控制模式，以此来控制病人端机器人的外科器械在手术部位的运动。主手端的形式包括但不限于串联同构机械臂、串联异构机械臂、并联机械臂、外骨骼手套等，通过这些装置可以控制外科器械在手术部位的位置和朝向。
一般而言，病人端机器人具有多个机械臂，可持手术器械和内窥镜。在这样的使用场景中，将存在一个非常重要的问题是如何让医生准确地感受到外科器械与组织互动所产生的结果，即医生需要获得手术器械施加的力的可感知的指示，该力也是组织施加于器械末端的力。
其中，达芬奇手术机器人系统作为佼佼者，已经获得了全世界的任可。但是，目前国内外，包括达芬奇系统中手术器械均存在着某些不足，主要表现为如下几点：
(1)一些手术器械不具有力反馈机制；所述力反馈机制，即是手术器械在实际的手术过程中，不能反馈其实际的工作环境及状态，这会使得医生在操作过程中无法感知手术器械碰到的视野之外的干扰，或是无法感知手术器械触碰到某些人体结构，这会很大程度地影响医生的使用感觉，同时会影响手术的效果，甚至会导致手术失败。
(2)另一些手术器械虽设置有外置力感测装置，但其一般采用间接的测量方式，这种外置力感测装置不仅由于间接测量的方式会受到环境中其他因素的干扰，同时还有可能为病人带来额外的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手术机器人系统及其手术器械，不仅消除了例如减速机构等动力驱动环境中相关因素的干扰，还降低了噪音，因此，提高了手术器械末端接触力测量的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了一种手术器械，包括末端执行器、自转关节、俯仰关节、摆动关节、动力模组和控制单元；
所述自转关节用于驱动所述末端执行器做自转运动；所述俯仰关节用于驱动所述末端执行器做俯仰运动；所述摆动关节用于驱动所述末端执行器做摆动运动；所述动力模组用于分别驱动所述自转关节、所述俯仰关节和所述摆动关节运动；所述控制单元用于获取所述动力模组输出的力矩；
所述控制单元还用于建立所述末端执行器的局部坐标系和所述手术器械的基坐标系，以及所述局部坐标系与所述基坐标系之间的映射关系，并还用于根据所述动力模组输出至各个关节的力矩，获取所述局部坐标系下的所述末端执行器的受力，并根据所述映射关系获取所述基坐标系下的所述末端执行器的受力；
其中，所述自转关节、俯仰关节和摆动关节依次连接，所述俯仰关节的轴线与所述自转关节的轴线垂直相交，所述摆动关节的轴线与所述俯仰关节的轴线垂直不相交。
可选的，所述局部坐标系为直角坐标系，其中第一坐标轴与所述摆动关节轴线垂直，第二坐标轴与所述摆动关节轴线平行，第三坐标轴与所述末端执行器的中轴线平行，坐标原点位于所述摆动关节轴线与所述末端执行器的中轴线的交点。
可选的，所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在所述第一坐标轴方向的分力F'1为：
F'1＝τ3/L3
其中，L3为所述末端执行器的受力的作用点到所述摆动关节的轴线的垂直距离，τ3为所述摆动关节受到的力矩。
可选的，所述末端执行器包括第一卡合片和第二开合片，所述摆动关节包括第一摆动关节和第二摆动关节；所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在第一坐标轴方向的分力F'1为：
F'1＝F'11+F'12
F'11＝τ4/L4
F'12＝τ5/L5
其中，
F'11和F'12分别是所述第一开合片和所述第二开合片所受到的外力，τ4和τ5分别为所述动力模组对所述第一开合片和所述第二开合片所施加的开合力矩，L4为所述第一开合片的受力作用点到所述第一摆动关节轴线的垂直距离，L5为所述第二开合片的受力作用点到所述第二摆动关节轴线的垂直距离。
可选的，所述末端执行器的开合力F’开合为：
可选的，所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在第二坐标轴方向的分力F'2为：
F'2＝τ2/[L2+L3cos(θ3)]
其中，L2为所述摆动关节的轴线和所述俯仰关节的轴线之间的垂直距离，θ3为L2与L3之间的夹角，τ2为所述俯仰关节受到的力矩。
可选的，所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在第三坐标轴方向的分力F'3为：
F'3＝(τ1-τF'1-τF'2)/(L1*sin(θ3))
L1＝L2*sin(θ2)
τF'1＝F’1*(L3+L2*Cos(θ3))*Sin(θ2)
τF'2＝F'2*L3*cos(θ2)*sin(θ3)
其中，
τF'1为F'1在所述自转关节处形成的力矩，τF'2为F'2在所述自转关节处形成的力矩，L1为所述末端执行器的受力作用点到所述自转关节轴线的垂直距离，θ2是L2与所述自转关节的轴线的夹角，τ1为所述自转关节受到的力矩。
可选的，所述控制单元包括相连接的力矩测量单元和计算单元；所述计算单元用于建立所述基坐标系和所述局部坐标系，以及所述基坐标系和所述局部坐标系之间的映射关系；
所述力矩测量单元用于感知所述动力模组输出至各个关节的力矩并反馈至所述计算单元；所述计算单元还用于根据所述力矩测量单元感知到的所述动力模组输出的力矩，获得所述局部坐标系下的所述末端执行器的受力，并根据所述映射关系获取所述基坐标系下的所述末端执行器的受力。
可选的，所述手术器械还包括传动组件，所述俯仰关节、俯仰关节和摆动关节分别通过所述传动组件接受所述动力模组输出的力矩；
所述力矩测量单元包括第一力矩测量单元、第二力矩测量单元和第三力矩测量单元；
所述第一力矩测量单元设置于所述动力模组输出力矩至所述俯仰关节做俯仰运动的传动组件上；所述第二力矩测量单元设置于所述动力模组输出力矩至所述摆动关节做摆动运动的传动组件上；所述第三力矩测量单元设置于所述动力模组输出力矩至所述自转关节做自转运动的传动组件上。
可选的，所述手术器械还包括传动组件，所述俯仰关节、俯仰关节和摆动关节分别通过所述传动组件接受所述动力模组输出的力矩；
所述力矩测量单元包括至少一个敏感元件，所述敏感元件设置在所述传动组件上，并与所述计算单元通讯连接，用于感知所述动力模组输出的力矩，产生测量信息，并将所述测量信息传输至所述计算单元；所述计算单元根据测量信息获得所述动力模组输出的力矩。
可选的，所述敏感元件选自箔式应变片、半导体电阻应变片、压电传感器和半导体压力传感器中的一种。
可选的，所述传动组件包括第一柔性体、传动轴和传动轮，所述传动轮套接于所述传动轴，用以限制所述第一柔性体的运动方向，所述第一柔性体在所述动力模组的驱动下经所述传动轮驱动所述自转关节、所述俯仰关节和所述摆动关节运动。
可选的，所述敏感元件固定于所述传动轴，以感知所述传动轴的形变；
所述计算单元接受所述形变信息，并根据所述形变信息对应的传动轴应变量、所述传动轴的弹性模量以及所述传动轮的直径获得所述动力模组输出的力矩。
可选的，所述敏感元件设置于所述传动轮与所述传动轴之间，感知所述传动轮对所述传动轴的作用力，以获得所述第一柔性体施加在所述传动轮上的作用力；
所述计算单元接受所述敏感元件传输的受力信息，以及所述第一柔性体与所述传动轮的几何关系，获得所述第一柔性体的张力，并进一步根据所述传动轮的直径获得所述动力模组输出的力矩。
可选的，所述传动组件包括杆件和置于所述杆件两端的齿轮结构，所述齿轮结构分别与所述动力模组、各个关节连接；
所述敏感元件固定于所述杆件上，以感受所述杆件的形变，并产生形变信息；所述计算单元根据测试时所述敏感元件的形变信息以及标定的所述形变信息与所述杆件所受的力矩的比值，得到所述杆件所受的力矩。
可选的，所述手术器械还包括传动组件，所述俯仰关节、俯仰关节和摆动关节分别通过所述传动组件接受所述动力模组输出的力矩；
所述动力模组包括电机和减速器，所述电机的输出轴连接所述减速器的输入端，所述减速器的输出端通过传动组件连接所述自转关节、所述俯仰关节和所述摆动关节，且每一个关节至少由一个电机驱动其运动。
进一步，本发明还提供了一种手术机器人系统，包括从端设备，所述从端设备包括机械臂以及所述手术器械；所述机械臂的末端与所述手术器械可拆卸式连接，以驱动所述手术器械围绕一不动点运动。
可选的，所述机械臂的末端设有一移动关节，所述移动关节与所述手术器械可拆卸式连接，所述手术器械在所述移动关节的驱动下沿一器械杆的轴向移动；
所述从端设备还包括一置于所述移动关节的轴向力传感器，所述轴向力传感器用于检测所述手术器械沿所述器械杆轴线方向的受力。
可选的，所述移动关节包括第二柔性体、传动杆件、位于所述传动杆件下方的第一定滑轮和位于所述传动杆件上方的第二定滑轮，所述第二柔性体包括近端部分和远端部分；所述近端部分围绕所述传动杆件若干圈后，分别向上、向下延伸经过所述第一定滑轮以及所述第二定滑轮后与所述远端部分连接；所述手术器械位于所述第二柔性体的远端部分；
所述手术机器人系统还包括一计算模块；
所述从端设备还包括一用于驱动所述移动关节的第一电机，所述第一电机通过所述传动杆件以及所述第二柔性体驱动所述移动关节；
所述轴向力传感器包括若干个置于所述传动杆件上的敏感单元，所述敏感单元获取所述传动杆件受到的力矩而产生的形变信息；
并且，所述计算模块根据所述敏感单元获得的形变信息、标定的形变信息与传动杆件所受力矩的比值，获得所述传动杆件受到的力矩，并进一步根据所述传动杆件的直径、所述第二柔性体与所述传动杆件之间的几何关系、以及所述第二柔性体与所述手术器械之间的几何关系，获得所述手术器械沿所述器械杆的轴向力。
可选的，所述手术机器人系统还包括主端设备，所述主端设备包括示力装置，所述示力装置与所述手术器械通讯连接，以展示所述手术器械受到的外力。
综上所述，在本发明提供的手术器械及其手术机器人系统中，特定的手术器械腕部构型，提供了一种关节处力矩与末端执行器受到的笛卡尔力映射关系，使得直接检测到的关节处力矩能够和末端执行器所受到的笛卡尔力，在大部分工作空间内一一对应，进而可以通过控制单元获取动力模组输出至各个关节的力矩，并根据动力模组输出的力矩，最终获取末端执行器的受力，使得手术器械及对应的手术机器人系统具备了接触力反馈的功能。与间接测量末端执行器的受力相比，如通过测量电机输出力来估算手术器械末端的接触力，本发明提供的手术器械通过测量施加在手术器械末端关节上的力矩，来直接计算手术器械末端所受到的接触力，不仅消除了例如减速机构等动力驱动环境中相关因素的干扰，而且还降低了噪音，因此，接触力测量的结果更为准确。
附图说明
图1是本发明一实施例的手术机器人系统之从端设备的整体结构示意图；
图2是本发明一实施例的手术机器人系统之主端设备的整体结构示意图；
图3是本发明一实施例的手术器械之控制单元的组成框图；
图4是本发明一实施例的手术器械的机械结构示意图；
图5是本发明一实施例的手术器械末端的受力示意图；
图6是本发明优选实施例的传动组件的结构示意图；
图7是本发明优选实施例的传动组件的结构示意图
图8是本发明一实施例的手术机器人系统的结构示意图；
图9是本发明优选实施例的手术机器人系统的结构示意图。
图中：
手术台车-1，机械臂-2，手术器械-3，动力模组-301，安装底座-302，器械杆-303，末端执行器-304，内窥镜-4，立体成像系统-5，主手-6，扶手-7，基座-8；
力矩测量单元-10，敏感元件-11，计算单元-20，轴向力传感器-201，第一柔性体-401，传动轮-402，杆件-403，齿轮结构-404，摆动关节-3031，俯仰关节-3032，第一电机-501，第二电机-502，第三电机-503，第四电机-504，第二柔性体-601，传动杆件-602，第一定滑轮603a，第二定滑轮603b。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～9对本发明提出的手术机器人系统及其手术器械做进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。如说明书中所述，“末端”、“远端”指的是远离产品操作者的一端，“近端”指的是靠近产品操作者的一端。
图1是本发明一实施例的手术机器人系统之从端设备的整体结构示意图。如图1所示，所述从端设备包括手术台车1、机械臂2、手术器械3和内窥镜4。所述手术台车1作为整个所述从端设备的基座，支撑着全部的机械机构，同时该手术台车1可在地面上移动，使所述从端设备能够靠近或远离患者。
所述机械臂2安装于手术台车1上并具有多个自由度，可在一定的空间范围内运动。当所述手术台车1到达患者附近时，通过对机械臂2的调整，使手术器械3到达手术的规划位置。所述手术器械3可拆卸地安装于机械臂2的末端，所述机械臂用于驱动所述手术器械3围绕不动点运动，所述不动点需位于病患位置附近。所述手术器械3可以与所述机械臂2末端相对固定连接，也可以与所述机械臂2末端可移动连接(即增加一个移动自由度)。所述手术器械3作为整个所述从端设备的输出机构，其最终将进入患者体内病灶区，实现对病灶的处理。
所述内窥镜4安装于不同于手术器械3之机械臂2的末端，并用于采集手术环境中的图像信息。该图像信息包括但不限于人体病患组织信息以及手术器械3的位置信息。而且，所述内窥镜4安装在机械臂2上后与下述的主端设备通讯连接，以实时显示内窥镜4采集的手术环境中的图像信息。所述内窥镜4可以是立体式，也可以是非立体式，具体不限。
如图2所示，所述手术机器人系统还包括主端设备，所述主端设备包括立体成像系统5、主手6、扶手7和基座8。手术时，一方面所述内窥镜4的视野通过立体成像系统5展现，而医生通过立体成像系统5即可实时观察手术过程中手术器械3的运动，同时手术器械3在患者体内的运动即是医生通过对主手6的操作来实现的(即主手6的运动对应着手术器械3的运动)。手术过程中，医生在控制台通过立体成像系统5观察手术器械末端在患者体内的位置和运动。
其中，所述主手6的关节自由度与手术器械3的自由度对应，医生多采用手腕和手指的操作来实现对主手6的操作，使手术器械3实现空间的俯仰、摆动和自转等功能。作为核心结构，所述主手6的运动稳定性以及运动精度将直接影响手术器械3的操作性能。而所述扶手7可支撑医生的手臂，使医生在长时间手术过程中能保持较高的舒适感，同时，所述扶手7可升降，使其满足不同医生的需求。所述基座8可在地面上运动，其作为基础结构，支撑着主端设备上所有的其他结构。
所述手术机器人系统具体的手术过程为：
首先，医生通过对手术台车1和基座8进行操作，使所述从端设备推送到患者的手术床附近，从而使所述从端设备处于一个良好的手术位置；将主端设备推送到一个较为良好的操作位置，便于医生的操作；
然后，通过对机械臂2的操作，使手术器械3、内窥镜4到达手术切点附近；
之后，将手术器械3和内窥镜4通过患者身上的切口插入患者体内；
最后，医生通过立体成像系统5观察手术器械3的末端执行器在患者体内的位置和运动状态，并通过主手6调整手术器械之末端执行器的位置和运动状态，进而完成微创伤手术。
显然，从主手6到手术器械3的控制是手术机器人系统主从控制的基础，进而为了更好地重现手术过程，即反映手术器械3在实际操作中所遇到的受力状况，需使手术器械3具备力反馈的功能，以便于将手术器械3自身的受力状况反馈到主手6而便于医生适应性调整手术操作。因此，本发明提供了一种具有力反馈功能的手术器械以及相应的手术机器人系统，进而使医生能够感知手术器械末端的受力。
所述手术器械包括末端执行器以及至少三个关节，所述至少三个关节包括依次连接的自转关节、俯仰关节和摆动关节。所述自转关节用于驱动所述末端执行器做自转运动，所述俯仰关节用于驱动所述末端执行器做俯仰运动，所述摆动关节用于驱动所述末端执行器做摆动运动。其中，所述自转关节的轴线与所述俯仰关节的轴线垂直相交，所述俯仰关节的轴线与所述摆动关节的轴线垂直且不相交。
此外，所述手术器械还包括动力模组和控制单元，所述动力模组用于分别驱动所述至少三个关节运动。所述控制单元用于获取所述动力模组输出至各个关节的力矩，还用于建立所述末端执行器的局部坐标系和手术器械的基坐标系，另还用于建立该两个坐标系之间的映射关系。优选，所述局部坐标系基于摆动关节轴线建立，即局部坐标系的一个坐标轴沿摆动关节轴线方向，其余坐标轴的方向均与所述摆动关节轴线方向相垂直。另外，所述控制单元根据所述动力模组输出至各个关节的力矩，获取在所述局部坐标系下的末端执行器的受力，并根据所述映射关系获取在手术器械的基坐标系下的末端执行器的受力。
与间接测量末端执行器的受力相比，如通过测量电机输出力来估算手术器械末端的接触力，本发明提供的手术器械通过测量施加在手术器械末端关节上的力矩，来直接计算手术器械末端所受到的接触力，不仅消除了例如减速机构等驱动环境中相关因素的干扰，而且还降低了噪音，因此，接触力测量的结果更为准确。接下去将对所述手术器械的实现方式作进一步详细说明。
图4为本发明一实施例提供的手术器械的机械结构示意图。如图4所示，所述手术器械3包括动力模组301、安装底座302、器械杆303、传动组件(图中未示出)、末端执行器304和控制单元。
所述动力模组301位于器械杆303的头端(即近端)，所述末端执行器304位于器械杆303的末端(即远端)。所述动力模组301为末端执行器304提供驱动力，其通过所述传动组件将驱动力传递至末端执行器304，使得末端执行器304能够完成多维的旋转运动和(或)末端器械的开合等。所述末端执行器304实现对患者病灶区的具体手术操作，包括剪切、探伤、夹持等动作，但是，本发明对末端执行器304的种类没有任何限制，可以是剪刀、钳子、探针等器械。所述器械杆303能够提供足够的长度使末端执行器304在手术时能接触人体病患部位。
所述安装底座302用于将手术器械3可拆卸连接到机械臂2上，在本实施例中，所述安装底座302位于动力模组301的底部(即面向末端执行器304的一侧)。
如图3所示，所述控制单元包括力矩测量单元10以及与力矩测量单元10连接的计算单元20。其中，所述力矩测量单元10设置在所述传动组件上，用以感知所述动力模组301输出的力矩。所述计算单元20用以根据所述力矩测量单元10感知到的所述动力模组301输出的力矩，计算获得所述末端执行器304的受力。所述计算单元20可以采用现有任一PLC控制器、单片机、微处理器、FPGA，本领域技术人员可在本申请公开基础上结合本领域的公知常识能够知晓如何选择。
可参阅图5，所述末端执行器304例如具有三个关节，由远及近分别是摆动关节3031、俯仰关节3032和自转关节(未图示)，所述摆动关节3031的轴线与俯仰关节3032的轴线垂直且不相交，所述俯仰关节3032的轴线和自转关节的轴线垂直且相交，从而使得末端执行器304具备三个自由度，分别是俯仰、摆动和自转。
进一步，在所述动力模组301输出力矩至所述俯仰关节3032做俯仰运动的所述传动组件上设置有第一力矩测量单元，该第一力矩测量单元用于将所述动力模组301输出的力矩信息反馈至计算单元20，所述计算单元20进而获取动力模组301在驱动末端执行器304俯仰时所输出的力矩值。
同理，在所述动力模组301驱动末端执行器304随摆动关节3031做摆动运动的所述传动组件上设置有第二力矩测量单元，该第二力矩测量单元用于将所述动力模组301输出的力矩信息反馈至计算单元20，所述计算单元20进而获取动力模组301在驱动末端执行器304摆动时所输出的力矩值。
那么，在所述动力模组301驱动末端执行器304随自转关节做自转运动的所述传动组件上设置有第三力矩测量单元，该第三力矩测量单元用于将所述动力模组301输出的力矩信息反馈至计算单元20，所述计算单元20进而获取动力模组301在驱动末端执行器304自转时所输出的力矩值。
此外，所述计算单元20还用于建立手术器械3的基坐标系(x、y、z)和末端执行器304的局部坐标系(x’、y’、z’)，并还用于建立所述基坐标系与所述局部坐标系之间的映射关系。由此，在获取所述第一力矩测量单元、第二力矩测量单元以及第三力矩测量单元分别感知各个关节接受到的力矩信息后，所述计算单元20获得局部坐标系下的末端执行器304沿局部坐标系的坐标轴方向受到的分力信息，并进一步根据所述基坐标系与所述局部坐标系之间的映射关系，获得在基坐标系下末端执行器304沿基坐标系的坐标轴方向受到的分力信息，最终获得基坐标系下末端执行器304的受力信息。
然而，所述基坐标系和局部坐标系不限于图中的直角坐标系，还可以是柱坐标系、极坐标系等，一般的，机器人在运动中的目标位置、受力都是通过直角坐标系确定的，计算更为简单和方便。
在图4所示的实施例中，所述基坐标系为直角坐标系并建立有三个轴线，分别为x轴线、y轴线和z轴线，使z轴线沿器械杆303的轴线方向，x轴线垂直于器械杆303的轴线，y轴线根据右手法则确定。
在图5所示的实施例中，所述计算单元20建立的所述局部坐标系为直角坐标系(x’，y’，z’)，其中z’轴线沿所述摆动关节3031的轴线方向，x’轴线垂直于摆动关节3031的轴线方向，y’轴线根据右手法则确定。一个实施例中，y’轴线沿末端执行器304的中轴线设置，例如图5所示的两个开合片中轴线，所述局部坐标系的坐标原点位于所述摆动关节轴线与所述末端执行器的中轴线的交点。
实际手术过程中，所述末端执行器304与人体组织发生互动，而所述手术器械3一般向人体组织施加作用力，那么，根据作用力与反作用力定理，所述手术器械3的末端同样会收到人体组织施加的大小相同、方向相反的反作用力(即接触力)。如在基坐标系下，反作用力可以分解为Fx、Fy和Fz，其中，Fx为沿x轴线方向受到的分力，Fx为沿y轴线方向受到的分力，Fz为沿z轴线方向受到的分力。与之类似，在局部坐标系下，手术器械3受到的反作用力F可以分解为F'x、F'y和F'z，其中，F'x为反作用力F沿x’轴线方向受到的分力，F'y为反作用力F沿y’轴线方向受到的分力，F'z为反作用力F沿z’轴线方向受到的分力。因此计算时，所述计算单元20首先建立手术器械3的基坐标系和末端执行器304的局部坐标系，并得到局部坐标系与基坐标系之间的映射关系，然后获取的是局部坐标系下的F'x、F'y和F'z，进一步，根据所述映射关系得到基坐标系下的反作用力的分力Fx、Fy和Fz，即可获得手术器械3受到的反作用力F。本领域技术人员应理解，上述局部坐标系的坐标轴的具体名称并不构成对反作用力F各个方向的分力产生实质影响。即构成上述局部坐标系的与所述摆动关节轴线垂直的第一坐标轴(反作用力F的分力为F'1)，与所述摆动关节轴线平行的第二坐标轴(反作用力F的分力为F'2)，与所述末端执行器的中轴线平行的第三坐标轴(反作用力F的分力为F'3)中，第一坐标轴在本实施例中命名为z’轴，但是也可以命名为y’轴，或者x’轴。
接下去以上述具有三个自由度的手术器械3进行举例，作进一步详细的说明。
如图5所示，针对末端执行器304的摆动关节3031来说，其仅受动力模组输出的电机力矩τ3、摆动关节的支座反力以及组织施加的反作用力。进一步，在局部坐标系下，x’轴线垂直于摆动关节3031的轴线方向，电机力矩τ3与反作用力的分力F'x在摆动关节3031处产生的力矩相平衡，即：
F'x＝τ3/L3
其中，L3为反作用力F的作用点A到摆动关节3031的轴线的垂直距离。所述计算单元20根据获取的电机力矩τ3以及已知的L3，便可直接计算获得F'x。举例来说，当所述末端执行器304为剪刀、钳子、钩子等结构时，则每个开合片的长度即为L3。显然，通过摆动关节3031处的力矩平衡，即可以获得x’轴线上的接触力F'x。
如图5所示，针对末端执行器304的俯仰关节3032而言，其相应仅受动力模组输出的电机力矩τ2、俯仰关节3032的支座反力以及组织施加的反作用力。进一步，在局部坐标系下，摆动关节3031的轴线(即z’轴线)垂直于俯仰关节3032的轴线方向，电机力矩τ2与反作用力F的分力F'z产生的力矩相平衡，即：
F'z＝τ2/[L2+L3cos(θ3)]
其中，L2为摆动关节3031的轴线和俯仰关节3032的轴线之间的垂直距离，θ3为L2与L3之间的夹角，或者理解为摆动关节3031转过的角度。所述计算单元20根据获取的电机力矩τ2以及已知的L2、L3和θ3，便可直接计算得到反作用力F的分力F'z。显然，通过俯仰关节3032处的力矩平衡，可以获得z’轴线上的分力F'z。
继而，针对末端执行器304的自转关节来说，其仅受动力模组输出的电机力矩τ1、自转关节的支座反力以及组织施加的反作用力。其中，在自转关节的轴线方向，电机力矩τ1与反作用力产生的力矩相平衡，即：
F'y＝(τ1-τF'x-τF'z)/(L1*sin(θ3))
其中，τF'x为F'x在自转关节处形成的力矩，τF'z为F'z在自转关节处形成的力矩，L1为反作用力F的作用点A到自转关节的轴线的垂直距离。
这里，
L1＝L2*sin(θ2)
τF'＝F’x*(L3+L2*Cos(θ3))*Sin(θ2)
x
τF'＝F'z*L3*cos(θ2)*sin(θ3)
z
其中，θ2是俯仰关节3032转过的角度，即为L2与自转关节轴线的夹角。
所述计算单元20根据获取的电机力矩τ1以及已知的L1和计算得到的τF'
x与τF'z，便可直接计算得到反作用力F的分力F'y。显然，通过自转关节处的力矩平衡，可以获得y’轴线上的接触力F'y。
进而，在获取F'x、F'y和F'z后，所述计算单元20利用所述局部坐标系与基坐标系之间的映射关系，将F'x、F'y和F'z变换为在基坐标系下的Fx、Fy和Fz，得到所述手术器械3受到的反作用力。所述局部坐标系与基坐标系之间的映射关系的计算算法为本领域的公知技术，因此，本领域技术人员应当知晓如何根据局部坐标系下的F'x、F'y和F'z，获得基坐标系下的Fx、Fy和Fz。
特别的，针对有两个开合片结构，即具有开合自由度的末端执行器304，如剪刀、钳子等，所述手术器械包括两个摆动关节分别控制一开合片摆动。末端执行器304的开合力F’开合可以通过如下方式获得，即：
'
F11＝τ4/L4，F'12＝τ5/L5
其中，F'11和F'12分别是左边和右边开合片所受到组织施加的接触力，τ4和τ5分别为动力模组对左边的开合片以及右边的开合片所施加的开合力矩，L4、L5分别为左边开合片、右边开合片所受接触力的作用点到对应的摆动关节的轴线的垂直距离，这里用L3近似代替。此时，控制两个开合片摆动的关节叠加视为一个摆动关节。(如果两个摆动关节的轴线平行，则局部坐标系的原点可以为控制两个开合片摆动的关节轴线所限定的平面与两个开合片的中轴线的交点；如果两个摆动关节的轴线重合，则局部坐标系的原点仍为控制两个开合片摆动的关节轴线与两个开合片的中轴线的交点)，那么，根据F'11和F'12便可得到在局部坐标系下的反作用力在x’轴方向的分力F'x＝F'11+F'12。
应当知晓的是，在任意构型下，手术器械3的末端一般被视为静止状态，因此，器械的动力模组301施加于各个关节的力矩，应与手术器械末端接触力形成的力矩相平衡，即器械的动力模组301施加的力矩值与手术器械末端接触力的力矩具有唯一的对应关系。
如图3所示的实施例中，所述动力模组301包括电机和减速器，所述电机的输出轴连接所述减速器的输入端，所述减速器的输出端通过所述传动组件连接各个关节，且每一个关节由一个电机驱动其运动。在图9所示的优选实施例中，所述动力模组301包括第二电机502、第三电机503和第四电机504。这些电机分别通过第一柔性体401驱动各个关节运动，所述第一柔性体401包括但不限于丝、绳、带等。例如所述第二电机502驱动自转关节运动，所述第三电机503驱动俯仰关节运动，所述第四电机504驱动摆动关节运动。所述力矩测量单元10在本实施例中包括至少一个敏感元件11。所述敏感元件11设置在传动组件上并与计算单元20通讯连接，以感知动力模组301输出的力矩，产生测量信息，并将测量信息输出至计算单元20。所述计算单元20根据测量信息获得动力模组301输出的力矩。所述敏感元件11根据传动组件的类型、敏感元件11布置的位置，选择性地为箔式应变片、半导体电阻应变片、压电传感器、半导体压力传感器等。
如图6所示，在一个非限制性的方案中，所述传动组件包括第一柔性体401、转动轴(未示出)和传动轮402，所述传动轮402用以限制第一柔性体401的运动方向，所述第一柔性体401在动力模组301的驱动下经所述传动轮402驱动各个关节运动，例如俯仰、摆动或自转等运动。所述传动轮402套接于所述转动轴。所述第一柔性体401对所述传动轮402的作用力，可以传递到所述传动轴。为此，所述敏感元件11为一箔式应变片固定于所述传动轴，以感知所述传动轴的形变。所述计算单元20接受敏感元件11传输的形变信息，并根据形变信息对应的传动轴应变量、传动轴的弹性模量以及所述传动轮402的直径获得动力模组301输出的力矩。或者，在图6所示的实施例中，所述敏感元件11为一压力传感器，并置于所述传动轮402与所述传动轴之间，直接感知所述传动轮402对所述传动轴的作用力，进而获得第一柔性体401施加在传动轮402上的作用力(即图6中两部分张力T的合力)。具体的，所述计算单元20接受敏感元件11传输的受力信息，以及第一柔性体401与传动轮402的几何关系获得所述第一柔性体401的张力T，进一步根据所述传动轮402的直径获得动力模组301输出的力矩。优选，所述压电传感器对称布置在所述传动轴与传动轮402之间，或者对称布置在所述传动轴上。
或者，在如图7所示的实施例中，所述传动组件包括杆件403(优选细长易变形的杆件)和置于杆件两端的齿轮结构404(例如锥形齿轮、蜗轮蜗杆)。所述齿轮结构分别与所述动力模组、各个关节连接，以传递力矩。所述杆件403能够在动力模组301的驱动下同步转动(如齿轮结构404与减速器的输出端连接)，为此，所述敏感元件11能够直接接收动力模组301输出的力矩施加在杆件403上的作用力。在本实施例中，所述敏感元件11为一箔式应变片，所述箔式应变片贴附于所述杆件403上。此时，所述敏感元件11的形变信息(例如电压)与杆件403所受力矩成正比。在测试前，先标定形变信息与杆件403所受力矩的比值，进而所述计算单元20根据测试时敏感元件11的形变信息以及上述的比值，即可以得到所述杆件403所受的力矩。具体测试方法包括敏感元件11的布置方式等，可参见现有检测方法，例如《检测技术》(金捷著，清华大学出版社，2005)第7章第3节公开的传动扭矩的测量方法。
进而，如图8所示，在特殊情况下，例如当俯仰关节3032的转动角度接近0°时，沿器械杆303的轴向力Fz通过τ2测量误差较大。此时，对于基坐标系的z坐标轴所受力，可以在手术器械外部进行检测以获得相对准确的结果。因此，在一个优选实施例中，如图8所示，所述手术器械与手术机器人系统的从端设备中的机械手末端的移动关节可拆卸连接。所述手术器械在所述移动关节的驱动下沿所述器械杆303轴向移动。所述手术机器人系统的从端设备还包括一还轴向力传感器201。所述轴向力传感器201用于检测手术器械3沿器械杆303轴线方向受到的接触力Fz。
具体而言，如图9所示，所述移动关节包括第二柔性体601、传动杆件602、位于传动杆件602下方的第一定滑轮603a和位于传动杆件602上方的第二定滑轮603b，所述第二柔性体601围绕所述传动杆件602若干圈后，两端分别向上、向下延伸形成近端部分，然后两端分别经过第一定滑轮603a、第二定滑轮603b后转向重合，并形成远端部分。所述手术器械位于所述第二柔性体601的远端部分。所述手术机器人系统的从端设备包括用于驱动所述移动关节的第一电机501，所述第一电机501通过第二柔性体601、传动杆件602驱动所述移动关节，进而驱动所述手术器械沿器械杆轴向移动。所述轴向力传感器201包括若干个置于所述传动杆件602上的敏感单元(图上未示出)，以感知所述传动杆件602受到的力矩。与图7所示的实施例类似，所述敏感单元获取传动杆件602受到的力矩而产生的形变信息。根据标定的形变信息与传动杆件602所受力矩的比值，所述手术机器人系统的计算模块(可以为计算单元20)获得所述传动杆件602受到的力矩，进一步根据所述传动杆件602的直径以及第二柔性体601与所述传动杆件602之间的几何关系，获得第二柔性体601受到的张力，再根据所述第二柔性体601与所述手术器械3之间的几何关系，获得所述手术器械3沿器械杆303的轴向力Fz。
本实施例中，所述手术机器人系统的从端设备还包括一戳卡，所述戳卡与所述机械臂2末端连接，并在机械臂2的驱动下与所述手术器械3同步围绕不动点转动。手术时，戳卡从于人体表面创口位置戳入人体，提供一手术通道。所述手术器械3插入所述戳卡并可在戳卡中移动。同时该戳卡用于在手术器械3进入人体后，保持手术器械3的气密性。其中，为了避免来自于器械杆303在戳卡中滑动摩擦所引起的信号干扰，优选的，在器械杆303的外表面上设置有能够减小摩擦的涂层，从而消除滑动摩擦所造成的不期望的干扰信号，提升轴向力测量的准确性。
进一步，所述手术机器人系统还包括主端设备，所述主端设备还包括示力装置，所述示力装置与所述手术器械通讯连接，以展示所述手术器械受到的外力。所述示力装置可以为一显示设备，在所述显示设备上显示所述手术器械受到的外力的大小和/或方向。所述示力装置可以为一马达，所述马达作用于所述主手，以使医生能感知所述手术器械受到的外力的大小和/或方向。
最后，上述实施例对力矩传递路径的结构进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施例中所列举的力矩传递路径的结构，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
综上所述，在本发明提供的手术器械及其手术机器人系统中，特定的手术器械腕部构型，提供了一种关节处力矩与末端执行器受到的笛卡尔力映射关系，使得直接检测到的关节处力矩能够和末端执行器所受到的笛卡尔力，在大部分工作空间内一一对应，进而可以通过在驱动手术器械关节运动的传动组件上设置力矩测量单元，使得手术器械及对应的手术机器人系统具备了接触力反馈的功能。与间接测量末端执行器的受力相比，如通过测量电机输出力来估算手术器械末端的接触力，本发明提供的手术器械通过测量施加在手术器械末端关节上的力矩，来直接计算手术器械末端所受到的接触力，不仅消除了例如减速机构等动力驱动环境中相关因素的干扰，而且还降低了噪音，因此，接触力测量的结果更为准确。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (20)

1.一种手术器械，包括：末端执行器；
自转关节，用于驱动所述末端执行器做自转运动；
俯仰关节，用于驱动所述末端执行器做俯仰运动，所述俯仰关节的轴线与所述自转关节的轴线垂直相交；
摆动关节，用于驱动所述末端执行器做摆动运动，所述摆动关节的轴线与所述俯仰关节的轴线垂直且不相交；
所述自转关节、俯仰关节和摆动关节依次连接；
动力模组，用于分别驱动所述自转关节、所述俯仰关节和所述摆动关节运动；以及
控制单元，用于获取所述动力模组输出的力矩；
其中，所述控制单元还用于建立所述末端执行器的局部坐标系和所述手术器械的基坐标系，以及所述局部坐标系与所述基坐标系之间的映射关系，并还用于根据所述动力模组输出至各个关节的力矩，获取所述局部坐标系下的所述末端执行器的受力，并根据所述映射关系获取所述基坐标系下的所述末端执行器的受力。
2.如权利要求1所述的手术器械，其特征在于，所述局部坐标系为直角坐标系，其中第一坐标轴与所述摆动关节轴线垂直，第二坐标轴与所述摆动关节轴线平行，第三坐标轴与所述末端执行器的中轴线平行，坐标原点位于所述摆动关节轴线与所述末端执行器的中轴线的交点。
3.如权利要求2所述的手术器械，其特征在于，所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在所述第一坐标轴方向的分力F'1为：
F'1＝τ3/L3
其中，L3为所述末端执行器的受力的作用点到所述摆动关节的轴线的垂直距离，τ3为所述摆动关节受到的力矩。
4.如权利要求2所述的手术器械，其特征在于，所述末端执行器包括第一卡合片和第二开合片，所述摆动关节包括第一摆动关节和第二摆动关节；所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在第一坐标轴方向的分力F'1为：
F'1＝F'11+F'12
F'11＝τ4/L4
F'12＝τ5/L5
其中，
F'11和F'12分别是所述第一开合片和所述第二开合片所受到的外力，τ4和τ5分别为所述动力模组对所述第一开合片和所述第二开合片所施加的开合力矩，L4为所述第一开合片的受力作用点到所述第一摆动关节轴线的垂直距离，L5为所述第二开合片的受力作用点到所述第二摆动关节轴线的垂直距离。
5.如权利要求4所述的手术器械，其特征在于，所述末端执行器的开合力F’开合为：
6.如权利要求3或4所述的手术器械，其特征在于，所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在第二坐标轴方向的分力F'2为：
F'2＝τ2/[L2+L3cos(θ3)]
其中，L2为所述摆动关节的轴线和所述俯仰关节的轴线之间的垂直距离，θ3为L2与L3之间的夹角，τ2为所述俯仰关节受到的力矩。
7.如权利要求6所述的手术器械，其特征在于，所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在第三坐标轴方向的分力F'3为：
F'3＝(τ1-τF'1-τF'2)/(L1*sin(θ3))
L1＝L2*sin(θ2)
τF'1＝F’1*(L3+L2*Cos(θ3))*Sin(θ2)
τF'2＝F'2*L3*cos(θ2)*sin(θ3)
其中，
τF'1为F'1在所述自转关节处形成的力矩，τF'2为F'2在所述自转关节处形成的力矩，L1为所述末端执行器的受力作用点到所述自转关节轴线的垂直距离，θ2是L2与所述自转关节的轴线的夹角，τ1为所述自转关节受到的力矩。
8.如权利要求1所述的手术器械，其特征在于，
所述控制单元包括相连接的力矩测量单元和计算单元；所述计算单元用于建立所述基坐标系和所述局部坐标系，以及所述基坐标系和所述局部坐标系之间的映射关系；
所述力矩测量单元用于感知所述动力模组输出至各个关节的力矩并反馈至所述计算单元；所述计算单元还用于根据所述力矩测量单元感知到的所述动力模组输出的力矩，获得所述局部坐标系下的所述末端执行器的受力，并根据所述映射关系获取所述基坐标系下的所述末端执行器的受力。
9.如权利要求8所述的手术器械，其特征在于，
所述手术器械还包括传动组件，所述俯仰关节、俯仰关节和摆动关节分别通过所述传动组件接受所述动力模组输出的力矩；
所述力矩测量单元包括第一力矩测量单元、第二力矩测量单元和第三力矩测量单元；
所述第一力矩测量单元设置于所述动力模组输出力矩至所述俯仰关节做俯仰运动的传动组件上；所述第二力矩测量单元设置于所述动力模组输出力矩至所述摆动关节做摆动运动的传动组件上；所述第三力矩测量单元设置于所述动力模组输出力矩至所述自转关节做自转运动的传动组件上。
10.如权利要求8所述的手术器械，其特征在于，
所述手术器械还包括传动组件，所述俯仰关节、俯仰关节和摆动关节分别通过所述传动组件接受所述动力模组输出的力矩；
所述力矩测量单元包括至少一个敏感元件，所述敏感元件设置在所述传动组件上，并与所述计算单元通讯连接，用于感知所述动力模组输出的力矩，产生测量信息，并将所述测量信息传输至所述计算单元；
所述计算单元根据测量信息获得所述动力模组输出的力矩。
11.如权利要求10所述的手术器械，其特征在于，所述敏感元件选自箔式应变片、半导体电阻应变片、压电传感器和半导体压力传感器中的一种。
12.如权利要求10所述的手术器械，其特征在于，所述传动组件包括第一柔性体、传动轴和传动轮，所述传动轮套接于所述传动轴，用以限制所述第一柔性体的运动方向，所述第一柔性体在所述动力模组的驱动下经所述传动轮驱动所述自转关节、所述俯仰关节和所述摆动关节运动。
13.如权利要求12所述的手术器械，其特征在于，
所述敏感元件固定于所述传动轴，以感知所述传动轴的形变；
所述计算单元接受所述形变信息，并根据所述形变信息对应的传动轴应变量、所述传动轴的弹性模量以及所述传动轮的直径获得所述动力模组输出的力矩。
14.如权利要求12所述的手术器械，其特征在于，
所述敏感元件设置于所述传动轮与所述传动轴之间，感知所述传动轮对所述传动轴的作用力，以获得所述第一柔性体施加在所述传动轮上的作用力；
所述计算单元接受所述敏感元件传输的受力信息，以及所述第一柔性体与所述传动轮的几何关系，获得所述第一柔性体的张力，并进一步根据所述传动轮的直径获得所述动力模组输出的力矩。
15.如权利要求10所述的手术器械，其特征在于，所述传动组件包括杆件和置于所述杆件两端的齿轮结构，所述齿轮结构分别与所述动力模组、各个关节连接；
所述敏感元件固定于所述杆件上，以感受所述杆件的形变，并产生形变信息；
所述计算单元根据测试时所述敏感元件的形变信息以及标定的所述形变信息与所述杆件所受的力矩的比值，得到所述杆件所受的力矩。
16.如权利要求1所述的手术器械，其特征在于，
所述手术器械还包括传动组件，所述俯仰关节、俯仰关节和摆动关节分别通过所述传动组件接受所述动力模组输出的力矩；
所述动力模组包括电机和减速器，所述电机的输出轴连接所述减速器的输入端，所述减速器的输出端通过传动组件连接所述自转关节、所述俯仰关节和所述摆动关节，且每一个关节至少由一个电机驱动其运动。
17.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：从端设备，
所述从端设备包括：
机械臂；以及
如权利要求1～16中任一项所述的手术器械；
所述机械臂的末端与所述手术器械可拆卸式连接，以驱动所述手术器械围绕一不动点运动。
18.如权利要求17所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述机械臂的末端设有一移动关节，所述移动关节与所述手术器械可拆卸式连接，所述手术器械在所述移动关节的驱动下沿一器械杆的轴向移动；
所述从端设备还包括一置于所述移动关节的轴向力传感器，所述轴向力传感器用于检测所述手术器械沿所述器械杆轴线方向的受力。
19.如权利要求18所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述移动关节包括第二柔性体、传动杆件、位于所述传动杆件下方的第一定滑轮和位于所述传动杆件上方的第二定滑轮，所述第二柔性体包括近端部分和远端部分；所述近端部分围绕所述传动杆件若干圈后，分别向上、向下延伸经过所述第一定滑轮以及所述第二定滑轮后与所述远端部分连接；所述手术器械位于所述第二柔性体的远端部分；
所述手术机器人系统还包括一计算模块；
所述从端设备还包括一用于驱动所述移动关节的第一电机，所述第一电机通过所述传动杆件以及所述第二柔性体驱动所述移动关节；
所述轴向力传感器包括若干个置于所述传动杆件上的敏感单元，所述敏感单元获取所述传动杆件受到的力矩而产生的形变信息；
并且，所述计算模块根据所述敏感单元获得的形变信息、标定的形变信息与传动杆件所受力矩的比值，获得所述传动杆件受到的力矩，并进一步根据所述传动杆件的直径、所述第二柔性体与所述传动杆件之间的几何关系、以及所述第二柔性体与所述手术器械之间的几何关系，获得所述手术器械沿所述器械杆的轴向力。
20.如权利要求17所述的手术机器人系统，其特征在于，还包括主端设备，
所述主端设备包括：
示力装置，所述示力装置与所述手术器械通讯连接，以展示所述手术器械受到的外力。
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