CN108143498A - 遥操作机器人的主从操作端结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥操作机器人的主从操作端结构，本结构的主操作端和从操作端依次设有构型相同并且通过连杆连接的第一自由度转动关节、第二自由度转动关节、第三自由度平移关节、第四自由度自转关节和第五自由度末端开合关节，第一至第五关节采用液压缸或气缸驱动，主操作端和从操作端对应关节的液压缸或气缸连通实现同步驱动，主操作端和从操作端分别设有重物配平，重物配平抵消第二自由度转动关节、第三自由度平移关节及其连杆的重量。本结构采用液压或气压传递操作动力，具有极佳的力反馈性能，能够将从操作端轻微的环境力反馈到主操作端，有效解决了遥操作机器人的力反馈问题。

Description

遥操作机器人的主从操作端结构

技术领域

本发明涉及一种遥操作机器人的主从操作端结构。

背景技术

遥操作机器人是一种可以通过电子、液压或者机械连接进行远程操作的设备，1945年第一个遥操作机器人出现在Argonne 国家实验室，目的是为了处理具有辐射性的材料，通过一堵隔离墙隔开遥操作机器人的主从操作端，保证研究者可以通过防辐射的玻璃看到从操作端。

遥操作机器人发明之初只关注对操作对象的位置控制精准度，但是随着后续发展，人们对遥操作提出了一个“透明度”的概念，这个概念与“沉浸感”有相似的定义，即让人感觉不到自己在做远程操作，而是直接感觉远端的操作对象，如此对于遥操作的力反馈精度就提出了很高的要求，因此力反馈已经成为遥操作中的热门研究课题，尤其在医疗微创手术遥操作机器人应用领域，目前只有美国intuitive surgical公司的DaVinci手术机器人，但DaVinci手术机器人并未增加力反馈（力感觉）功能，因为从操作端有大量的非线性量，而有用的较小的力信息会被未补偿完毕的非线性力淹没，其中较为重要的非线性量包括机器人结构的重力、摩擦力等，同时由于当前的机器人多为数字系统，而力反馈对于采样频率和延时非常敏感，最终导致力反馈的带宽很低，不能很好的反馈出从操作端的环境力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种遥操作机器人的主从操作端结构，本结构采用液压或气压传递操作动力，具有极佳的力反馈性能，能够将从操作端轻微的环境力反馈到主操作端，有效解决了遥操作机器人的力反馈问题。

为解决上述技术问题，本发明遥操作机器人的主从操作端结构，所述主操作端和从操作端依次设有构型相同并且通过连杆连接的第一自由度转动关节、第二自由度转动关节、第三自由度平移关节、第四自由度自转关节和第五自由度末端开合关节，所述第一至第五关节采用液压缸或气缸驱动，所述主操作端和从操作端对应关节的液压缸或气缸连通实现同步驱动，所述主操作端和从操作端分别设有重物配平，所述重物配平抵消第二自由度转动关节、第三自由度平移关节及其连杆的重量。

进一步，所述液压缸或气缸包括两个缸体、两个活塞、两根活塞杆、两根齿条和齿轮，所述两个活塞分别设于所述两个缸体内，所述两根活塞杆一端分别垂直设于所述两个活塞端面，所述两根齿条分别设于所述两根活塞杆的相向面，所述齿轮设于所述两根齿条之间并且与齿条啮合。

进一步，本结构还包括阀门，所述阀门设于所述第一至第五关节的液压缸或气缸驱动回路。

进一步，所述主从操作端分别设有两个基础坐标系和两个运动坐标系，主操作端的基础坐标系为人眼坐标系、运动坐标系为主操作端末端坐标系，从操作端的基础坐标系为从操作端的首端坐标系、运动坐标系为从操作端的器械末端坐标系，所述基础坐标系与运动坐标系的运动姿态一致。

进一步，所述人眼坐标系位置设置头戴式显示器或者普通显示器，所述头戴式显示器或者普通显示器显示从操作端的基础坐标系图像。

进一步，所述头戴式显示器或普通显示器设有位置传感器，当位置传感器检测到操作者头部时，主从操作端的控制连接。

由于本发明遥操作机器人的主从操作端结构采用了上述技术方案，即本结构的主操作端和从操作端依次设有构型相同并且通过连杆连接的第一自由度转动关节、第二自由度转动关节、第三自由度平移关节、第四自由度自转关节和第五自由度末端开合关节，第一至第五关节采用液压缸或气缸驱动，主操作端和从操作端对应关节的液压缸或气缸连通实现同步驱动，主操作端和从操作端分别设有重物配平，重物配平抵消第二自由度转动关节、第三自由度平移关节及其连杆的重量。本结构采用液压或气压传递操作动力，具有极佳的力反馈性能，能够将从操作端轻微的环境力反馈到主操作端，有效解决了遥操作机器人的力反馈问题。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明遥操作机器人的主从操作端结构的关节简化示意图；

图2为本结构中液压缸或气缸驱动的关节示意图；

图3为本结构应用示意图。

具体实施方式

实施例如图1和图2所示，本发明遥操作机器人的主从操作端结构，所述主从操作端1依次设有构型相同并且通过连杆连接的第一自由度转动关节11、第二自由度转动关节12、第三自由度平移关节13、第四自由度自转关节14和第五自由度末端开合关节15，所述第一至第五关节采用液压缸或气缸驱动，所述主操作端和从操作端对应关节的液压缸或气缸连通实现同步驱动，所述主操作端和从操作端分别设有重物配平，所述重物配平抵消第二自由度转动关节12、第三自由度平移关节13及其连杆的重量。

优选的，所述液压缸或气缸包括两个缸体21、两个活塞22、两根活塞杆23、两根齿条24和齿轮25，所述两个活塞22分别设于所述两个缸体21内，所述两根活塞杆23一端分别垂直设于所述两个活塞22端面，所述两根齿条24分别设于所述两根活塞杆23的相向面，所述齿轮25设于所述两根齿条24之间并且与齿条啮合。

优选的，本结构还包括阀门，所述阀门设于所述第一至第五关节的液压缸或气缸驱动回路。

优选的，所述主从操作端1分别设有两个基础坐标系和两个运动坐标系，主操作端的基础坐标系为人眼坐标系、运动坐标系为主操作端末端坐标系，从操作端的基础坐标系为从操作端的首端坐标系、运动坐标系为从操作端的器械末端坐标系，所述基础坐标系与运动坐标系的运动姿态一致。

优选的，所述人眼坐标系位置设置头戴式显示器或者普通显示器，所述头戴式显示器或者普通显示器显示从操作端的基础坐标系图像。

优选的，所述头戴式显示器或普通显示器设有位置传感器，当位置传感器检测到操作者头部时，主从操作端的控制连接。

采用本结构的遥操作机器人可以应用于微创手术，能够解决目前医生使用普通腹腔镜手术器械做手术的问题，比如：1）主从操作端分离解决了医生做手术需要站姿的问题；2）主从操作端同构操作解决了医生操作普通腹腔镜器械反向操作的问题，可以让医生以直观感觉来操作手术，大大提高了手术速度；3）保证医生操作时是坐姿，并且操作时可以带肘托，解决了医生手臂悬空操作颤抖的问题，可以极大的提高医生的手术操作精度。

同时最重要的是由于本结构采用液压或气压传递操作动力，具有极佳的力反馈性能，能够将从操作端轻微的环境力反馈到医生的主操作端，优秀的解决了机器人遥操作的力反馈问题。其液压或气压关节的主从运动角度为1:1，同时在液压或气压回路加装阀门，当阀门关闭时，对应的关节被锁死，这个功能能够保证医生在中断操作时锁死主操作端和从操作端的部分或者全部关节，或者在护士调整从操作端完成时锁定从操作端的运动。

如图3所示，本结构中主操作端1a由医生3操作，医生3提供输入操作力，主操作端1a根据力的期望运动，并通过液压或气压将运动传递到从操作端1b，从而让从操作端1b以相同的速度运动，在本结构中将主从操作端机构限定为构型完全相同，其各项结构参数为1:1或者其他任意的比例。当从操作端1b运动接触到环境时会受到环境的反作用力，反作用力会作用到相应的液压缸或气缸上，然后液压缸或气缸将反作用力通过液压或气压介质传递到主操作端1a的液压缸或气缸，因此反作用力也会相应的反馈到主操作端1a，医生3就会感觉到这个环境力，从而实现了遥操作的力反馈。

其中液压缸或气缸关节是通过齿轮齿条将液压缸或气缸的平移运动变换为旋转运动，从而驱动主操作端1a或从操作端1b关节的转动。并且在遥操作控制时，相应的关节一对一控制，各个关节之间无相互干涉。从操作端1b的末端开合关节可以根据手术需求更换，比如更换成具有开合自由度的爪钳或者不带开合自由度的电刀等；而主操作端1a的操作末端无需更换，主操作端的操作末端是一个具有两个指套的开合机构。在实际手术时，从操作端1b可以通过机械接口与戳卡相连，戳卡是一种穿透病人腹腔皮肤的金属机械装置，从操作端1b末端的手术器械通过戳卡进入病人4身体内部；从操作端1b将会被安装在一个调整机械臂上，机械调整臂能够保证从操作端1b的戳卡接口方便的连接到病人4身体上的戳卡上，机械调整臂安装于一个病人端基座上，病人端基座底部带有轮子，可以推动移动，同时底部带有支撑，可以通过转动机构使得支撑机构接触地面，保证基座的稳定。

通常主操作端1a一般有两个，分别对应医生3的左右手，也会被安装在相应的主操作调整臂上，根据从操作端1b的从操作调整臂进行相应的调整，从而保证主操作端1a末端坐标系与从操作端1b末端坐标系的相对姿态是一致的；主操作调整臂安装在医生操作台车上，医生操作台车底部安装有轮子可以移动，同时轮子可以锁定；

本结构中通过主从操作端的基础坐标系5和运动坐标系6保证主从运动的直观性，在手术过程中，从操作端1b的基础坐标系5可以是插入病人4体内的内窥镜7图像坐标系，由于主操作端1a与从操作端1b是同构设计，同时这种主从控制属于绝对位置控制，因此只要开始运动时左主手与左从手、右主手与右从手是对应的，那么在整个手术操作过程中相应的主操作端1a与从操作端1b都是对应的。

本结构的特点在于开创性的引入了液压或气压驱动的方式用于控制遥操作类型的机器人，解决了机器人目前力感觉和力反馈难以良好解决的难题，同时这种遥操作方式的力反馈方式无需电机和动力，完全靠液压或气压提供动力传递和力反馈，极大的降低了主从操作端的重量，应用于手术机器人时优秀的力反馈效果极大的增强了手术操作的透明度，使得医生在遥操作时能够清晰的感觉到对病人脏器的操作力。

Claims (6)

1.一种遥操作机器人的主从操作端结构，所述主操作端和从操作端依次设有构型相同并且通过连杆连接的第一自由度转动关节、第二自由度转动关节、第三自由度平移关节、第四自由度自转关节和第五自由度末端开合关节，其特征在于：所述第一至第五关节采用液压缸或气缸驱动，所述主操作端和从操作端对应关节的液压缸或气缸连通实现同步驱动，所述主操作端和从操作端分别设有重物配平，所述重物配平抵消第二自由度转动关节、第三自由度平移关节及其连杆的重量。

2.根据权利要求1所述的遥操作机器人的主从操作端结构，其特征在于：所述液压缸或气缸包括两个缸体、两个活塞、两根活塞杆、两根齿条和齿轮，所述两个活塞分别设于所述两个缸体内，所述两根活塞杆一端分别垂直设于所述两个活塞端面，所述两根齿条分别设于所述两根活塞杆的相向面，所述齿轮设于所述两根齿条之间并且与齿条啮合。

3.根据权利要求1所述的遥操作机器人的主从操作端结构，其特征在于：本结构还包括阀门，所述阀门设于所述第一至第五关节的液压缸或气缸驱动回路。

4.根据权利要求1所述的遥操作机器人的主从操作端结构，其特征在于：所述主从操作端分别设有两个基础坐标系和两个运动坐标系，主操作端的基础坐标系为人眼坐标系、运动坐标系为主操作端末端坐标系，从操作端的基础坐标系为从操作端的首端坐标系、运动坐标系为从操作端的器械末端坐标系，所述基础坐标系与运动坐标系的运动姿态一致。

5.根据权利要求1所述的遥操作机器人的主从操作端结构，其特征在于：所述人眼坐标系位置设置头戴式显示器或者普通显示器，所述头戴式显示器或者普通显示器显示从操作端的基础坐标系图像。

6.根据权利要求5所述的遥操作机器人的主从操作端结构，其特征在于：所述头戴式显示器或普通显示器设有位置传感器，当位置传感器检测到操作者头部时，主从操作端的控制连接。