CN108210090A - 一种力感知手术器械驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种力感知手术器械驱动装置，属于机器人技术领域。该装置包括手术器械运动驱动电机、力感知组件、传动组件和手术器械装配辅助组件。其特点是力感知组件设置在器械驱动装置内，由于力感知组件与手术器械分离，降低了力感知型手术器械的加工制作复杂度；力感知组件中含有对平面扭转变形敏感的力感知转盘，力感知转盘两侧设有应变片，力感知转盘和传动组件相互配合实现手术器械运动驱动及手术器械末端的力感知；当手术器械运动驱动电机运动时，通过检测应变片电阻变化可测量手术器械末端所受力/力矩；由于手术器械的各自由度驱动方式及力测量方式完全同构，有利于模块化批量生产，装置制造成本较低。

Description

一种力感知手术器械驱动装置
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及具有力感知功能的腹腔镜微创手术机器人多自由度手术器械的驱动实现技术。
背景技术
机器人技术与现代医学技术相结合形成微创手术机器人是现代医学发展的重要方向。开发具有力感知功能的手术器械是提高医生手术操作的临场感的关键技术之一，也是当前微创手术机器人研究的热点。
微创手术机器人的器械系统设计有非常严格的设计要求：器械钳头运动灵活(运动自由度多)，器械直径必须小于10mm，必须能购彻底消毒。这些严格的设计要求，给具有力感知型多自由度手术器械的研制提出了极大的挑战。
一些器械在手术器械的头部增加力感知敏感部件，由于钳头自由度高且体积空间非常有限。如何在钳头极小的空间内布置力感知组件困难极大。同时由于手术器械每次使用前都必须经过严格的消毒处理，消毒环境极易损坏钳头力感知组件。这些因素导致该类型的力感知手术器械加工成本急剧增加，且使用寿命非常短。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种结构合理、加工制造成本低的力感知手术器械驱动装置。本发明的技术方案如下：
一种力感知手术器械驱动装置，其包括驱动电机、力感知组件、传动组件和手术器械装配辅助组件，所述驱动电机与力感知组件相连接，所述力感知组件与传动组件相连接，所述传动组件与手术器械装配辅助组件相连接，其中，所述驱动电机提供驱动力，所述驱动电机的驱动力通过力感知组件传导至传动组件，并通过传动组件传递给手术器械；所述力感知组件包含对平面扭转变形敏感的力感知转盘，力感知转盘两侧设有应变片；所述力感知组件将手术器械末端耦合空间力/力矩被分解为多个平面内解耦的单自由度的力/力矩,从而间接测量手术器械末端所受力/力矩；所述传动组件和力感知组件相互配合实现手术器械运动驱动及手术器械末端的力感知；所述手术器械装配辅助组件，用于完成手术器械的快速安装与卸载。
进一步的，所述力感知组件包括对平面扭转变形敏感的力感知转盘、应变片和应变电阻变化测量电路，所述力感知转盘与电机同轴心，所述力感知转盘通过顶丝与电机轴固定；每个力感知转盘外部设置有1对应变片，分别对称贴在力感知转盘外侧，位于力感知转盘受外力扭动时应变显著区域；应变电阻变化测量电路采用惠斯通电桥方式测量变片力电阻变化，应变片电阻变化与力感知转盘受到的扭矩成正比。
进一步的，所述力感知转盘内部设置有凹槽，形成对扭转变形敏感的局部薄壁结构。
进一步的，所述传动组件包括直线轴承、手术器械运动转盘和转盘滑动导向杆，所述直线轴承固定在力感知转盘两侧的通孔处，转盘滑动导向杆的一端与手术器械运动转盘固定连接，另一端穿过直线轴承后安装有卡簧，所述卡簧用于防止导向杆从直线轴承中滑出。
进一步的，所述转盘滑动导向杆和直线轴承的作用下，手术器械运动转盘相对力感知转盘只存在相对上下移动，无相对转动。
进一步的，所述手术器械装配辅助组件包括电机安装板、手术器械驱动装置支架、离合拨片以及复位弹簧，所述电机安装板设置于电机的上方，所述手术器械驱动装置支架设置于电机安装板上方，所述复位弹簧嵌套于手术器械运动转盘和力感知转盘之间，复位弹簧提供手术器械运动转盘保持向上的推力；电机安装板固定电机后与手术器械驱动装置支架固定连接。
进一步的，所述离合拨片设置有四个U型通孔，半径与手术器械运动转盘外壁的凹槽半径相同，离合拨片正好卡在手术器械运动转盘的凹槽处带动多个手术器械运动转盘同步上下移动。
进一步的，所述手术器械驱动装置支架的侧壁设置有导向槽，手术器械沿导向槽滑入或移出，安装手术器械时，手术器械沿导向槽滑动过程中，手术器械前部与手术器械运动转盘接触下压，在离合拨片作用下所有手术器械运动转盘整体下移，手术器械沿导向槽自由滑动。
进一步的，当手术器械滑到设定位置后，在复位弹簧作用下，手术器械运动转盘上升，通过手术器械运动转盘上预留的卡孔卡住手术器械驱动转盘，拆下手术器械时，按压手术器械分离拨片，向下压离合拨片，离合拨片迫使手术器械运动转盘向下运动，与手术器械脱开，此时，沿导轨后退取下手术器械。
进一步的，所述驱动电机的个数为4个。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明将力感知组件设置在器械驱动装置内，由于力感知组件与手术器械分离，避免了在手术器械头部狭小空间中设置力传感装置，显著降低了力感知型手术器械的加工制作复杂度。该装置将手术器械末端耦合空间力/力矩被分解为多个平面内解耦的单自由度的力/力矩，该装置对器械运动自由度方向的力测量很灵敏。现有手术器械不需要进行改造，可直接装配到该装置上，即能感知手术器械末端的力/力矩。该装置设计的手术器械装配辅助组件，可实现手术器械的单手快速安装与卸载，有利于临床应用。
附图说明
图1：本发明提供优选实施例力感知手术器械驱动装置总体装配
图2：力感知手术器械驱动装置总体装配爆炸视图
图3：单个力感知组件及传动组件装配后的整体示意图
图4：力感知组件装配示意图
图5：本发明驱动装置安装手术器械后的示意图。
图1～图5中相同编号表示同一零件，图中同一零件存可能多次使用。图1～图5中各编号对应的零件为：1.电机，2.电机安装板，3.手术器械驱动装置支架，4.力感知转盘，5.应变片，6.器械转动盘，7.离合拨片，8.转盘滑动导向杆，9.直线轴承，10.复位弹簧，11手术器械，12.手术器械分离拨片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
以下是本发明优选实施例的详细描述，这里给出的驱动装置实施方案针对手术机器人中常见的4自由度手术器械(可参考发明专利CN102014759A中的图1-图2)进行设计。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。
图1为本发明一种力感知手术器械驱动装置的总体示意图。为了清楚显示该装置内部各组件之间的相对位置关系，该装置的爆炸视图如图2所示。图3为单个力感知组件及传动组件装配后的整体示意图。图4为力感知组件的装配体示意图。图5为本发明驱动装置安装手术器械后的示意图。
本发明涉及一种力感知手术器械驱动装置，优选的实现方式如图1所示。该装置包括手术器械运动驱动电机1、力感知组件(包括图4中力感知转盘4和应变片5)、传动组件(包括图3中器械转动盘6、转盘滑动导向杆8和直线轴承9)和手术器械装配辅助组件(包括图2中的电机安装板2、手术器械驱动装置支架3，离合拨片7以及图3中的复位弹簧10)。
该装置的力感知组件设置在器械驱动装置内，由于力感知组件与手术器械分离，避免了在手术器械头部狭小空间中设置力传感装置，显著降低了力感知型手术器械的加工制作复杂度。力感知组件中含有对平面扭转变形敏感的力感知转盘，力感知转盘两侧设有应变片5，通过检测应变片电阻变化可测量手术器械末端所受力/力矩；力感知转盘和传动组件相互配合实现手术器械运动驱动及手术器械末端的力感知；器械装配辅助组件使器械的安装和拆除操作简便，操作员可以单手完成操作器械的安装与拆分。该装置将手术器械末端耦合空间力/力矩被分解为多个平面内解耦的单自由度的力/力矩，该装置对器械运动自由度方向的力测量很灵敏。
对于手术器械的各运动自由度而言，该力感知手术器械驱动装置的手术器械运动驱动电机、力感知组件、传动组件设计完全同构，有利于模块化批量生产,装置制造成本较低。
所述力感知组件，包括对平面扭转变形敏感的力感知转盘4、应变片组5和应变电阻变化测量电路。如图1和图2所示，所述力感知转盘4与电机1同轴心，力感知转盘4通过顶丝与电机轴1固定。如图4所示，力感知转盘内部设置有专门设计的凹槽，形成局部薄壁结构，对扭转变形敏感；每个力感知转盘设置1对应变片，分别贴在力感知转盘外侧，位于力感知转盘受外力扭动时应变显著区域。应变电阻变化测量电路采用惠斯通电桥方式测量变片力电阻变化，应变片电阻变化与力感知转盘受到的扭矩成正比。
如图3所示，所述传动组件包括直线轴承9、手术器械运动转盘6和转盘滑动导向杆8。所述直线轴承9固定在力感知转盘4两侧的通孔处，转盘滑动导向杆8的一端与手术器械运动转盘6固定连接，另一端穿过直线轴承9后安装有卡簧。卡簧用于防止导向杆从直线轴承中滑出，卡簧为标准件，图中未画出。在转盘滑动导向杆8和直线轴承9的作用下，手术器械运动转盘6相对力感知转盘4只存在相对上下移动，无相对转动，且上下移动阻力极小。
所述传动组件和力感知组件，手术器械运动驱动电机1的力矩输出通过力感知转盘4传导至手术器械运动转盘6，手术器械运动转盘6通过卡孔与手术器械连接。由于力感知转盘特设的局部薄壁结构，可以对手术器械各自由度作用的力矩进行测量。
所述手术器械装配辅助组件，包括图2中的电机安装板2、手术器械驱动装置支架3、离合拨片7以及图3中的复位弹簧10。所述复位弹簧10嵌套于手术器械运动转盘6和力感知转盘4之间，复位弹簧10提供手术器械运动转盘6保持向上的推力；所述离合拨片7设置四个圆形通孔，半径与手术器械运动转盘6外壁的凹槽半径相同，离合拨片7正好卡在手术器械运动转盘6的凹槽处带动多个手术器械运动转盘6同步上下移动；电机安装板固定4个电机后与手术器械驱动装置支架固定连接。手术器械驱动装置支架3的侧壁设置有导向槽，手术器械沿导向槽滑入或移出。安装手术器械时，手术器械沿导向槽滑动过程中，手术器械前部与手术器械运动转盘6接触下压，在离合拨片7作用下所有手术器械运动转盘6整体下移，手术器械沿导向槽自由滑到。当手术器械滑到设定位置后，在复位弹簧10作用下，手术器械运动转盘6上升，通过手术器械运动转盘6上预留的卡孔卡住手术器械驱动转盘。拆下手术器械时，按压手术器械分离拨片12，正好向下压离合拨片7，离合拨片7迫使手术器械运动转盘6向下运动，与手术器械11脱开。此时，沿导轨后退可轻松取下手术器械。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种力感知手术器械驱动装置，其特征在于，包括驱动电机、力感知组件、传动组件和手术器械装配辅助组件，所述驱动电机与力感知组件相连接，所述力感知组件与传动组件相连接，所述传动组件与手术器械装配辅助组件相连接，其中，所述驱动电机提供驱动力，所述驱动电机的驱动力通过力感知组件传导至传动组件，并通过传动组件传递给手术器械；所述力感知组件包含对平面扭转变形敏感的力感知转盘，力感知转盘两侧设有应变片；所述力感知组件将手术器械末端耦合空间力/力矩被分解为多个平面内解耦的单自由度的力/力矩,从而间接测量手术器械末端所受力/力矩；所述传动组件和力感知组件相互配合实现手术器械运动驱动及手术器械末端的力感知；所述手术器械装配辅助组件，用于完成手术器械的快速安装与卸载。
2.根据权利要求1所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述力感知组件包括对平面扭转变形敏感的力感知转盘、应变片和应变电阻变化测量电路，所述力感知转盘与电机同轴心，所述力感知转盘通过顶丝与电机轴固定；每个力感知转盘外部设置有1对应变片，分别对称贴在力感知转盘外侧，位于力感知转盘受外力扭动时应变显著区域；应变电阻变化测量电路采用惠斯通电桥方式测量变片力电阻变化，应变片电阻变化与力感知转盘受到的扭矩成正比。
3.根据权利要求2所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述力感知转盘内部设置有凹槽，形成对扭转变形敏感的局部薄壁结构。
4.根据权利要求2所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述传动组件包括直线轴承、手术器械运动转盘和转盘滑动导向杆，所述直线轴承固定在力感知转盘两侧的通孔处，转盘滑动导向杆的一端与手术器械运动转盘固定连接，另一端穿过直线轴承后安装有卡簧，所述卡簧用于防止导向杆从直线轴承中滑出。
5.根据权利要求4所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述转盘滑动导向杆和直线轴承的作用下，手术器械运动转盘相对力感知转盘只存在相对上下移动，无相对转动。
6.根据权利要求1所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述手术器械装配辅助组件包括电机安装板、手术器械驱动装置支架、离合拨片以及复位弹簧，所述电机安装板设置于电机的上方，所述手术器械驱动装置支架设置于电机安装板上方，所述复位弹簧嵌套于手术器械运动转盘和力感知转盘之间，复位弹簧提供手术器械运动转盘保持向上的推力；电机安装板固定电机后与手术器械驱动装置支架固定连接。
7.根据权利要求6所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述离合拨片设置有四个U型通孔，半径与手术器械运动转盘外壁的凹槽半径相同，离合拨片正好卡在手术器械运动转盘的凹槽处带动多个手术器械运动转盘同步上下移动。
8.根据权利要求6所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述手术器械驱动装置支架的侧壁设置有导向槽，手术器械沿导向槽滑入或移出，安装手术器械时，手术器械沿导向槽滑动过程中，手术器械前部与手术器械运动转盘接触下压，在离合拨片作用下所有手术器械运动转盘整体下移，手术器械沿导向槽自由滑动。
9.根据权利要求8所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，当手术器械滑到设定位置后，在复位弹簧作用下，手术器械运动转盘上升，通过手术器械运动转盘上预留的卡孔卡住手术器械驱动转盘，拆下手术器械时，按压手术器械分离拨片，向下压离合拨片，离合拨片迫使手术器械运动转盘向下运动，与手术器械脱开，此时，沿导轨后退取下手术器械。
10.根据权利要求1-9之一所述的力感知手术器械驱动装置，其特征在于，所述驱动电机的个数为4个。
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