CN109009453A - 介入机器人的力反馈型主操作手 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种介入机器人的力反馈型主操作手，包括：基座、直线机构、旋转手柄、偏转旋钮以及力反馈装置，基座用于为主操作手提供支撑；直线机构用于将受力转化为直线运动；旋转手柄用于将受力转化为旋转运动；偏转旋钮用于将受力转化为偏转运动；力反馈装置用于将直线机构、旋转手柄和偏转旋钮的动作传递至从操作手上，并将从操作手与人体组织的接触力反馈至直线机构、旋转手柄和偏转旋钮上。本公开提供的介入机器人的力反馈型主操作手为针对肾内介入手术的专用型主操作手，具有三个自由度可以实现对输尿管软镜的操作，并且在三个自由度上可以分别施加反馈力达到提高手术精度的目的。

Description

介入机器人的力反馈型主操作手

技术领域

本公开涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种介入机器人的力反馈型主操作手。

背景技术

输尿管软镜手术(FURS)是治疗肾结石与输尿管结石的重要治疗方式。与经皮肾镜取石术和体外冲击波碎石术相比，输尿管软镜手术时镜体通过自然腔道(尿道-膀胱-肾盂-输尿管)进入，可以在直视下进行碎石，具有损伤小、恢复快、手术适应症广等优点。因此，输尿管软镜技术在临床应用上越来越受广大医生和患者的青睐。

然而，输尿管软镜在技术操作上仍具有挑战性。主要包括学习曲线长、操作稳定性差、术者易疲劳以及辐射危害等。另外，徒手操作软镜需要主治医师与助手相互配合，共同协作完成手术，难免产生交流障碍，导致不科学与不规范的操作，容易造成术中危险，给患者造成痛苦。而且手工操作自身有一些局限性：精度低，自由度受限，无法实现远程操作等，初学者还可能会造成患者术后并发症发生率增加，这些问题极大地限制了这项技术的推广和应用。

随着外科手术领域的不断发展，机器人辅助外科手术具有定位精确、操作稳定、没有人类的疲惫感和生理限制等优势。因此，机器人辅助手术技术可以成为解决输尿管软镜手术难题的有效途径。

然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，虽然机器人辅助外科手术可以提高手术的整体操作性能，但存在一个主要的缺点是缺少力反馈。力反馈功能的缺失导致医生操作时缺乏“手感”，只能通过视觉信息来判断器械对于组织的作用力，缺少开放手术时的“沉浸感”。在进行手术时，主操作手若无法接收到有效的力反馈，医生容易操作过度对正常组织造成创伤，这会延长手术时间，增加手术操作的不确定性和风险性。因此，利用机器人辅助经输尿管肾内介入手术时，力反馈功能的实现对主操作手有着重要意义。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种介入机器人的力反馈型主操作手，以缓解现有技术中的辅助外科手术机器人缺乏力反馈的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种介入机器人的力反馈型主操作手，包括：基座，用于为所述主操作手提供支撑；直线机构，与所述基座连接，用于将受力转化为直线运动；旋转手柄，与所述直线机构连接，用于将受力转化为旋转运动；偏转旋钮，与所述直线机构连接，用于将受力转化为偏转运动；以及力反馈装置，与所述直线机构、所述旋转手柄和所述偏转旋钮连接，用于将所述直线机构、所述旋转手柄和所述偏转旋钮的动作传递至从操作手上，并将所述从操作手与人体组织的接触力反馈至所述直线机构、所述旋转手柄和所述偏转旋钮上。

在本公开的一些实施例中，其中：所述直线机构包括：第一摇臂，其一端设置有电机主动轴，所述电机主动轴上同轴设置有主齿轮，另一端设置有第一连接轴；第二摇臂，其一端与所述第一连接轴固定连接，另一端设置有第二连接轴；第三摇臂，与所述第一摇臂长度相等，其一端设置有电机从动轴，其上同轴设置有与所述主齿轮啮合的从齿轮，另一端设置有第三连接轴；第四摇臂，与所述第二摇臂长度相等，其一端与所述第三连接轴固定连接，另一端设置有第四连接轴；以及连接板，分别与所述第二连接轴和所述第四连接轴铰接连接；所述力反馈装置包括：第一驱动电机，其动力输出轴与所述电机主动轴通过联轴器同轴连接；其中，所述连接板在力的作用下分别沿直线靠近或远离所述主齿轮和所述从齿轮；在运动过程中，所述主齿轮的轴线和所述第二连接轴确定的平面与所述主齿轮的轴线和所述从齿轮的轴线确定的平面垂直，所述从齿轮的轴线和所述第四连接轴确定的平面与所述主齿轮的轴线和所述从齿轮的轴线确定的平面垂直。

在本公开的一些实施例中，其中：所述第一摇臂包括：长度相同的上连杆和下连杆；以及丝张紧件，夹设在所述上连杆和所述下连杆之间，且与所述电机主动轴同轴设置；所述第三摇臂包括：长度相同的上连杆和下连杆；以及丝张紧件，夹设在所述上连杆和所述下连杆之间，且与所述电机从动轴同轴设置；所述第一连接轴和所述第三连接轴上均设置有穿丝孔；其中，所述第一摇臂中的所述丝张紧件中伸出的钢丝绳穿过所述第一连接轴中的所述穿丝孔与所述第一连接轴固定；所述第三摇臂中的所述丝张紧件中伸出的钢丝绳穿过所述第三连接轴中的所述穿丝孔与所述第三连接轴固定。

在本公开的一些实施例中，其中所述基座包括：底板，与支撑面固定连接，用于提供支撑；背板，竖直设置在所述底板上，将连接块撑起，用于为主操作手提供活动空间；以及连接块，与所述背板的顶部连接，用于连接所述直线机构，包括：容纳槽，水平设置在所述连接块上，用于容纳所述第一摇臂端部和所述第三摇臂的端部；四个定位通孔，其两两竖直对应设置在所述容纳槽的顶面和底面上，用于分别与所述电机主动轴和所述电机从动轴配合；电机连接板，其与所述容纳槽的底面平行设置，并与用于配合所述电机主动轴的两个所述定位通孔同轴设置，用于连接第一驱动电机；以及N个限位柱，设置在所述容纳槽的底面上，且分别位于所述第一摇臂或所述第三摇臂的运动轨迹上，用于将所述第一摇臂和所述第三摇臂的夹角范围限制在45°至150°，其中，N≥2。

在本公开的一些实施例中，其中：所述力反馈装置还包括：第二驱动电机，与所述连接板连接；所述旋转手柄通过所述第二驱动电机与所述直线机构连接，并与所述第二驱动电机的动力输出轴同轴设置。

在本公开的一些实施例中，其中，所述旋转手柄的自转轴与所述主齿轮的轴线和所述第二连接轴确定的平面平行。

在本公开的一些实施例中，其中：所述力反馈装置还包括：第三驱动电机，与所述连接板连接；所述偏转旋钮通过所述第三驱动电机与所述直线机构连接，且所述偏转旋钮的旋转轴与所述第三驱动电机的动力输出轴同轴设置。

在本公开的一些实施例中，其中，所述偏转旋钮的旋转轴与所述主齿轮的轴线和所述从齿轮的轴线确定的平面平行。

在本公开的一些实施例中，所述力反馈装置中的各驱动电机通过其自身转角的变化，将所述主操作手的动作传递至所述从操作手，并根据所述从操作手反馈的其与人体组织接触力的大小，改变各个电机的转速，实现接触力反馈。

在本公开的一些实施例中，该介入机器人的力反馈型主操作手用于肾内介入手术中。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的介入机器人的力反馈型主操作手具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开提供的介入机器人的力反馈型主操作手为针对肾内介入手术的专用型主操作手，具有三个自由度可以实现对输尿管软镜的操作，并且在三个自由度上可以分别施加反馈力达到提高手术精度的目的；

(2)本公开提供的介入机器人的力反馈型主操作手为同构型主操作手，结构简单，运动直观性强，医生模拟训练简单，符合医生的操作习惯，减少医生疲劳程度，同时具有遥操作的潜力。

附图说明

图1为本公开实施例提供的介入机器人的力反馈型主操作手的立体结构示意图。

图2为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中直线机构的结构示意图。

图3为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中连接块内部的结构示意图。

图4为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中旋转手柄与力反馈装置配合的结构示意图。

图5为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中偏转旋钮与力反馈装置配合的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-基座；

110-底板；

120-背板；

130-连接块；

131-容纳槽；

132-定位通孔；

133-电机连接板；

134-限位柱；

200-直线机构；

210-第一摇臂；

211-电机主动轴；

212-主齿轮；

213-第一连接轴；

214-上连杆(第一摇臂)；

215-下连杆(第一摇臂)；

216-丝张紧件(第一摇臂)；

220-第二摇臂；

221-第二连接轴；

230-第三摇臂；

231-电机从动轴；

232-从齿轮；

233-第三连接轴；

234-上连杆(第三摇臂)；

235-下连杆(第三摇臂)；

236-丝张紧件(第三摇臂)；

240-第四摇臂；

241-第四连接轴；

250-连接板；

300-旋转手柄；

400-偏转旋钮；

500-第一驱动电机；

600-第二驱动电机；

700-第三驱动电机。

具体实施方式

本公开实施例提供的介入机器人的力反馈型主操作手通过设置直线机构、旋转手柄和偏转旋钮，使其具有三个自由度可以实现对输尿管软镜的操作，并且通过设置力反馈装置与上述机构相连，从而在三个自由度上可以分别施加反馈力达到提高手术精度的目的。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开实施例提供的介入机器人的力反馈型主操作手的立体结构示意图。图2为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中直线机构的结构示意图。图3为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中连接块内部的结构示意图。图4为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中旋转手柄与力反馈装置配合的结构示意图。图5为图1所示介入机器人的力反馈型主操作手中偏转旋钮与力反馈装置配合的结构示意图。

本公开实施例提供一种介入机器人的力反馈型主操作手，如图1所示，包括：基座100，用于为主操作手提供支撑；直线机构200，与基座100连接，用于将受力转化为直线运动；旋转手柄300，与直线机构200连接，用于将受力转化为旋转运动；偏转旋钮400，与直线机构200连接，用于将受力转化为偏转运动；以及力反馈装置，与直线机构200、旋转手柄300和偏转旋钮400连接，用于将直线机构200、旋转手柄300和偏转旋钮400的动作传递至从操作手上，并将从操作手与人体组织的接触力反馈至直线机构200、旋转手柄300和偏转旋钮400上，本公开实施例提供的介入机器人的力反馈型主操作手为针对肾内介入手术的专用型主操作手，具有三个自由度可以实现对输尿管软镜的操作，并且在三个自由度上可以分别施加反馈力达到提高手术精度的目的；同时本公开实施例提供的介入机器人的力反馈型主操作手为同构型主操作手，结构简单，运动直观性强，医生模拟训练简单，符合医生的操作习惯，减少医生疲劳程度，同时具有遥操作的潜力。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，直线机构200包括：第一摇臂210，其一端设置有电机主动轴211，电机主动轴211上同轴设置有主齿轮212，另一端设置有第一连接轴213；第二摇臂220，其一端与第一连接轴213固定连接，另一端设置有第二连接轴221；第三摇臂230，与第一摇臂210长度相等，其一端设置有电机从动轴231，其上同轴设置有与主齿轮212啮合的从齿轮232，另一端设置有第三连接轴233；第四摇臂240，与第二摇臂220长度相等，其一端与第三连接轴233固定连接，另一端设置有第四连接轴241；以及连接板250，分别与第二连接轴221和第四连接轴241铰接连接。

在本公开的一些实施例中，如图1所示，力反馈装置包括：第一驱动电机500，其动力输出轴与电机主动轴211通过联轴器同轴连接。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，连接板250在力的作用下分别沿直线靠近或远离主齿轮212和从齿轮232；在运动过程中，主齿轮212的轴线和第二连接轴221确定的平面与主齿轮212的轴线和从齿轮232的轴线确定的平面垂直，从齿轮232的轴线和第四连接轴241确定的平面与主齿轮212的轴线和从齿轮232的轴线确定的平面垂直，从而维持直线机构200的运动轨迹为垂直于背板120的直线，而不容易发生左右偏摆，使力传导效果更好，并且降低操作难度。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，其中：第一摇臂210包括：长度相同的上连杆214和下连杆215；以及丝张紧件216，夹设在上连杆214和下连杆215之间，且与电机主动轴211同轴设置；第三摇臂230包括：长度相同的上连杆234和下连杆235；以及丝张紧件236，夹设在上连杆234和下连杆235之间，且与电机从动轴231同轴设置；第一连接轴213和第三连接轴233上均设置有穿丝孔；其中，第一摇臂210中的丝张紧件216中伸出的钢丝绳穿过第一连接轴213中的穿丝孔与第一连接轴213固定；第三摇臂230中的丝张紧件236中伸出的钢丝绳穿过第三连接轴233中的穿丝孔与第三连接轴233固定，当直线机构200受力进行直线位移时，第一摇臂210带动电机主动轴211旋转，进而通过主齿轮212和从齿轮232啮合传动带动电机从动轴231以相同的角速度旋转(主齿轮212和从齿轮232的传动比为1∶1)，设置在电机主动轴211和电机从动轴231上的丝张紧件216/236同样保持相同的角速度旋转，从而通过钢丝绳缠绕或松开第一连接轴213或第三连接轴233，使第一连接轴213和第三连接轴233的角速度相同，并且由于第二摇臂220和第一连接轴213固定连接，第四摇臂240和第三连接轴233固定连接，从而使第二摇臂220和第四摇臂240的摆动幅度始终相同，从而使直线机构在受力运动的过程中，主齿轮212的轴线和第二连接轴221确定的平面与主齿轮212的轴线和从齿轮232的轴线确定的平面垂直，从齿轮232的轴线和第四连接轴241确定的平面与主齿轮212的轴线和从齿轮232的轴线确定的平面垂直。

在本公开的一些实施例中，如图1和图3所示，基座100包括：底板110，与支撑面固定连接，用于提供支撑；背板120，竖直设置在底板100上，将连接块130撑起，用于为主操作手提供活动空间；以及连接块130，与背板120的顶部连接，用于连接直线机构200。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，连接块130包括：容纳槽131，水平设置在连接块130上，用于容纳第一摇臂210端部和第三摇臂230的端部；四个定位通孔132，其两两竖直对应设置在容纳槽131的顶面和底面上，用于分别与电机主动轴211和电机从动轴231配合；电机连接板133，其与容纳槽131的底面平行设置，并与用于配合电机主动轴211的两个定位通孔132同轴设置，用于连接第一驱动电机500；以及N个限位柱134，设置在容纳槽131的底面上，且分别位于第一摇臂210或第三摇臂230的运动轨迹上，用于将第一摇臂210和第三摇臂230的夹角范围限制在45°至150°，其中，N≥2。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，力反馈装置还包括：第二驱动电机600，与连接板250连接；

在本公开的一些实施例中，如图4所示，旋转手柄300通过第二驱动电机600与直线机构200连接，并与第二驱动电机600的动力输出轴同轴设置。

在本公开的一些实施例中，其中，如图1所示，旋转手柄300的自转轴与主齿轮212的轴线和第二连接轴221确定的平面平行。

在本公开的一些实施例中，如图5所示，力反馈装置还包括：第三驱动电机700，与连接板250连接；偏转旋钮400通过第三驱动电机700与直线机构200连接，且偏转旋钮400的旋转轴与第三驱动电机700的动力输出轴同轴设置。

在本公开的一些实施例中，如图5所示，其中，偏转旋钮400的旋转轴与主齿轮212的轴线和从齿轮232的轴线确定的平面平行。

在本公开的一些实施例中，力反馈装置中的各驱动电机通过其自身转角的变化，得出各个自由度上的位移或旋转的角度，通过通信装置(可以为有线通信或无线通信)将各个自由度上的位移或旋转的角度发送至从操作手上，使从操作手同步在各个自由度上发生位移、旋转或偏转，从而将主操作手的动作传递至从操作手，并将从操作手通过压力传感器采集的其与人体组织接触力的大小，转换为强度变化的电信号，反馈至力反馈装置上，改变各个电机的转速，当某一电机的转速变小时，操作者会感受到该自由度上的行进阻力，从而实现接触力反馈。

在本公开的一些实施例中，该介入机器人的力反馈型主操作手用于肾内介入手术中。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的介入机器人的力反馈型主操作手有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的介入机器人的力反馈型主操作手在三个自由度上实现对输尿管软镜的操作，并且在三个自由度上可以分别施加反馈力达到提高手术精度的目的。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种介入机器人的力反馈型主操作手，包括：

基座，用于为所述主操作手提供支撑；

直线机构，与所述基座连接，用于将受力转化为直线运动；

旋转手柄，与所述直线机构连接，用于将受力转化为旋转运动；

偏转旋钮，与所述直线机构连接，用于将受力转化为偏转运动；以及

力反馈装置，与所述直线机构、所述旋转手柄和所述偏转旋钮连接，用于将所述直线机构、所述旋转手柄和所述偏转旋钮的动作传递至从操作手上，并将所述从操作手与人体组织的接触力反馈至所述直线机构、所述旋转手柄和所述偏转旋钮上。

2.根据权利要求1所述的介入机器人的力反馈型主操作手，其中：

所述直线机构包括：

第一摇臂，其一端设置有电机主动轴，所述电机主动轴上同轴设置有主齿轮，另一端设置有第一连接轴；

第二摇臂，其一端与所述第一连接轴固定连接，另一端设置有第二连接轴；

第三摇臂，与所述第一摇臂长度相等，其一端设置有电机从动轴，其上同轴设置有与所述主齿轮啮合的从齿轮，另一端设置有第三连接轴；

第四摇臂，与所述第二摇臂长度相等，其一端与所述第三连接轴固定连接，另一端设置有第四连接轴；以及

连接板，分别与所述第二连接轴和所述第四连接轴铰接连接；

所述力反馈装置包括：第一驱动电机，其动力输出轴与所述电机主动轴通过联轴器同轴连接；

其中，所述连接板在力的作用下分别沿直线靠近或远离所述主齿轮和所述从齿轮；

在运动过程中，所述主齿轮的轴线和所述第二连接轴确定的平面与所述主齿轮的轴线和所述从齿轮的轴线确定的平面垂直，所述从齿轮的轴线和所述第四连接轴确定的平面与所述主齿轮的轴线和所述从齿轮的轴线确定的平面垂直。

3.根据权利要求2所述的介入机器人的力反馈型主操作手，其中：

所述第一摇臂包括：

长度相同的上连杆和下连杆；以及

丝张紧件，夹设在所述上连杆和所述下连杆之间，且与所述电机主动轴同轴设置；

所述第三摇臂包括：

长度相同的上连杆和下连杆；以及

丝张紧件，夹设在所述上连杆和所述下连杆之间，且与所述电机从动轴同轴设置；

所述第一连接轴和所述第三连接轴上均设置有穿丝孔；

其中，所述第一摇臂中的所述丝张紧件中伸出的钢丝绳穿过所述第一连接轴中的所述穿丝孔与所述第一连接轴固定；

所述第三摇臂中的所述丝张紧件中伸出的钢丝绳穿过所述第三连接轴中的所述穿丝孔与所述第三连接轴固定。

4.根据权利要求3所述的介入机器人的力反馈型主操作手，其中所述基座包括：

底板，与支撑面固定连接，用于提供支撑；

背板，竖直设置在所述底板上，将连接块撑起，用于为主操作手提供活动空间；以及

连接块，与所述背板的顶部连接，用于连接所述直线机构，包括：

容纳槽，水平设置在所述连接块上，用于容纳所述第一摇臂端部和所述第三摇臂的端部；

四个定位通孔，其两两竖直对应设置在所述容纳槽的顶面和底面上，用于分别与所述电机主动轴和所述电机从动轴配合；

电机连接板，其与所述容纳槽的底面平行设置，并与用于配合所述电机主动轴的两个所述定位通孔同轴设置，用于连接第一驱动电机；以及

N个限位柱，设置在所述容纳槽的底面上，且分别位于所述第一摇臂或所述第三摇臂的运动轨迹上，用于将所述第一摇臂和所述第三摇臂的夹角范围限制在45°至150°，其中，N≥2。

5.根据权利要求2所述的介入机器人的力反馈型主操作手，其中：

所述力反馈装置还包括：第二驱动电机，与所述连接板连接；

所述旋转手柄通过所述第二驱动电机与所述直线机构连接，并与所述第二驱动电机的动力输出轴同轴设置。

6.根据权利要求5所述的介入机器人的力反馈型主操作手，其中，所述旋转手柄的自转轴与所述主齿轮的轴线和所述第二连接轴确定的平面平行。

7.根据权利要求2所述的介入机器人的力反馈型主操作手，其中：

所述力反馈装置还包括：第三驱动电机，与所述连接板连接；

所述偏转旋钮通过所述第三驱动电机与所述直线机构连接，且所述偏转旋钮的旋转轴与所述第三驱动电机的动力输出轴同轴设置。

8.根据权利要求7所述的介入机器人的力反馈型主操作手，其中，所述偏转旋钮的旋转轴与所述主齿轮的轴线和所述从齿轮的轴线确定的平面平行。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的介入机器人的力反馈型主操作手，所述力反馈装置中的各驱动电机通过其自身转角的变化，将所述主操作手的动作传递至所述从操作手，并根据所述从操作手反馈的其与人体组织接触力的大小，改变各个电机的转速，实现接触力反馈。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的介入机器人的力反馈型主操作手，该介入机器人的力反馈型主操作手用于肾内介入手术中。