CN111134845A - 一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，包括执行部分、操作部分和控制器；其特征在于，所述执行部分包括执行部分固定座、机械臂、伸缩臂和持械臂；至少两个所述机械臂固定于所述执行部分固定座上；所述伸缩臂的固定端固定于所述机械臂的末端；所述持械臂固定于所述伸缩臂的伸缩端。本发明的有益效果是：本发明更容易被学习和操作；本发明的外力反馈装置可以使操作者操作时手部感受到一定的阻力，增强操作体验感并且可以有效防止操作者误操作；本发明根据外力检测装置测量值控制外力反馈装置提供给操作者手部相应的力反馈，增强操作者操作的体验感和操作的准确性；本发明的持械臂为嵌套齿轮传动，刚性大负载高。

Description

一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统

技术领域

本发明涉及手术机器人领域，尤其涉及一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统。

背景技术

腹腔镜手术具有创口小、手术恢复快的优势，已广泛应用于腹部外科、胸外科、妇科及泌尿外科；为了减轻医生的劳动强度，研发腹腔镜手术机器人系统具有迫切的需求；如何提高腹腔镜手术机器人的负载能力和刚性以及如何实现腹腔镜手术机器人的仿型控制、远程控制和控制操作的体验感更是研发腹腔镜手术机器人系统的重要难题。

发明内容

为了解决上述背景技术中提出的问题，本发明公开了一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，包括执行部分、操作部分和控制器；所述执行部分包括执行部分固定座、机械臂、伸缩臂和持械臂；至少两个所述机械臂固定于所述执行部分固定座上；所述伸缩臂的固定端固定于所述机械臂的末端；所述持械臂固定于所述伸缩臂的伸缩端；所述机械臂的末端至少具有沿平面X轴的平移运动、沿平面Y轴的平移运动、绕平面X轴的转动和绕平面Y轴的转动四个自由度；所述伸缩臂的伸缩端可沿着所述伸缩臂的长度方向移动；所述机械臂和所述伸缩臂的动作均由所述控制器进行控制；所述持械臂包括执行臂和执行臂驱动端；所述执行臂包括n个执行关节，n为大于等于3的整数；i为1至n-1的整数，j为1至n-2的整数，p为1至n的整数；其中第i个执行关节的末端通过第i连接轴与第i+1个执行关节的首端铰接；第i个执行关节的末端配合有n-i+1个依次同轴叠放在一起的i级主动执行齿轮；第i连接轴上套置有n-i+1个i级过渡执行齿轮，第一个i级过渡执行齿轮至第n-i+1个i级过渡执行齿轮与第一个i级主动执行齿轮至第n-i+1个i级主动执行齿轮分别一一对应垂直啮合，第一个i级过渡执行齿轮与第i+1个执行关节的首端固定连接；第j+1个执行关节的首端配合有n-j个依次同轴叠放在一起j级从动执行齿轮，第一个j级从动执行齿轮至第n-j个j级从动执行齿轮与第二个j级过渡执行齿轮至第n-j+1个j级过渡执行齿轮分别一一对应垂直啮合；第n个执行关节的首端配合有一个n-1级从动执行齿轮，所述n-1级从动执行齿轮与第二个n-1 级过渡执行齿轮垂直啮合；第一个执行关节首端连接有一空心执行转轴；第i个执行关节内可转动的配合有n-i+1根自外向内依次穿套的i级空心执行转轴；第一个执行关节内的第p根一级空心执行转轴的一端分别和第p个一级主动执行齿轮连接；第j+1个执行关节末端的第一个j+1级主动执行齿轮至第n-j个的j+1级主动执行齿轮与第j+1个执行关节首端的第一个j级从动执行齿轮至第n-j个j级从动执行齿轮分别通过第j+1个执行关节内的第一根j+1级空心执行转轴至第n-j根j+1级空心执行转轴一一对应同轴连接；第n个执行关节中可转动配合有一与第n个执行关节首端的n-1级从动执行齿轮同轴连接的执行转动杆，所述执行转动杆和手术器械连接；所述执行臂驱动端包括执行电机固定板，所述执行电机固定板上固定有n+1个依次同轴叠放的空心轴执行电机；各空心轴执行电机均连接有外力检测装置；所述外力检测装置包括外力检测行星齿轮系、外力检测法兰轴套、外力检测限位块和外力检测压力传感器；所述外力检测行星齿轮系包括外力检测小太阳轮、外力检测行星轮、外力检测大太阳轮和外力检测行星架；所述外力检测法兰轴套的法兰端固定于外力检测大太阳轮的端面；所述外力检测行星架的圆周面上相向设置有两个向外凸出的外力检测压力传递块；外力检测限位块设置有向内凹陷的外力检测压力传感器固定槽；外力检测压力传感器固定槽的两侧均固定有所述外力检测压力传感器；外力检测压力传递块卡入两个外力检测压力传感器之间；第一个空心轴执行电机的输出轴通过第一个外力检测装置和空心执行转轴同轴连接；第二个空心轴执行电机的输出轴至第n+1个空心轴执行电机的输出轴分别依次通过第二个外力检测装置至第n+1个外力检测装置和第一根一级空心执行转轴至第n根一级空心执行转轴同轴连接；其中各外力检测行星架分别可转动的固定于所述执行电机固定板；各外力检测限位块分别固定于所述执行电机固定板；所述第一个空心轴执行电机至第n+1个空心轴执行电机的动作均由所述控制器进行控制；第一个外力检测装置至第六个外力检测装置的外力检测压力传感器的测量值均传输至所述控制器；所述操作部分包括操作臂、显示器、操作部分固定座；所述两个操作臂分别铰接固定于所述操作部分固定座两侧；所述显示器固定于所述操作部分固定座上；所述操作臂包括操作臂固定座、第一个机械臂操作关节、第二个机械臂操作关节、第三个机械臂操作关节、持械臂操作臂和手持部；所述操作臂固定座铰接固定于所述操作部分固定座侧面；第一个机械臂操作关节可转动的固定于所述操作臂固定座，第二个机械臂操作关节可转动的固定于第一个机械臂操作关节，第三个机械臂操作关节可滑动的固定于第二个机械臂操作关节；所述持械臂操作臂可转动的固定于第三个机械臂操作关节；所述手持部可转动的固定于所述持械臂操作臂；第一个机械臂操作关节通过第一个转动轴可转动的固定于所述操作臂固定座上；所述操作臂固定座上固定有第一个位置传感器和第一个复位弹簧；第二个机械臂操作关节通过第二个转动轴可转动的固定于第一个机械臂操作关节上；第一个机械臂操作关节上固定有第二个位置传感器和第二个复位弹簧；第三个机械臂操作关节上固定有第三个位置传感器和第三个复位弹簧；所述持械臂操作臂包括n个操作关节，其中第i个操作关节的末端通过第i铰接轴与第i+1个操作关节的首端铰接，第i个操作关节的末端配合有n-i+1个依次同轴叠放在一起的i级主动操作齿轮；第i铰接轴上套置有n-i+1个i级过渡操作齿轮，第一个i级过渡操作齿轮至第n-i+1个i级过渡操作齿轮与第一个i级主动操作齿轮至第n-i+1个i级主动操作齿轮分别一一对应垂直啮合，第一个i级过渡操作齿轮与第i+1个操作关节的首端固定连接；第j+1个操作关节的首端配合有n-j个依次同轴叠放在一起的j级从动操作齿轮，第一个j级从动操作齿轮至第n-j个j级从动操作齿轮与第二个j级过渡操作齿轮至第n-j+1个j级过渡操作齿轮分别一一对应垂直啮合；第n个操作关节的首端配合有一个n-1级从动操作齿轮，所述n-1级从动操作齿轮与第二个n-1级过渡操作齿轮垂直啮合；第一个操作关节首端连接有一空心操作转轴；第i个操作关节内可转动的配合有n-i+1根自外向内依次穿套的i级空心操作转轴；第一个操作关节内的第p根一级空心操作转轴一端分别和第p个一级主动操作齿轮连接；第j+1个操作关节末端的第一个j+1级主动操作齿轮至第n-j个的j+1级主动操作齿轮与第j+1个操作关节首端的第一个j级从动操作齿轮至第n-j个j级从动操作齿轮分别通过第j+1个操作关节内的第一根j+1级空心操作转轴至第n-j根j+1级空心操作转轴一一对应同轴连接；第n个操作关节中可转动配合有一与第n个操作关节首端的n-1级从动操作齿轮同轴连接的操作转动杆；所述操作转动杆和手持部连接；第三个机械臂操作关节内固定有第四个位置传感器至第n+4个位置传感器；第一个操作关节首端通过空心操作转轴可转动的固定于第三个机械臂操作关节；所述空心操作转轴和第p根一级空心操作转轴均连接有外力反馈装置；所述外力反馈装置包括外力反馈涡轮、外力反馈蜗杆、外力反馈传动轴、外力反馈轴套、外力反馈弹簧、外力反馈压力传递板、外力反馈压力传感器、外力反馈限位板、外力反馈联轴器和外力反馈电机；外力反馈蜗杆和外力反馈涡轮啮合；外力反馈蜗杆可滑动的套置于外力反馈传动轴且外力反馈蜗杆相对于外力反馈传动轴不能转动；外力反馈传动轴的一端依次穿过外力反馈轴套、外力反馈弹簧、外力反馈压力传递板、外力反馈限位板通过外力反馈联轴器和外力反馈电机的输出轴连接；外力反馈传动轴的另一端依次穿过外力反馈轴套、外力反馈弹簧、外力反馈压力传递板、外力反馈限位板；外力反馈轴套、外力反馈压力传递板均可沿外力反馈传动轴的轴向滑动；外力反馈限位板和外力反馈压力传递板中间设置有外力反馈压力传感器；外力反馈弹簧将外力反馈轴套压紧于外力反馈蜗杆的轴端，将外力反馈压力传递板压紧于外力反馈压力传感器；所述各外力反馈装置的外力反馈涡轮分别套置于空心操作转轴和第p根一级空心操作转轴上；各外力反馈电机均固定于第三个机械臂操作关节；各外力反馈轴套均可在第三个机械臂操作关节内转动和滑动；各外力反馈传动轴两端的两个外力反馈限位板均固定于第三个机械臂操作关节；第一个位置传感器至第n+4个位置传感器的测量值均传输至所述控制器；所述各外力反馈压力传感器的测量值均传输至所述控制器；所述各外力反馈电机均由所述控制器控制。

所述控制器根据第四个位置传感器至第n+4个位置传感器的测量值分别控制第一个空心轴执行电机至第n+1个空心轴执行电机转动相同的角度，从而控制执行臂根据持械臂操作臂的动作而进行仿形动作。

所述执行转动杆和手术钳连接；所述手术钳的开合由拉绳进行控制；所述执行臂驱动端的末端设置有一个拉绳卷绕电机；所述拉绳卷绕电机的输出轴通过外力检测装置和卷绕盘同轴连接；所述拉绳卷绕电机的动作由所述控制器控制，外力检测压力传感器的测量值传输至所述控制器；所述拉绳的一端和所述手术钳连接，另一端固定于所述卷绕盘上；所述手持部设置有开合控制按钮；所述开合控制按钮用于控制所述拉绳卷绕电机的动作。

所述外力反馈装置还包括外力反馈限位板调整板；远离外力反馈电机的外力反馈限位板均通过外力反馈限位板调整板固定于第三个机械臂操作关节；通过调整外力反馈限位板调整板可调整远离外力反馈电机的外力反馈限位板沿着各外力反馈传动轴轴向的位置。

所述外力反馈传动轴截面可加工成多边形并且外力反馈蜗杆轴向内部也加工成适配的多边形。

所述操作部分还包括电动升降台、手肘支撑台和脚踏开关，所述电动升降台固定于操作部分固定座上；所述手肘支撑台固定于所述电动升降台上；所述脚踏开关用于所述控制电动升降台的升降。

所述执行部分固定座下端和所述操作部分固定座的下端均设置有可移动脚轮。

还包括电源柜；所述电源柜为所述执行部分、所述操作部分和所述控制器提供电源；电源柜下端也设置有所述可移动脚轮；所述电源柜上放置有辅助显示器。

本发明的有益效果是：本发明通过控制器得到操作部分的动作，进而根操作部分的动作控制执行部分的动作，来完成腹腔镜手术，执行部分可以完全模仿操作部分的动作，使本发明更容易被学习和操作；本发明的外力反馈装置可以使操作者操作时手部感受到一定的阻力，增强操作体验感并且可以有效防止操作者误操作；本发明根据外力检测装置测量值控制外力反馈装置提供给操作者手部相应的力反馈，增强操作者操作的体验感和操作的准确性；本发明的持械臂为嵌套齿轮传动，刚性大负载高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明操作部分结构示意图。

图3为本发明操作臂结构示意图。

图4为图3的部分爆炸图。

图5为图3的部分爆炸图。

图6为本发明第三个机械臂操作关节内部结构示意图。

图7为本发明持械臂操作臂的爆炸图。

图8为本发明持械臂操作臂处的剖视图。

图9为本发明机械臂处结构示意图。

图10为本发明执行臂的爆炸图。

图11为本发明执行臂处剖视图。

图12中<1>为本实用新型执行臂驱动端结构示意图，图12中<2> 为本实用新型执行臂驱动端剖视图。

图13为本发明外力检测装置的爆炸图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

参照附图1-13，一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，包括执行部分1、操作部分2和控制器；执行部分1包括执行部分固定座11、机械臂12、伸缩臂13和持械臂14；至少两个机械臂12固定于执行部分固定座11上；伸缩臂13的固定端131固定于机械臂12的末端；持械臂14固定于伸缩臂13的伸缩端132；持械臂14的末端用于连接手术器械如手术钳5、摄像头或者能量仪。机械臂12的末端至少具有沿平面X轴的平移运动、沿平面Y轴的平移运动、绕平面X轴的转动和绕平面Y轴的转动四个自由度。伸缩臂13的伸缩端132可沿着伸缩臂13的长度方向移动，可使用同步带电缸或者滚珠丝杆电缸。机械臂12和伸缩臂13的动作均由控制器进行控制。持械臂14包括执行臂141和执行臂驱动端142。执行臂141用于直接控制手术器械进行多轴移动，其中执行臂141包括n个执行关节A，n为大于等于3的整数；以下以n等于4为例进行说明。

参照附图10-11，执行臂141包括第一个执行关节A1、第二个执行关节A2、第三个执行关节A3、第二个执行关节A4、第一连接轴C、第二连接轴D、第三连接轴E、、一级空心执行转轴A13（第一根一级空心执行转轴A131、第二根一级空心执行转轴A132、第三根一级空心执行转轴A133和第四根一级空心执行转轴A134）、一级主动执行齿轮A11（第一个一级主动执行齿轮A111、第二个一级主动执行齿轮A112、第三个一级主动执行齿轮A113和第四个一级主动执行齿轮A114）、一级过渡执行齿轮C1（第一个一级过渡执行齿轮C11、第二个一级过渡执行齿轮C12、第三个一级过渡执行齿轮C13和第四个一级过渡执行齿轮C14）、一级从动执行齿轮A22（第一个一级从动执行齿轮A221、第二个一级从动执行齿轮A222和第三个一级从动执行齿轮A223）、二级空心执行转轴A23（第一根二级空心执行转轴A231、第二根二级空心执行转轴A232和第三根二级空心执行转轴A233）、二级主动执行齿轮A21（第一个二级主动执行齿轮A211、第二个二级主动执行齿轮A212和第三个二级主动执行齿轮A213）、二级过渡执行齿轮D1（第一个二级过渡执行齿轮D11、第二个二级过渡执行齿轮D12和第三个二级过渡执行齿轮D13）、二级从动执行齿轮A32（第一个二级从动执行齿轮A321和第二个二级从动执行齿轮A322）、三级空心执行转轴A33（第一根三级空心执行转轴A331和第二根三级空心执行转轴A332）、三级主动执行齿轮A31（第一个三级主动执行齿轮A311和第二个三级主动执行齿轮A312）、三级过渡执行齿轮E1（第一个三级过渡执行齿轮E11和第二个三级过渡执行齿轮E12）、三级从动执行齿轮A42和执行转动杆A41；执行臂141的各构件之间的连接方式和公布日为2019年10月22日，公布号为 CN110353810A，发明名称为“一种单孔径手动直驱手术机器人系统”的中国专利申请文件的实施例中关于n=4时，执行臂的各构件之间的连接方式相同，执行臂141的各构件之间的连接方式请参考上述申请文件中；其中第一个执行关节A1首端连接有空心执行转轴A14；执行转动杆A41用于连接手术器械。

参照附图12-13，执行臂驱动端142包括执行电机固定板146，执行电机固定板146上固定有五个依次同轴叠放的空心轴执行电机143。外力检测装置R包括外力检测行星齿轮系R1、外力检测法兰轴套R2、外力检测限位块R3和外力检测压力传感器R4；其中外力检测行星齿轮系R1包括外力检测小太阳轮R11、外力检测行星轮R12、外力检测大太阳轮R13和外力检测行星架R14；外力检测法兰轴套R2的法兰端固定于外力检测大太阳轮R13的端面；外力检测行星架R14可转动的固定于执行电机固定板146；外力检测行星架R14的圆周面上相向设置有两个向外凸出的外力检测压力传递块R141；两个外力检测限位块R3相向固定于执行电机固定板146，且设置有向内凹陷的外力检测压力传感器固定槽R31；外力检测压力传感器固定槽R31的两侧均固定有外力检测压力传感器R4；外力检测压力传递块R141卡入两个外力检测压力传感器R4之间。

第一个空心轴执行电机1431的输出轴通过第一个外力检测装置R和空心执行转轴A14同轴连接；其中外力检测小太阳轮R11和第一个空心轴执行电机1431的输出轴同轴连接；外力检测法兰轴套R2和空心执行转轴A14同轴连接。第二个空心轴执行电机1432的输出轴通过第二个外力检测装置R和第一根一级空心执行转轴A131同轴连接；其中外力检测小太阳轮R11和第二个空心轴执行电机1432的输出轴同轴连接；外力检测法兰轴套R2和第一根一级空心执行转轴A131同轴连接。第三个空心轴执行电机1433的输出轴通过第三个外力检测装置R和第二根一级空心执行转轴A132同轴连接；其中外力检测小太阳轮R11和第三个空心轴执行电机1433的输出轴同轴连接；外力检测法兰轴套R2和第二根一级空心执行转轴A132同轴连接。第四个空心轴执行电机1434的输出轴通过第四个外力检测装置R和第三根一级空心执行转轴A133同轴连接；其中外力检测小太阳轮R11和第四个空心轴执行电机1434的输出轴同轴连接；外力检测法兰轴套R2和第三根一级空心执行转轴A133同轴连接。第五个空心轴执行电机1435的输出轴通过第五个外力检测装置R和第四根一级空心执行转轴A134同轴连接；其中外力检测小太阳轮R11和第五个空心轴执行电机1435的输出轴同轴连接；外力检测法兰轴套R2和第四根一级空心执行转轴A134同轴连接。

执行臂驱动端142的末端还设置有一个拉绳卷绕电机144；拉绳卷绕电机144的输出轴通过第六个外力检测装置R和卷绕盘145同轴连接；其中外力检测小太阳轮R11和拉绳卷绕电机144的输出轴同轴连接；外力检测法兰轴套R2和卷绕盘145同轴连接。

第一个空心轴执行电机1431至第五个空心轴执行电机1435和拉绳卷绕电机144的动作均由控制器进行控制；第一个外力检测装置R至第六个外力检测装置R的外力检测压力传感器R4的测量值均传输至控制器。

由此可见，执行部分1的机械臂12、伸缩臂13、持械臂14的动作均由控制器进行控制。

执行转动杆A41、各个三级主动执行齿轮A31，各个二级主动执行齿轮A21、各个一级主动执行齿轮A11、三级从动执行齿轮A42，各个二级从动执行齿轮A32、各个一级从动执行齿轮A22均为中空结构；这样当持械臂14末端连接的手术器械是由拉绳7控制的手术钳5时；拉绳7的一端和手术钳5连接，另一端依次穿过执行转动杆A41、三级从动执行齿轮A42、各个三级主动执行齿轮A31、第三个执行关节A3中最内的三级空心执行转轴A332、各个二级从动执行齿轮A32、各个二级主动执行齿轮A21、第二个执行关节A2中最内的二级空心执行转轴A233、各个一级从动执行齿轮A22、各个一级主动执行齿轮A11、第一个执行关节A1中最内的一级空心执行转轴A134和第五个空心轴执行电机1435的输出轴固定于卷绕盘145上。

参照附图1-8，操作部分2包括操作臂21、显示器22、操作部分固定座23；两个操作臂21分别铰接固定于操作部分固定座23两侧；显示器22固定于操作部分固定座23上。操作臂21包括操作臂固定座211、第一个机械臂操作关节212、第二个机械臂操作关节213、第三个机械臂操作关节214、持械臂操作臂215和手持部216；操作臂固定座211铰接固定于操作部分固定座23侧面；第一个机械臂操作关节212可转动的固定于操作臂固定座211，第二个机械臂操作关节213可转动的固定于第一个机械臂操作关节212，第三个机械臂操作关节214可滑动的固定于第二个机械臂操作关节213；持械臂操作臂215可转动的固定于第三个机械臂操作关节214；手持部216可转动的固定于持械臂操作臂215。

第一个机械臂操作关节212通过第一个转动轴J1可转动的固定于操作臂固定座211上；操作臂固定座211上固定有第一个位置传感器Q1和第一个复位弹簧T1；第一个位置传感器Q1为编码器，用于检测第一个转动轴J1相对于操作臂固定座211的转动角度，进而可以得到第一个机械臂操作关节212相对于操作臂固定座211的转动角度；第一复位弹簧T1为扭矩弹簧，第一个复位弹簧T1的最内圈和第一个转动轴J1连接；用于使第一个机械臂操作关节212不被操作时恢复初始位置。

第二个机械臂操作关节213通过第二个转动轴J2可转动的固定于第一个机械臂操作关节212上；第一个机械臂操作关节212上固定有第二个位置传感器Q2和第二个复位弹簧T2；第二个位置传感器Q2为编码器，用于检测第二个转动轴J2相对于第一个机械臂操作关节212的转动角度，进而可以得到第二个机械臂操作关节213相对于第一个机械臂操作关节212的转动角度；第二个复位弹簧T2为扭矩弹簧，第二个复位弹簧T2的最内圈和第二个转动轴J2连接；用于使第二个机械臂操作关节213不被操作时恢复初始位置。

第三个机械臂操作关节214上固定有第三个位置传感器Q3和第三个复位弹簧T3；第三个位置传感器Q3为测距传感器，用于检测第三个机械臂操作关节214相对于第二个机械臂操作关节213的滑动距离；第三个复位弹簧T3为压缩弹簧，用于使第三个机械臂操作关节214不被操作时恢复初始位置。

参照附图7-8，持械臂操作臂215包括操作关节B（第一个操作关节B1、第二操作关节B2、第三操作关节B3和第四操作关节B4）、第一铰接轴F、第二铰接轴G、第三铰接轴H、一级主动操作齿轮B11（第一个一级主动操作齿轮B111、第二个一级主动操作齿轮B112、第三个一级主动操作齿轮B113和第四个一级主动操作齿轮B114）、一级过渡操作齿轮F1（第一个一级过渡操作齿轮F11、第二个一级过渡操作齿轮F12、第三个一级过渡操作齿轮F13和第四个一级过渡操作齿轮F14）、一级从动操作齿轮B22（第一个一级从动操作齿轮B221、第二个一级从动操作齿轮B222和第三个一级从动操作齿轮B223）、二级空心操作转轴B23（第一根二级空心操作转轴B231、第二根二级空心操作转轴B232和第三根二级空心操作转轴B233）、二级主动操作齿轮B21（第一个二级主动操作齿轮B211、第二个二级主动操作齿轮B212和第三个二级主动操作齿轮B213）、二级过渡操作齿轮G1（第一个二级过渡操作齿轮G11、第二个二级过渡操作齿轮G12和第三个二级过渡操作齿轮G13）、二级从动操作齿轮B32（第一个二级从动操作齿轮B321和第二个二级从动操作齿轮B322）、三级空心操作转轴B33（第一根三级空心操作转轴B331和第二根三级空心操作转轴B332）、三级主动操作齿轮B31（第一个三级主动操作齿轮B311和第二个三级主动操作齿轮B312）、三级过渡操作齿轮H1（第一个三级过渡操作齿轮H11和第二个三级过渡操作齿轮H12）、三级从动操作齿轮B42和操作转动杆B41；上述持械臂操作臂215的各构件之间的连接方式和公布日为2019年10月22日，公布号为CN110353810A，发明名称为“一种单孔径手动直驱手术机器人系统”的中国专利申请文件的实施例中关于n=4时，操作臂的各构件之间的连接方式相同；其中操作转动杆B41和手持部216连接，以便转动操作转动杆B41。

参照附图4-6，第三个机械臂操作关节214内按照靠近第一个操作关节B1的方向依次固定有第四个位置传感器Q4、第五个位置传感器Q5、第六个位置传感器Q6、第七个位置传感器Q7和第八个位置传感器Q8；其中第四个位置传感器Q4到第八个位置传感器Q8均为编码器。

外力反馈装置W包括外力反馈涡轮W1、外力反馈蜗杆W2、外力反馈传动轴W3、外力反馈轴套W4、外力反馈弹簧W5、外力反馈压力传递板W6、外力反馈压力传感器W7、外力反馈限位板W8、外力反馈联轴器W9和外力反馈电机W11；外力反馈蜗杆W2和外力反馈涡轮W1啮合；外力反馈蜗杆W2可滑动的套置于外力反馈传动轴W3且外力反馈蜗杆W2相对于外力反馈传动轴W3不能转动；外力反馈传动轴W3的一端依次穿过外力反馈轴套W4、外力反馈弹簧W5、外力反馈压力传递板W6、外力反馈限位板W8通过外力反馈联轴器W9和外力反馈电机W11的输出轴连接；外力反馈传动轴W3的另一端依次穿过外力反馈轴套W4、外力反馈弹簧W5、外力反馈压力传递板W6、外力反馈限位板W8；外力反馈轴套W4和外力反馈压力传递板W6均可沿外力反馈传动轴W3的轴向滑动；外力反馈限位板W8和外力反馈压力传递板W6中间设置有外力反馈压力传感器W7；外力反馈弹簧W5将外力反馈轴套W4压紧于外力反馈蜗杆W2的轴端，将外力反馈压力传递板W6压紧于外力反馈压力传感器W7。

第一个操作关节B1首端连接有空心操作转轴B14，并通过空心操作转轴B14可转动的固定于第三个机械臂操作关节214；第四个位置传感器Q4用于检测空心操作转轴B14相对第三个机械臂操作关节214的转动角度；空心操作转轴B14连接有第一个外力反馈装置W；其中外力反馈涡轮W1套置于空心操作转轴B14上；第一个操作关节B1内可转动的配合有四根自外向内依次穿套的一级空心操作转轴B13，第一根一级空心操作转轴B131的一端和第一个一级主动操作齿轮B111连接；第五个位置传感器Q5用于检测第一根一级空心操作转轴B131相对第三个机械臂操作关节214的转动角度；第一根一级空心操作转轴B131连接有第二个外力反馈装置W；其中外力反馈涡轮W1套置于第一根一级空心操作转轴B131上；第二根一级空心操作转轴B132的一端和第二个一级主动操作齿轮B112连接；第六个位置传感器Q6用于检测第二根一级空心操作转轴B132相对第三个机械臂操作关节214的转动角度；第二根一级空心操作转轴B132连接有第三个外力反馈装置W；其中外力反馈涡轮W1套置于第二根一级空心操作转轴B132上；第三根一级空心操作转轴B133的一端和第三个一级主动操作齿轮B113连接；第七个位置传感器Q7用于检测第三根一级空心操作转轴B133相对第三个机械臂操作关节214的转动角度；第三根一级空心操作转轴B133连接有第四个外力反馈装置W；其中外力反馈涡轮W1套置于第三根一级空心操作转轴B133上；第四根一级空心操作转轴B134的一端和第四个一级主动操作齿轮B114连接；第八个位置传感器Q8用于检测第四根一级空心操作转轴B134相对第三个机械臂操作关节214的转动角度；第四根一级空心操作转轴B134连接有第五个外力反馈装置W；其中外力反馈涡轮W1套置于第四根一级空心操作转轴B134上；各外力反馈电机W11均固定于第三个机械臂操作关节214；各外力反馈轴套W4均可在第三个机械臂操作关节214内转动和滑动；各外力反馈传动轴W3两端的两个外力反馈限位板W8均固定于第三个机械臂操作关节214。

各个外力反馈电机W11均由控制器进行控制；各个外力反馈压力传感器W7测量值均传输至控制器。

各外力反馈装置W还包括外力反馈限位板调整板W12；各远离外力反馈电机W11的外力反馈限位板W8均通过外力反馈限位板调整板W12固定于第三个机械臂操作关节214；通过调整各外力反馈限位板调整板W12可调整各远离外力反馈电机W11的外力反馈限位板W8沿着各外力反馈传动轴W3轴向的位置；

各外力反馈传动轴W3截面可加工成多边形并且相应的外力反馈蜗杆W2轴向内部也加工成适配的多边形。

持械臂操作臂215的工作原理：操作者通过手持部主动操作持械臂操作臂215时，各操作关节B和操作转动杆B41的动作传到动空心操作转轴B14和第一根一级空心操作转轴B131至第四根一级空心操作转轴B134，由于蜗轮蜗杆传动时，若涡轮主动转动，由于涡轮主动转动，涡轮蜗杆具有自锁作用，因此空心操作转轴B14和第一根一级空心操作转轴B131至第四根一级空心操作转轴B134产生相应的转动趋势；以下以空心操作转轴B14及其连接的第一个外力反馈装置W为例进行说明，空心操作转轴B14产生相应的转动趋势后，外力反馈蜗杆W2沿着外力反馈传动轴W3的轴向滑动，两侧的外力反馈压力传感器W7测量值发生变化并传输至控制器，控制器通过外力反馈压力传感器W7测量值的变化值结合传动关系、持械臂操作臂215的姿态和持械臂操作臂215各部件的自重可以计算出空心操作转轴B14所受的操作力并传输至控制器；只有当空心操作转轴B14所受的操作力大于等于最小空心操作转轴操作力设定值且小于等于最大空心操作转轴操作力设定值时，空心操作转轴B14进行动作，否则空心操作转轴B14不动作。同样的，对于各一级空心操作转轴B13，只有当各一级空心操作转轴B13所受的操作力大于等于相应各最小一级空心操作转轴操作力设定值且小于等于相应各最大一级空心操作转轴操作力设定值时，各一级空心操作转轴B13进行动作，否则各一级空心操作转轴B13不动作。这样可以使操作者操作时手部感受到一定的阻力，增加操作体验感；当空心操作转轴B14或各一级空心操作转轴B13所受的操作力过大时不动作，同时控制器进行报警，提示操作力异常，这样可以有效防止操作者误操作。

另外，当持械臂操作臂215不被操作时，可对各外力反馈电机W11恢复初始位置，也就是各外力反馈电机W11的输出轴回到初始的角度，以使持械臂操作臂215恢复初始位置。

操作-执行工作原理：第一个位置传感器Q1到第八个位置传感器Q8的测量值均传输至控制器；控制器通过第一个位置传感器Q1的测量值得到第一个机械臂操作关节212相对于操作臂固定座211的转动角度S1，进而控制机械臂12的末端绕指定坐标系的X轴转动角度S1；控制器通过第二个位置传感器Q2的测量值得到第二个机械臂操作关节213相对于第一个机械臂操作关节212的转动角度S2，进而控制机械臂12的末端绕指定坐标系的Y轴转动角度S2；控制器通过第三个位置传感器Q3的测量值得到第三个机械臂操作关节214相对于第二个机械臂操作关节213的滑动距离S3，进而控制伸缩臂13的伸缩端132移动距离S3；控制器通过第四个位置传感器Q4至第八个位置传感器Q8的测量值分别得到空心操作转轴B14、第一根一级空心操作转轴B131至第四根一级空心操作转轴B134相对第三个机械臂操作关节214的转动角度S4、S5、S6、S7、S8；进而通过控制第一个空心轴执行电机1431的输出轴至第五个空心轴执行电机1435的输出轴分别转动角度S4、S5、S6、S7、S8，使得空心执行转轴A14、第一根一级空心执行转轴A131至第四根一级空心执行转轴A134分别转动角度S4、S5、S6、S7、S8；从而执行部分1完全模仿操作部分2的动作而动作，实现仿形操作。

外力检测-外力反馈工作原理：控制器获取第一个外力检测装置R至第五个外力检测装置R的外力检测压力传感器R4的测量值，并结合传动关系、执行臂141的姿态和执行臂141各部件的自重计算出执行臂141各执行关节A和执行转动杆A41所受到的外力，控制器根据计算出的执行臂141各执行关节A和执行转动杆A41所受到的外力控制第一个外力反馈装置W至第五个外力反馈装置W的外力反馈电机W11进行动作，通过第一个外力反馈装置W至第五个外力反馈装置W使相应的操作关节B和操作转动杆B41对操作者手部产生和相应的执行关节A和执行转动杆A41所受到的外力相应的力，以实现外力反馈，这样可以增强操作者手部的体验感和操作的准确性。

参照附图3、8，手持部216设置有开合控制按钮2161，按钮2161的动作能够传输至控制器，控制器根据按钮2161的动作控制对拉绳卷绕电机144的动作进行控制，进而控制拉绳卷绕电机144输出轴上连接的卷绕盘145的转动，从而通过卷绕在卷绕盘145上的拉绳7控制手术钳5的开合。

参照附图1-2，操作部分2还包括电动升降台24、手肘支撑台25和脚踏开关26，电动升降台24固定于操作部分固定座23上；手肘支撑台25固定于电动升降台24上；通过调整电动升降台24的升降以控制手肘支撑台25，以适应不同的操作者，减轻操作者的疲劳；脚踏开关26用于控制电动升降台24的升降。

执行部分固定座11和操作部分固定座23的下端均设置有可移动脚轮4，优先选用福马轮，使得多孔腹腔镜手术机器人系统具有可移动性。

还包括电源柜3；电源柜3为执行部分1、操作部分2和控制器提供电源；电源柜3下端也设置有可移动脚轮4，优先选用福马轮；使得多孔腹腔镜手术机器人系统具有可移动性和更强的适应性，不需要对手术室的供配电系统进行特殊改造；电源柜3上放置有辅助显示器31，以供辅助操作者进行观察。

本发明使用时，通过控制器控制机械臂12和伸缩臂13带动持械臂14到指定位置后，通过控制操作臂21的各个关节实现对机械臂12、伸缩臂13和持械臂14的控制；当持械臂14的数量大于等于3时，需要对控制器进行切换设置，以实现一个操作臂21控制两个及以上的机械臂12-伸缩臂13-持械臂14的动作；控制器和执行部分1或操作部分2中的一个为无线连接时，本发明即可实现远程操作、远程控制。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (8)

1.一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，包括执行部分、操作部分和控制器；其特征在于，所述执行部分包括执行部分固定座、机械臂、伸缩臂和持械臂；至少两个所述机械臂固定于所述执行部分固定座上；所述伸缩臂的固定端固定于所述机械臂的末端；所述持械臂固定于所述伸缩臂的伸缩端；所述机械臂的末端至少具有沿平面X轴的平移运动、沿平面Y轴的平移运动、绕平面X轴的转动和绕平面Y轴的转动四个自由度；所述伸缩臂的伸缩端可沿着所述伸缩臂的长度方向移动；所述机械臂和所述伸缩臂的动作均由所述控制器进行控制；所述持械臂包括执行臂和执行臂驱动端；

所述执行臂包括n个执行关节，n为大于等于3的整数；i为1至n-1的整数，j为1至n-2的整数，p为1至n的整数；其中第i个执行关节的末端通过第i连接轴与第i+1个执行关节的首端铰接；第i个执行关节的末端配合有n-i+1个依次同轴叠放在一起的i级主动执行齿轮；第i连接轴上套置有n-i+1个i级过渡执行齿轮，第一个i级过渡执行齿轮至第n-i+1个i级过渡执行齿轮与第一个i级主动执行齿轮至第n-i+1个i级主动执行齿轮分别一一对应垂直啮合，第一个i级过渡执行齿轮与第i+1个执行关节的首端固定连接；第j+1个执行关节的首端配合有n-j个依次同轴叠放在一起j级从动执行齿轮，第一个j级从动执行齿轮至第n-j个j级从动执行齿轮与第二个j级过渡执行齿轮至第n-j+1个j级过渡执行齿轮分别一一对应垂直啮合；第n个执行关节的首端配合有一个n-1级从动执行齿轮，所述n-1级从动执行齿轮与第二个n-1 级过渡执行齿轮垂直啮合；第一个执行关节首端连接有一空心执行转轴；第i个执行关节内可转动的配合有n-i+1根自外向内依次穿套的i级空心执行转轴；第一个执行关节内的第p根一级空心执行转轴的一端分别和第p个一级主动执行齿轮连接；第j+1个执行关节末端的第一个j+1级主动执行齿轮至第n-j个的j+1级主动执行齿轮与第j+1个执行关节首端的第一个j级从动执行齿轮至第n-j个j级从动执行齿轮分别通过第j+1个执行关节内的第一根j+1级空心执行转轴至第n-j根j+1级空心执行转轴一一对应同轴连接；第n个执行关节中可转动配合有一与第n个执行关节首端的n-1级从动执行齿轮同轴连接的执行转动杆，所述执行转动杆和手术器械连接；

所述执行臂驱动端包括执行电机固定板，所述执行电机固定板上固定有n+1个依次同轴叠放的空心轴执行电机；各空心轴执行电机均连接有外力检测装置；所述外力检测装置包括外力检测行星齿轮系、外力检测法兰轴套、外力检测限位块和外力检测压力传感器；所述外力检测行星齿轮系包括外力检测小太阳轮、外力检测行星轮、外力检测大太阳轮和外力检测行星架；所述外力检测法兰轴套的法兰端固定于外力检测大太阳轮的端面；所述外力检测行星架的圆周面上相向设置有两个向外凸出的外力检测压力传递块；外力检测限位块设置有向内凹陷的外力检测压力传感器固定槽；外力检测压力传感器固定槽的两侧均固定有所述外力检测压力传感器；外力检测压力传递块卡入两个外力检测压力传感器之间；

第一个空心轴执行电机的输出轴通过第一个外力检测装置和空心执行转轴同轴连接；第二个空心轴执行电机的输出轴至第n+1个空心轴执行电机的输出轴分别依次通过第二个外力检测装置至第n+1个外力检测装置和第一根一级空心执行转轴至第n根一级空心执行转轴同轴连接；其中各外力检测行星架分别可转动的固定于所述执行电机固定板；各外力检测限位块分别固定于所述执行电机固定板；

所述第一个空心轴执行电机至第n+1个空心轴执行电机的动作均由所述控制器进行控制；第一个外力检测装置至第六个外力检测装置的外力检测压力传感器的测量值均传输至所述控制器；

所述操作部分包括操作臂、显示器、操作部分固定座；所述两个操作臂分别铰接固定于所述操作部分固定座两侧；所述显示器固定于所述操作部分固定座上；所述操作臂包括操作臂固定座、第一个机械臂操作关节、第二个机械臂操作关节、第三个机械臂操作关节、持械臂操作臂和手持部；所述操作臂固定座铰接固定于所述操作部分固定座侧面；第一个机械臂操作关节可转动的固定于所述操作臂固定座，第二个机械臂操作关节可转动的固定于第一个机械臂操作关节，第三个机械臂操作关节可滑动的固定于第二个机械臂操作关节；所述持械臂操作臂可转动的固定于第三个机械臂操作关节；所述手持部可转动的固定于所述持械臂操作臂；第一个机械臂操作关节通过第一个转动轴可转动的固定于所述操作臂固定座上；所述操作臂固定座上固定有第一个位置传感器和第一个复位弹簧；第二个机械臂操作关节通过第二个转动轴可转动的固定于第一个机械臂操作关节上；第一个机械臂操作关节上固定有第二个位置传感器和第二个复位弹簧；第三个机械臂操作关节上固定有第三个位置传感器和第三个复位弹簧；

所述持械臂操作臂包括n个操作关节，其中第i个操作关节的末端通过第i铰接轴与第i+1个操作关节的首端铰接，第i个操作关节的末端配合有n-i+1个依次同轴叠放在一起的i级主动操作齿轮；第i铰接轴上套置有n-i+1个i级过渡操作齿轮，第一个i级过渡操作齿轮至第n-i+1个i级过渡操作齿轮与第一个i级主动操作齿轮至第n-i+1个i级主动操作齿轮分别一一对应垂直啮合，第一个i级过渡操作齿轮与第i+1个操作关节的首端固定连接；第j+1个操作关节的首端配合有n-j个依次同轴叠放在一起的j级从动操作齿轮，第一个j级从动操作齿轮至第n-j个j级从动操作齿轮与第二个j级过渡操作齿轮至第n-j+1个j级过渡操作齿轮分别一一对应垂直啮合；第n个操作关节的首端配合有一个n-1级从动操作齿轮，所述n-1级从动操作齿轮与第二个n-1级过渡操作齿轮垂直啮合；第一个操作关节首端连接有一空心操作转轴；第i个操作关节内可转动的配合有n-i+1根自外向内依次穿套的i级空心操作转轴；第一个操作关节内的第p根一级空心操作转轴一端分别和第p个一级主动操作齿轮连接；第j+1个操作关节末端的第一个j+1级主动操作齿轮至第n-j个的j+1级主动操作齿轮与第j+1个操作关节首端的第一个j级从动操作齿轮至第n-j个j级从动操作齿轮分别通过第j+1个操作关节内的第一根j+1级空心操作转轴至第n-j根j+1级空心操作转轴一一对应同轴连接；第n个操作关节中可转动配合有一与第n个操作关节首端的n-1级从动操作齿轮同轴连接的操作转动杆；所述操作转动杆和手持部连接；

第三个机械臂操作关节内固定有第四个位置传感器至第n+4个位置传感器；第一个操作关节首端通过空心操作转轴可转动的固定于第三个机械臂操作关节；

所述空心操作转轴和第p根一级空心操作转轴均连接有外力反馈装置；所述外力反馈装置包括外力反馈涡轮、外力反馈蜗杆、外力反馈传动轴、外力反馈轴套、外力反馈弹簧、外力反馈压力传递板、外力反馈压力传感器、外力反馈限位板、外力反馈联轴器和外力反馈电机；外力反馈蜗杆和外力反馈涡轮啮合；外力反馈蜗杆可滑动的套置于外力反馈传动轴且外力反馈蜗杆相对于外力反馈传动轴不能转动；外力反馈传动轴的一端依次穿过外力反馈轴套、外力反馈弹簧、外力反馈压力传递板、外力反馈限位板通过外力反馈联轴器和外力反馈电机的输出轴连接；外力反馈传动轴的另一端依次穿过外力反馈轴套、外力反馈弹簧、外力反馈压力传递板、外力反馈限位板；外力反馈轴套、外力反馈压力传递板均可沿外力反馈传动轴的轴向滑动；外力反馈限位板和外力反馈压力传递板中间设置有外力反馈压力传感器；外力反馈弹簧将外力反馈轴套压紧于外力反馈蜗杆的轴端，将外力反馈压力传递板压紧于外力反馈压力传感器；

所述各外力反馈装置的外力反馈涡轮分别套置于空心操作转轴和第p根一级空心操作转轴上；各外力反馈电机均固定于第三个机械臂操作关节；各外力反馈轴套均可在第三个机械臂操作关节内转动和滑动；各外力反馈传动轴两端的两个外力反馈限位板均固定于第三个机械臂操作关节；

第一个位置传感器至第n+4个位置传感器的测量值均传输至所述控制器；所述各外力反馈压力传感器的测量值均传输至所述控制器；所述各外力反馈电机均由所述控制器控制。

2.根据权利要求1所述的一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，其特征在于，所述控制器根据第四个位置传感器至第n+4个位置传感器的测量值分别控制第一个空心轴执行电机至第n+1个空心轴执行电机转动相同的角度，从而控制执行臂根据持械臂操作臂的动作而进行仿形动作。

3.根据权利要求1所述的一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，其特征在于，所述执行转动杆和手术钳连接；所述手术钳的开合由拉绳进行控制；所述执行臂驱动端的末端设置有一个拉绳卷绕电机；所述拉绳卷绕电机的输出轴通过外力检测装置和卷绕盘同轴连接；所述拉绳卷绕电机的动作由所述控制器控制，外力检测压力传感器的测量值传输至所述控制器；所述拉绳的一端和所述手术钳连接，另一端固定于所述卷绕盘上；所述手持部设置有开合控制按钮；所述开合控制按钮用于控制所述拉绳卷绕电机的动作。

4.根据权利要求1所述的一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，其特征在于，所述外力反馈装置还包括外力反馈限位板调整板；远离外力反馈电机的外力反馈限位板均通过外力反馈限位板调整板固定于第三个机械臂操作关节；通过调整外力反馈限位板调整板可调整远离外力反馈电机的外力反馈限位板沿着各外力反馈传动轴轴向的位置。

5.根据权利要求4所述的一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，其特征在于，所述外力反馈传动轴截面可加工成多边形并且外力反馈蜗杆轴向内部也加工成适配的多边形。

6.根据权利要求1所述的一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，其特征在于，所述操作部分还包括电动升降台、手肘支撑台和脚踏开关，所述电动升降台固定于操作部分固定座上；所述手肘支撑台固定于所述电动升降台上；所述脚踏开关用于所述控制电动升降台的升降。

7.根据权利要求6所述的一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，其特征在于，所述执行部分固定座下端和所述操作部分固定座的下端均设置有可移动脚轮。

8.根据权利要求7所述的一种具有力反馈功能的腹腔镜手术机器人系统，其特征在于，还包括电源柜；所述电源柜为所述执行部分、所述操作部分和所述控制器提供电源；电源柜下端也设置有所述可移动脚轮；所述电源柜上放置有辅助显示器。

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