CN111839740B - 微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手，包括万向节机构组件、平动自转组件、平行四边形机构、与平动自转组件连接的操纵手柄；万向节机构组件固定于基座，平动自转组件与万向节机构组件的偏转框架转动连接，平行四边形机构与平动自转组件转动连接。本发明可实现围绕一定点的三维转动和沿操作手柄轴的直线运动四个自由度，对于俯仰、偏航以及直线运动自由度实现了力反馈功能，各自由度与微创手术执行端器械的运动自由度采用同构式布置，实现了一一映射关系，减小主从控制系统延时和运动学求解时带来的误差，提高操作直观性；力反馈驱动器固定安装，通过平行四边形机构传递运动与反馈力，减小主手移动部分运动惯量，提高操纵灵活性。

Description

微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，具体涉及一种微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手。
背景技术
微创手术广义上是指仅对患者造成创伤极其微小的手术类型，手术过程中，外科医生通过病人身体上的小切口送入手术器械，对病灶部位进行治疗。微创手术对手术器械的运动有一定限制，对于医生的操作精度有较高要求，手术中医生的手部抖动或过大的操作力都有可能给造成术后并发症甚至医源性伤害。
随着机器人技术发展，机器人辅助手术成为微创手术的发展趋势。应用主-从遥操作式手术机器人，医生通过操纵主操作手以控制患者端的从操作端机械臂，可以有效滤除医生手部震颤，协助其完成更精细的手术操作。
为减少器械对手术切入点的挤压和拉扯，微创手术机器人中的从操作端机械臂广泛采用远程运动中心RCM(英文为：Remote center of motion)机构，该机构可绕一个远端中心点转动，中心点与手术切口重合，其运动模式绕为切入点的三维转动和沿器械切入方向的平动。
目前的手术机器人系统多采用主从异构的方式进行遥操作控制，这种模式下的主操作手(即主手)和从手机器人的关节自由度设置不同，需要在主-从端建立复杂的映射关系，将会增加系统的控制难度以及延时，降低操纵的直观性。由于遥操作方式中，医生无法感知到手术过程中的工具-人体组织接触力，因此力反馈也是主操作手较重要的功能之一。
目前已有的力反馈主手普遍是通过在各关节中加入力矩电机实现该功能。医生操作主手时电机会随着关节移动，由于力矩电机质量较大，造成主手整体的惯性增大，降低了主手的灵活性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提供一种可减小系统延时，同时提高操纵灵活性与力反馈精度的微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手；可实现围绕一定点的三维转动和沿操作手柄轴的直线运动四个自由度，对于俯仰、偏航以及直线运动自由度实现了力反馈功能。
为实现以上所述目的，本发明提供的技术方案是：
一种微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手，包括水平布置在基座(1)上的实现主手的俯仰转动自由度R1与偏航转动自由度R2的万向节机构组件(2)、通过平动自转框架(3-1)与万向节机构组件(2)的偏转框架(2-3)通过转动关节J21连接的实现主手自转自由度R3与直线运动T1的平动自转组件(3)，万向节机构组件(2)与平动自转组件(3)的旋转轴线始终相交于主操作手的RCM点；操纵手柄(5)与平动自转框架(3-1)上端通过直线轴承滑套(3-7)滑动连接，构成平动关节J3；所述平动自转框架(3-1)的顶部与布置在基座(1)上的平行四边形机构(4)的连杆组件通过U副(4-5)连接；
偏转框架(2-3)通过实现主手的俯仰转动自由度R1的转动关节J1安装在间隔布置在基座(1)上的底座上，角度传感器S1与磁粉阻尼器M1均与转动关节J1同轴安装，以检测偏转框架(2-3)绕转动关节J1的转动角度和提供力反馈；
平动自转框架(3-1)上通过上下布置的同步带轮安装可将沿平动关节J3直线运动T1转化为转动的同步带(3-4)，与平动座(3-6)连接，平动座(3-6)上端同所述操纵手柄(5)通过能实现主手自转自由度R3的转动关节J4连接；角度传感器S2与同步带轮Ⅰ(3-2)同轴连接，以检测直线运动T1的距离；线性音圈电机M3的移动端与平动座(3-6)相连，实现直线运动T1的力反馈；
平行四边形机构(4)的水平布置在基座(1)上方的轴Ⅰ(4-2)通过转动关节J22安装在底座Ⅲ(4-1)上，轴Ⅰ(4-2)通过连杆机构前端的U副(4-5)与平动自转组件(3)连接，可将偏航自由度R2的转动量传递到旋转轴线固定的轴Ⅰ(4-2)；角度传感器S4和磁粉阻尼器M2与轴Ⅰ(4-2)同轴连接，用以检测绕转动关节J22的转动角度和提供力反馈。
优选的，所述底座包括固定在基座(1)上的相隔开的底座Ⅰ(2-1)与底座Ⅱ(2-2)；所述底座Ⅰ(2-1)上设置有相对布置的第一限位销(2-1-1)、第二限位销(2-1-2)，可限制偏转框架(2-3)绕转动关节J1的转动角度-60°-60°。
优选的，所述同步带轮包括同步带轮Ⅰ(3-2)、同步带轮Ⅱ(3-3)同同步带轮Ⅰ(3-2)、同步带轮Ⅱ(3-3)分别安装在矩形状的平动自转框架(3-1)上下两端；平动座(3-6)，通过同步带压板(3-5)安装在所述同步带(3-4)上。
优选的，所述角度传感器S2与所述同步带轮Ⅰ(3-2)同轴连接；线性音圈电机M3的外壳安装在平动自转框架(3-1)底端、移动端与所述平动座(3-6)上部一侧形成的水平向外突出部相连。
优选的，所述操纵手柄(5)通过手柄转接轴(3-9)和深沟球轴承(3-8)与所述平动座(3-6)转动相连，所述深沟球轴承(3-8)设在所述平动座(3-6)上的轴承孔，手柄转接轴(3-9)安装在所述深沟球轴承(3-8)中。
优选的，所述平动自转框架(3-1)上安装有重力平衡块(3-10)，用于平衡主手移动部分重力，使重心接近RCM点，降低主手运动惯量。
优选的，所述连杆机构包括连杆Ⅰ(4-3)，连杆Ⅱ(4-4)；连杆Ⅰ(4-3)与所述轴Ⅰ(4-2)转动连接，连杆Ⅱ(4-4)与所述连杆Ⅰ(4-3)转动连接，连杆Ⅱ(4-4)另一端通过U副(4-5)与所述平动自转框架(3-1)顶部相连。
优选的，所述连杆Ⅰ(4-3为直线型连杆，所述连杆Ⅱ(4-4)为L形状，且连杆Ⅱ(4-4)的横向部与U副(4-5)通过一个向下倾斜部相连接。
优选的，所述平动自转框架(3-1)上设有限位销(3-1-1)以限制其绕转动关节J21的转动角度-45°-45°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先，遥操作主手结构实现了主从同构，即主手的各个运动关节与从操作端机械臂的各个运动自由度实现了一一对应关系，遥操作主手对从操作端的控制可通过简单的一一映射关系实现，避免了复杂的主从映射所需的运动解析时间，减小主从控制系统的延时和运动学求解时带来的误差，同时保证手眼协调，提高操作的直观性。
其次，两个偏转自由度的力反馈驱动器实现了固定安装，而非随着各个关节移动；两个偏转组件采用并联式布置，通过重力配平易将其重心设置到距离旋转中心较近的位置，显著减小了主手可移动部分的重量及运动惯量，提高了操纵灵活性。同时，直线运动通过同步带轮机构转化为转动，便于检测，同步带传动具有传动平稳、传动比较精确、无回差的优点。
另外，磁粉制动器作为一种被动装置，在外部输入运动时才会产生阻力而不会主动输出功率，因此本发明采用磁粉制动器代替电机座为力反馈驱动元件，可以提供平稳的阻尼力矩，并且其阻尼力矩与控制电流有很好的线性关系；平动力反馈采用线性音圈电机，具有质量小、控制简单、驱动力稳定等优点，可使力反馈更加精确。
附图说明
图1为本发明的微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手的结构示意图。
图2为本发明平动自转组件的结构示意图。
图3为本发明的平行四边形机构的结构示意图。
图4为遥操作主手与手术执行端的关节对照图。
图5为遥操作主手和手术执行端器械的力反馈关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，该说明是根据本发明系统目前的优选实施例的描述，不代表本发明可以构成或使用的仅有形式。
如图1所示，本发明的微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手，包括：
基座1、万向节机构组件2、平动自转组件3、各运动自由度的运动量检测和力反馈驱动元件、平行四边形机构4以及操纵手柄5，两组件的旋转轴线始终相交于一点O，该点即为主操作手的RCM点。
其中，各运动自由度的力反馈均可采用旋转电机、直线电机以及磁粉阻尼器等作为驱动元件；优选的，对于俯仰自由度和偏航自由度的力反馈驱动元件采用磁粉阻尼器；对于沿器械切入方向的平动的力反馈采用线性音圈电机。
所述万向节机构组件2，其功能是实现两个旋转轴线相互垂直的偏转运动，包括底座Ⅰ2-1、底座Ⅱ2-2、偏转框架2-3、角度传感器S1与磁粉阻尼器M1。所述底座Ⅰ2-1、Ⅱ2-2固定在基座1上；所述偏转框架2-3通过转动关节J1安装在底座Ⅰ2-1、底座Ⅱ2-2上，并且其前后两端分别同轴安装所述角度传感器S1与磁粉阻尼器M1，用以检测偏转框架2-3绕关节J1(俯仰自由度R1)的转动角度和提供力反馈。
本实例中，所述底座Ⅰ上设置有第一限位销2-1-1、第二限位销2-1-2，可限制偏转框架2-3在绕关节J1的转动角度-60°-60°。偏转框架左右两侧设有轴承构成转动关节J21以实现另一方向(偏航自由度R2)上的转动。
如图2所示，所述平动自转组件3包括平动自转框架3-1、同步带轮Ⅰ3-2、同步带轮Ⅱ3-3、同步带3-4、同步带压板3-5、平动座3-6、直线轴承滑套3-7、深沟球轴承3-8、手柄转接轴3-9、线性音圈电机M3，角度传感器S2、角度传感器S3以及重力平衡块3-10。
所述平动自转框架3-1通过转动关节J21(安装在偏转框架2-3上的左右两侧，由轴承构成，另一方向，即偏航自由度R2上的转动)安装在偏转框架2-3上，平动自转框架3-1上设有第三限位销3-1-1以限制其绕关节J21的转动角度-45°-45°；所述操纵手柄5与平动自转框架3-1的上端通过直线轴承滑套3-7滑动连接构成平动关节J3；
所述同步带轮Ⅰ3-2、同步带轮Ⅱ3-3分别安装在平动自转框架3-1两端，可将沿平动关节J3直线运动T1转化为转动，同步带轮Ⅰ3-2轴上还安装有角度传感器S2以检测平动距离；
所述平动座3-6通过同步带压板3-5安装在同步带3-4上；所述深沟球轴承3-8安装在平动座3-6上构成转动关节J4，所述操纵手柄5通过手柄转接轴3-9、深沟球轴承3-8与平动座3-6转动连接，可完成沿转动关节J4的自转自由度R3和沿平动关节J3的直线运动T1，角度传感器S3与手柄同轴相连以检测自转角度。
所述线性音圈电机M3的外壳安装在平动自转框架3-1底端，移动端与所述平动座3-6相连，实现直线运动T1的力反馈。
进一步的，所述平动自转框架两端还安装有重力平衡块3-10使运动部分的重心尽量接近O点。
如图3所示所述平行四边形机构4包括底座Ⅲ4-1、轴Ⅰ4-2、连杆Ⅰ4-3、连杆Ⅱ4-4、螺柱4-4-1，U副4-5，角度传感器S4、磁粉阻尼器M2；所述轴Ⅰ4-2通过转动关节J22安装在底座Ⅲ4-1上，其旋转轴线与关节J1、操纵手柄轴线相交于点O；所述连杆Ⅰ4-3与轴Ⅰ4-2转动连接；所述连杆Ⅱ4-4与连杆Ⅰ4-3转动连接，并且与所述平动自转框架3-1顶部的直线轴承滑套3-7以U副4-5相连；所述连杆Ⅰ4-3、连杆Ⅱ4-4以及U副4-5可将平动自转框架3-1沿偏航自由度R2转动的角度传递到旋转轴线固定的轴Ⅰ；所述角度传感器S4、磁粉阻尼器M2与轴Ⅰ同轴连接，用以检测绕关节J22(偏航自由度R2)的转动角度和提供力反馈。
由于要传递关节J22轴线方向的阻尼力矩，连杆Ⅰ4-3、连杆Ⅱ4-4需要在该方向上有较大的抗弯刚度，因此所述连杆Ⅱ4-4中间安装有螺柱4-4-1，同时本实例中连杆Ⅱ4-4为L型，以增加平行四边形机构4的运动范围。
图4为遥操作主手与手术执行端的关节对照图，图中左侧为微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手运动自由度示意图，右侧为微创手术机器人手术执行端运动模式示意图。
其中，遥操作主手与手术执行端的对应关系如下表1所示。
遥操作主手 手术执行端
J1 G1
J22 G2
J3 G3
J4 G4
表1
在手术中进行遥操作控制时，医生手持操纵手柄5进行操作，主手可模拟手握执行端器械末端在体内运动；角度传感器S1、角度传感器S4分别检测主手绕转动关节J1、J22的偏转角度；角度传感器S2、角度传感器S3分别检测主手沿平动关节J3的位移以及绕关节J4的转动角度，然后通过直接映射(如图4)的关系分别控制手术执行端器械绕转动关节G1、G2的偏转，直线位移G3和绕转动关节G4的自转。主从之间的转动或位移量(θ/d)可采用相等或比例缩放的控制。按比例缩小运动量的控制方法可显著提高执行端器械的运动精度并降低医生手部震颤的影响。主手和手术执行端器械的力反馈关系如图5，器械末端具有测力元件，可获得末端受到三维力的大小和方向信息(F′x，F′y，F′z)并传输给控制器，控制器通过力的大小方向以及器械自转角度和直线位移的信息，计算出三个方向上所受的力并放大k倍(k>1)，分别控制磁粉阻尼器M1，M2以及线性音圈电机M3产生相应的阻尼力矩以及阻尼力(Ma，Mb，Fc)。
具体的，由于主手力反馈元件磁粉阻尼器的转轴固定，而器械末端测力传感器会随器械自转，末端所测得的三维力与主手的三自由度力反馈并不是一一对应关系，两者对应关系如下：(设器械相对于初始位置沿自身轴线旋转角度为θ，器械在沿其轴线上的位移为d)
Ma＝k·Fx＝k·(F′xcosθ+F′ysinθ)×d
Mb＝k·Fy＝k·(-F′xsinθ+F′ycosθ)×d
Fc＝k·Fz＝k·F′z
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明提供的微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手有了清楚的认识。
综上所述，本发明公开的微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手各自由度与手术执行端器械的运动自由度采用同构式布置，实现了一一映射关系，减小主从控制系统的延时和运动学求解时带来的误差，提高了操作的直观性。
同时，力反馈驱动器采用固定安装，通过平行四边形机构传递运动与反馈力，显著减小了主手移动部分的运动惯量，提高了操纵的灵活性，具有运动惯量小，操作灵巧的特点
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，包括水平布置在基座(1)上的实现主手的俯仰转动自由度R1与偏航转动自由度R2的万向节机构组件(2)、通过平动自转框架(3-1)与万向节机构组件(2)的偏转框架(2-3)通过转动关节J21连接的实现主手自转自由度R3与直线运动T1的平动自转组件(3)，万向节机构组件(2)与平动自转组件(3)的旋转轴线始终相交于主操作手的RCM点；操纵手柄(5)与平动自转框架(3-1)上端通过直线轴承滑套(3-7)滑动连接，构成平动关节J3；所述平动自转框架(3-1)的顶部与布置在基座(1)上的平行四边形机构(4)的连杆组件通过U副(4-5)连接；
偏转框架(2-3)通过实现主手的俯仰转动自由度R1的转动关节J1安装在间隔布置在基座(1)上的底座上，角度传感器S1与磁粉阻尼器M1均与转动关节J1同轴安装，以检测偏转框架(2-3)绕转动关节J1的转动角度和提供力反馈；
平动自转框架(3-1)上通过上下布置的同步带轮安装可将沿平动关节J3直线运动T1转化为转动的同步带(3-4)，与平动座(3-6)连接，平动座(3-6)上端同所述操纵手柄(5)通过能实现主手自转自由度R3的转动关节J4连接；角度传感器S2与同步带轮Ⅰ(3-2)同轴连接，以检测直线运动T1的距离；线性音圈电机M3的移动端与平动座(3-6)相连，实现直线运动T1的力反馈；
平行四边形机构(4)的水平布置在基座(1)上方的轴Ⅰ(4-2)通过转动关节J22安装在底座Ⅲ(4-1)上，轴Ⅰ(4-2)通过连杆机构前端的U副(4-5)与平动自转组件(3)连接，可将偏航自由度R2的转动量传递到旋转轴线固定的轴Ⅰ(4-2)；角度传感器S4和磁粉阻尼器M2与轴Ⅰ(4-2)同轴连接，用以检测绕转动关节J22的转动角度和提供力反馈；
所述平动自转框架(3-1)上安装有重力平衡块(3-10)，用于平衡主手移动部分重力，使重心接近RCM点，降低主手运动惯量。
2.根据权利要求1所述的主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，所述底座包括固定在基座(1)上的相隔开的底座Ⅰ(2-1)与底座Ⅱ(2-2)；所述底座Ⅰ(2-1)上设置有相对布置的第一限位销(2-1-1)、第二限位销(2-1-2)，可限制偏转框架(2-3)绕转动关节J1的转动角度-60°-60°。
3.根据权利要求1所述的主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，所述同步带轮包括同步带轮Ⅰ(3-2)、同步带轮Ⅱ(3-3)；同步带轮Ⅰ(3-2)、同步带轮Ⅱ(3-3)分别安装在矩形状的平动自转框架(3-1)上下两端；平动座(3-6)，通过同步带压板(3-5)安装在所述同步带(3-4)上。
4.根据权利要求3所述的主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，所述角度传感器S2与所述同步带轮Ⅰ(3-2)同轴连接；线性音圈电机M3的外壳安装在平动自转框架(3-1)底端、移动端与所述平动座(3-6)上部一侧形成的水平向外突出部相连。
5.根据权利要求1所述的主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，所述操纵手柄(5)通过手柄转接轴(3-9)和深沟球轴承(3-8)与所述平动座(3-6)转动相连，所述深沟球轴承(3-8)设在所述平动座(3-6)上的轴承孔，手柄转接轴(3-9)安装在所述深沟球轴承(3-8)中。
6.根据权利要求1所述的主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，所述连杆机构包括连杆Ⅰ(4-3)，连杆Ⅱ(4-4)；连杆Ⅰ(4-3)与所述轴Ⅰ(4-2)转动连接，连杆Ⅱ(4-4)与所述连杆Ⅰ(4-3)转动连接，连杆Ⅱ(4-4)另一端通过U副(4-5)与所述平动自转框架(3-1)顶部相连。
7.根据权利要求6所述的主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，所述连杆Ⅰ(4-3)为直线型连杆，所述连杆Ⅱ(4-4)为L形状，且连杆Ⅱ(4-4)的横向部与U副(4-5)通过一个向下倾斜部相连接。
8.根据权利要求6所述的主从同构式遥操作力反馈主手，其特征在于，所述平动自转框架(3-1)上设有限位销(3-1-1)以限制其绕转动关节J21的转动角度-45°-45°。
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