CN111991088B - 一种微创手术机器人及其末端夹持器 - Google Patents

一种微创手术机器人及其末端夹持器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微创手术机器人及其末端夹持器，末端夹持器包括相互铰接的第一夹钳和第二夹钳，第一夹钳与第二夹钳均设有检测部，检测部包括具有至少一个触点的弹性垫及至少一个与触点相对的弹性臂，全部弹性臂设有力检测件；当第一夹钳与第二夹钳夹持外物时，弹性垫在外物的挤压下发生弹性变形，使弹性垫带动触点挤压弹性臂，弹性臂发生弹性变形，从而依据全部力检测件反馈的信号解耦出三维力信息，提升力感知的灵敏性。力感知灵敏性的提升有利于获取准确的力感知，有助于提升末端夹持器的动作精度，降低误操作风险，手术的安全性较高。

Description

一种微创手术机器人及其末端夹持器
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种微创手术机器人及其末端夹持器。
背景技术
微创手术机器人作为集诸多学科为一体的新型医疗器械，可应用于泌尿外科及心脏外科等复杂外科手术中，有效缓解医生的工作强度，提升手术治疗效果，为远程医疗发展提供条件。
然而，人体器官组织脆弱，对末端夹持器所施加的操作力精度要求较高，而现有微创手术机器人的末端夹持器的力感知准确性相对较差，力反馈不灵敏，使末端夹持器在手术过程中存在刺穿组织或器脏的风险，手术安全性难以得到有效保障。
例如，固设于末端夹持器的力传感器或力矩传感器，此类力感应件尽管具有操作方便且响应速度快等优势，但是其力感知的准确性易受消毒液所产生的湿润环境影响；再例如，与主控系统相连的力检测模块，力检测模块基于驱动参数进行变化，其力感知准确性易受刚度、摩擦力、重力、惯性及温度等因素的影响；又例如，设于末端夹持器的图像识别件，例如摄像头等，但图像识别件依靠视觉判断所建立的理论模型与真实模型之间存在误差，同样影响力感知的准确性。
因此，如何提升现有微创手术机器人的末端夹持器的安全性是本领域技术人员需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微创手术机器人及其末端夹持器，第一夹钳与第二夹钳均设有检测部，检测部包括具有触点的弹性垫和弹性臂，弹性垫能够在外物作用发生弹性变形，使设于弹性垫的触点压向弹性臂，弹性臂发生弹性变形，依据全部力检测件反馈的信号解耦出三维力信息，灵敏性有所提升，动作精度较高，安全性较高。
本发明所提供的微创手术机器人的末端夹持器，包括相互铰接的第一夹钳和第二夹钳，第一夹钳与第二夹钳均设有检测部，检测部包括具有至少一个触点的弹性垫及至少一个与触点相对的弹性臂，全部弹性臂设有力检测件；
当第一夹钳与第二夹钳夹持外物时，弹性垫在外物作用下发生弹性变形以使触点挤压弹性臂发生弹性变形以依据全部力检测件反馈的信号解耦出三维力信息。
优选的，弹性垫分别设于第一夹钳与第二夹钳的相对侧，当第一夹钳与第二夹钳自然相抵时，触点与弹性臂保持分离以使全部弹性臂处于自然状态。
优选的，全部弹性臂均嵌设于支撑块，第一夹钳的夹持面及第二夹钳的夹持面分别设有用于固定支撑块的固定凹槽。
优选的，支撑块与弹性垫之间设有相互配合以限定触点与弹性臂位置的定位柱和定位孔。
优选的，定位柱固设于弹性垫，定位孔设于支撑块，弹性垫设有至少两个触点，全部触点绕定位柱呈环状均匀分布；支撑块设有至少两个弹性臂，全部弹性臂相互独立且绕定位孔呈环状均匀分布，全部触点与全部弹性臂一一对应相抵以使全部弹性臂发生弹性变形。
优选的，全部触点呈十字形分布，全部弹性臂呈十字形分布，任意弹性臂的两侧各设有一个方形通孔。
优选的，弹性垫固设有一个触点，支撑块设有至少两个弹性臂，全部弹性臂呈辐射状分布且通过中心所设的弹性板一体式相连，触点与弹性板相抵以使弹性板带动全部弹性臂发生弹性变形。
优选的，弹性垫设有用于供支撑块插入的限位槽，一个触点设于限位槽内。
本发明所提供的微创手术机器人，包括机器人本体和上述任一项所述的末端夹持器，末端夹持器设于机器人本体。
相对于背景技术，本发明所提供的微创手术机器人的末端夹持器，包括相互铰接的第一夹钳和第二夹钳，第一夹钳与第二夹钳均设有检测部，检测部包括具有至少一个触点的弹性垫及至少一个与触点相对的弹性臂，全部弹性臂设有力检测件；当第一夹钳与第二夹钳夹持外物时，弹性垫在外物作用下发生弹性变形，使弹性垫带动触点挤压弹性臂，弹性臂随之发生弹性变形，全部力检测件进行力检测，从而依据全部力检测件反馈的信号解耦出三维力信息，进而提升力感知的灵敏性。力感知灵敏性的提升有利于获取准确的力感知，有助于提升末端夹持器的动作精度，降低误操作风险，手术的安全性较高。
本发明所提供的包含上述末端夹持器的微创手术机器人具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端夹持器的爆炸图；
图2为本发明第一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端夹持器中触点与弹性臂的结构图；
图3为本发明第一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端夹持器中触点与弹性臂的结构图。
附图标记如下：
第一夹钳1、第二夹钳2和检测部3；
支撑台11和固定凹槽12；
弹性垫31、触点32、弹性臂33和支撑块34；
定位柱311和限位槽312；
定位孔341和弹性板342。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，图1为本发明一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端夹持器的爆炸图。
本发明实施例公开了一种微创手术机器人的末端夹持器，包括第一夹钳1和第二夹钳2，第一夹钳1与第二夹钳2通过转动销转动连接，转动销安装支撑座上，使第一夹钳1与第二夹钳2通过相对转动实现开合，方便夹取器脏等外物。第一夹钳1与第二夹钳2的结构相同。
第一夹钳1与第二夹钳2均设有检测部3，检测部3分别设于第一夹钳1的夹持面及第二夹钳2的夹持面上，第一夹钳1的夹持面与第二夹钳2的夹持面相对。检测部3包括弹性垫31和弹性臂33，弹性垫31具有至少一个触点32，至少一个弹性臂33与触点32相对，全部弹性臂33设有力检测件，力检测件可以是压敏电阻，但类型不限于此。
当第一夹钳1与第二夹钳2夹持外物时，弹性垫31在外物作用下发生弹性变形，使弹性垫31带动触点32挤压弹性臂33，弹性臂33随之发生弹性变形，全部力检测件对应检测全部弹性臂33的弹性力，依据全部力检测件的电阻变化得到三维力，再通过力/力矩矩阵变换，得到第一夹钳1与第二夹钳2之间的力/力矩信息，从而提升力感知的灵敏性。
综上所述，本发明所提供的微创手术机器人的末端夹持器的力感知灵敏性有所提升，力感知灵敏性的提升有利于获取准确的力感知，有助于提升末端夹持器的动作精度，降低误操作风险，手术的安全性较高。
具体地，弹性垫31分别设于第一夹钳1与第二夹钳2的相对侧，也即弹性垫31分别固设于第一夹钳1的夹持面及第二夹钳2的夹持面上，弹性垫31可以封装方式进行固定，消除消毒液对检测部3的影响，有利于提升工作可靠性。第一夹钳1与第二夹钳2由金属材料制成，弹性垫31可以由硅胶垫或橡胶垫制成，使第一夹钳1与第二夹钳2的刚性同时大于弹性垫31的刚性，为弹性垫31的弹性变形提供条件。具体地，弹性垫31、第一夹钳1及第二夹钳2三者的宽度相等，弹性垫31的长度分别小于第一夹钳1的长度及第二夹钳2的长度。
当第一夹钳1与第二夹钳2自然相抵时，也即第一夹钳1与第二夹钳2在不夹持外物的情况下相抵时，此时弹性垫31不发生弹性变形，触点32的位置保持不变，触点32与弹性臂33保持分离，弹性臂33不发生弹性形变，使全部弹性臂33处于自然状态，为准确获取力感知提供条件。
全部弹性臂33均嵌设于支撑块34上，第一夹钳1的夹持面及第二夹钳2的夹持面分别设有固定凹槽12，支撑块34固定于固定凹槽12内。固定凹槽12具体为方形凹槽，支撑块34具体为立方体块。支撑块34可通过黏胶或过盈配合的方式固定于固定凹槽12内。固定凹槽12具体位于上述支撑台11的槽底，为设于支撑块34上的弹性臂33与设于弹性垫31上的触点32相抵提供条件。
请参考图2，图2为本发明第一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端夹持器中触点与弹性臂的结构图。
第一种具体实施例中，为限定触点32与弹性臂33二者的相对位置，支撑块34与弹性垫31之间设有相互配合的定位柱311和定位孔341。
在第一种具体实施例中，定位柱311固设于弹性垫31，定位柱311可一体式设于弹性垫31靠近第一夹钳1或第二夹钳2一侧。定位孔341设于支撑块34，定位孔341为设于支撑块34中心的贯穿孔。定位柱311呈圆柱状，定位柱311的长度小于固定凹槽12的深度，保证弹性垫31与第一夹钳1的夹持面相贴合，或保证弹性垫31与第二夹钳2的夹持面相贴合。定位孔341为圆形凹槽，其孔径于定位柱311的外径相等。当然，互换定位柱311与定位孔341的设置并不影响实现本发明的目的。
第一种具体实施例中，弹性垫31设有至少两个触点32，全部触点32绕定位柱311呈环状均匀分布。相应地，支撑块34设有至少两个弹性臂33，全部弹性臂33相互独立且绕定位孔341呈环状均匀分布，全部触点32与全部弹性臂33一一对应相抵，当夹持外物时，触点32一一对应地挤压弹性臂33，使全部弹性臂33发生弹性变形。
具体地，弹性垫31靠近第一夹钳1的夹持面一侧或弹性垫31靠近第二夹钳2的夹持面一侧均一体式设有四个触点32，每个触点32的头部呈圆球型，四个触点32呈十字状匀分布。支撑块34设有四根弹性臂33，四根弹性臂33呈十字状分布。任意弹性臂33的两侧各设有一个方形通孔，使四根弹性臂33相互独立，同时提升四根弹性臂33的弹性，有利于增大力感知的量程。当然，触点32与弹性臂33二者的结构及分布方式均不限于此。
具体地，利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)离子注入工艺将压敏电阻分别集成于四根弹性臂33上，每个四个压敏电阻组成一个惠斯通全桥电路，分别检测X轴、Y轴及Z轴三个维度的作用力。当第一夹钳1与第二夹钳2夹持外物时，触点32挤压弹性臂33使弹性臂33发生弹性变形，设于弹性臂33上压敏电阻的阻值随之发生变化，通过变化的阻值可解耦出三维力信息，进而计算出准确的夹持力或力矩。
请参考图3，图3为本发明第一种具体实施例所提供的微创手术机器人的末端夹持器中触点与弹性臂的结构图。
相较于第一种具体实施例中，第二种具体实施例主要改变触点32及弹性臂33的分布方式。在第二种具体实施例中，弹性垫31固设有一个触点32，触点32的头部也呈球型。相应地，支撑块34设有至少两个弹性臂33，全部弹性臂33呈辐射状分布，且全部弹性臂33通过中心所设的弹性板342一体式相连，当夹持外物时，触点32与弹性板342相抵，弹性板342发生弹性形变，使弹性板342带动全部弹性臂33发生弹性变形，同时还能够依据设于弹性臂33上的力检测件解耦出三维力信息。
具体地，支撑块34设有四根呈十字形分布的弹性臂33。与第一种具体实施例不同的是，第二种具体实施例中四根弹性臂33的一端通过弹性板342一体式相连，四根弹性臂33不直接与触点32相抵，四根弹性臂33在弹性板342的作用下发生弹性变形。当然，弹性臂33的数量不限于四根。
为单个触点32与弹性板342之间实现定位，弹性垫31靠近第一夹钳1的夹持面一侧或弹性垫31靠近第二夹钳2的夹持面一侧均一体式设有限位槽312，单个触点32固设于限位槽312内。当夹持外物时，支撑块34插入限位槽312内，同样能够限定触点32与弹性臂33二者的相对位置。
本发明所提供的微创手术机器人，包括机器人本体和上述末端夹持器，末端夹持器设于机器人本体，具有相同的有益效果。
以上对本发明所提供的微创手术机器人及其末端夹持器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种微创手术机器人的末端夹持器，其特征在于，包括相互铰接的第一夹钳(1)和第二夹钳(2)，所述第一夹钳(1)与所述第二夹钳(2)均设有检测部(3)，所述检测部(3)包括封装固定于所述第一夹钳(1)及所述第二夹钳(2)二者的夹持面上且具有至少一个触点(32)的弹性垫(31)及至少一个与所述触点(32)相对的弹性臂(33)，全部所述弹性臂(33)设有力检测件；
当所述第一夹钳(1)与所述第二夹钳(2)夹持外物时，所述弹性垫(31)在外物作用下发生弹性变形以使所述触点(32)挤压所述弹性臂(33)发生弹性变形以依据全部所述力检测件反馈的信号解耦出三维力信息；
全部所述弹性臂(33)均嵌设于支撑块(34)，所述第一夹钳(1)的夹持面及所述第二夹钳(2)的夹持面分别设有用于固定所述支撑块(34)的固定凹槽(12)；所述支撑块(34)与所述弹性垫(31)之间设有相互配合以限定所述触点(32)与所述弹性臂(33)位置的定位柱(311)和定位孔(341)。
2.根据权利要求1所述的微创手术机器人的末端夹持器，其特征在于，所述弹性垫(31)分别设于所述第一夹钳(1)与第二夹钳(2)的相对侧，当所述第一夹钳(1)与所述第二夹钳(2)自然相抵时，所述触点(32)与所述弹性臂(33)保持分离以使全部所述弹性臂(33)处于自然状态。
3.根据权利要求2所述的微创手术机器人的末端夹持器，其特征在于，所述定位柱(311)固设于所述弹性垫(31)，所述定位孔(341)设于所述支撑块(34)，所述弹性垫(31)设有至少两个所述触点(32)，全部所述触点(32)绕所述定位柱(311)呈环状均匀分布；所述支撑块(34)设有至少两个所述弹性臂(33)，全部所述弹性臂(33)相互独立且绕所述定位孔(341)呈环状均匀分布，全部所述触点(32)与全部所述弹性臂(33)一一对应相抵以使全部所述弹性臂(33)发生弹性变形。
4.根据权利要求1至3任一项所述的微创手术机器人的末端夹持器，其特征在于，全部所述触点(32)呈十字形分布，全部所述弹性臂(33)呈十字形分布，任意所述弹性臂(33)的两侧各设有一个方形通孔。
5.根据权利要求1至3任一项所述的微创手术机器人的末端夹持器，其特征在于，所述弹性垫(31)固设有一个所述触点(32)，所述支撑块(34)设有至少两个所述弹性臂(33)，全部所述弹性臂(33)呈辐射状分布且通过中心所设的弹性板(342)一体式相连，所述触点(32)与所述弹性板(342)相抵以使所述弹性板(342)带动全部所述弹性臂(33)发生弹性变形。
6.根据权利要求5所述的微创手术机器人的末端夹持器，其特征在于，所述弹性垫(31)设有用于供所述支撑块(34)插入的限位槽(312)，一个所述触点(32)设于所述限位槽(312)内。
7.一种微创手术机器人，其特征在于，包括机器人本体和权利要求1至6任一项所述的末端夹持器，所述末端夹持器设于所述机器人本体。
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