CN112807090A - 一种用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，属于机器人技术领域。本发明通过设计的叶片组、磁流变液、电磁铁等部件，利用磁流变液的磁流变效应，可以将微创手术过程中从操作手端检测到的手术器械与病灶组织的接触力反馈给主手操作者，使主手操作者获得身临其境的感觉，即手术过程中的临场感，实现主操作手的力反馈控制。因此，本发明可以实现微创手术机器人主操作手的力反馈，使操作者获得临场感，也可以提高手术质量，且其力反馈控制过程简单，延时短，为远程手术过程的力反馈提供一种新的思路。

Description

一种用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种用于微创手术机器人主操作手力反馈控制的磁流变液装置。

背景技术

随着机器人技术的发展与成熟，机器人越来越多的用在手术过程中，利用机器人进行微创手术时，医生需要操作主手进行手术，而主操作手并不与患者接触，从操作手与手术患者病灶接触，且随着主手的动作而动作。在手术过程中，医生只能通过内窥镜观察从手末端的手术器械与病灶组织之间的接触情况，无法直接感觉到手术器械与病灶组织接触力的大小，所以医生无法进行组织触摸，影响病症分析，即缺乏临场感。此外，若从手末端的手术器械与组织的接触力太大，容易造成组织破损，形成二次伤害。因此，对主操作手进行力反馈控制，提高操作者的临场感是非常关键的技术之一。

对于主操作手的力反馈控制过程，必须以从手末端手术器械上的力检测装置所测得的力信号(手术器械与病灶组织接触力)为基础，再将测得的力信号进行处理，进而使主手操作者获得临场感。通过控制主操作手各关节电机电流是最常见的力反馈控制方法，即通过从手末端检测到的力来计算主手期望的输出力，再将主手期望的输出力解算到主手各关节电机，通过控制电机的输入电流来控制电机的输出力矩，进而实现主操作手的力反馈控制。上述基于电机输出力矩来进行主操作手力反馈控制的方法具有计算过程复杂、力反馈误差大、延时长的特点，且需要考虑补偿柯氏力、重力和摩擦力等。此外，国内外主操作手的力反馈还包括阻抗控制、滑模控制、绳驱动控制等，都存在结构复杂、控制过程复杂、运动过程耦合性高、力反馈效果不佳等特点。

因此，有必要设计一种控制过程简单、控制效果理想的力反馈装置，为微创手术机器人的主操作手力反馈提供技术支持，进而提高操作者的临场感。

发明内容

为了解决微创手术机器人主操作手力反馈过程的缺点，本发明的目的在于提供一种用于微创手术机器人主操作手力反馈控制的装置，该装置以磁流变液作为力反馈控制核心，且其结构简单，控制过程简单可靠，能有效的提高力反馈控制的效果，提高主手操作者的临场感。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，包括力传感器、电流控制器、传动轴、磁场产生机构、密封箱体以及设置在密封箱体中的叶片组；

所述力传感器，用于检测手术器械与病灶组织间的接触力；

所述电流控制器与力传感器电连接，用于根据力传感器采集的接触力信号输出对应的电流；

所述磁场产生机构包括对称设置在密封箱体两侧的电磁铁和用于聚集磁场的聚磁体；

所述叶片组设置在密封箱体中，在密封箱体中心及叶片组中心位置处开设有供传动轴穿过的中心孔，在传动轴的一侧设有手柄，转动手柄能够带动叶片组和传动轴同步转动；所述密封箱体内部填充磁流变液，叶片组下半部浸泡于磁流变液中，当叶片组转动时，磁流变液从叶片组的叶片之间穿过。

优选地，所述磁场产生机构包括对称设置在密封箱体两侧的第一电磁铁和第二电磁铁，在第一电磁铁与密封箱体之间设有第一聚磁体，在第二电磁铁与密封箱体之间设有第二聚磁体。

进一步优选地，所述第一聚磁体和第二聚磁体均为圆台状，一端与电磁铁的铁芯相连，另一端镶嵌于密封箱体中，且被磁流变液淹没。

进一步优选地，第一电磁铁和第二电磁铁分别固定在第一支架和第二支架上，所述密封箱体、第一支架和第二支架均可拆卸安装在底板上。

更进一步优选地，底板开有槽孔，密封箱体、第一支架和第二支架均与底板通过螺栓固连。第一电磁铁和第二电磁铁的背面都有螺纹孔，通过螺栓分别与第一支架、第二支架固连在一起。

优选地，所述传动轴由长传动轴和短传动轴组成，长传动轴和短传动轴分别设置在叶片组的中心孔两侧。

进一步优选地，所述叶片组的中心孔为矩形孔，长传动轴和短传动轴与中心孔相连的一端加工为矩形，能够与叶片组的矩形孔配合连接；

在叶片组的径向开设有孔，长传动轴和短传动轴的矩形轴的侧面开设同样大小的孔，将长传动轴和短传动轴插入叶片组后，通过螺栓将叶片组和长传动轴和短传动轴固定连接在一起。

进一步优选地，手柄通过螺栓与短传动轴固连在一起，通过操作手柄能够带动叶片组、长传动轴和短传动轴同步转动。

优选地，所述密封箱体由箱体和可拆卸的上端盖组成，上端盖通过螺栓与箱体连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，是一种用于手术机器人主操作手的力反馈控制装置，首先在密封箱体中充填磁流变液作为介质，磁流变液是一种形态和性能受外加磁场控制的固液二相功能材料，其性能稳定、寿命长，对磁场的响应为毫秒级别，且可以在多种复杂的工况下稳定的工作，因此使用磁流变液进行力反馈控制具有响应速度快、控制简单、可靠性高的特点；其次，通过设置能够检测手术器械与病灶组织之间的接触力的力传感器，以及用于根据采集的接触力信号输出对应电流的电流控制器，能够将力反馈控制过程转化为电流控制过程，因此不需要进行大量的矩阵运算去解算各关节期望的输出力矩，使控制过程变得简单；此外，还设置磁场产生机构，其包括对称设置在密封箱体两侧的电磁铁以及用于聚集磁场的聚磁体，电磁铁具有良好的通断电性能，当通断电时，会以微秒级别的速度去响应，且产生的磁场与输入电流之间的对应关系十分稳定，使力反馈控制过程的延时和控制误差很小。因此，本发明的装置以磁流变液作为力反馈控制核心，结构设计合理，控制过程简单，能有效的提高力反馈控制的效果，提高主手操作者的临场感。

进一步地，上端盖通过螺栓与密封箱体连接，为磁流变液提供了一个相对密封的环境，可以防止磁流变液在工作时的泄露和飞溅。

进一步地，由于不同的磁场强度下，磁流变液的剪切屈服应力不一样，所以通过电流控制器的输出电流即可实现微创手术机器人主操作手的力反馈。

附图说明

图1为本发明的总体装配图；

图2为本发明去掉箱体和上端盖后的局部装配图；

图3为本发明箱体和叶片组的连接关系图；

图4为本发明叶片组和传动轴的连接关系图；

图5为本发明电磁铁与支架的连接关系图。

其中，1为力传感器；2.1为长传动轴；2.2为短传动轴；3为上端盖；4为手柄；5.1为第一支架；5.2为第二支架；6为密封箱体；7为底板；8为电流控制器；9.1为第一电磁铁；9.2为第二电磁铁；10.1为第一聚磁体；10.2为第二聚磁体；11为磁流变液；12为叶片组；13为螺栓。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1～4，本发明用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈控制，包括力传感器1、电流控制器8、传动轴、叶片组12、上端盖3、手柄4、支架、密封箱体6、底板7、电磁铁、聚磁体、磁流变液11。

如图1所示，底板7开有槽孔，密封箱体6与底板7通过螺栓固连在一起。第一支架5.1和第二支架5.2与底板7通过螺栓固连在一起。力传感器1位于从操作手末端，其作用是测量从操作手末端的手术器械与病灶组织之间的接触力，并将测量的力信号输入到电流控制器前端。上端盖3与密封箱体6连接在一起，使密封箱体6内部的磁流变液11和叶片组12处在一个相对密封的环境，磁流变液11灌装在密封箱体6中，且可以将第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2嵌入到密封箱体6的部分完全浸没；叶片组12的下面部分会浸泡在磁流变液11里。手柄4与短传动轴2.2通过螺栓连在一起。电流控制器8在接收到力传感器1的力信号之后，输出与之对应的电流。当电流控制器8的输出电流使第一电磁铁9.1和第二电磁铁9.2产生磁场，再通过第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2使密封箱体6内部形成一个相对稳定的磁场环境，叶片组12浸泡在磁流变液11中的叶片需要克服磁流变液11的剪切屈服应力才能顺利旋转。由于不同的磁场强度下，磁流变液11的剪切屈服应力不一样，所以通过电流控制器8的输出电流即可实现微创手术机器人主操作手的力反馈。

如图1和图3所示，密封箱体6上两侧面都开孔，其作用是让第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2的一端嵌入到密封箱体6内部，并做密封处理。叶片组12通过长传动轴2.1和短传动轴2.2安装在密封箱体6上。

如图1、图2和图5所示，第二支架5.2和第一支架5.1的侧边上开孔，第一电磁铁9.1和第二电磁铁9.2通过螺栓13分别固定在第一支架5.2和第二支架5.1上。

如图3和图4所示，长传动轴2.1和短传动轴2.2分别连在叶片组12的中心孔两侧，叶片组12的中心孔为矩形孔，这样便于安装和拆卸。叶片组12、长传动轴2.1和短传动轴2.2通过密封箱体6上两端面的轴承座孔装配到一起，使叶片组12在密封箱体6内部转动。长传动轴2.1的右端和短传动轴2.2的左端均为矩形轴，且在矩形端面上开孔，叶片组12的径向上开孔，与长传动轴2.1和短传动轴2.2上的孔通过螺栓连接，使长传动轴2.1和短传动轴2.2受到约束，进而使其与叶片组12装配在一起。

如图1和图2所示，当电流控制器8输出与力信号对应的电流后，会使第一电磁铁9.1和第二电磁铁9.2产生与电流大小对应的磁场，并通过第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2使磁场聚集，从而获得更大的磁感应强度。磁流变液11灌装在密封箱体6中，并将第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2镶嵌在密封箱体6中的部分淹没。当第一电磁铁9.1和第二电磁铁9.2通电时，会在第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2之间形成一个磁场，磁流变液11在磁场作用下，会顺着磁场的方向相互吸引并排列成链束状结构，使其自身的流动性变得很差，表现为类固体状态，当撤去磁场后，磁流变液11会瞬间恢复其流动性，表现为牛顿流体的特性。因此，通过控制磁场即可使磁流变液11在固液态之间进行转换。叶片组12下面的部分浸泡在磁流变液11中，磁流变液11从叶片组12的叶片之间穿过，当医生操作手柄4转动时，叶片组12也随之转动，磁流变液11会起到阻碍叶片组12转动的作用，叶片组12需要克服磁流变液的剪切屈服应才可以转动，因此，电流越大，磁场越强，叶片组12就需要越大的力去克服磁流变液11的剪切应力，最终达到力反馈的目的，使主手操作者有了身临其境的临场感。

本发明的工作原理如下：

本发明机构参照附图1和附图2所示的位置进行说明。磁流变液11位于密封箱体6中，磁流变液11能在极短的时间内以牛顿流体的特性转变为剪切屈服应力较高的粘滞性塑性体，其流变特性随外加磁场的大小和频率具有显著和快速的变化。具体情况为，在没有外加磁场时，磁流变液11表现为流变特性良好的牛顿流体；在有外加磁场时，磁流变液11会变成高黏塑性的Bingham流体，其黏度变大、流动性降低，表现为明显的固体性质，具有瞬间完成液固态转换的特性，且磁场强度越大，其剪切屈服应力越大；再次撤去磁场后，磁流变液11会瞬间变为流变特性良好的牛顿流体，整个过程称为磁流变效应。

当位于从操作手末端手术器械上的力传感器1测得手术器械与病灶组织之间的接触力之后，会将力信号作为输入量给到电流控制器8中，电流控制器8会输出与力信号对应的电流。电流控制器8输出的电流使第一电磁铁9.1和第二电磁铁9.2产生磁场，并通过第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2使磁场发生聚集，在第一聚磁体10.1和第二聚磁体10.2之间形成一个相对稳定的磁场。

长传动轴2.1的左侧与主操作手的旋转轴连接，右侧与叶片组12的中心孔连接；短传动轴2.2的左侧与叶片组12的中心孔连接，右侧与手柄4连接。当医生握着手柄4进行操作时，长传动轴2.1和短传动轴2.2会带着叶片组12一起转动，且叶片组12的下面部分会始终浸没在磁流变液11中。叶片组12在转动时，浸泡在磁流变液11中的叶片需要克服磁流变液11的阻碍，即克服磁流变液11的剪切屈服应力、使磁流变液11发生变形，才可以让叶片组12转动。磁场强度越大，磁流变液11的剪切屈服应力越大，即叶片组12在转动时阻碍越大。

通过力传感器1检测到从手末端手术器械与病灶组织在手术过程中的接触力之后，电流控制器8会输出对应的电流，使第一电磁铁9.1和第二电磁铁9.2产生磁场，进而使磁流变液11的剪切屈服应力变大。操作者操作手柄4时，叶片组12随着手柄4的转动而转动，而叶片组12的下面部分会始终浸没在磁流变液11中，只有叶片组12的叶片克服磁流变液11的剪切屈服应力之后，才能转动。将力传感器1测得的力信号转变为电流控制器8的输出电流，进而使医生需要给手柄4施加对应的力才能转动手柄4，即让操作者有了身临其境的临场感，最终达到力反馈的目的。

综上所述，本发明通过设计的叶片组、磁流变液、电磁铁等部件，利用磁流变液的磁流变效应，可以将微创手术过程中从操作手端检测到的手术器械与病灶组织的接触力反馈给主手操作者，使主手操作者获得身临其境的感觉，即手术过程中的临场感，实现主操作手的力反馈控制。因此，本发明可以实现微创手术机器人主操作手的力反馈，使操作者获得临场感，也可以提高手术质量，且其力反馈控制过程简单，延时短，为远程手术过程的力反馈提供一种新的思路。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，包括力传感器(1)、电流控制器(8)、传动轴、磁场产生机构、密封箱体(6)以及设置在密封箱体(6)中的叶片组(12)；

所述力传感器(1)，用于检测手术器械与病灶组织间的接触力；

所述电流控制器(8)与力传感器(1)电连接，用于根据力传感器(1)采集的接触力信号输出对应的电流；

所述磁场产生机构包括对称设置在密封箱体(6)两侧的电磁铁和用于聚集磁场的聚磁体；

所述叶片组(12)设置在密封箱体(6)中，在密封箱体(6)中心及叶片组(12)中心位置处开设有供传动轴穿过的中心孔，在传动轴的一侧设有手柄(4)，转动手柄(4)能够带动叶片组(12)和传动轴同步转动；所述密封箱体(6)内部填充磁流变液(11)，叶片组(12)下半部浸泡于磁流变液(11)中，当叶片组(12)转动时，磁流变液(11)从叶片组(12)的叶片之间穿过。

2.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，所述磁场产生机构包括对称设置在密封箱体(6)两侧的第一电磁铁(9.1)和第二电磁铁(9.2)，在第一电磁铁(9.1)与密封箱体(6)之间设有第一聚磁体(10.1)，在第二电磁铁(9.2)与密封箱体(6)之间设有第二聚磁体(10.2)。

3.根据权利要求2所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，所述第一聚磁体(10.1)和第二聚磁体(10.2)均为圆台状，一端与电磁铁的铁芯相连，另一端镶嵌于密封箱体(6)中，且被磁流变液(11)淹没。

4.根据权利要求2所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，第一电磁铁(9.1)和第二电磁铁(9.2)分别固定在第一支架(5.1)和第二支架(5.2)上，所述密封箱体(6)、第一支架(5.1)和第二支架(5.2)均可拆卸安装在底板(7)上。

5.根据权利要求4所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，底板(7)开有槽孔，密封箱体(6)、第一支架(5.1)和第二支架(5.2)均与底板(7)通过螺栓固连。

6.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，所述传动轴由长传动轴(2.1)和短传动轴(2.2)组成，长传动轴(2.1)和短传动轴(2.2)分别设置在叶片组(12)的中心孔两侧。

7.根据权利要求6所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，所述叶片组(12)的中心孔为矩形孔，长传动轴(2.1)和短传动轴(2.2)与中心孔相连的一端加工为矩形，能够与叶片组(12)的矩形孔配合连接；

在叶片组(12)的径向开设有孔，长传动轴(2.1)和短传动轴(2.2)的矩形轴的侧面开设同样大小的孔，将长传动轴(2.1)和短传动轴(2.2)插入叶片组(12)后，通过螺栓将叶片组(12)和长传动轴(2.1)和短传动轴(2.2)固定连接在一起。

8.根据权利要求6所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，手柄(4)通过螺栓与短传动轴(2.2)固连在一起，通过操作手柄(4)能够带动叶片组(12)、长传动轴(2.1)和短传动轴(2.2)同步转动。

9.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，所述密封箱体(6)由箱体和可拆卸的上端盖(3)组成，上端盖(3)通过螺栓与箱体连接。

10.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人主操作手的磁流变液力反馈装置，其特征在于，通过电流控制器(8)的输出电流能够实现对微创手术机器人主操作手的力反馈。

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