CN113116530A - 手术机器人主手及从手控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手术机器人主手及从手控制方法,其中主手包括彼此垂直的第一主手模组、第二主手模组和第三主手模组；所述第一主手模组和第二主手模组之间通过第一主手臂连接；所述第三主手模组和第二主手模组之间通过第二主手臂连接；所述第三主手模组通过第三主手臂可与机器人的第四主手模组固定；所述第一主手模组可与主控制器连接；所述第一主手模组、第三主手模组和第二主手模组内设置有关节模组。本发明的手术机器人主手结构简单紧凑，可实现更高精度的手术操作；并且控制中心的数据计算简单，能有效提高主从映射频率，手术反映灵敏。
Description
技术领域
本发明涉及一种手术机器人的操作主手，属于医疗机器人技术领域。
背景技术
微创手术因为损伤小、愈合快，因此被广泛的应用。现有技术中，微创手术机器人通常采用在主手末端设置主控制器，操作主控制器时，主手各轴产生运动，从而向控制中心发出信号，经处理后，发送到从手，控制器械运动，完成手术。控制中心在处理信号时，由于主手各轴都在运动，因此控制中心处理的数据量非常大，导致数据处理时间长，人手动作到手术动作的迟延。
另一方面，现有技术中的主手结构，如CN106667583A公开的主手，为实现多个自由度，因此结构复杂，体积庞大。从手的动作传递到操作端的手术机械臂的路径较长，因此手术操作的精度较低。或者，为实现精确的手术操作，需要更精密的机械加工，这直接增加了制造成本。
因此本领域技术人员致力于开发一种手部运动数据采集数学模型更简单的手术机器人主手。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种手部运动数据采集数学模型更简单的手术机器人主手。
为实现上述目的，本发明提供了一种手术机器人主手,包括彼此垂直的第一主手模组、第二主手模组和第三主手模组；
所述第一主手模组和第二主手模组之间通过第一主手臂连接；所述第三主手模组和第二主手模组之间通过第二主手臂连接；所述第三主手模组通过第三主手臂可与机器人的第四主手模组固定；
所述第一主手模组可与主控制器连接；
所述第一主手模组、第三主手模组和第二主手模组内设置有关节模组。
较佳的，所述第一主手模组和第三主手模组的中心线位于同一平面；或所述第三主手模组和第二主手模组的中心线位于同一平面；或所述第一主手模组和第二主手模组的中心线位于同一平面。
为了简化控制中心的计算，所述第一主手模组、第三主手模组和第二主手模组的中心交汇于同一点。
为了使手术操作精度更高，所述第三主手臂与第四主手模组固定端的中心线与所述第一主手模组的中心线重合。
较佳的，所述第一主手模组、第三主手模组和第二主手模组的结构相同，均包括壳体和置于壳体内的所述关节模组；
所述关节模组包括与所述壳体固定连接的基座；所述基座上通过第一轴承设置有电机；所述电机的输出轴与减速机连接；所述减速机通过滚子轴承设置在所述基座上；所述减速机将动力传递给输出法兰；
所述第一主手臂一端与所述第一主手模组的壳体固定，另一端与所述第二主手模组的输出法兰固定；
所述第二主手臂一端与所述第二主手模组的壳体固定，另一端与所述第三主手模组的输出法兰固定；
所述第三主手臂一端与所述第三主手模组的输出法兰固定。
为了准确控制主手臂的位置，所述输出法兰的外圆面上设置有第一编码器。
为了提升减速机与输出法兰连接的稳定性，所述减速机的输出端与中间件固定；所述输出法兰与所述中间件固定连接。
为了使输出法兰在传动过程中保持力平衡，所述中间件与所述输出法兰之间设置有扭矩传感器。
较佳的，所述基座远离所述输出法兰一端固定有线套固定座；所述线套固定座内固定有线套；所述线套依次穿过所述电机和减速机；所述线套通过间隔设置的轴承支承。
为了测量电机的运动参数，实现对电机旋转速度进行控制，所述线套远离第二编码器。
较佳的，所述第二主手模组的输出法兰与第一盘形件螺栓固定；所述第一盘形件与第二盘形件螺栓固定；所述第二盘形件的边缘与所述第一主手臂的末端螺栓固定；
所述第三主手模组的输出法兰与第三盘形件螺栓固定；所述第三盘形件与第四盘形件螺栓固定；所述第四盘形件的边缘与所述第二主手臂的末端固定。
较佳的，所述第一主手臂包括彼此固定的第一臂和第二臂；所述第一臂与所述第一主手模组的壳体连接为一体结构；所述第二臂与所述第二主手模组的输出端连接；
所述第二主手臂包括彼此固定的第四臂和第五臂；所述第四臂与所述第二主手模组的壳体连接为一体结构；所述第五臂与所述第三主手模组的输出端连接；
所述第三主手臂包括彼此固定的第七臂和第八臂；所述第七臂与第四主手模组固定端的壳体连接为一体结构；所述第八臂与所述第三主手模组的输出端连接。
较佳的，所述第一臂远离所述第一主手模组一端固定有第三臂；所述第二臂同时与所述第一臂和第三臂扣合并螺钉固定；
所述第四臂远离所述第二主手模组一端固定有第六臂；所述第五臂同时与所述第四臂和第六臂扣合并螺钉固定；
所述第七臂远离所述第三主手模组一端固定有第九臂；所述第八臂同时与所述第七臂和第九臂扣合并螺钉固定。
较佳的，所述第二臂远离所述第一主手模组的末端设置为第一圆筒；所述第一圆筒内螺钉固定有第二盘形件；所述第二盘形件与第一盘形件固定；所述第一盘形件与所述第二主手模组的输出端连接；
所述第五臂远离所述第二主手模组的末端设置为第二圆筒；所述第二圆筒内螺钉固定有第四盘形件；所述第四盘形件与第三盘形件固定；所述第三盘形件与所述第三主手模组的输出端连接；
所述第七臂远离所述第三主手模组的末端设置为第三圆筒；所述第三圆筒内螺钉固定有第六盘形件；所述第六盘形件与第五盘形件固定。
较佳的，所述第一臂和第二臂的夹角为110°；第四臂和第五臂的夹角为110°；第七臂和第八臂的夹角为110°。
本发明还提供了一种手术机器人从手控制方法,包括以下步骤:
1)提供多个主手模组；使上游的主手模组可旋转的连接于下游的主手模组；
2)使首端或尾端的主手模组与主控制器连接；当主控制器运动时，其运动方向或运动方向按预设坐标系的分解方向,总能通一个或多个主手模组的中心线；
3)在主控制器的运动过程中，各主手模组向控制中心发出各自运动参数的信号；所述运动参数包括运动速度、角度、位移等；
4)控制中心接受各主手模组的信号，经过计算，得到从手运动参数，然后根据该从手运动参数，控制从手动作；所述从手运动参数包括运动速度、角度、位移等。
较佳的，与主控制器连接的主手模组、以及与该主手模组相邻连接的两个主手模组彼此垂直，且该三个主手模组的中心线交汇于一点。
本发明的有益效果是：本发明的手术机器人主手结构简单紧凑，可实现更高精度的手术操作；并且控制中心的数据计算简单，能有效提高主从映射频率，手术反映灵敏。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式手术机器人主手的部分结构示意图。
图2是图1的左视结构示意图。
图3是图2中A-A方向的剖视结构示意图。
图4是图2中B-B方向的剖视结构示意图。
图5是图1中关节模组的结构示意图。
图6是图5的左视结构示意图。
图7是图6中C-C方向的剖视结构示意图。
图8是图1中第一主手臂的结构示意图。
图9是图8的左视结构示意图。
图10是图9中D-D方向的剖视图。
图11是图10中I处的局部放大结构示意图。
图12是与图1相连接的主控制器的结构示意图。
图13是本发明中的系统原理图。
图14是本发明具体实施方式手术机器人主手与主控制器连接的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
一种手术机器人从手控制方法,包括以下步骤:
1)提供多个主手模组；使上游的主手模组可旋转的连接于下游的主手模组；
2)使首端或尾端的主手模组与主控制器连接；当主控制器运动时，其运动方向或运动方向按预设坐标系的分解方向,总能通一个或多个主手模组的中心线；
3)在主控制器的运动过程中，各主手模组向控制中心发出各自运动参数的信号；所述运动参数包括运动速度、角度、位移等；
4)控制中心接受各主手模组的信号，经过计算，得到从手运动参数，然后根据该从手运动参数，控制从手动作；所述从手运动参数包括运动速度、角度、位移等。
其中，与主控制器连接的主手模组、以及与该主手模组相邻连接的两个主手模组彼此垂直，且该三个主手模组的中心线交汇于一点。
如图1至图14所示，上述从手控制方法可通过一种手术机器人主手实现,该主手包括彼此垂直的第一主手模组100、第三主手模组300和第二主手模组200，第一主手模组100和第二主手模组200之间通过第一主手臂400连接；第三主手模组300和第二主手模组200之间通过第二主手臂500连接。第三主手模组300通过第三主手臂600可与机器人的第四主手模组固定。
第一主手模组100可与主控制器700连接。
第一主手模组100、第三主手模组300和第二主手模组200内设置有关节模组800。
第一主手模组100、第三主手模组300和第二主手模组200的中心线交汇于同一点O。因此，控制各主手模组所处位置时，可省去原始位置不同而必须的多余计算。
第三主手臂600与第四主手模组700＇固定端的中心线与第一主手模组的中心线重合。
第一主手模组100、第三主手模组300和第二主手模组200的结构相同，均包括壳体和置于壳体内的关节模组800。
关节模组800包括与壳体固定连接的基座1，基座1上通过第一轴承7设置有电机2，电机的输出轴3与减速机4连接，减速机4通过交叉滚子轴承6设置在基座1上。减速机4将动力传递给输出法兰5。输出法兰5的外圆面上设置有第一编码器15。第一编码器15为位置编码器，用于控制电机转过的角度，进而控制第一主手臂、第二主手臂和第三主手臂所处的实际位置。
减速机4的输出端与中间件8固定，输出法兰5与中间件8固定连接。中间件8与输出法兰5之间设置有扭矩传感器16。当电机2断电后，通过扭矩传感器16测知输出法兰5的扭矩，当输出法兰5的扭矩超过临界值时，控制中心控制电机2适当反转，实现输出法兰的力平衡。由于减速机4减速比的存在，使得主控制器本身的运动无法使主手对应的主手臂运动。主手臂的运动必须通过电机2的转动实现。
基座1远离输出法兰5一端固定有线套固定座13，线套固定座13内固定有线套14，线套14依次穿过电机2和减速机4。线套14通过间隔设置的球轴承支承18。
线套14远离输出法兰5一端设置有第二编码器17。第二编码器17为速度编码器，用于控制电机的旋转速度。
第一主手臂400一端与第一主手模组100的壳体固定，另一端与第二主手模组200的输出法兰固定。
第二主手臂500一端与第二主手模组200的壳体固定，另一端与第三主手模组300的输出法兰固定。
第三主手臂600一端与第三主手模组100的输出法兰固定。
第二主手模组200的输出法兰与第一盘形件9螺栓固定，第一盘形件9与第二盘形件10螺栓固定，第二盘形件10的边缘与第一主手臂400的末端螺栓固定。
第三主手模组的输出法兰与第三盘形件11螺栓固定，第三盘形件11与第四盘形件12螺栓固定；第四盘形件12的边缘与第二主手臂500的末端固定。
第一主手臂400包括彼此固定的第一臂401和第二臂402。第一臂401与第一主手模组100的壳体连接为一体结构，第二臂402与第二主手模组200的输出端连接。
第二主手臂500包括彼此固定的第四臂501和第五臂502。第四臂501与第二主手模组200的壳体连接为一体结构，第五臂502与第三主手模组300的输出端连接；
第三主手臂600包括彼此固定的第七臂601和第八臂602。第七臂601可与第四主手模组700＇(图14中示出)固定端的壳体连接为一体结构，第八臂602与第三主手模组300的输出端连接。
第一臂401远离第一主手模组100一端固定有第三臂403，第二臂402同时与第一臂401和第三臂403扣合并螺钉固定。
第四臂501远离第二主手模组200一端固定有第六臂503，第五臂502同时与第四臂501和第六臂503扣合并螺钉固定。
第七臂601远离第三主手模组300一端固定有第九臂603，第八臂602同时与第七臂601和第九臂603扣合并螺钉固定。
第二臂402远离第一主手模组100的末端设置为第一圆筒412，第一圆筒412内螺钉固定有第二盘形件10，第二盘形件10与第一盘形件9固定，第一盘形件9与第二主手模组200的输出端连接。
第五臂502远离第二主手模组200的末端设置为第二圆筒512，第二圆筒512内螺钉固定有第四盘形件12，第四盘形件12与第三盘形件11固定，第三盘形件11与第三主手模组300的输出端连接。
第七臂601远离第三主手模组300的末端设置为第三圆筒612，第三圆筒612内螺钉固定有第六盘形件14，第六盘形件14与第五盘形件13固定。
第一臂401和第二臂402的夹角α为110°，第四臂501和第五臂502的夹角β为110°，第七臂601和第八臂602的夹角γ为110°。
上述结构的本发明的手术机器人主手，其第一主手模组100的输出法兰，可与如图12所示的主控制器700的连接法兰701连接为一体结构，通过控制各主手模组的关节模组，使各关节模组中输出法兰转过不同的角度,从而控制主控制器700以及上游连接的主手模组(如图14示出的第四主手模组700＇、第五主手模组800＇和第六主手模组900＇)的空间位置，实现手术的精确定位。并且由于各传感器的作用，进一步提高手术精度。
更重要的是，在主控制器700运动的过程中，若主控制器700的运动方向经过某一主手模组的中心线，则主控制器700对该主手模组不产生力矩，因此该主手模组不产生旋转运动，从而大大简化了控制中心800处理的数据量。控制中心800通过数据计算后，控制从手900运动。从手900手术过程中，也可通过力反馈，将信号传递给主控制器700，从而提醒医生微调手术操作。
进一步的，由于第一主手模组100、第二主手模组200和第三主手模组300的中心交汇于同一点O，因此控制中心在处理这三个主手模组数据时，不用单独计算各主手模组最初原点的位移差，从而进一步简化计算。同理，第三主手臂600与第四主手模组固定端的中心线与第一主手模组的中心线重合，也进一步简化了计算。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (17)
1.一种手术机器人主手,其特征是:包括彼此垂直的第一主手模组(100)、第二主手模组(200)和第三主手模组(300)；
所述第一主手模组(100)和第二主手模组(200)之间通过第一主手臂(400)连接；所述第三主手模组(300)和第二主手模组(200)之间通过第二主手臂(500)连接；所述第三主手模组(300)通过第三主手臂(600)可与机器人的第四主手模组固定；
所述第一主手模组(100)可与主控制器(700)连接；
所述第一主手模组(100)、第三主手模组(300)和第二主手模组(200)内设置有关节模组(800)。
2.如权利要求1所述的手术机器人主手，其特征是：所述第一主手模组(100)和第三主手模组(300)的中心线位于同一平面；或
所述第三主手模组(300)和第二主手模组(200)的中心线位于同一平面；或
所述第一主手模组(100)和第二主手模组(200)的中心线位于同一平面。
3.如权利要求2所述的手术机器人主手，其特征是：所述第一主手模组(100)、第三主手模组(300)和第二主手模组(200)的中心交汇于同一点(O)。
4.如权利要求3所述的手术机器人主手，其特征是：所述第三主手臂(600)与第四主手模组固定端的中心线与所述第一主手模组的中心线重合。
5.如权利要求1至4任一所述的手术机器人主手，其特征是：所述第一主手模组(100)、第三主手模组(300)和第二主手模组(200)的结构相同，均包括壳体和置于壳体内的所述关节模组(800)；
所述关节模组(800)包括与所述壳体固定连接的基座(1)；所述基座(1)上通过第一轴承(7)设置有电机(2)；所述电机的输出轴(3)与减速机(4)连接；所述减速机(4)通过轴承(6)设置在所述基座(1)上；所述减速机(4)将动力传递给输出法兰(5)；
所述第一主手臂(400)一端与所述第一主手模组(100)的壳体固定，另一端与所述第二主手模组(200)的输出法兰固定；
所述第二主手臂(500)一端与所述第二主手模组(200)的壳体固定，另一端与所述第三主手模组(300)的输出法兰固定；
所述第三主手臂(600)一端与所述第三主手模组(100)的输出法兰固定。
6.如权利要求5所述的手术机器人主手，其特征是：所述输出法兰(5)的外圆面上设置有第一编码器(15)。
7.如权利要求5所述的手术机器人主手，其特征是：所述减速机(4)的输出端与中间件(8)固定；所述输出法兰(5)与所述中间件(8)固定连接。
8.如权利要求7所述的手术机器人主手，其特征是：所述中间件(8)与所述输出法兰(5)之间设置有扭矩传感器(16)。
9.如权利要求5所述的手术机器人主手，其特征是：所述基座(1)远离所述输出法兰(5)一端固定有线套固定座(13)；所述线套固定座(13)内固定有线套(14)；所述线套(14)依次穿过所述电机(2)和减速机(4)；所述线套(14)通过间隔设置的轴承支承(18)。
10.如权利要求9所述的手术机器人主手，其特征是：所述线套(14)远离所述输出法兰(5)一端设置有第二编码器(17)。
11.如权利要求5所述的手术机器人主手，其特征是：所述第二主手模组(200)的输出法兰与第一盘形件(9)螺栓固定；所述第一盘形件(9)与第二盘形件(10)螺栓固定；所述第二盘形件(10)的边缘与所述第一主手臂(400)的末端螺栓固定；
所述第三主手模组的输出法兰与第三盘形件(11)螺栓固定；所述第三盘形件(11)与第四盘形件(12)螺栓固定；所述第四盘形件(12)的边缘与所述第二主手臂(500)的末端固定。
12.如权利要求1所述的手术机器人主手，其特征是：所述第一主手臂(400)包括彼此固定的第一臂(401)和第二臂(402)；所述第一臂(401)与所述第一主手模组(100)的壳体连接为一体结构；所述第二臂(402)与所述第二主手模组(200)的输出端连接；
所述第二主手臂(500)包括彼此固定的第四臂(501)和第五臂(502)；所述第四臂(501)与所述第二主手模组(200)的壳体连接为一体结构；所述第五臂(502)与所述第三主手模组(300)的输出端连接；
所述第三主手臂(600)包括彼此固定的第七臂(601)和第八臂(602)；所述第七臂(601)与第四主手模组固定端的壳体连接为一体结构；所述第八臂(602)与所述第三主手模组(300)的输出端连接。
13.如权利要求12所述的手术机器人主手，其特征是：所述第一臂(401)远离所述第一主手模组(100)一端固定有第三臂(403)；所述第二臂(402)同时与所述第一臂(401)和第三臂(403)扣合并螺钉固定；
所述第四臂(501)远离所述第二主手模组(200)一端固定有第六臂(503)；所述第五臂(502)同时与所述第四臂(501)和第六臂(503)扣合并螺钉固定；
所述第七臂(601)远离所述第三主手模组(300)一端固定有第九臂(603)；所述第八臂(602)同时与所述第七臂(601)和第九臂(603)扣合并螺钉固定。
14.如权利要求12所述的手术机器人主手，其特征是：所述第二臂(402)远离所述第一主手模组(100)的末端设置为第一圆筒(412)；所述第一圆筒(412)内螺钉固定有第二盘形件(10)；所述第二盘形件(10)与第一盘形件(9)固定；所述第一盘形件(9)与所述第二主手模组(200)的输出端连接；
所述第五臂(502)远离所述第二主手模组(200)的末端设置为第二圆筒(512)；所述第二圆筒(512)内螺钉固定有第四盘形件(12)；所述第四盘形件(12)与第三盘形件(11)固定；所述第三盘形件(11)与所述第三主手模组(300)的输出端连接；
所述第七臂(601)远离所述第三主手模组(300)的末端设置为第三圆筒(612)；所述第三圆筒(612)内螺钉固定有第六盘形件(14)；所述第六盘形件(14)与第五盘形件(13)固定。
15.如权利要求12所述的手术机器人主手，其特征是：所述第一臂(401)和第二臂(402)的夹角为110°；第四臂(501)和第五臂(502)的夹角为110°；第七臂(601)和第八臂(602)的夹角为110°。
16.一种手术机器人从手控制方法,其特征是:包括以下步骤:
1)提供多个主手模组；使上游的主手模组可旋转的连接于下游的主手模组；
2)使首端或尾端的主手模组与主控制器连接；当主控制器运动时，其运动方向或运动方向按预设坐标系的分解方向,总能通一个或多个主手模组的中心线；
3)在主控制器的运动过程中，各主手模组向控制中心发出各自运动参数的信号；所述运动参数包括运动速度、角度、位移等；
4)控制中心接受各主手模组的信号，经过计算，得到从手运动参数，然后根据该从手运动参数，控制从手动作；所述从手运动参数包括运动速度、角度、位移等。
17.如权利要求16所述的手术机器人从手控制方法，其特征是：与主控制器连接的主手模组、以及与该主手模组相邻连接的两个主手模组彼此垂直，且该三个主手模组的中心线交汇于一点。
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