CN113208738B - 穿刺机器人、主手控制器及力反馈穿刺进针控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿刺机器人、主手控制器及力反馈穿刺进针控制器。力反馈穿刺进针控制器包括：壳体，所述壳体为中空柱状结构；穿刺执行机构，设置于所述壳体，所述穿刺执行机构用于穿刺进针控制；信号传输机构，采用光电通信方式实现信号传输，所述穿刺执行机构能够阻断或导通所述信号传输机构的传输信号，通过阻断或导通所述信号传输机构的传输信号产生的信号变化控制所述穿刺执行机构执行穿刺操作；以及力反馈机构，所述力反馈机构用于将穿刺末端的进针阻力反馈至所述穿刺执行机构。以真实模拟临床穿刺工况，使得医护人员感受到穿刺针进针时的阻力。

Description

穿刺机器人、主手控制器及力反馈穿刺进针控制器

技术领域

本发明涉及穿刺设备技术领域，特别是涉及一种穿刺机器人、主手控制器及力反馈穿刺进针控制器。

背景技术

近年来，X射线计算机断层扫描成像技术(CT)无论是在基本技术方面，还是在新的临床应用方面都取得了巨大的进展。CT的各个组成部分，如光管、探测器、滑环、数据获取系统和算法等方面都取得了很大的进步。自从螺旋CT和多层CT面世以来，出现了许多新的临床应用，且具备扫描时间快、图像清晰等优点，可用于多种疾病的检查。CT技术经过三十多年的发展，再次成为医学图像领域中最令人兴奋的诊断方法之一。

如今CT已不再作为一项单纯的影像检查而存在。在现代医学科学不断打破各科界限、互相依存共同探索等各种多元化模式的推动下，CT(计算机断层扫描)配合着临床各科实现了各种检查和治疗，并取得显著的医疗效果。CT引导下经皮穿刺就是目前临床应用较多的一项技术。它其实就是在CT扫描的精确引导下，将穿刺针准确穿入体内的病灶并获取病变组织的一项技术。

CT图像引导下的穿刺术是在CT成像(人体组织和穿刺针)的前提下，可以实时判断穿刺方向并及时做出调整，大大提高了手术成功率、降低手术风险，提高患者的康复速度和生活质量。但是，CT设备均采用X射线、γ射线等完成成像工作，在CT侧完成手术会让医生长期暴露在辐射环境中，对身体健康造成极大威胁。因此主从遥操作式穿刺手术应运而生。

从遥操作式的机器人辅助穿刺手术模式作为比较前端的一种手术方式。通过远程操作控制图像引导穿刺机器人执行穿刺操作，可以有效的避免医生受到辐射照射。但是，主从遥操作式的机器人智能控制穿刺针以系统设定速度运动，无法模拟医生握针的穿刺过程，无法反馈穿刺力大小。若医生缺乏力觉感知会增加手术风险和不确定性，同时增加手术时间，降低手术效率，影响穿刺手术的成功率。

发明内容

基于此，有必要针对目前无法模拟医生握针的穿刺过程的问题，提供一种能够模拟握针穿刺的穿刺机器人、主手控制器及力反馈穿刺进针控制器。

一种力反馈穿刺进针控制器，包括：

壳体，所述壳体为中空柱状结构；

穿刺执行机构，设置于所述壳体，所述穿刺执行机构用于穿刺进针控制；

信号传输机构，采用光电通信方式实现信号传输，所述穿刺执行机构能够阻断或导通所述信号传输机构的传输信号，通过阻断或导通所述信号传输机构的传输信号产生的信号变化控制所述穿刺执行机构执行穿刺操作；以及

力反馈机构，所述力反馈机构用于将穿刺末端的进针阻力反馈至所述穿刺执行机构。

在其中一个实施例中，所述穿刺执行机构包括滑环、使能组件以及滑轨，所述滑轨设置于所述壳体的内壁，所述滑环可滑动套设于所述壳体，所述使能组件可按动设置于所述滑环及所述壳体中，并与所述滑轨滑动连接。

在其中一个实施例中，所述信号传输机构包括设置于所述壳体两端的发射件与接收件，所述发射件用于发射光电信号，并由所述接收件接收。

在其中一个实施例中，所述使能组件包括使能按键、遮光块、按动复位件以及与所述滑环连接的滑块，所述滑块可滑动设置于所述滑轨，所述使能按键可按压设置于所述滑环，所述遮光块与所述使能按键连接，所述按动复位件弹性连接所述遮光块与所述滑块；

按压所述使能按键时，所述遮光块能够阻断所述传输信号。

在其中一个实施例中，所述力反馈机构包括安装组件、直线运动组件以及与所述直线运动组件连接的力反馈组件，所述安装组件安装于所述壳体的底部，用于安装所述力反馈组件，所述直线运动组件设置于所述壳体，并与所述滑块连接，所述力反馈组件能够向所述直线运动组件施加阻力。

在其中一个实施例中，所述直线运动组件包括第一滚轮、与所述第一滚轮间隔设置的第二滚轮以及连接所述第一滚轮与所述第二滚轮的连接绳，所述第一滚轮可转动设置于所述壳体远离所述安装组件的一端，所述第二滚轮可转动设置于所述安装组件；

所述使能组件还包括安装座以及固定部件，所述安装座连接所述滑块与所述滑环，所述固定部件用于将连接绳固定于所述安装座。

在其中一个实施例中，所述力反馈组件包括执行电机以及位移检测件，所述执行电机以及所述位移检测件分别设置于所述第二滚轮的轴向端部，所述位移检测件用于将所述滑环的移动量反馈至所述穿刺末端，所述执行电机用于将所述穿刺末端反馈的穿刺力转化为扭矩施加至所述连接绳。

在其中一个实施例中，所述安装组件包括安装底座以及设置于所述安装底座的固定座，所述安装底座与所述固定座围设成安装所述第二滚轮的安装腔，所述执行电机固定于所述安装底座，所述位移检测件穿过所述安装底座伸出，所述固定座用于安装所述壳体。

一种主手控制器，包括：

承载底座；

调姿结构，设置于所述承载底座；以及

如上述任一技术特征所述的力反馈穿刺进针控制器，可转动设置于所述调姿结构。

在其中一个实施例中，所述调姿结构包括第一旋转机构以及设置于所述第一旋转机构的第二旋转机构，所述第一旋转机构的第一轴线与所述第二旋转机构的第二轴线垂直，所述第一旋转机构上安装所述力反馈穿刺进针控制器；

所述力反馈穿刺进针控制器通过所述第一旋转机构能够绕所述第一轴线转动，所述力反馈穿刺进针控制器带动所述第一旋转机构通过所述第二旋转机构能够绕所述第二轴线转动。

在其中一个实施例中，所述第一旋转机构包括转接座、可转动设置于所述转接座的第一旋转轴以及第一反馈组件，所述转接座用于安装所述力反馈穿刺进针控制器，所述第一旋转轴的端部连接所述第一反馈组件，所述第一反馈组件用于向所述第一旋转轴提供转动时的力反馈。

在其中一个实施例中，所述第一反馈组件包括第一减速件、第一编码件以及第一反馈件，所述第一编码件设置于所述第一旋转轴的一端，所述第一旋转轴的另一端通过所述第一减速件连接所述第一反馈件；

所述第一反馈件包括力反馈电机以及设置于所述力反馈电机输出端的抱闸部件。

在其中一个实施例中，所述第一旋转机构包括可转动安装所述第一旋转轴的支撑座、设置于所述支撑座两侧的支撑件、可转动设置于所述支撑件的第二旋转轴以及第二反馈组件，所述支撑件设置于所述承载底座，所述第二旋转轴的端部连接所述第二反馈组件，所述第二反馈组件用于向所述第二旋转轴提供转动时的力反馈。

在其中一个实施例中，所述第二反馈组件包括第二减速件、第二编码件以及第二反馈件，所述第二编码件设置于所述第二旋转轴的一端，所述第二旋转轴的另一端通过所述第二减速件连接所述第二反馈件；

所述第二反馈件包括力反馈电机以及设置于所述力反馈电机输出端的抱闸部件。

一种穿刺机器人，包括机器人主机、穿刺末端以及如上述任一技术特征所述的主手控制器；

所述穿刺末端承载穿刺针并设置于所述机器人主机，所述主手控制器与所述穿刺末端电连接，用于控制所述穿刺末端带动所述穿刺针执行穿刺操作。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下技术效果：

本发明的穿刺机器人、主手控制器及力反馈穿刺进针控制器，传输机构采用光电通信方式实现信号传输，通过阻断或导通信号传输机构的传输信号产生的信号变化控制穿刺执行机构执行穿刺操作。穿刺时穿刺执行机构阻断信号传输机构的传输信号，以向穿刺机器人的机器人主机发出穿刺信号，穿刺末端准备执行进针操作，随后，穿刺执行机构能输出直线运动控制穿刺末端进针，穿刺过程中，穿刺末端的进针阻力会反馈至力反馈机构上，通过力反馈机构将扭矩施加在穿刺执行机构上，使得医护人员操作穿刺执行机构时能够感受到穿刺针的进针阻力。通过穿刺执行机构、信号传输机构与力反馈机构的配合能够真实模拟临床穿刺工况，有效的解决目前无法模拟医生握针的穿刺过程的问题，使得医护人员感受到穿刺针进针时的阻力，让整个穿刺过程更加安全、高效，提高操作精度，进而提高穿刺成功率。

附图说明

图1为本发明一实施例的主手控制器的立体图；

图2为图1所示的主手控制器中力反馈穿刺进针控制器的立体图；

图3位图2所示的力反馈穿刺进针控制器去掉力反馈组件的立体图；

图4为图2所示的力反馈穿刺进针控制器中把手外壳中间剖开后第一壳体的立体图；

图5为图2所示的力反馈穿刺进针控制器中把手外壳中间剖开后第二壳体的立体图；

图6为图5所示的力反馈穿刺进针控制器中信号传输机构与使能安组件配合的工作原理示意图；

图7为图3所示的力反馈穿刺进针控制器中使能组件的示意图；

图8为图2所示的力反馈穿刺进针控制器中力反馈机构的示意图；

图9为图1所示的调姿结构设置于承载底座的立体图；

图10为图9所述的调姿结构中第一旋转机构剖开后的示意图；

图11为图10所示的第一旋转机构的部分立体图；

图12为图9所述的调姿结构中第二旋转机构剖开后的示意图；

图13为图12所示的第二旋转机构的部分立体图；

图14为图1所示的主手控制器中承载底座的立体图。

其中：100、主手控制器；110、承载底座；120、力反馈穿刺进针控制器；121、壳体；1211、第一壳体；1212、第二壳体；122、穿刺执行机构；1221、滑环；1222、使能组件；12221、使能按键；12222、遮光块；12223、按动复位件；12224、滑块；12225、安装座；1223、滑轨；123、信号传输机构；1231、发射件；1232、接收件；1233、第一压线板；1234、第二压线板；124、力反馈机构；1241、安装组件；12411、安装底座；12412、固定座；1242、直线运动组件；12421、第一滚轮；12422、第二滚轮；12423、连接绳；12424、第一限位件；12425、第二限位件；1243、力反馈组件；12431、执行电机；12432、位移检测件；12433、联轴器；130、调姿结构；131、第一旋转机构；1311、转接座；1312、第一旋转轴；1313、第一反馈组件；13131、第一减速件；13132、第一编码件；13133、第一反馈件；132、第二旋转机构；1321、支撑座；1322、支撑件；1323、第二旋转轴；1324、第二反馈组件；13241、第二减速件；13242、第二编码件；13243、第二反馈件；A、第一轴线；B、第二轴线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参见图1、图2和图9，本发明提供一种力反馈穿刺进针控制器120。该力反馈穿刺进针控制器120应用于主手控制器100中，进而该主手控制器100应用于穿刺机器人中，该主手控制器100可以利用力反馈穿刺进针控制器120对穿刺机器人的穿刺末端进行远程控制，使得穿刺末端承载穿刺针能够刺入患者体内的目标穿刺靶点。而且，该穿刺机器人可以配合CT等成像设备中使用，这样可以实现基于实时成像引导的远程穿刺操作，避免成像设备的辐射对医护人员的身体健康造成影响。

目前的主动遥操作式机器人在实际使用时，能够控制穿刺末端带动穿刺针执行穿刺操作，同时能够避免医护人员受到辐射照射。但是，目前的主动遥操作式机器人控制穿刺针运动时无法模拟医护人员握针的穿刺过程，无法反馈穿刺力大小，影响穿刺操作的安全性。

为此，本发明提供了一种新型的力反馈穿刺进针控制器120，该力反馈穿刺进针控制器120应用于主手控制器100中能够实现穿刺末端的远程控制，同时，该力反馈穿刺进针控制器120还能实时模拟临床穿刺工况，使得医护人员感受到穿刺针进针时的阻力，让整个穿刺过程更加安全、高效，提高操作精度，进而提高穿刺成功率。以下详细介绍力反馈穿刺进针控制器120的具体结构。

参见图1、图2和图9，在一实施例中，力反馈穿刺进针控制器120包括壳体121、穿刺执行机构122、信号传输机构123以及力反馈机构124。壳体121呈中空柱状结构。穿刺执行机构122设置于壳体121，穿刺执行机构122用于穿刺进针控制。信号传输机构123采用光电通信方式实现信号传输。穿刺执行机构122能够阻断或导通信号传输机构123的传输信号，通过阻断或导通信号传输机构123的传输信号产生的信号变化控制穿刺执行机构122执行穿刺操作。力反馈机构124用于将穿刺末端的进针组件反馈至穿刺执行机构122。

力反馈穿刺进针控制器120为主手控制器100控制穿刺针执行穿刺操作的主体结构。力反馈穿刺进针控制器120输出直线运动。主手控制器100能够与穿刺机器人的机器人主机传输连接，这里的传输连接是指电连接或通信连接。力反馈穿刺进针控制器120能够将穿刺信号反馈给机器人主机，使得机器人主机控制穿刺末端准备穿刺动作，然后，力反馈穿刺进针控制器120运动时，力反馈穿刺进针控制器120的运动能够实时反馈到机器人主机上，进而机器人主机能够根据力反馈穿刺进针控制器120的运动控制穿刺末端带动穿刺针执行穿刺操作。

可选地，主手控制器100还包括主控板，主控板与力反馈穿刺进针控制器120电连接。主控板能够接收力反馈穿刺进针控制器12反馈的各项信号，并根据接收的信号输出相应的控制信号，以满足不同场景的使用需求。

壳体121为力反馈穿刺进针控制器120的操作部件，医护人员通过对壳体121的操作实现穿刺针的穿刺。穿刺执行机构122部分位于壳体121中，部分露出壳体121，穿刺执行机构122能够相对于壳体121运动，进而实现穿刺针穿刺的控制。可以理解的，穿刺执行机构122能够输出直线运动，该直线运动被反馈至机器人主机后，机器人主机能够根据穿刺执行机构122输出的直线运动的距离控制穿刺针执行穿刺操作，使得穿刺能够顺利刺入目标穿刺靶点。

信号传输机构123设置在壳体121中，并与穿刺执行机构122配合使用。信号传输机构123与主控板电连接，信号传输机构123通过光电通信方式实现信号传输。传输信号的导通与阻断能够控制主控板是否向机器人主机发送穿刺信号。

可选地，信号传输机构123的传输信号的导通或阻断实现穿刺信号的传输控制。具体的，若信号传输机构123的传输信号处于导通状态，主控板未向主控机器人发送穿刺信号。当信号传输机构123的传输信号被阻断，则信号传输机构123通过主控板向主控机器人发送穿刺信号，主控机器人根据穿刺信号控制穿刺末端执行准备穿刺的操作。当然，在本发明的其他实施方式中，信号传输机构也可通过其他无线或者红外等方式实现信号传输。

在本实施例中，信号传输机构123发射传输光路，通过传输光路实现穿刺信号的传递。信号传输机构123的传输光路的导通与阻断通过穿刺执行机构122实现。当然，在本发明的其他实施方式中，传输信号还可为除了传输光路之外的信号。值得说明的是，为了便于描述，仅以穿刺执行机构122对信号传输机构123的传输光路进行阻断或导通，其他形式的原理与传输光路的原理实质相同，在此不一一赘述。

穿刺执行机构122能够相对于壳体121按动，这一点在后文体现。穿刺执行机构122按动时，穿刺执行机构122能够运动至信号传输机构123中，以阻断信号传输机构123的光路。穿刺执行机构122按动的同时，穿刺执行机构122还能相对于壳体121滑动，以控制穿刺末端带动穿刺针执行穿刺操作。当松开穿刺执行机构122或穿刺执行机构122处于初始位置时，穿刺执行机构122脱离信号传输机构123的传输光路，传输光路处于导通状态。

而且，壳体121的底部设置力反馈机构124，力反馈机构124与穿刺执行机构122连接，力反馈机构124通过主控板与机器人主机传输连接。力反馈机构124能够获取穿刺执行机构122输出的直线运动的位移，力反馈机构124将位移信号通过主控板反馈给机器人主机，机器人主机将位移信号转化为直线位移，机器人主机根据该直线位移控制穿刺末端运动，使得穿刺末端带动穿刺针执行穿刺操作，以准确刺入目标穿刺靶点。穿刺操作完成后，主手控制器100按照进针过程的反向运动，实现穿刺针退出患者体内，其原理与进针过程实质相同，在此不一一赘述。

可以理解的，穿刺针运动的直线位移与穿刺执行机构122输出的直线运动的位移存在比例映射关系，比如1:1等。这样医护人员操作穿刺执行机构122输出预设距离时可以控制穿刺针运动预设距离，以真实模拟医护人员握针穿刺的临床穿刺工况，提升医护人员的操作体验，进一步提高穿刺成功率。

另外，穿刺针刺入患者体内时，人体组织会对穿刺针产生反作用力即为穿刺的阻力，该阻力通过穿刺末端的传感器检测，并反馈至主控板。主控板控制力反馈机构124根据穿刺末端反馈的阻力对穿刺执行机构122施加作用力，使得穿刺执行机构122输出直线运动时能够感受到穿刺针穿刺时的阻力，实现穿刺力的反馈功能。这样，医护人员在使用主手控制器100中的力反馈穿刺进针控制器120远程控制穿刺针执行穿刺操作时，通过力反馈机构124为医护人员提供实时的力觉反馈，让医护人员能够感受到穿刺针进针的阻力，让操作过程更加安全高效。

可选地，主控板上设置通信单元，用于建立主控板与机器人主机的传输连接，实现主控板与机器人主机的信息交互。也就是说，主控板与机器人主机之间的信息交互通过通信单元实现，为了简便描述，在后文省略主控板通过通信单元与机器人主机传输，直接描述为主控板与机器人主机信息交互。可选地，通信单元包括但不限于以太网、串口、无线、CAN总线、Ether CAT总线等等。本实施例中，通信单元通过以太网实现信息交互。

上述实施例的力反馈穿刺进针控制器120，通过穿刺执行机构122、信号传输机构123与力反馈机构124的配合能够真实模拟临床穿刺工况，有效的解决目前无法模拟医生握针的穿刺过程的问题，使得医护人员感受到穿刺针进针时的阻力，让整个穿刺过程更加安全、高效，提高操作精度，进而提高穿刺成功率。

参见图2至图8，在一实施例中，穿刺执行机构122包括滑环1221、使能组件1222以及滑轨1223，滑轨1223设置于壳体121的内壁，滑环1221可滑动套设于壳体121，使能组件1222可按动设置于滑环1221及壳体121中，并与滑轨1223滑动连接。按压使能组件1222时，滑环1221通过使能组件1222能够沿滑轨1223滑动。

滑环1221套设在壳体121的外侧，并且，滑环1221能够沿壳体121的外壳滑动。滑环1221滑动时，力反馈机构124能够检测到滑环1221的运动，进而通过主控板反馈给机器人主机，机器人主机控制穿刺末端带动穿刺针运动。按压使能组件1222时，滑环1221能够沿壳体121移动，松开使能组件1222后，滑环1221在壳体121的位置被固定。而且，滑环1221的运动行程范围由穿刺末端的穿刺针行程决定，当然也可以设置一定的放大比例，以减小主手操作器的整体行程。

当滑环1221沿图3所示方向向右滑动时，滑环1221通过力反馈机构124能够控制穿刺针执行进针操作，使得穿刺针刺入目标穿刺靶点。当滑环1221沿图3所示方向向左滑动时，滑环1221通过力反馈机构124能够控制穿刺针执行退针操作，使得穿刺针能够退出患者体内。

参见图4和图7，滑轨1223设置在壳体121的内壁。滑轨1223能够对滑环1221的运动进行导向，避免滑环1221沿壳体121滑动时，滑环1221的位置发生窜动，保证滑环1221能够准确的控制穿刺针运动。使能组件1222可按动地设置在壳体121中，并且，使能组件1222连接滑环1221与滑轨1223。滑环1221通过使能组件1222与滑轨1223滑动连接，以对滑轨1223的运动进行导向。

使能组件1222能够锁定或解锁滑环1221，而且，使能组件1222与信号传输机构123配合还能实现穿刺信号的发送。使能组件1222的端部相对于滑环1221露出，使能组件1222相对于滑环1221可按动。按压使能组件1222时，使能组件1222在壳体121中运动，能够阻断信号传输组机构的传输光路，信号传输机构123向机器人主机发送穿刺信号。同时，操作滑环1221沿壳体121运动即可控制穿刺针执行穿刺操作。松开使能组件1222，使能组件1222的端部露出滑环1221，使能组件1222不再阻断信号传输机构123的传输光路，传输光路处于导通状态。

参见图5和图6，在一实施例中，信号传输机构123包括设置于壳体121两端的发射件1231与接收件1232。发射件1231用于发射传输光路，并由接收件1232接收。使能组件1222能够运动至发射件1231与接收件1232之间，或者远离发射件1231与接收件1232的传输光路。按压使能组件1222后，使能组件1222能够阻挡传输光路。

发射件1231与接收件1232相对设置在壳体121的两端，并且，发射件1231与接收件1232之间的距离大于滑环1221的运动行程。发射件1231能够一直发射传输光路，并通过接收件1232接收。可选地，信号传输机构还包括导通发射件1231与接收件1232的导通件。发射件1231与接收件1232通过导通件导通，并使得发射件1231与接收件1232分别连接至端部的放大器，便于信号传输。可选地，导通件为光纤。

值得说明的是，主手控制器100中的力反馈穿刺进针控制器120通过信号传输机构123实现非接触式进针控制。按压使能组件1222时，使能组件1222中的遮光块12222能够阻挡发射件1231发射的传输光路，使信号传输机构123中的电平状态发生改变，以触发穿刺信号。当松开使能组件1222时，传输光路被重新导通，结束穿刺状态。

具体的，当按压使能组件1222时，使能组件1222能够运动至发射件1231与接收件1232之间，使能组件1222阻断发射件1231发射的传输光路，接收件1232无法接收传输光路，表明可以进行穿刺操作，此时，接收端通过主控板向机器人主机发送穿刺信号，表明穿刺运动开始。当松开使能组件1222时，使能组件1222会远离发射件1231发射的传输光路，使能组件1222不再阻断传输光路，接收端接收传输光路后，能够通过主控板向机器人主体发送停止信号，表明穿刺运动停止。

可选地，信号传输机构123为光线传感器，发射件1231为发射端，接收件1232为接收端。发射件1231与接收件1232通过光纤连接。

参见图2,至图5，在一实施例中，壳体121包括第一壳体1211以及第二壳体1212。第一壳体1211与第二壳体1212对合安装围设成腔体，信号传输机构123以及使能组件1222等安装在腔体中。而且，滑轨1223设置在第一壳体1211中，信号传输机构123安装在第二壳体1212中，避免使能组件1222与信号传输机构123的连接件发生干涉，保证信号传输机构123能够可靠工作。

具体的，滑轨1223沿壳体121的长度方向设置在第一壳体1211的内壁。并且，力反馈机构124的部分结构也设置在第一壳体1211中，这一点后文提及。发射件1231通过第一压线板1233固定在第二壳体1212的一端部，接收件1232通过第二压线板1234固定在第二壳体1212的另一端部。而且，第二壳体1212的内壁开设固定导通件的线槽，通过第一压线板1233与第二压线板1234避免连接板脱槽，保证信号传输机构123工作的可靠性。

参见图7，在一实施例中，使能组件1222包括使能按键12221、遮光块12222、按动复位件12223以及与滑环1221连接的滑块12224，滑块12224可滑动设置于滑轨1223，使能按键12221可按压设置于滑环1221，遮光块12222可运动设置于壳体121中，并与使能按键12221连接，按动复位件12223弹性连接遮光块12222与滑块12224；按压使能按键12221时，遮光块12222能够阻断传输信号。可选地，按动复位件12223为弹簧。

滑块12224可滑动设置在滑轨1223上。滑块12224与滑环1221固定连接，滑环1221沿壳体121滑动时，滑环1221能够带动滑块12224沿滑轨1223滑动，保证滑环1221的运动轨迹准确，避免滑环1221的位置窜动。同时还能减小滑环1221滑动时的摩擦力。可选地，滑环1221通过螺纹件等固定在滑块12224上。

滑环1221具有与壳体121内连通的通孔，使能按键12221设置于通孔中，并凸出于滑环1221设置，使能按键12221在通孔中可按动设置。可选地，使能按键12221通过胶粘等方式设置在滑环1221。通过手持滑环1221并控制是否下压使能按键12221实现滑环1221在壳体121的上下移动，以模拟穿刺过程。按压使能按键12221时，滑环1221才能沿壳体121滑动，否则滑环1221被固定。

使能按键12221在通孔中与遮光块12222连接。使能按键12221能够带动遮光块12222在壳体121中往复运动，使得遮光块12222位于传输光路或远离传输光路。在初始状态下即未按压使能按键12221时，遮光块12222与滑块12224之间存在一定的空间，该空间能够供传输光路通过。当按压使能按键12221后，遮光块12222会阻挡上述的空间，进而对传输光路进行阻断。

值得说明的是，遮光块12222的结构形式原则上不受限制，只要能够实现阻断光路即可。按压使能按键12221时，使能按键12221缩回滑环1221并带动遮光块12222运动至传输光路，以阻断传输光路，使信号传输机构123发送穿刺信号。松开使能按键12221时，使能按键12221与遮光块12222复位，使能按键12221伸出滑环1221，遮光块12222在壳体121中运动以脱离传输光路，传输光路导通，此时信号传输机构123不在发送穿刺信号。

在遮光块12222与滑块12224之间设置按动复位件12223，通过按动复位件12223实现使能按键12221与遮光块12222的自动复位，保证操作过程准确。具体的，按动复位件12223的一端与遮光块12222连接，按动复位件12223的另一端与滑块12224连接。当按压使能按键12221时，使能按键12221能够克服按动复位件12223的弹性力带动遮光块12222运动阻断传输光路；当松开使能按键12221时，按动复位件12223的弹性力能够带动遮光块12222以及使能按键12221复位，使得遮光块12222不在遮挡传输光路。

参见图2、图4和图8，在一实施例中，力反馈机构124包括安装组件1241、直线运动组件1242以及与直线运动组件1242连接的力反馈组件1243，安装组件1241安装于壳体121的底部，用于安装力反馈组件1243，直线运动组件1242设置于壳体121，并与滑块12224连接，力反馈组件1243能够向直线运动组件1242施加阻力。

安装组件1241起到支撑作用，设置于壳体121的底部，用于安装力反馈结构的各个部件。具体的，部分直线运动组件1242设置在壳体121的第一壳体1211中，直线运动部件的底部可运动设置在安装组件1241中。力反馈组件1243可运动安装在安装组件1241。

直线运动组件1242能够与滑块12224连接，滑环1221带动滑块12224运动时，滑环1221能够带动直线运动组件1242做直线运动，而且，力反馈组件1243与直线运动组件1242连接。通过力反馈组件1243检测滑环1221的运动位移。同时，力反馈组件1243还能通过直线运动组件1242经滑块12224向滑环1221施加阻力，以模拟穿刺针的进针阻力。

滑环1221做直线运动时，力反馈组件1243能够检测到滑环1221的直线运动的距离，并通过主控板反馈给机器人主机，机器人主机将滑环1221直线运动的距离转化为直线位移，机器人主机通过直线位移控制穿刺末端带动穿刺针执行穿刺操作。

而且，穿刺针刺入患者体内时，人体组织会对穿刺针产生反作用力即为穿刺的阻力，该阻力通过穿刺末端的传感器检测，并通过主控板反馈至力反馈组件1243上，通过力反馈组件1243施加反作用力作用在直线运动组件1242上，使得滑环1221带动直线运动组件1242的运动存在阻力，这样，医护人员操作滑环1221时，能够感受到穿刺针的进针阻力。

参见图2、图4和图8，在一实施例中，直线运动组件1242包括第一滚轮12421、与第一滚轮12421间隔设置的第二滚轮12422以及连接第一滚轮12421与第二滚轮12422的连接绳12423，第一滚轮12421可转动设置于壳体121原理安装组件1241的一端，第二滚轮12422可转动设置于安装组件1241。

第一滚轮12421设置在壳体121的第一壳体1211的一端部，第二滚轮12422设置在安装组件1241，连接绳12423环绕第一滚轮12421与第二滚轮12422设置。连接绳12423运动时能够带动第一滚轮12421与第二滚轮12422转动。连接绳12423还通过使能组件1222连接至滑环1221，滑环1221运动时能够带动连接绳12423运动。可选地，连接绳12423为钢丝绳。这样可以避免连接绳12423发生松弛。当然，在本发明的其他实施方式中，直线运动组件1242还可以为链轮、带传动等结构。

第二滚轮12422上连接力反馈组件1243，第二滚轮12422转动时，力反馈组件1243能够检测滑环1221沿壳体121的直线运动的距离，并通过主控板反馈至机器人主机，以控制穿刺针进行穿刺。同时，穿刺针穿刺过程中的阻力也会反馈至主控板，主控板根据阻力大小控制力反馈组件1243运动，使得力反馈组件1243输出扭矩作用于第二滚轮12422。滑环1221通过滑块12224带动连接绳12423运动时，第二滚轮12422受到的扭矩会对连接绳12423的运动施加反作用力。这样，医护人员操作滑环1221滑动时能够感受到力反馈组件1243施加扭矩产生的阻力，即为穿刺针的进针阻力，以真实模拟握针穿刺的工况。

在一实施例中，直线运动组件1242还包括张紧弹簧，张紧弹簧设置于连接绳12423，用于使连接绳12423保持张紧状态，便于滑块12224通过带动连接绳12423带动第一滚轮12421与第二滚轮12422转动，保证滑环1221的直线运动的距离能够准确的转化为穿刺针的直线位移，使得穿刺针能够准确的刺入目标穿刺靶点。

在一实施例中，直线运动组件1242还包括第一限位件12424与第二限位件12425，第一限位件12424与第二限位件12425分别设置于第一滚轮12421与第二滚轮12422处，用于限制滑环1221的运动行程。第一限位件12424与第二限位件12425位于第一滚轮12421与第二滚轮12422之间，并且，第一限位件12424靠近第一滚轮12421设置，第二限位件12425靠近第二滚轮12422设置。可选地，第一限位件12424与第二限位件12425为限位开关。第一限位件12424与第二限位件12425为机械运动限制的极限点位置，确保在机械限位之前电气限位先工作。

第一限位件12424与第二限位件12425可以避免滑环1221超行程运行，保证穿刺针的运动轨迹准确，保证穿刺针的穿刺不超行程，避免意外事故发生。当滑环1221带动滑块12224运动至第二限位处时，第二限位件12425检测到滑环1221时，表明滑块12224运动至极限位置，穿刺针停止进针，此时，穿刺针的端部位于目标穿刺靶点。当滑环1221带动滑块12224至第一限位件12424处，第一限位件12424检测到滑块12224时，表明滑环1221运动至极限位置，此时，穿刺针完成退针操作。

可选地，第一限位件12424以及第二限位件12425与主控板电连接。第一限位件12424与第二限位件12425自动识别滑块12224的极限位置，并反馈给主控板。当滑块12224运动至任一极限位置时，主控板能够控制执行电机12431运动，限制滑环1221的继续运动。

参见图7，在一实施例中，使能组件1222还包括安装座12225以及固定部件，安装座12225连接滑块12224与滑环1221，固定部件用于将连接绳12423固定于安装座12225。安装座12225固定在滑块12224上，用于增加滑块12224的接触面积，便于滑块12224与滑环1221及使能组件1222的其他部件连接。可选地，安装座12225与滑块12224可以为一体结构；当然，安装座12225与滑块12224也可通过可拆卸方式连接。

安装座12225固定在滑块12224上，并且，安装座12225与滑环1221连接，而且，安装座12225与遮光块12222之间存在空间，该空间中可以安装按动复位件12223。而且，安装座12225上还具有供连接绳12423穿过的通孔，固定部件将连接绳12423固定在安装座12225上。这样滑环1221带动滑块12224运动时，滑环1221能够通过安装座12225带动连接绳12423同步运动。可选地，固定部件包括螺纹件以及压板等。

参见图2、图4和图8，在一实施例中，力反馈组件1243包括设置于执行电机12431以及位移检测件12432，执行电机12431以及位移检测件12432分别设置于第二滚轮12422的轴向端部，位移检测件12432用于将滑环1221的移动量反馈至穿刺末端，执行电机12431用于将穿刺末端反馈的穿刺力转化为扭矩施加至连接绳12423。

第二滚轮12422的一个轴端连接执行电机12431，第二滚轮12422的另一个轴端连接位移检测件12432。通过位移检测件12432检测当前滑块12224的位置状态，识别滑块12224的运动行程，并通过主控板反馈至机器人主机。医护人员移动滑环1221时，滑环1221通过滑块12224以及连接绳12423带动第二滚轮12422转动，进而使得位移检测件12432检测到有位移信号输出，控制穿刺末端执行相同运动。

可选地，位移检测件12432为绝对式编码器，通过绝对式编码器检测滑环1221直线运动的距离。进一步地，力反馈组件1243还包括编码器连接座，绝对式编码器通过编码器连接座设置在第二滚轮12422的轴端。当然，在本发明的其他实施方式中，位移检测件12432为电位计，通过电位计识别滑块12224的运动行程。在本发明的其他实施方式中，位移检测件12432还可为传感器等部件，其工作原理与编码器的工作原理实质相同，在此不一一赘述。

位移检测件12432为绝对式编码器时，绝对式编码器能够检测滑环1221的直线运动的位移，并通过主控板将滑环1221的位移反馈至机器人主机，机器人主机将滑环1221的位移转化为穿刺针穿刺时的直线位移，进而机器人主机控制穿刺末端带动穿刺针移动上述直线位移，使得穿刺针刺入目标穿刺靶点。

主控板与执行电机12431电连接。力反馈通过执行电机12431实现。移动滑环1221时，滑环1221能够控制穿刺针执行穿刺操作，同时，滑环1221通过连接绳12423带动第二滚轮12422转动，第二滚轮12422带动执行电机12431旋转。若此时穿刺末端存在进针的阻力，那么执行电机12431会产生等值的旋转扭矩作用到下滚轮上。这样，移动滑环1221时能够感受到与滑环1221运动方向相反的进针阻力，由此实现主手控制器100穿刺手术中的力反馈。

具体的，穿刺针执行穿刺过程中，穿刺针与人体组织接触时的阻力可以通过穿刺末端的传感器检测，传感器将进针时的阻力反馈至机器人主机，进而机器人主机将阻力反馈至主控板，主控板控制执行电机12431施加一定的电流产生扭矩作用在第二滚轮12422上，进而第二滚轮12422将阻力作用到连接绳12423上。该扭矩产生的阻力与穿刺针的实际进针的阻力相一致。连接绳12423上的阻力通过滑环1221作用到医护人员手上，医生移动滑环1221时会感到阻力，实现穿刺力的反馈功能。

值得说明的是，当按下使能按键12221后，表明设备即将准备穿刺动作。当医护人员往下推动滑环1221时，因执行电机12431的作用，滑环1221将会受到阻力，这个阻力由执行电机12431输出阻力和设备系统阻力叠加形成。通常设备系统阻力小，可以忽略不计，这样医护人员体验到的力就取决于执行电机12431的阻力。穿刺机器人在穿刺过程中现场阻力的数据通过机器人主机反馈到主控板，主控板调节执行电机12431的电流大小，再将阻力最终传递到滑环1221上面，最终握住滑环1221的手部会体验到一个穿刺受伤的力反馈。

在一实施例中，力反馈穿刺进针控制器120还包括复位按键，复位按键设置在整机的外壳上，复位按键与主控板电连接，并通过主控板电连接至执行电机12431。当穿刺操作执行完成后，操作复位按键，复位按键通过主控板控制执行电机12431运动，使得执行电机12431通过第二滚轮12422以及连接绳12423带动滑块12224以及为滑环1221复位，实现穿刺针退出患者体内。当然，在本发明的其他实施方式中，也可通过滑环1221沿壳体121的反向运动实现穿刺针的退针操作。

在一实施例中，力反馈机构124还包括联轴器12433，联轴器12433连接执行电机12431与第二滚轮12422。通过联轴器12433连接第二滚轮12422与执行电机12431后，使得第二滚轮12422与执行电机12431之间不存在传动环节，保证了传动效率，降低了摩擦阻力，提高了穿刺力反馈的保真性。

在一实施例中，力反馈机构124还包括电机控制单元，电机控制单元电连接主控板与执行电机12431。电机控制单元能够控制执行电机12431运动，以实现稳定的准确的反馈进针的阻力信息。可选地，电机控制单元为电机驱动器。

主手控制器100控制穿刺针进针时，医护人员按压使能按键12221，使能按键12221带动遮光块12222阻挡信号传输机构123的传输光路，信号传输机构123通过主控板向机器人主机发送穿刺信号，进而机器人主机控制穿刺末端带动穿刺针准备执行穿刺操作。此时，医护人员沿壳体121移动滑环1221，使得滑环1221从第一滚轮12421的方向向第二滚轮12422的方向运动。滑环1221运动过程中，滑环1221通过滑块12224带动连接绳12423运动，进而连接绳12423带动第一滚轮12421与第二滚轮12422转动。

第二滚轮12422转动时，第二滚轮12422上的位移检测件12432能够检测滑环1221的直线运动的移动量，并通过主控板传递给机器人主机，机器人主机将移动量转化为穿刺针穿刺时的直线位移。机器人主机根据穿刺针的直线位移控制穿刺末端运动，使穿刺末端执行穿刺操作，最终使穿刺针刺入目标穿刺靶点。

穿刺针刺入患者体内的同时，穿刺末端的传感器能够检测到穿刺针与人体组织相互作用产生的作用力，即为穿刺针的进针的阻力。传感器将进针的阻力通过机器主机经主控板反馈至电机控制单元，通过电机控制单元控制执行电机12431施加一定电流产生扭矩作用在第二滚轮12422上，进而第二滚轮12422的扭矩能够将阻力作用到连接绳12423上，并通过连接绳12423传递到滑环1221进而作用到医护人员的手上，医护人员能够感受到移动阻力，实现穿刺力反馈功能。

力反馈穿刺进针控制器120通过上述方式控制穿刺针实现进针操作，直到穿刺针的端部运动至目标穿刺靶点后，力反馈穿刺进针控制器120停止工作，此时，穿刺针可以对目标穿刺靶点进行检查或治疗等工作。当穿刺操作完成后，可以按照滑环1221的反向运动实现穿刺针退出患者体内，也可以通过复位按键实现滑环1221的自动复位，实现穿刺针的自动退出。

参见图8，在一实施例中，安装组件1241包括安装底座12411以及设置于安装底座12411的固定座12412，安装底座12411与固定座12412围设成安装第二滚轮12422的安装腔，执行电机12431固定于安装底座12411，位移检测件12432穿过安装底座12411伸出，固定座12412用于安装壳体121。

固定座12412安装在安装底座12411的上方，固定座12412能够安装壳体121，实现壳体121的固定。执行电机12431固定在安装底座12411的端部，执行电机12431的输出端伸入安装底座12411中，通过联轴器12433与第二滚轮12422连接。第二滚轮12422远离执行电机12431的轴端伸出安装底座12411，并安装位移检测件12432。可选地，安装组件1241还包括轴承，通过轴承支撑第二滚轮12422的轴端，保证第二滚轮12422转动平稳，避免与安装底座12411以及固定座12412发生干涉。

参见图1和图9，本发明还提供一种主手控制器100，该主手控制器100包括承载底座110、调姿结构130以及上述任一实施例中的力反馈穿刺进针控制器120。调姿结构130设置于承载底座110。力反馈穿刺进针控制器120可转动设置于调姿结构130。

参见图1和图14，承载底座110起承载作用，用于支撑主手控制器100的各个零部件。具体的，承载底座110上设置调姿结构130，调姿结构130上安装力反馈穿刺进针控制器120。承载底座110能够使得主手控制器100形成一个整体结构，便于安装使用。使用时，主手控制器100通过承载底座110安装在操作台面上。示例性地，承载底座110为配重块。也就是说，承载底座110为一个比较大的平板，既能实现各零部件的安装，又能够实现整体移动。而且，承载底座110因重量较大，在使用力反馈穿刺进针控制器120与调姿结构130时，主手控制器100整体不会运动，保证操作的准确性。

调姿结构130为主手控制器100调节穿刺针姿态的主要结构。力反馈穿刺进针控制器120可转动设置在调姿结构130中，调姿结构130输出绕轴旋转的运动。调节穿刺针姿态时，力反馈穿刺进针控制器120能够相对于调姿结构130转动，进而调姿结构130能够检测到力反馈穿刺进针控制器120的倾角信息，调姿结构130将倾角信息反馈给机器人主机后，机器人主机能够根据力反馈穿刺进针控制器120的倾角信息调节穿刺末端的姿态，以达到调节穿刺针姿态的目的，使得穿刺针能够对准目标穿刺靶点，保证穿刺操作的准确性。

主手控制器100的主控板与力反馈穿刺进针控制器120以及调姿结构130电连接。主控板能够接收力反馈穿刺进针控制器120以及调姿结构130反馈的各项信号，并根据接收的信号输出相应的控制信号，以满足不同场景的使用需求。

使用本发明的主手控制器100进行穿刺控制时，先根据目标穿刺靶点确定穿刺针在空间中的姿态，然后，主手控制器100控制力反馈穿刺进针控制器120相对于调姿结构130转动预设角度，随后调姿结构130将倾角信息反馈给机器人主机，机器人主机根据倾角信息调节穿刺末端上穿刺针的姿态，使得穿刺针能够对准目标穿刺靶点。然后，力反馈穿刺进针控制器120工作，力反馈穿刺进针控制器120运动并反馈至机器人主机上，通过机器人主机控制穿刺针带动穿刺末端执行穿刺操作。

参见图1和图9，在一实施例中，调姿结构130包括第一旋转机构131以及设置于第一旋转机构131的第二旋转机构132，第一旋转机构131的第一轴线A与第二旋转机构132的第二轴线B垂直，第一旋转机构131上安装力反馈穿刺进针控制器120。力反馈穿刺进针控制器120通过第一旋转机构131能够绕第一轴线A转动，力反馈穿刺进针控制器120带动第一旋转机构131通过第二旋转机构132能够绕第二轴线B转动。

第二旋转机构132设置在承载底座110上，第一旋转机构131设置在第二旋转机构132上，力反馈穿刺进针控制器120的安装底座12411安装在第一旋转机构131上。第一旋转机构131能够输出绕第一轴线A的旋转运动，第二旋转机构132能够输出绕第二轴线B的旋转运动。第一旋转机构131与第二旋转机构132串联连接，并且，第一旋转机构131的第一轴线A与第二旋转机构132的第二轴线B共面设置，且第一旋转机构131的第一轴线A叠加于第二旋转机构132的第二轴线B。也就是说，第一旋转机构131的旋转运动不影响第二旋转机构132，但第二旋转机构132转动时能够带动第一旋转机构131的第一轴线A的方向发生改变。

握持壳体121时，壳体121可以通过安装底座12411绕第一旋转机构131的第一轴线A转动；而且，壳体121还可以通过安装底座12411带动带动第一旋转机构131绕第二旋转机构132的第二轴线B转动。第一旋转机构131与第二旋转机构132通过主控板和机器人主机通信连接，第一旋转机构131与第二旋转机构132能够将壳体121转动的角度反馈给机器人主机，通过机器人主机带动穿刺末端运动，以实现穿刺针的空间姿态的调节。

参见图9至图11，在一实施例中，第一旋转机构131包括转接座1311、可转动设置于转接座1311的第一旋转轴1312以及第一反馈组件1313，转接座1311用于安装力反馈穿刺进针控制器120，第一旋转轴1312的端部连接第一反馈组件1313，第一反馈组件1313用于向第一旋转轴1312提供转动时的力反馈。

转接座1311实现第一旋转轴1312的安装，并可以安装力反馈穿刺进针控制器120的安装底座12411。而且，第一旋转轴1312的两端伸出转接座1311，并可转动安装在第二旋转机构132上。可选地，转接座1311的结构形式不受限制，只要能够连接安装底座12411，并安装第一旋转轴1312即可。示例性地，转接座1311包括两部分，通过两部分对合形成腔体以便于第一旋转轴1312的安装。第一旋转轴1312伸出的端部可以连接第一反馈组件1313。通过第一反馈组件1313反馈转动调姿时穿刺针的阻力，以模拟实际穿刺针的调姿过程，便于医护人员操作。

第一旋转轴1312的旋转轴线即为第一轴线A。握持壳体121，壳体121通过转接座1311带动第一旋转轴1312转动，以使得第一旋转轴1312绕第一轴线A旋转，进而第一旋转轴1312能够带动第一反馈组件1313转动。第一反馈组件1313通过主控板与机器人主机通信连接，实现信息交互。

若穿刺末端带动穿刺针转动以调整空间姿态时，穿刺针遇到调姿阻力。机器人主机将调姿阻力反馈至主控板，主控板控制第一反馈组件1313向第一旋转轴1312施加与穿刺针的调姿阻力相当的阻力。这样，医护人员通过壳体121带动第一旋转轴1312转动时能够感受到与转动方向相反的阻力，由此实现调姿时的力反馈。

在一实施例中，第一反馈组件1313包括第一减速件13131、第一编码件13132以及第一反馈件13133，第一编码件13132设置于第一旋转轴1312的一端，第一旋转轴1312的另一端通过第一减速件13131连接第一反馈件13133。第一反馈件13133包括力反馈电机以及设置于力反馈电机输出端的抱闸部件。

第一编码件13132与第一减速件13131分别设置在第一旋转轴1312的两端，第一反馈件13133设置在承载底座110上，并且，第一减速件13131还与第一反馈件13133连接。第一旋转轴1312转动时，第一旋转轴1312能够带动第一编码件13132与第一减速件13131转动，通过第一编码件13132能够检测到第一旋转轴1312的旋转角度，该旋转角度即为壳体121绕第一轴线A的旋转角度。第一编码件13132与主控板电连接，通过主控板将第一编码件13132检测到的旋转角度的信息反馈至机器人主机，以控制穿刺末端带动穿刺针按照旋转角度的信息转动。

第一减速件13131转动的同时，第一减速件13131能够带动第一反馈件13133的转动。若穿刺针存在调姿阻力时，第一反馈件13133接收穿刺针的调姿阻力后，能够通过第一减速件13131向第一旋转轴1312施加与旋转方向相反的阻力，以实现穿刺针旋转的力反馈。当穿刺针沿第一轴线A的旋转角度调节完成后，主控板还能控制第一反馈件13133锁死第一旋转轴1312，使得第一旋转轴1312无法转动，避免后期穿刺过程中第一旋转轴1312的转动影响穿刺针的空间姿态。

可选地，第一反馈件13133包括力反馈电机以及设置于力反馈电机的输出轴的抱闸部件。通过力反馈电机向第一旋转轴1312施加阻力，以模拟穿刺针调姿时的阻力。而且，抱闸部件可以实现力反馈电机的制动。当穿刺针沿第一轴线A的方向旋转完成后，无需继续沿第一轴线A方向旋转，抱闸部件能够抱紧力反馈电机的输出轴，限制力反馈电机输出轴的转动，进而第一减速件13131无法转动，以限制第一旋转轴1312的转动。

可选地，第一减速件13131为同步带结构，其中一个为大轮，另一个为小轮。小轮设置在力反馈电机的输出端，大轮设置在第一旋转轴1312的端部，同步带连接大轮与小轮，以此实现传动减速。当然，在本发明的其他实施方式中，第一减速件13131还可为轮传动结构、齿轮传动结构等等，其原理与同步带结构实质相同，在此不一一赘述。

可选地，第一编码件13132即为编码器，包括磁盘以及读数头，通过磁盘与读数头的配合实现第一旋转轴1312旋转角度的检测。第一编码件13132与主控板电连接，通过主控板将第一旋转轴1312的旋转角度反馈至机器人主机，通过机器人主机控制穿刺末端按照旋转角度调节穿刺针的空间姿态，使得穿刺针能够对准目标穿刺靶点。

参见图9、图12和图13，在一实施例中，第一旋转机构131包括可转动安装第一旋转轴1312的支撑座1321、设置于支撑座1321两侧的支撑件1322、可转动设置于支撑件1322的第二旋转轴1323以及第二反馈组件1324，支撑件1322设置于承载底座110，第二旋转轴1323的端部连接第二反馈组件1324，第二反馈组件1324用于向第二旋转轴1323提供转动时的力反馈。

支撑座1321用于能够使第一旋转机构131安装到第二旋转机构132上，支撑座1321在转接座1311的两端可转动支撑第一旋转轴1312，并与第二旋转轴1323固定连接。支撑件1322对称设置在承载底座110上，并连接支撑座1321，实现支撑座1321位置的固定。可选地，支撑座1321通过螺纹件等固定在承载底座110上。支撑件1322上可转动第二旋转轴1323的两端，而且第二旋转轴1323的两端伸出支撑座1321，用于连接第二反馈组件1324。通过第二反馈组件1324反馈转动调姿时穿刺针的阻力，以模拟实际穿刺针的调姿过程，便于医护人员操作。可选地，支撑件1322为呈板状设置。

可以理解的，第二旋转轴1323包括两个轴段，分别设置在第一旋转轴1312的两侧，以保证第二旋转轴1323能够与第一旋转轴1312相分离设置，在保证调姿可靠的同时避免发生干涉。第二旋转轴1323的旋转轴线即为第二轴线B。具体的，第一旋转轴1312能够相对于安装座12225转动，实现穿刺针绕第一轴线A方向的姿态的调节。壳体121通过转接座1311、第一旋转轴1312以及安装座12225能够带动第二旋转轴1323绕支撑件1322转动，实现穿刺针绕第二轴线B方向的姿态的调节。

第一反馈组件1313锁定第一旋转轴1312时，握持壳体121，壳体121通过转接座1311、第一旋转轴1312以及安装座12225能够带动第二旋转轴1323转动，以使得第二旋转轴1323绕第二轴线B旋转，进而第二旋转轴1323能够带动第二反馈组件1324转动。第二反馈组件1324通过主控板与机器人主机通信连接，实现信息交互。

若穿刺末端带动穿刺针转动以调整空间姿态时，穿刺针遇到调姿阻力。机器人主机将调姿阻力反馈至主控板，主控板控制第二反馈组件1324向第二旋转轴1323施加与穿刺针的调姿阻力相当的阻力。这样，医护人员通过壳体121带动第二旋转轴1323转动时能够感受到与转动方向相反的阻力，由此实现调姿时的力反馈。

在一实施例中，第二反馈组件1324包括第二减速件13241、第二编码件13242以及第二反馈件13243，第二编码件13242设置于第二旋转轴1323的二端，第二旋转轴1323的另二端通过第二减速件13241连接第二反馈件13243。第二反馈件13243包括力反馈电机以及设置于力反馈电机输出端的抱闸部件。

第二编码件13242与第二减速件13241分别设置在第二旋转轴1323的两端，第二反馈件13243设置在承载底座110上，并且，第二减速件13241还与第二反馈件13243连接。第二旋转轴1323转动时，第二旋转轴1323能够带动第二编码件13242与第二减速件13241转动，通过第二编码件13242能够检测到第二旋转轴1323的旋转角度，该旋转角度即为壳体121绕第二轴线B的旋转角度。第二编码件13242与主控板电连接，通过主控板将第二编码件13242检测到的旋转角度的信息反馈至机器人主机，以控制穿刺末端带动穿刺针按照旋转角度的信息转动。

第二减速件13241转动的同时，第二减速件13241能够带动第二反馈件13243的转动。若穿刺针存在调姿阻力时，第二反馈件13243接收穿刺针的调姿阻力后，能够通过第二减速件13241向第二旋转轴1323施加与旋转方向相反的阻力，以实现穿刺针旋转的力反馈。当穿刺针沿第二轴线B的旋转角度调节完成后，主控板还能控制第二反馈件13243锁死第二旋转轴1323，使得第二旋转轴1323无法转动，避免后期穿刺过程中第二旋转轴1323的转动影响穿刺针的空间姿态。

可选地，第二反馈件13243包括力反馈电机以及设置于力反馈电机的输出轴的抱闸部件。通过力反馈电机向第二旋转轴1323施加阻力，以模拟穿刺针调姿时的阻力。而且，抱闸部件可以实现力反馈电机的制动。当穿刺针沿第二轴线B的方向旋转完成后，无需继续沿第二轴线B方向旋转，抱闸部件能够抱紧力反馈电机的输出轴，限制力反馈电机输出轴的转动，进而第二减速件13241无法转动，以限制第二旋转轴1323的转动。

可选地，第二减速件13241为同步带结构，其中二个为大轮，另二个为小轮。小轮设置在力反馈电机的输出端，大轮设置在第二旋转轴1323的端部，同步带连接大轮与小轮，以此实现传动减速。当然，在本发明的其他实施方式中，第二减速件13241还可为轮传动结构、齿轮传动结构等等，其原理与同步带结构实质相同，在此不一一赘述。

可选地，第二编码件13242即为编码器，包括磁盘以及读数头，通过磁盘与读数头的配合实现第二旋转轴1323旋转角度的检测。第二编码件13242与主控板电连接，通过主控板将第二旋转轴1323的旋转角度反馈至机器人主机，通过机器人主机控制穿刺末端按照旋转角度调节穿刺针的空间姿态，使得穿刺针能够对准目标穿刺靶点。

值得说明的是，第一旋转轴1312与第二旋转轴1323通过轴承可转动安装，保证第一旋转轴1312与第二旋转轴1323转动平稳可靠。而且，第一旋转轴1312与第二旋转轴1323通过轴承端盖进行限位。

参见图1，本发明的主手控制器100使用时，先通过调姿结构130的转动调节穿刺针的空间姿态，然后锁定调姿结构130，再通过力反馈穿刺进针控制器120的移动控制穿刺针执行穿刺操作。穿刺操作完成后，力反馈穿刺进针控制器120控制穿刺针执行退针操作。值得说明的是，调姿结构130调节穿刺针的空间姿态的过程以及力反馈穿刺进针控制器120控制穿刺针的穿刺过程已经在上文分别提及，在此不一一赘述。

当医护人员在使用该主手控制器100远程控制穿刺针时，首先会手持壳体121进行穿刺针的空间姿态调整，使壳体121绕第一轴线A和第二轴线B发生旋转。可选地，第一轴线A和第二轴线B可同时旋转，也可采用互斥方式即在某一时刻只能绕其中一个轴旋转。当通过CT图像判断穿刺针姿态可以到达目标穿刺靶点时，主控板控制第一旋转机构131与第二旋转机构132锁定，此时壳体121在空间姿态与穿刺针姿态一致，调姿动作暂时完成。

接下来通过力反馈穿刺进针控制器120控制穿刺针执行穿刺动作。手持壳体121上的滑环1221，按下使能按键12221，沿壳体121移动滑环1221，穿刺针即可完成穿刺动作。如果在穿刺过程中需要调整穿刺针的姿态，那么在任意时刻都可释放使能按键12221，使穿刺动作停止；然后再通过调姿结构130进一步调整穿刺针姿态；以此往复循环调姿动作和穿刺动作，使穿刺针到达目标靶点，完成穿刺过程。穿刺动作与调姿动作互斥，某一时刻只可执行其中一个动作，不可同时进行操作。

本发明的主手控制器100通过力反馈穿刺进针控制器120能够模拟穿刺手术过程中医生握针时的产生直线运动过程，且移动距离能够实现与穿刺针移动距离的1:1映射关系，相比目前遥杆式的主操作器以及按钮进针方案，使医生能够尽可能的感受到临床穿刺的感觉，提高穿刺成功率。而且，通过信号传输机构123实现穿刺信号的发送。只有触发使能按键12221后才可执行穿刺过程，避免误触发，还能实现远距离信号传输，避免采用导线传输信号导致导线移动长度过大带来的碰撞及安全风险，保证使用的安全性。

另外，本发明的主手控制器100在使用过程中能够实现与穿刺针的姿态完全映射，使医护人员在操作主手控制器100时的感觉与直接使用穿刺针进行穿刺手术感觉近似，从而提高穿刺成功率。并且，通过多个力反馈即穿刺力反馈与调姿力反馈，能让操作过程更加安全、高效，能够提高操作精度。

除此之外，主手控制器100的力反馈穿刺进针控制器120与调姿结构130可单独使用，即力反馈穿刺进针控制器120可以放置在其他平台上(实现调姿功能平台或者固定式)实现其功能，调姿结构130也可和不具备穿刺功能的把手结合使用实现调姿功能。

本发明还提供一种穿刺机器人，包括机器人主机、穿刺末端以及上述任一实施例的主手控制器100。穿刺末端承载穿刺针并设置于机器人主机，主手控制器100与穿刺末端电连接，用于控制穿刺末端带动穿刺针执行穿刺操作。

穿刺机器人在实际使用时，机器人主机位于扫描间内。可选地，机器人主机为机械臂本体，用于带动穿刺末端运动，以调整穿刺末端中穿刺针的姿态。穿刺末端设置在机器人主机上，用于执行穿刺动作。控制间与扫描间相邻设置或者间隔设置。控制间中设置成像设备的操作台，并与扫描间之间存在混凝土墙壁，以屏蔽射线。并且，控制间内还设置主手控制器100，医生通过操作控制间中的主手控制器100实现对扫描间中的机器人主机控制，从而完成主从遥操作式穿刺手术。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体为中空柱状结构；

穿刺执行机构，设置于所述壳体，所述穿刺执行机构用于穿刺进针控制；

信号传输机构，采用光电通信方式实现信号传输，所述穿刺执行机构能够阻断或导通所述信号传输机构的传输信号，通过阻断或导通所述信号传输机构的传输信号产生的信号变化控制所述穿刺执行机构执行穿刺操作；以及

力反馈机构，所述力反馈机构用于将穿刺末端的进针阻力反馈至所述穿刺执行机构；

其中，所述穿刺执行机构包括滑环与使能组件，所述滑环可滑动套设于所述壳体，所述使能组件可按动设置于所述滑环及所述壳体中，所述使能组件包括使能按键与遮光块，所述使能按键可按压设置于所述滑环，所述遮光块与所述使能按键连接，按压所述使能按键时，所述遮光块能够阻断所述传输信号。

2.根据权利要求1所述的力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，所述穿刺执行机构还包括滑轨，所述滑轨设置于所述壳体的内壁，并与所述滑轨滑动连接。

3.根据权利要求2所述的力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，所述信号传输机构包括设置于所述壳体两端的发射件与接收件，所述发射件用于发射光电信号，并由所述接收件接收。

4.根据权利要求3所述的力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，所述使能组件还包括按动复位件以及与所述滑环连接的滑块，所述滑块可滑动设置于所述滑轨，所述按动复位件弹性连接所述遮光块与所述滑块。

5.根据权利要求4所述的力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，所述力反馈机构包括安装组件、直线运动组件以及与所述直线运动组件连接的力反馈组件，所述安装组件安装于所述壳体的底部，用于安装所述力反馈组件，所述直线运动组件设置于所述壳体，并与所述滑块连接，所述力反馈组件能够向所述直线运动组件施加阻力。

6.根据权利要求5所述的力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，所述直线运动组件包括第一滚轮、与所述第一滚轮间隔设置的第二滚轮以及连接所述第一滚轮与所述第二滚轮的连接绳，所述第一滚轮可转动设置于所述壳体远离所述安装组件的一端，所述第二滚轮可转动设置于所述安装组件；

所述使能组件还包括安装座以及固定部件，所述安装座连接所述滑块与所述滑环，所述固定部件用于将连接绳固定于所述安装座。

7.根据权利要求6所述的力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，所述力反馈组件包括执行电机以及位移检测件，所述执行电机以及所述位移检测件分别设置于所述第二滚轮的轴向端部，所述位移检测件用于将所述滑环的移动量反馈至所述穿刺末端，所述执行电机用于将所述穿刺末端反馈的穿刺力转化为扭矩施加至所述连接绳。

8.根据权利要求7所述的力反馈穿刺进针控制器，其特征在于，所述安装组件包括安装底座以及设置于所述安装底座的固定座，所述安装底座与所述固定座围设成安装所述第二滚轮的安装腔，所述执行电机固定于所述安装底座，所述位移检测件穿过所述安装底座伸出，所述固定座用于安装所述壳体。

9.一种主手控制器，其特征在于，包括：

承载底座；

调姿结构，设置于所述承载底座；以及

如权利要求1到8任一项所述的力反馈穿刺进针控制器，可转动设置于所述调姿结构。

10.根据权利要求9所述的主手控制器，其特征在于，所述调姿结构包括第一旋转机构以及设置于所述第一旋转机构的第二旋转机构，所述第一旋转机构的第一轴线与所述第二旋转机构的第二轴线垂直，所述第一旋转机构上安装所述力反馈穿刺进针控制器；

所述力反馈穿刺进针控制器通过所述第一旋转机构能够绕所述第一轴线转动，所述力反馈穿刺进针控制器带动所述第一旋转机构通过所述第二旋转机构能够绕所述第二轴线转动。

11.根据权利要求10所述的主手控制器，其特征在于，所述第一旋转机构包括转接座、可转动设置于所述转接座的第一旋转轴以及第一反馈组件，所述转接座用于安装所述力反馈穿刺进针控制器，所述第一旋转轴的端部连接所述第一反馈组件，所述第一反馈组件用于向所述第一旋转轴提供转动时的力反馈。

12.根据权利要求11所述的主手控制器，其特征在于，所述第一反馈组件包括第一减速件、第一编码件以及第一反馈件，所述第一编码件设置于所述第一旋转轴的一端，所述第一旋转轴的另一端通过所述第一减速件连接所述第一反馈件；

所述第一反馈件包括力反馈电机以及设置于所述力反馈电机输出端的抱闸部件。

13.根据权利要求11所述的主手控制器，其特征在于，所述第一旋转机构包括可转动安装所述第一旋转轴的支撑座、设置于所述支撑座两侧的支撑件、可转动设置于所述支撑件的第二旋转轴以及第二反馈组件，所述支撑件设置于所述承载底座，所述第二旋转轴的端部连接所述第二反馈组件，所述第二反馈组件用于向所述第二旋转轴提供转动时的力反馈。

14.根据权利要求13所述的主手控制器，其特征在于，所述第二反馈组件包括第二减速件、第二编码件以及第二反馈件，所述第二编码件设置于所述第二旋转轴的一端，所述第二旋转轴的另一端通过所述第二减速件连接所述第二反馈件；

所述第二反馈件包括力反馈电机以及设置于所述力反馈电机输出端的抱闸部件。

15.一种穿刺机器人，其特征在于，包括机器人主机、穿刺末端以及如权利要求9至14任一项所述的主手控制器；

所述穿刺末端承载穿刺针并设置于所述机器人主机，所述主手控制器与所述穿刺末端电连接，用于控制所述穿刺末端带动所述穿刺针执行穿刺操作。

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