CN113413217A - 助力式主手开合夹及具有其的微创手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种助力式主手开合夹及具有其的微创手术机器人，属于微创手术设备技术领域。包括手指夹持组件、传动组件、识别模块、助力元件、壳体组件和控制模块；所述手指夹持组件、传动组件、识别模块、助力元件均安装于壳体组件内部，所述识别模块和助力元件分别与控制模块电性连接，所述手指夹持组件和助力元件通过传动组件实现传动连接，用于将手指夹持组件的运动传递到识别模块的相应位置，便于识别模块监测手指夹持组件的运动角度；所述识别模块用于将角度变化信号传递给控制模块，所述控制模块用于接收识别模块的信号，控制助力元件的启停，以及从手端手术器械的相应动作。

Description

助力式主手开合夹及具有其的微创手术机器人

技术领域

本发明涉及一种助力式主手开合夹及具有其的微创手术机器人，属于微创手术设备技术领域。

背景技术

目前，与传统的普通外科手术相比较而言，微创外科手术的创伤口很小，一般只有几个小口，从而对病患造成的痛苦感比较小、在手术后恢复周期也比较短。近年来机器人技术在微创外科手术中得到成功应用，这使得医生的工作强度有了明显降低，还保证了手术质量。目前不管是在市面上已经成功应用的手术机器人，还是处于研发阶段的手术机器人，多数为主从式结构，医生双手握住主手进行手术操作，控制系统将主手医生的动作，精准的复现在从手上，由从手对病人的病灶处进行操作，所以主手的结构和性能的优劣对于整个机器人系统的性能有着重要的作用。

而主手开合夹是主手的重要组成部分，由医生双手直接握住进行操作，用于控制从手端手术器械的开合动作(手术器械的其他动作或运动由主手的其他部分完成控制，开合夹只需控制开合动作)。在一些复杂的手术环境下，医生需要控制开合夹的开合动作多达几十至上百次。

公开号为CN106994046A的中国发明专利申请中，主手开合夹的运动主要是通过人手按压手柄带动连杆动作，进而带动滑动块在滑动轴上运动，开合夹的所有驱动力均由人手提供。公告号为CN211381754U的中国实用新型专利中，主手开合夹的运动是通过人手按压指板，带动齿轮运动，开合夹的所有驱动力也均由人手提供。

不管采用哪个运动连接形式，现有的主手开合夹运动的驱动力均由人手提供，而无论何种连接机构，均会有一定的摩擦力，发明人经过大量的实验研究发现，由于医生仅是通过两根手指(拇指和食指)操作主手开合夹，该摩擦力的存在会导致医生手指在手术(特别是复杂手术)操作过程中容易疲劳进而影响对主手开合夹的控制精度和手术质量。而目前研究人员的研究方向均在增加力反馈、主动除颤、提高运动传动比等方面以提高主手开合夹的控制精度，尚无本发明这方面的研究。

有鉴于上述的缺陷，本发明以期创设一种助力式主手开合夹及具有其的微创手术机器人，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

本发明一方面提供一种助力式主手开合夹，包括手指夹持组件、传动组件、识别模块、助力元件、壳体组件和控制模块；

所述识别模块和所述助力元件分别与所述控制模块电性连接，所述手指夹持组件和所述助力元件通过所述传动组件实现传动连接，通过所述助力元件提供用于抵消所述手指夹持组件开合摩擦力的主动力；

所述传动组件用于将所述手指夹持组件的运动传递到所述识别模块，便于所述识别模块监测所述手指夹持组件的运动角度；

所述识别模块用于将所述手指夹持组件的运动角度信号传递给所述控制模块，所述控制模块用于接收所述识别模块的信号，以控制所述助力元件的启停。

进一步的，所述壳体组件用于安装所述传动组件、所述识别模块和所述助力元件，外形整体呈L形。

进一步的，所述壳体组件包括外壳，所述外壳为空腔结构，所述传动组件包括丝杆轴承、锥齿轮组、滚珠和丝杠，所述丝杆两端分别套设有一个所述丝杆轴承，所述丝杆轴承固定在所述外壳水平部分空腔的两端，所述丝杆表面传动套接有所述滚珠。

进一步的，所述手指夹持组件包括指板套、连杆和指板，所述指板分别铰接在所述滚珠两侧，所述指板表面设置有所述指板套，用于放置操作人员的手指，实现所述手指夹持组件的开合动作；所述指板通过所述连杆与所述外壳铰接。

进一步的，所述助力元件包括丝杆驱动电机，所述丝杆驱动电机安装在所述外壳竖直部分的空腔中，所述丝杆驱动电机通过所述锥齿轮组和所述丝杆之间传动连接。

进一步的，所述识别模块包括编码器，所述编码器电性连接于所述丝杆驱动电机，通过所述编码器来检测所述丝杆驱动电机的旋转角度，间接的测量所述手指夹持组件开合的角度。

进一步的，所述手指夹持组件包括手指夹持环，所述传动组件包括轴承和齿轮轴，所述手指夹持环末端固定套设在所述齿轮轴上；所述齿轮轴两端分别套设有所述轴承，所述齿轮轴和所述轴承组成轴系固定在支撑座上。

进一步的，所述壳体组件包括支撑座和电机安装座，所述助力元件包括直驱电机，所述直驱电机安装在所述电机安装座中，所述齿轮轴共有两个，相互之间等高啮合传动连接。

进一步的，所述识别模块包括编码器读头固定座、编码器读头和编码器磁钢，所述编码器磁钢安装在一个所述齿轮轴的末端，所述编码器读头固定于所述编码器读头固定座，所述编码器读头固定座安装在所述支撑座上。

本发明另一方面提供一种微创手术机器人，包括从手端手术器械和所述的助力式主手开合夹，所述助力式主手开合夹和从手端手术器械之间控制关联。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明开创性地在主手开合夹上增加了助力功能，抵消了传动机构摩擦力对医生手指的阻力(现有技术中医生手指需一直克服传动摩擦力，本发明中只需克服启动时刻和停止时刻的大小等于传动摩擦力的阻力)，减轻了医生操作主手开合夹时手指的疲劳程度，进而提高了主手开合夹的控制精度和手术质量；而且本发明助力功能电机提供的是和摩擦力相抵消的主动力，这和现有技术中电机提供的阻碍性反馈力是正好相反的，是开创性的设计发明；

(2)本发明使用主手开合夹本身具有的识别模块(该识别模块用于将开合角度信号传递给控制模块，控制模块控制从手端手术器械相应开合)，同步实现助力功能的启动与停止，不用增加额外的传感器，结构简单、成本低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例一的助力式主手开合夹的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的助力式主手开合夹的整体结构透视示意图；

图3为本发明实施例一的助力式主手开合夹隐去壳体组件后的结构示意图；

图4为本发明实施例二的助力式主手开合夹的整体结构示意图；

图5为本发明实施例二的助力式主手开合夹隐去壳体组件后的结构示意图；

图6为本发明实施例二的助力式主手开合夹的识别模块的安装示意图；

图7为本发明实施例二的助力式主手开合夹沿图3中剖切方向得到的剖视图；

其中，图中；

101、丝杆驱动电机；102、编码器；103、外壳；104、丝杆轴承；105、锥齿轮；106、滚珠；107、丝杠；108、指板套；109、连杆；110、指板；

201、手指夹持环；202、支撑座；203、轴承；204、预紧钉；205、齿轮轴；206、直驱电机；207、编码器读头固定座；208、编码器读头；209、编码器磁钢；210、电机安装座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明助力式主手开合夹包括手指夹持组件、传动组件、识别模块、助力元件、壳体组件和控制模块；

所述手指夹持组件、传动组件、识别模块、助力元件均安装于壳体组件内部，所述识别模块和助力元件均电性连接于控制模块，所述手指夹持组件和助力元件通过传动组件实现传动连接；

所述手指夹持组件用于容纳医生操作的两根手指，通常是拇指和食指，实现医生对主手开合夹的运动指令输入；

所述传动组件与手指夹持组件传动连接，用于将手指夹持组件的运动传递到识别模块的相应位置，便于识别模块监测手指夹持组件的运动角度；

所述识别模块用于将角度变化信号传递给控制模块，控制模块控制助力元件的启停以及从手端手术器械的相应运动；

助力元件用于提供与传动组件的传动摩擦力大小等同的驱动力，以作为医生手指控制主手开合夹的助力，减轻医生手指的疲劳程度。该传动摩擦力(及驱动力)的大小可通过事先对传动组件进行运动实验标定获得，从而写入控制模块中；

控制模块用于接收识别模块的信号，控制助力元件的启停，以及从手端手术器械的相应动作。该控制模块也可集成于微创手术机器人整机的控制模块中，从而实现其他的控制功能；

壳体组件用于安装传动组件、识别模块和助力元件，外形整体呈L形，符合人体工程学设计，方便医生握持主手开合夹，具有更佳的操作体验。

本发明的工作原理如下：

在实际使用过程中，医生拇指和食指插入手指夹持组件中，两指开始向外打开时(手指需克服初始摩擦力)，带动传动组件运动，从而识别模块检测到角度开始变化，将信号传递给控制模块，控制模块给出启动信号至助力元件，助力元件启动，进而通过传动组件给开合夹的运动提供恒定大小以克服摩擦力的助力。同时，识别模块实时监测角度变化，将信号传递给控制模块，控制模块控制从手端手术器械的相应打开动作；

医生两指停住时(此时手指需克服助力元件的助力，大小等同于传动过程中的摩擦力)，传动组件停止运动，识别模块监测到角度停止变化，将信号传递给控制模块，控制模块给出停止信号至助力元件，进而助力元件停止提供助力；同时，识别模块还会将信号传递给控制模块，控制模块控制从手端手术器械的相应停止动作。

医生两指开始向内闭合时，工作原理与开始打开时类似，不再赘述。

实施例

实施例1

操作人员的拇指食指带动开合夹，其余三指握住手柄，在使用的过程中，整个外型都对手部有支撑作用，外观符合人体工程学，减轻了操作人员的疲劳，可以保证操作人员长时间的工作状态。

如图1至3所示，所述助力式主手开合夹包括丝杆驱动电机101、编码器102、外壳103、丝杆轴承104、锥齿轮105、滚珠106、丝杠107、指板套108、连杆109、指板110；

所述外壳103为L型空腔结构，在所述外壳103内部沿水平方向设置有有一根丝杆107，所述丝杆107两端分别套设有一个丝杆轴承104，所述丝杆轴承104固定在外壳103水平部分空腔的两端，通过丝杆轴承104保持丝杆107的稳定旋转，所述丝杆107表面传动套接有滚珠106，所述滚珠106两侧分别对称铰接有指板110，所述指板110表面设置有指板套108，用于放置操作人员的手指，实现开合动作，所述指板110上还通过连杆109和外壳103铰接，提高指板110运行的稳定性，所述外壳103竖直部分的空腔中还设置有丝杆驱动电机101，所述丝杆驱动电机101通过锥齿轮105和丝杆107之间传动连接，在丝杆驱动电机101尾部还电性连接有编码器102，通过编码器102来检测丝杆驱动电机101的旋转角度，间接的测量主手开合夹中指板110开合的角度；

所述助力式主手开合夹在实际使用时，操作人员的拇指、食指套在指板套108中，通过两手指的开合，带动指板110完成开合动作；在接收到指板110开合信号后，控制模块启动丝杆驱动电机101，此时丝杠107通过丝杆驱动电机101驱动转动，使得滚珠106在丝杠107上直线运动，通过连杆109的传动为整个主手开合夹进行主动助力，辅助手指完成开合动作；

丝杆驱动电机101驱动锥齿轮105将运动传递给丝杠107，使用丝杆驱动电机101尾部的编码器102来检测丝杆驱动电机101的旋转角度，间接的测量主手开合夹中指板110开合的角度；通过丝杆驱动电机101驱动丝杠107来转动，减轻操作者使用时手指上的力，且在手术机器人开始工作时可以根据使用要求定义开合夹的初始开合角度。

实施例2

如图4至图7所示，所述助力式主手开合夹包括手指夹持环201、支撑座202、轴承203、预紧钉204、齿轮轴205、直驱电机206、编码器读头固定座207、编码器读头208、编码器磁钢209、电机安装座210；

所述助力式主手开合夹包括控制主手开合夹开合的手指夹持环201；所述手指夹持环201末端套在齿轮轴205上，通过紧定螺钉将手指夹持环201与齿轮轴205相固定；每根所述齿轮轴205两端分别套设有轴承203，所述齿轮轴205和轴承203组成轴系固定在支撑座202上，并通过预紧钉204对轴系实现预紧，通过轴承203实现手指夹持环201的稳定开合运动，两个齿轮轴205分别有不同的作用，其中一个齿轮轴205的末端与直驱电机206的输出轴相联接，直驱电机206输出轴输出力矩，对手指夹持环201提供补偿力，使得医生在操作时，手指几乎感觉不到阻力，极大的减小了医生工作时的疲劳强度；使用直驱电机206直接驱动齿轮轴205，取消了中间的传动装置，极大的保证了手持夹的使用精度；另一个轴承轴205的末端装有编码器磁钢209，在支撑座202上安装有编码器读头208，编码器磁钢209随着齿轮轴205的旋转对编码器读头208相对运动，编码器读头208时刻读出齿轮轴205的旋转角度，从而测得手指夹持环201的开合角度，上传到控制系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种助力式主手开合夹，其特征在于：包括手指夹持组件、传动组件、识别模块、助力元件、壳体组件和控制模块；

所述识别模块和所述助力元件分别与所述控制模块电性连接，所述手指夹持组件和所述助力元件通过所述传动组件实现传动连接，通过所述助力元件提供用于抵消所述手指夹持组件开合摩擦力的主动力；

所述传动组件用于将所述手指夹持组件的运动传递到所述识别模块，便于所述识别模块监测所述手指夹持组件的运动角度；

所述识别模块用于将所述手指夹持组件的运动角度信号传递给所述控制模块，所述控制模块用于接收所述识别模块的信号，以控制所述助力元件的启停。

2.根据权利要求1所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述壳体组件用于安装所述传动组件、所述识别模块和所述助力元件，外形整体呈L形。

3.根据权利要求1所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述壳体组件包括外壳，所述外壳为空腔结构，所述传动组件包括丝杆轴承、锥齿轮组、滚珠和丝杠，所述丝杆两端分别套设有一个所述丝杆轴承，所述丝杆轴承固定在所述外壳水平部分空腔的两端，所述丝杆表面传动套接有所述滚珠。

4.根据权利要求3所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述手指夹持组件包括指板套、连杆和指板，所述指板分别铰接在所述滚珠两侧，所述指板表面设置有所述指板套，用于放置操作人员的手指，实现所述手指夹持组件的开合动作；所述指板通过所述连杆与所述外壳铰接。

5.根据权利要求3所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述助力元件包括丝杆驱动电机，所述丝杆驱动电机安装在所述外壳竖直部分的空腔中，所述丝杆驱动电机通过所述锥齿轮组和所述丝杆之间传动连接。

6.根据权利要求3所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述识别模块包括编码器，所述编码器电性连接于所述丝杆驱动电机，通过所述编码器来检测所述丝杆驱动电机的旋转角度，间接的测量所述手指夹持组件开合的角度。

7.根据权利要求1所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述手指夹持组件包括手指夹持环，所述传动组件包括轴承和齿轮轴，所述手指夹持环末端固定套设在所述齿轮轴上；所述齿轮轴两端分别套设有所述轴承，所述齿轮轴和所述轴承组成轴系固定在支撑座上。

8.根据权利要求7所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述壳体组件包括支撑座和电机安装座，所述助力元件包括直驱电机，所述直驱电机安装在所述电机安装座中，所述齿轮轴共有两个，相互之间等高啮合传动连接。

9.根据权利要求8所述的助力式主手开合夹，其特征在于：所述识别模块包括编码器读头固定座、编码器读头和编码器磁钢，所述编码器磁钢安装在一个所述齿轮轴的末端，所述编码器读头固定于所述编码器读头固定座，所述编码器读头固定座安装在所述支撑座上。

10.一种微创手术机器人，其特征在于：包括从手端手术器械和权利要求1～9中任意一项所述的助力式主手开合夹，所述助力式主手开合夹和从手端手术器械之间控制关联。

Images