CN113749784A - 手术机器人的力反馈传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种手术机器人的力反馈传动系统，包括：接收部，所述接收部设置有两个主操作手，每个所述主操作手均设置有多个旋转或水平位移自由度，每个自由度均设置有一组接收驱动钢丝；传动部，所述传动部设置有多个传动轴组，所述传动轴组的数量与两个所述主操作手的自由度数量之和相同，每个所述传动轴组均包括垂直传动轴和水平传动轴；执行部，所述执行部设置有两组机械臂和多组执行驱动钢丝，多组所述执行驱动钢丝分别用于驱动两组所述机械臂的执行机构的运动。本发明能够将主操作手的力传递到机械臂的执行机构，实现手术需要的拉伸，剪切，翻转等功能，手术过程中机械臂的执行机构的受力情况能够直接反映到主操作手。

Description

手术机器人的力反馈传动系统
技术领域
本发明涉及手术机器人技术领域，特别涉及一种手术机器人的力反馈传动系统。
背景技术
微创外科手术一般也称为介入式手术，它是通过在体表切开数个细小的切口(或依靠人体天然官腔)，借助于视觉显示系统的图像引导，将手术器械通过体表切口伸入体内进行治疗或诊断而完成的手术。微创手术技术使得大部分的外科手术告别了开放式的手术模式，将机器人技术应用于医疗外科手术已经变得越来越流行，机器人在操作稳定性、快捷性和精确性方面具有显著的优势，将机器人技术融入外科手术中，可以改进医生的手术环境，缩短患者的恢复时间。
微创手术机器人从操作方式一般可分为主从分离和主从一体式两种，主从分离模式是目前国际上最主要的操作方式。通常是由主手操控台与从机械臂以及内窥镜摄像系统三大部分主从式，主操作端和从操作端在结构分成两个独立的结构，通过电控的方式实现主操作端和从操作端进行通讯，这种结构对整体操作空间需求较大，各从机械臂之间相对位置关系难以确定，从而提升了系统控制难度，同时因为是电控方式通讯，从动端的受力情况无法直接反映到主手端，导致医生在手术时没有手感，这样容易损伤组织。
发明内容
本发明提供了一种手术机器人的力反馈传动系统，其目的是为了使医生在进行手术操作时更好的掌握操作力，避免出现组织损伤。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种手术机器人的力反馈传动系统，包括：
接收部，所述接收部设置有两个主操作手，每个所述主操作手均设置有多个旋转或水平位移自由度，每个自由度均设置有一组接收驱动钢丝；
传动部，所述传动部设置有多个传动轴组，所述传动轴组的数量与两个所述主操作手的自由度数量之和相同，每个所述传动轴组均包括垂直传动轴和水平传动轴，每个所述传动轴组的所述垂直传动轴的第二端与所述水平传动轴的第一端传动连接，每组所述接收驱动钢丝分别与对应的所述垂直传动轴的第一端传动连接；
执行部，所述执行部设置有两组机械臂和多组执行驱动钢丝，多组所述执行驱动钢丝分别用于驱动两组所述机械臂的执行机构的运动，多组所述执行驱动钢丝分别与对应的所述水平传动轴的第二端传动连接。
其中，所述主操作手设置有手部剪切关节、手腕偏移关节、手腕屈伸关节、前臂旋转关节、前臂翻转关节和手肘屈伸关节逐一连接；所述前臂旋转关节与前臂翻转关节之间设置有所述水平位移驱动装置。
其中，所述垂直传动轴的第二端和所述水平传动轴的第一端均设置有传动锥齿轮，所述所述垂直传动轴第二端的传动锥齿轮与所述水平传动轴第一端的传动锥齿轮啮合。
其中，所述垂直传动轴的第一端均设置有接收预紧滚轮，每组所述接收驱动钢丝分别绕设在对应的所述接收预紧滚轮上。
其中，所述水平传动轴的第二端均设置有执行预紧滚轮，每组所述执行驱动钢丝分别绕设在对应的所述执行预紧滚轮上。
其中，所述机械臂的执行机构包括旋转机构、弧形导轨机构、执行器伸缩机构和执行器驱动机构。
其中，所述执行驱动钢丝的一端绕设在所述执行预紧滚轮上，另一端与所述旋转机构或弧形导轨机构或执行器伸缩机构或执行器驱动机构传动连接。
其中，所述执行驱动钢丝位于所述执行器驱动机构外侧套设有钢丝长度限制弹簧管。
其中，所述水平传动轴的第二端设置有安装架，所述安装架的底部开设有多个钢丝长度限位台阶，所述钢丝长度限位台阶内设置有钢丝长度限制弹簧管，所述执行驱动钢丝穿设在所述钢丝长度限制弹簧管内。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的手术机器人的力反馈传动系统能够实现力反馈，医生在手术过程中能够感知执行器末端反馈的力，这样能够有效的避免手术时组织被划伤。本发明中实现力反馈主要是将执行器末端的力通过机械结构直接传递到主操作手端。其中每个机械臂的执行机构具有七个自由度，七个自由度通过执行驱动钢丝传递到机器人的顶部与水平传动轴的执行预紧滚轮进行连接并预紧同时将执行驱动钢丝传的拉力转化成力矩，然后通过14根水平传动轴和14对锥齿轮组将力矩传递到垂直传动轴的接收预紧滚轮，接收预紧滚轮通过接收驱动钢丝连接到每个主操作手的七个自由度，这样机械臂的执行机构的力就传递到主操作手，同样的主操作手操作时，将驱动传动系统，将主操作手的力传递到机械臂的执行机构，从而实现手术需要的拉伸，剪切，翻转等功能。
附图说明
图1为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的结构示意图一；
图2为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的结构示意图二；
图3为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的主操作手结构示意图；
图4为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的手部剪切关节及手腕偏移关节结构示意图；
图5为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的手腕屈伸关节结构示意图；
图6为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的前臂旋转关节结构示意图一；
图7为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的前臂旋转关节结构示意图二；
图8为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的水平位移驱动装置结构示意图；
图9为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的前臂翻转关节结构示意图；
图10为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的手肘屈伸关节结构示意图；
图11为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的操作台底面视图；
图12为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的传动轴组传动示意图；
图13为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的水平传动轴与执行驱动钢丝传动示意图；
图14为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的机械臂结构示意图；
图15为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的机械臂的执行机构结构示意图；
图16为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的机械臂的执行机构结与执行驱动钢丝连接示意图；
图17为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的执行驱动钢丝与钢丝长度限制弹簧管结构示意图一；
图18为本发明的手术机器人的力反馈传动系统的执行驱动钢丝与钢丝长度限制弹簧管结构示意图二。
【附图标记说明】
1-接收部；2-传动部；3-执行部；10-主操作手；11-接收驱动钢丝；12-操作台；20-垂直传动轴；21-水平传动轴；22-顶部传动系统支撑架；30-机械臂；31-执行驱动钢丝；32-安装架；101-手指活动机构；102-手掌定位机构；103-剪切转轴；104-第一支架机构；105-偏移转轴；106-前环机构；107-手腕屈伸转轴；108-臂托机构；109-弧形公导轨；110-内圈弧形母导轨；111-外圈弧形母导轨；112-弧形齿条；113-锥齿轮；114-芯轴；115-臂托底座；116-滑轨；117-位移驱动轴；118-驱动齿轮；119-驱动齿条；120-第二支架机构；121-翻转轴管；122-屈伸轴管；201-接收预紧滚轮；211-执行预紧滚轮；221-传动锥齿轮；301-旋转机构；302-弧形导轨机构；303-执行器伸缩机构；304-执行器驱动机构；305-钢丝长度限位台阶；306-机械臂安装架；307-钢丝长度限制弹簧管；R1-手部剪切关节；R2-手腕偏移关节；R3-手腕屈伸关节；R4-前臂旋转关节；R5-前臂翻转关节；R6-手肘屈伸关节；M1-水平位移驱动装置。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的主从分离微创手术机器人操作难度大，医生在手术时没有手感，容易损伤组织的问题，提供了一种手术机器人的力反馈传动系统。
如图1至图18所示，本发明的实施例提供了一种手术机器人的力反馈传动系统，包括：接收部1，所述接收部1设置有两个主操作手10，每个所述主操作手10均设置有多个旋转或水平位移自由度，每个自由度均设置有一组接收驱动钢丝11；传动部2，所述传动部2设置有多个传动轴组，所述传动轴组的数量与两个所述主操作手10的自由度数量之和相同，每个所述传动轴组均包括垂直传动轴20和水平传动轴21，每个所述传动轴组的所述垂直传动轴20的第二端与所述水平传动轴21的第一端传动连接，每组所述接收驱动钢丝11分别与对应的所述垂直传动轴20的第一端传动连接；执行部3，所述执行部3设置有两组机械臂30和多组执行驱动钢丝31，多组所述执行驱动钢丝31分别用于驱动两组所述机械臂的执行机构的运动，多组所述执行驱动钢丝31分别与对应的所述水平传动轴21的第二端传动连接。
本发明上述实施例所述的手术机器人的力反馈传动系统设置有操作台12，两个所述主操作手10安装在所述操作台12的左右两侧，每个所述主操作手10均设置有七个自由度，分别为手部剪切自由度、手腕偏移自由度、手腕屈伸自由度、前臂旋转自由度、前臂翻转自由度、手肘屈伸自由度以及水平位移自由度；每个机械臂30的执行机构也具有七个自由度与所述主操作手一一对应，机械臂30的执行机构的七个自由度通过执行驱动钢丝31传递到机器人的顶部与水平传动轴21的执行预紧滚轮211连接并预紧同时将执行驱动钢丝32传的拉力转化成力矩，然后通过14根水平传动轴22和14对锥齿轮组将力矩传递到垂直传动轴20的接收预紧滚轮201，接收预紧滚轮201通过接收驱动钢丝11连接到每个主操作手10的七个自由度，这样机械臂30的执行机构的力就传递到主操作手10，同样的主操作手10操作时，通过驱动传动系统，将主操作手10的力传递到机械臂30的执行机构。
如图3所示，所述主操作手10设置有手部剪切关节R1、手腕偏移关节R2、手腕屈伸关节R3、前臂旋转关节R4、前臂翻转关节R5和手肘屈伸关节R6逐一连接；所述前臂旋转关节R4与前臂翻转关节R5之间设置有所述水平位移驱动装置M1。
如图3至图11所示，本实施例中，所述手部剪切关节R1由手指活动机构101和手掌定位机构102组成，所述手指活动机构101通过剪切转轴103转动地设置在所述手掌定位机构102顶部，所述剪切转轴103上绕设有一组接收驱动钢丝11；所述手腕偏移关节R2由第一支架机构104和所述手掌定位机构102组成，所述手掌定位机构102的后端通过偏移转轴105转动地设置在所述第一支架机构104的上部，所述偏移转轴105上绕设有一组接收驱动钢丝11；所述手腕屈伸关节R3由前环机构106和所述第一支架机构104组成，所述第一支架机构104的下部通过手腕屈伸转轴107转动地设置在所述前环机构106的前端底部，所述手腕屈伸转轴107上绕设有一组接收驱动钢丝11；所述前臂旋转关节R4由臂托机构108和所述前环机构106组成，所述臂托机构108上固定设置有弧形公导轨109，所述前环机构106的后端固定设置有内圈弧形母导轨110和外圈弧形母导轨111，所述弧形公导轨109滑动地设置在所述内圈弧形母导轨110和外圈弧形母导轨111之间；所述弧形公导轨109沿圆周方向设置有弧形齿条112，所述前环机构106转动地设置有锥齿轮113，所述锥齿轮113的圆心处穿设有芯轴114，所述锥齿轮113与所述弧形齿条112啮合传动，所述芯轴114上绕设有一组接收驱动钢丝11；所述水平位移驱动装置M1由臂托底座115和所述臂托机构108组成，所述臂托机构108通过两组滑轨116滑动地设置在所述所述臂托底座115上，所述臂托底座115的侧面转动地穿设有位移驱动轴117，所述位移驱动轴117的端头设置有驱动齿轮118，所述臂托机构108的侧面设置有驱动齿条119，所述驱动齿轮118与驱动齿条119啮合，所述位移驱动轴117上绕设有一组接收驱动钢丝11；所述前臂翻转关节R5由第二支架机构120和所述臂托底座115组成，所述臂托底座115通过翻转轴管121转动地连接所述第二支架机构120的上部，所述翻转轴管121上绕设有一组接收驱动钢丝11；所述手肘屈伸关节R6包括所述第二支架机构120，所述第二支架机构120的底部通过屈伸轴管122转动地设置在所述操作台12上，所述屈伸轴管122上绕设有一组接收驱动钢丝11；其中部分接收驱动钢丝11由所述操作台12的底面连接至所述接收预紧滚轮201。
如图12所示，所述垂直传动轴20的第二端和所述水平传动轴21的第一端均设置有传动锥齿轮221，所述垂直传动轴20第二端的传动锥齿轮211与所述水平传动轴21第一端的传动锥齿轮221啮合。
如图11所示，所述垂直传动轴20的第一端均设置有接收预紧滚轮201，每组所述接收驱动钢丝11分别绕设在对应的所述接收预紧滚轮201上。
如图13所示，所述水平传动轴21的第二端均设置有执行预紧滚轮211，每组所述执行驱动钢丝31分别绕设在对应的所述执行预紧滚轮211上。
本发明上述实施例所述的手术机器人的力反馈传动系统，所述垂直传动轴20的第二端设置有顶部传动系统支撑架22，所述顶部传动系统支撑架22能够将每个传动轴组的垂直传动轴20和水平传动轴21固定限位，令所述垂直传动轴20第二端的传动锥齿轮221与所述水平传动轴21第一端的传动锥齿轮221始终啮合，所述接收预紧滚轮201可根据需要设置为不同的直径，通过改变所述接收预紧滚轮201与所述垂直传动轴20第二端的传动锥齿轮221的直径比能够改变接收部1传动的力矩；每个所述执行预紧滚轮211可根据需要设置为不同的直径，通过改变所述接收预紧滚轮211与所述垂直传动轴21第二端的传动锥齿轮221的直径比能够改变执行部3传动的力矩。
如图14和15所示，所述机械臂30的执行机构包括旋转机构301、弧形导轨机构302、执行器伸缩机构303和执行器驱动机构304。
如图16所示，所述执行驱动钢丝31的一端绕设在所述执行预紧滚轮211上，另一端与所述旋转机构301或弧形导轨机构302或执行器伸缩机构303或执行器驱动机构304传动连接。
本发明上述实施例所述的手术机器人的力反馈传动系统，所述弧形导轨机构302设置有弧形导轨滑块，所述弧形导轨滑305块滑动地设置在所述弧形导轨机构302上，所述弧形导轨滑块固定设置在所述旋转机构301的转轴上，所述旋转机构301的转轴连接设置有一组执行驱动钢丝31，所述旋转机构301与所述手肘屈伸关节R6同步运动；所述弧形导轨滑块的两端连接设置有一组执行驱动钢丝31，所述弧形导轨机构302与所述前臂翻转关节R5同步运动；所述执行器伸缩机构303上设置有伸缩滑块，所述伸缩滑块滑动地设置在所述执行器伸缩机构303上，所述伸缩滑块的两端连接设置有一组执行驱动钢丝31，所述执行器伸缩机构303与所述水平位移驱动装置M1同步运动；所述执行器驱动机构304设置有剪切驱动轴、俯仰驱动轴、偏航驱动轴和旋转驱动轴，所述剪切驱动轴、俯仰驱动轴、偏航驱动轴和旋转驱动轴均连接设置有一组执行驱动钢丝31，所述剪切驱动轴与所述手部剪切关节R1同步运动，所述俯仰驱动轴与所述手腕屈伸关节R3同步运动，所述偏航驱动轴与所述手腕偏移关节R2同步运动，所述旋转驱动轴与所述前臂旋转关节R4同步运动。
其中，所述执行驱动钢丝31位于所述执行器驱动机构304外侧套设有钢丝长度限制弹簧管307。
如图17和18所示，所述水平传动轴21的第二端设置有安装架32，所述安装架32的底部开设有多个钢丝长度限位台阶305，所述钢丝长度限位台阶305内设置有钢丝长度限制弹簧管307，所述执行驱动钢丝31穿设在所述钢丝长度限制弹簧管307内。
本发明上述实施例所述的手术机器人的力反馈传动系统，所述安装架32的前端设置有机械臂安装架306，两个所述机械臂30分别转动地设置在所述机械臂安装架306的两侧，由于钢丝长度限制弹簧管307通过钢丝长度限位台阶305结构限制了整体长度，因此在弯曲变形时，钢丝长度限制弹簧管307的长度将保持不变，从而使内部的执行驱动钢丝长度不变，从而保证执行器各个自由度传动精确。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种手术机器人的力反馈传动系统，包括：
接收部，所述接收部设置有两个主操作手，每个所述主操作手均设置有多个旋转或水平位移自由度，每个自由度均设置有一组接收驱动钢丝；
传动部，所述传动部设置有多个传动轴组，所述传动轴组的数量与两个所述主操作手的自由度数量之和相同，每个所述传动轴组均包括垂直传动轴和水平传动轴，每个所述传动轴组的所述垂直传动轴的第二端与所述水平传动轴的第一端传动连接，每组所述接收驱动钢丝分别与对应的所述垂直传动轴的第一端传动连接；
执行部，所述执行部设置有两组机械臂和多组执行驱动钢丝，多组所述执行驱动钢丝分别用于驱动两组所述机械臂的执行机构的运动，多组所述执行驱动钢丝分别与对应的所述水平传动轴的第二端传动连接。
2.根据权利要求1所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述主操作手设置有手部剪切关节、手腕偏移关节、手腕屈伸关节、前臂旋转关节、前臂翻转关节和手肘屈伸关节逐一连接；所述前臂旋转关节与前臂翻转关节之间设置有所述水平位移驱动装置。
3.根据权利要求1所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述垂直传动轴的第二端和所述水平传动轴的第一端均设置有传动锥齿轮，所述所述垂直传动轴第二端的传动锥齿轮与所述水平传动轴第一端的传动锥齿轮啮合。
4.根据权利要求1所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述垂直传动轴的第一端均设置有接收预紧滚轮，每组所述接收驱动钢丝分别绕设在对应的所述接收预紧滚轮上。
5.根据权利要求1所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述水平传动轴的第二端均设置有执行预紧滚轮，每组所述执行驱动钢丝分别绕设在对应的所述执行预紧滚轮上。
6.根据权利要求5所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述机械臂的执行机构包括旋转机构、弧形导轨机构、执行器伸缩机构和执行器驱动机构。
7.根据权利要求6所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述执行驱动钢丝的一端绕设在所述执行预紧滚轮上，另一端与所述旋转机构或弧形导轨机构或执行器伸缩机构或执行器驱动机构传动连接。
8.根据权利要求7所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述执行驱动钢丝位于所述执行器驱动机构外侧套设有钢丝长度限制弹簧管。
9.根据权利要求5所述的手术机器人的力反馈传动系统，其特征在于，所述水平传动轴的第二端设置有安装架，所述安装架的底部开设有多个钢丝长度限位台阶，所述钢丝长度限位台阶内设置有钢丝长度限制弹簧管，所述执行驱动钢丝穿设在所述钢丝长度限制弹簧管内。
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