CN114451989A - 手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医疗手术机器人，公开了一种手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其包括末端执行器械(1)，末端执行器械(1)包括与手术机器人机械臂(2)连接的器械臂(101)，还包括器械座(102)、器械本体(103)和器械杆(104)，器械座(102)内设有通过器械座和器械本体驱动器械杆(104)动作的电机组件(105)，器械臂(101)与器械座(102)之间连接有第一力传感器(106)。第一力传感器能够检测传递到器械臂处的力，即而通过作用力和反作用力的原理，得到器械末端位置部分受到的力，避免了将传感器设置于器械末端存在的使用寿命低、成本高、安装困难等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗手术机器人，尤其涉及了一种手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统。
背景技术
目前医疗手术机器人在临床应用中越来越普遍，特别腹腔镜手术机器人在实际应用中有诸多优势，利用内窥镜显示病人腔体内的病灶以及周围情况，医生可以操作手术机器进腔镜手术。其中达芬奇手术机器人为代表的的腔镜手术，已经广泛应用到临床实践中了。
为了使得医生在手术操作时能够有触觉感受，感知操作的机器人末端输出力的状态，探明组织硬度，缝合组织力的控制等等，手术操作中有着重要的作用。现有技术中也有采用力反馈系统来解决机器人没办法把执行末端手术器械感知到的力反馈给医生的问题，然而目前的力反馈难点在于末端执行器械受力检测，需要准确实时低成本小体积的方案检测到力是解决力反馈最重要的环节。
现有的腹腔镜手术机器人以达芬奇手术机器人为代表的手术机器人，在力反馈的应用上也有尝试方案，该方案是在末端器械执行关节处安装薄膜样式的力传感器，虽然精度较高，但是薄膜传感器耐用性差，生物兼容性差，由于末端关节需要深入人体内部，所以该方案不适合在执行末端关节处应用。
器械是是耗材，使用次数达到后会报废，安装传感器使器械每次使用的成本增加。器械每次使用后需要消毒，每次高温消毒都有损坏传感器可能，所以在器械末端安装传感器的方案是不经济实用的。目前达芬奇手术机器人全系类仍然没有安装力反馈系统。
还有一些力传感器的方案是采用电流检车的方法，监测执行电机的电流大小，从而粗略的测量出末端的受力大小，但是这种方法有传动过程中传动比较大精度较弱，更重要的是电机不旋转时，即静态时由于电机不旋转，此时电流不能反映电机的力，不能准确检测到末端受力大小，此方案不能在实际应用中很好的解决力的检测问题，从而不能使用在力反馈的主从操作的内窥镜手术机器人系统中做力反馈检测。
发明内容
本发明针对现有技术中手术机器人力反馈系统中存在的问题，提供了一种手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，包括末端执行器械，末端执行器械包括与手术机器人机械臂连接的器械臂，还包括器械座、器械本体和器械杆，器械座内设有通过器械座和器械本体驱动器械杆动作的电机组件，器械臂与器械座之间连接有第一力传感器电机组件电机组件。
器械座和器械臂之间安装有第一力传感器，第一力传感器为多维力传感器，其能够检测传递到器械臂处的力，即而通过作用力和反作用力的原理，得到器械末端整体受到的外力即器械末端位置部分受到的力。
作为优选，电机组件的外壳与器械座之间刚性连接且连接处设有第二力传感器，第二传感器设置于电机组件的外壳与器械座的连接处，通过检测电机外壳的作用力方式，能够间接检测到器械末端各个自由度方向的力。
作为优选，器械座包括器械座面板，电机组件的外壳连接在器械座面板上，电机组件的输出轴通过器械座面板与器械本体连接，第一力传感器和第二力传感器均设置在器械座面板上，能够将电机外壳收到的力通过器械座面板传递到第一力传感器和第二力传感器，以使第一力传感器和第二力传感器能够检测到器械末端对电机组件的反作用力。作为优选，器械座面板上通过扭力梁连接有电机固定盘，电机组件安装在电机固定盘上，第二力传感器设置于扭力梁上且用于检测扭力梁形变电机组件。第二力传感器能够有效检测扭力梁的形变，从而检测传递到扭力梁上的力，继而根据作用力和反作用力的原理得到器械末端受力情况。
作为优选，器械座面板上设有固定盘安装孔，电机固定盘同轴设置于安装孔内，扭力梁的两端分别连接在电机固定盘的外侧壁与安装孔的内侧壁上，电机固定盘中部设有供电机输出轴穿出的贯穿孔。扭力梁连接在电机固定盘与固定盘安装孔之间，可以通过其形变检测器械末端受力情况。
作为优选，电机固定盘的朝向电机组件的端部设有安装槽，安装槽内壁上设有内螺纹，电机组件的端部螺纹连接在安装槽内。电机组件通过螺纹连接在电机固定盘上，从而使得电机组件的安装和拆卸均非常方便。
作为优选，电机组件的穿出贯穿孔的端部安装有电机转盘，器械本体包括器械底板，器械底板上设有两端贯穿器械底板的器械丝轮盘，器械丝轮盘的一端与器械杆配合传动器械杆，另一端与电机转盘配合并随电机转盘转动。
作为优选，器械丝轮盘的一端侧壁上设有钢丝槽，钢丝槽上绕有钢丝，器械丝轮盘与器械杆通过钢丝传动。钢丝绕在器械丝轮盘端部的钢丝槽内，器械丝轮盘转动时会带动钢丝回绕或放出，从而使得钢丝能够带动器械杆顺时针或逆时针转动，继而执行器械末端做出相应的动作，如开合、滚转。
作为优选，器械丝轮盘与电机转盘通过面与面相互配合且相互配合的面上设有相互配合的凸齿和凹齿。凸齿和凹齿的配合能够实现器械丝轮盘与电机转盘之间的连接，以使电机转盘能够带动器械丝轮盘转动。
作为优选，器械座还包括器械座外壳，电机组件设置于器械座外壳内，器械座面板设置于器械座外壳端面上，器械座外壳能够起到对电机组件的保护作用。电机组件作为优选，器械本体与器械座之间还设有无菌适配器，无菌适配器的两端分别与器械座面板和器械底板配合连接，无菌适配器中部设有供电机转盘和器械丝轮盘插入的适配孔。无菌适配器的设置能够使得器械座与器械本体之间的连接更加稳定。
作为优选，器械臂的端部设有供器械杆穿过的空心套筒。空心套筒的设置能够对器械杆进行一定的限位，使其在工作时能够更加稳定。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1中末端执行器械的结构示意图。
图3是图2中末端执行器械的拆分结构示意图。
图4是图2中器械座的结构示意图。
图5是图4中电机组件与电机转盘之间的连接机构示意图。
图6是图4中器械座面板的结构示意图。
图7是图6中器械座面板与电机组件之间的连接结构示意图。
图8是图1中器械本体的结构示意图。
图9是图8中器械丝轮盘与器械杆之间的连接机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，如图1-图3所示，包括末端执行器械1，末端执行器械1包括与手术机器人机械臂2连接的器械臂101，还包括器械座102、安装在器械座102上的器械本体103以及连接在器械本体103上的器械杆104，器械座102内设有驱动器械杆104末端动作的电机组件105，电机组件105的外壳与器械座102刚性连接，器械臂101与器械座102之间连接有第一力传感器106。
如图2所示，本实施例中第一力传感器106为多维力传感器，器械座102和器械臂之间安装有多维力传感器，当器械末端受到上下和左右的力时候，力传到器械臂时，多维力传感器就可以精确测量到各个方向的力，通过该多维力传感器能够测量到器械末端整体受到的外力即器械末端位置部分受到的力。
电机组件105给输出到轴的力，等于电机组件105的输出轴给器械座102电机外壳的力，由于电机组件105的外壳和器械座102刚性连接，所以电机组件105输出轴的力的反作用传递到器械座102上，然后通过多维力传感传到器械臂时，此时多维力传感器即可以获得器械的位置上的力，继而将检测的力通过机器人动力学反馈到医生的操作手上的相应的电机上，从而实现腹腔镜手术机器人的力反馈。
该种方式中是将力传感器设置在器械座102上，而非设置在器械末端，从而解决器械末端安装传感器存在的问题，如器械末端安装传感器存在走线困难，加工不便的问题；使用次数达到后会报废，安装传感器使器械每次使用的成本增加的问题；每次使用后需要对器械末端进行消毒，每次高温消毒都有损坏传感器的可能的问题以及器械末端使用次数达到一定后会报废，传感器会跟随一起报废，无法长时间使用，导致成本增加等问题。
如图4-图9所示，本实施例中为了更好的完善器械末端力检测系统，还设有第二力传感器110，其可以检测器械姿态部分受力情况，具体如下所述：
器械座102包括器械座面板107和器械座外壳123，电机组件105设置于器械座外壳123内，器械座面板107设置于器械座外壳123端面上，多维力传感器设置于器械座面板107的外侧面上。
器械座面板107上通过扭力梁108连接有电机固定盘109，电机组件105安装在电机固定盘109上，扭力梁108上设有用于检测扭力梁108形变的第二力传感器110。
其中，器械座面板107上设有固定盘安装孔111，电机固定盘109同轴设置于安装孔内，扭力梁108的两端分别连接在电机固定盘109的外侧壁与安装孔的内侧壁上，电机固定盘109中部设有供电机输出轴穿出的贯穿孔112。电机固定盘109的朝向电机组件105的端部设有安装槽，安装槽内壁上设有内螺纹，电机组件105的端部螺纹连接在安装槽内。
本实施例中电机组件105包括电机、减速机和编码器，电机组件105通过减速机与电机固定盘109连接，减速机端部螺纹连接在安装槽内。
本实施例中每个电机固定盘109的侧面上设有两个相互平行且分布与电机固定盘109两侧的扭力梁108，两个扭力梁108的延伸方向均沿电机固定盘109外侧面的切线方向布置，两个扭力梁108的外侧面上均设有第二力传感器110，该种设计方式能够使得扭力梁108在发生形变时，第二传感器能够更精准的检测到器械末端受力情况。
另外本实施例中在器械座面板107上设有四个固定盘安装孔111，每个固定盘安装孔111内均设有通过扭力梁108连接的电机固定盘109，其中两个固定盘安装孔111内的扭力梁108的延伸方向与另外两个固定盘安装孔111内扭力梁108的延伸方向呈锐角夹角设置，继而使得电机组件105驱动器械杆104使得器械末端动作，器械末端反向作用力传递到扭力梁108时，其中两个固定盘安装孔111内扭力梁108上的第二力传感器110收到压力，另外两个固定盘安装孔111内扭力梁108上的第二力传感器110能够收到张力，通过四组第二力传感器110传感器融合，然后给相应的处理电路，送到处理器，通过算法滤波从而得到精度较高的力。
本实施例中电机组件105的穿出贯穿孔112的端部安装有电机转盘113，器械本体103包括器械底板114，器械底板114上设有两端贯穿器械底板114的器械丝轮盘115，器械丝轮盘115的一端与器械杆104配合传动器械杆104，另一端与电机转盘113配合并随电机转盘113转动。
器械丝轮盘115的一端侧壁上设有钢丝槽116，钢丝槽116上绕有钢丝117，器械丝轮盘115与器械杆104通过钢丝117传动。器械丝轮盘115与电机转盘113通过面与面相互配合且相互配合的面上设有相互配合的凸齿118和凹齿119，本实施例中器械丝轮盘115的与电机转盘113连接的端面上设有凸齿118，电机转盘113的与器械丝轮盘115连接的端面上设有凹齿119，凸齿118卡入凹齿119内。
器械末端作用力传动过程中，电机组件105的输出轴输出力，并通过电机转盘113带动器械丝轮盘115转动，器械丝轮盘115通过钢丝117将动力传递给器械末端，从而控制器械末端的姿态运动，如钳子张合、滚转。本实施例中器械末端机构包括如持针钳、窗式钳等。
器械末端反作用力传动过程中，器械末端的力通过钢丝117传递到器械丝轮盘115后，再通过器械丝轮盘115传递到电机转盘113，继而通过电机组件105的输出轴传递到电机组件105的外壳，然后通过电机固定盘109传递到扭力梁108，继而传动到器械座面板107。该过程中由于扭力梁108上有第二力传感器110，从而能够检测扭力梁108在力的作用下的形变，不同大小的力形变量不同，第二力传感通过检测形变量即可得出此时的力，本实施例中的第二传感器可以为应变片传感器，继而得到器械末端的受力情况，然后在将该处检测到的力通过机器人动力学，反馈到医生的操作手上的相应的电机上，从而实现腹腔镜手术机器人更精准的力反馈。
本实施例中器械本体103与器械座102之间还设有无菌适配器120，无菌适配器120的两端分别与器械座面板107和器械底板114配合连接，无菌适配器120中部设有供电机转盘113和器械丝轮盘115插入的适配孔121，其能够使得器械座102与器械本体103之间的连接更加稳定。另外，器械臂101的端部设有供器械杆104穿过的空心套筒122，其能够对器械末端进行一定的限位导向作用。
本实施例通过作用力反作用力的方法，把力传感做到器械座102上，其能够精确检测器械末端力的大小，既可以知道器械位置部分受外力情况、也可以知道器械姿态部分受力情况。同时还能够有效避免传统把力传感器做到器械末端，从而可以有效增传感器的使用寿命，避免器械上传感器在器械报废后随之报废。并且解决了力传感器做到器械末端时所代理的器械生产加工难度增加，走线困难、成本增大，作为耗材报废资源浪费严重等问题。同时也避免了因器械消毒对传感器检测结果产生影响的问题。采用布置在器械座102和器械臂之间和器械座102电机和器械座面板107之间，精确检测器械末端力的大小。通过本实施例中的方法能够精确检测末端执行器力的装置，检测末端执行器械1在使用过程中各个方向的力的大小，并能够实时的将力的大小方向，反馈到医生的操作手上，通过动力学算法，把器械的各个方向的力反馈到医生的操作手上各个相应的电机上，让电机输出相应的力矩，从而合成实际末端器械感受的力的情况，医生在有该力反馈检测系统的操作手上做腔镜手术时候，就能获得准确的力反馈，在力反馈准确清晰地情况下，医生就能遥操手术机械臂在有力反馈的力觉下完成手术，使手术过程中更直观的感受到器械在病灶处操作的各个方向的力，结合3D内窥镜显示，从而视觉力觉等多个角度去操作器械，使手术更加精准直观。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，包括末端执行器械(1)，其特征在于：末端执行器械(1)包括与手术机器人机械臂(2)连接的器械臂(101)，还包括器械座(102)、器械本体(103)和器械杆(104)，器械座(102)内设有通过器械座和器械本体驱动器械杆(104)动作的电机组件(105)，电机组件器械臂(101)与器械座(102)之间连接有第一力传感器(106)。
2.根据权利要求1所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：电机组件(105)的外壳与器械座(102)之间刚性连接且连接处设有第二力传感器(110)。
3.根据权利要求2所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：器械座(102)包括器械座面板(107)，电机组件(105)的外壳连接在器械座面板(107)上，电机组件(105)的输出轴通过器械座面板(107)与器械本体连接，第一力传感器(106)和第二力传感器(110)均设置在器械座面板(107)上。
4.根据权利要求3所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：器械座面板(107)上通过扭力梁(108)连接有电机固定盘(109)，电机组件(105)安装在电机固定盘(109)上，第二力传感器(110)设置于扭力梁(108)上且用于检测扭力梁(108)形变。
5.根据权利要求4所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：器械座面板(107)上设有固定盘安装孔(111)，电机固定盘(109)同轴设置于固定盘安装孔(111)内，扭力梁(108)的两端分别连接在电机固定盘(109)的外侧壁与固定盘安装孔(111)的内侧壁上，电机固定盘(109)中部设有供电机组件(105)的输出轴穿出的贯穿孔(112)。
6.根据权利要求3-5任意一项所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：电机固定盘(109)的朝向电机组件(105)的端部设有安装槽，安装槽内壁上设有内螺纹，电机组件(105)的端部螺纹连接在安装槽内。
7.根据权利要求5所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：电机组件(105)的穿出贯穿孔(112)的端部安装有电机转盘(113)，器械本体(103)包括器械底板(114)，器械底板(114)上设有两端贯穿器械底板(114)的器械丝轮盘(115)，器械丝轮盘(115)的一端与器械杆(104)配合传动器械杆(104)，另一端与电机转盘(113)配合并随电机转盘(113)转动。
8.根据权利要求7所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：器械丝轮盘(115)的一端侧壁上设有钢丝槽(116)，钢丝槽(116)上绕有钢丝(117)，器械丝轮盘(115)与器械杆(104)通过钢丝(117)传动。
9.根据权利要求7所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：器械丝轮盘(115)与电机转盘(113)通过面与面相互配合且相互配合的面上设有相互配合的凸齿(118)和凹齿(119)。
10.根据权利要求7所述的手术机器人力反馈系统中末端执行器力检测系统，其特征在于：器械本体(103)与器械座(102)之间还设有无菌适配器(120)，无菌适配器(120)的两端分别与器械座面板(107)和器械底板(114)配合连接，无菌适配器(120)中部设有供电机转盘(113)和器械丝轮盘(115)插入的适配孔(121)。
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