CN114668494B - 一种用于手术机器人的主操作手及手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于手术机器人的主操作手及手术机器人系统，包括基座和操作台，基座和操作台之间设置有至少三个沿圆周等间隔分布的操作机构，操作机构包括固定操作台的第一平行四边形连杆机构，第一平行四边形连杆机构与从动杆连接，从动杆通过万向铰组件与第二平行四边形连杆机构连接，第二平行四边形连杆机构连接有与基座固定的电机组件，以将操作台的运动转换为电机组件中电机输出轴的转动，电机的输出轴安装有转角检测元件，采用本发明的主操作手，操作台对电机的负载小。

Description

一种用于手术机器人的主操作手及手术机器人系统

技术领域

本发明涉及微创手术机器人技术领域，具体涉及一种用于手术机器人的主操作手及手术机器人系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

微创手术是指微小创伤的手术，相比于传统外科手术方式，微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快的优越性，能够提升患者的医疗体验。随着医疗技术与机器人技术逐步成熟，微创手术机器人技术正在快速发展并逐渐应用于医疗领域。医生通过操作高精度化、智能化手术机器人设备，可以很好减缓长时间手术产生的疲劳，解决由于切口较小导致对组织观察受限的问题，提高手术的安全性和可靠性。现有微创手术机器人系统多采用主从式结构，主手作为连接操作者与手术执行器的中间桥梁，主手性能对于手术的质量具有重要的影响。

在连续体机器人控制领域，与串联型主手相比，并联型主手具有高刚性、低整体惯性矩的优势，但发明人发现，并联型主手的工作空间中可能存在奇异位形，当主手运动到奇异点时会获得一个或多个自由度，从而完全丧失刚度，使主手运动和控制失效。且传统六自由度并联平台难以控制连续体机器人末端夹钳开合，需要在运动平台上安装夹持控制装置，包括驱动电机和转动检测元件，相应地增大了并联型主手整体惯性矩，所以该结构在应用时有一定局限性。例如申请号为201921620743.3的实用新型专利公开了一种采用平行四边形耦合驱动的三分支六自由度并联机器人，末端动操作平台有大转角扭转能力，但该机器人用作主手时，需要在动操作平台上串联控制夹钳的手持机构，并安装与手持机构配套使用的电机、转角检测元件等，增大了动操作平台的惯性，从而增大基座附近电机的负载，而且发明人还发现，上述机器人的工作空间中存在奇异位置，从动杆运动至与平行四边形耦合驱动组件共平面时，雅克比矩阵的行列式为零，机器人无法按照规划轨迹前进，所以在轨迹规划时需要减小工作空间以规避奇异点。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种用于手术机器人的主操作手，进一步减小主手的整体惯性矩，同时解决了并联机器人固有的奇异问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案

第一方面，本发明的实施例提供了一种用于手术机器人的主操作手，包括基座和操作台，基座和操作台之间设置有至少三个沿圆周等间隔分布的操作机构，操作机构包括固定操作台的第一平行四边形连杆机构，第一平行四边形连杆机构与从动杆连接，从动杆通过万向铰组件与第二平行四边形连杆机构连接，第二平行四边形连杆机构连接有与基座固定的电机组件，以将操作台的运动转换为电机组件中电机输出轴的转动，电机的输出轴安装有转角检测元件。

可选的，所述第一平行四边形机构包括平行设置的第一连杆和第二连杆，第一连杆和第二连杆的一端均与操作台的其中一个分支铰接，从动杆与操作台的分支平行且与第一连杆和第二连杆铰接，从动杆与操作台的分支及第一连杆、第二连杆构成第一平行四边形连杆机构。

可选的，其中有两套操作机构的第一连杆和第二连杆的一端与操作台的分支铰接，第一连杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与第三连杆的另一端铰接，第三连杆安装有手持开关。

可选的，所述第二平行四边形连杆机构包括平行设置的第四连杆和第五连杆，第五连杆的端部通过万向铰组件与从动杆连接，第四连杆和第五连杆之间设置有平行设置的第六连杆和第七连杆，第六连杆一端与第五连杆铰接，另一端与安装在电机座的第一电机的输出轴固定，第七连杆一端与第五连杆铰接，另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与固定在电机座的第二电机的输出轴铰接。

可选的，电机座与第三电机的输出轴固定连接，第三电机固定在基座上，多个第三电机的轴线沿同一个圆周的径向分布。

可选的，电机座采用U型板，包括第一板部和设置在第一板部两个端部的第二板部，其中一个第二板部固定第一电机，另一个第二板部固定第二电机，第一板部与第三电机的输出轴固定。

可选的，所述基座包括底座，底座顶面固定有固定支架，固定支架固定有电机组件。

可选的，电机组件安装在固定支架的一侧侧面上，固定支架的另一侧的底座部分安装有配重块。

可选的，所述操作台的两侧面均安装第一平行四边形连杆机构，且一侧侧面固定在第一壳体的一侧侧面，第一壳体的另一侧侧面固定有第二壳体，第二壳体设置有把手。

第二方面，本发明的实施例提供了一种手术机器人系统，包括第一方面所述的用于手术机器人的主操作手，还包括连续体手术机器人，所述的用于手术机器人的主操作手的转角检测元件与控制系统连接，控制系统与连续体手术机器人的驱动部件连接。

本发明的有益效果：

1.本发明的用于手术机器人的主操作手，通过设置第一平行四边形连杆机构，能够将手部的夹持动作转换为第一平行四边形连杆机构的连杆相对于操作台角度的变化，然后通过第一平行四边形连杆机构和第二平行四边形连杆机构传递至电机组件，即利用冗余自由度控制夹持运动，电机组件和转角检测元件均设置在基座上，主手整体惯性矩较小。操作夹钳产生的触觉反馈可以由电机组件产生并沿着操作机构传导至第一平行四边形连杆，最后作用于手持开关，使医生能够感知夹钳夹持力大小。

2.本发明的用于手术机器人的主操作手，每个操作机构均具有三个电机和对应的转角检测元件，共九个电机和九个转角检测元件，九个电机可驱动操作台完成空间六自由度运动，剩余三个自由度为冗余自由度，可表示第一平行四边形连杆机构与操作台之间的夹角，转角检测元件可通过检测电机轴转角检测操作台的位置、姿态及夹持角度，通过控制三个夹角可有效规避并联机器人的奇异位置，拓展了并联机器人的工作空间，特别是增大了操作台的扭转角度，实现了位置姿态控制与规避奇异构型的解耦。

3.本发明的用于手术机器人的主操作手，电机组件设置在基座上，在操作台或操作机构上不需设置电机或相应的传感器，通过控制电机的输出力矩可以控制操作人员需要施加在操作台处的力和力矩大小，同时可以实现主动的重力平衡，主手可以在医生脱离操作时实现悬停，能够提高主手在操作过程中的动态稳定性，并降低医务人员的劳动强度。

4.本发明的用于手术机器人的主操作手，通过控制电机组件，可将从手与患者组织接触时产生的交互作用力信息，经过底座的电机和操作机构，传导至操作端，医生在改变操作台的位置姿态和进行夹持操作时，可以感受到主手反馈回的力信息，使医生可在视觉信息和触觉信息的指示下通过控制主操作手，实现对手术从手的控制，可以增加操作者的沉浸感，并提高控制精度，从而提高手术安全性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图一；

图2为本发明实施例1整体结构示意图二；

图3为本发明实施例1第一平行四边形连杆机构及操作台结构示意图；

图4为本发明实施例1第二平行四边形连杆机构结构示意图；

图5为本发明实施例1第二壳体结构示意图；

图6为本发明实施例2连续体手术机器人结构示意图；

其中，1.底座，2.固定支架，3.配重块，4.操作台，5.第一连杆，6.第二连杆，7.从动杆，8.第三连杆，9.手持开关，10.第一壳体，11.第二壳体，12.把手，13.万向铰组件，14.第四连杆，15.第五连杆，16.第六连杆，17.第一电机，18.电机座，19.第二电机，20.第三电机，21.支撑座，22.连续体关节，23.驱动丝，24.夹钳，25.第七连杆，26.连续体基座。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种用于手术机器人的主操作手，如图1-图2所示，包括基座和操作台，基座和操作台之间设置有至少三组操作机构，本实施例中，基座和操作台之间设置有三组操作机构，相应的操作台设置有三个分支，每个分支对应一套操作机构。

基座包括底座1，底座1为环形平板，环形平板的后端设置有安装板，安装板通过螺栓与固定支架2连接，固定支架2与安装板垂直设置，固定支架2包括矩形部和圆形部，矩形部底端设置有法兰板，并通过法兰板和螺栓与环形平台的安装板固定。

所述圆形部的前侧侧面连接操作机构，为了防止主操作手前倾，固定支架的底部后方安装有配重块3，配重块3固定在法兰板上表面。

所述操作机构包括连接在操作台4分支的第一平行四边形连杆机构。

如图3所示，本实施例中，操作台共有三个分支，每个分支均设置有一套第一平行四边形连杆机构，共三套第一平行四边形连杆机构，并围绕操作台中心轴线沿圆周方向阵列布置。

每套第一平行四边形连杆机构的第一连杆5和第二连杆6的一端分别与操作台4的分支铰接，第一连杆5和第二连杆6的另一端分别与从动杆7铰接。第一连杆5和第二连杆6平行设置，与操作台4能够发生相对转动，进而改变第一连杆5、第二连杆6与操作台4分支之间的角度。从动杆7与操作台4的分支平行设置，使得第一连杆5、第二连杆6、从动杆7和操作台4的分支构成第一平行四边形连杆机构。为了提高每个分支从动杆7与操作台4之间传递力的能力，第一连杆5和第二连杆6均设计为双层铰链形式，即在从动杆7和操作台4的上方和下方均设置有第一连杆5和第二连杆6进行连接。

其中两套第一平行四边形连杆机构的第一连杆5和第二连杆6均包括两个连杆部，两个连杆部上下设置，其中下方的连杆部连接从动杆7和操作台4，并且下方的连杆部在与操作台4铰接位置处固定有销轴，上方的连杆部一端设置有通孔，通过通孔与下方连杆部的销轴配合，设置顶丝进行固定，使每套第一连杆5和第二连杆6的两个连杆部夹角相同。放松顶丝即可调节两个连杆部夹角。第一连杆5的上方连杆部的另一端与第三连杆8的一端铰接，第二连杆6的上方连杆部的另一端与第三连杆8的另一端铰接。第三连杆8与操作台4的分支平行设置，且两套第一平行四边形连杆机构的第三连杆8关于把手12对称。

两个第三连杆8上分别固定手持开关9，手持开关9采用圆筒状结构，通过调节安装有第三连杆8的两套第一平行四边形连杆机构中第一连杆5和第二连杆6与操作台4夹角，可以改变两个手持开关9之间的距离，所以操作人员能够通过控制两个手持开关将手指夹持动作传递至固定在基座附近的电机上，并由转角检测元件检测电机转角，向控制器发送信号从而控制手术机器人夹钳的开合。

操作台4的一侧端面安装第一平行四边形连杆机构，另一侧端面与第一壳体10通过螺钉固定连接，第一壳体10包括壳板，壳板的边缘处设置有凸起，凸起避开从动杆及第一平行四边形连杆机构运动的位置，壳板的一侧侧面与操作台4贴合，另一侧侧面设置有插槽，第一壳体10通过插槽和设置在第二壳体11上的插块与第二壳体11插接固定。

如图5所示，第二壳体11的一侧端面与第一壳体10贴合，另一侧侧面设置有U型结构的把手12。

如图1所示，从动杆7的端部通过万向铰组件13与第二平行四边形连杆机构连接，万向铰组件13包括一个U型板，U型板内部设置有销轴，从动杆7端部与销轴转动连接，U型板设置有转动套筒，U型板通过转动套筒与第二平行四边形连杆机构的连杆转动连接，进而使得U型板能够绕转动套筒的轴线转动，与销轴配合共同实现万向连接。

第二平行四边形连杆机构包括平行设置的第四连杆14和第五连杆15，第五连杆15的端部设置有一段圆柱形杆段，圆柱形杆段与转动套筒转动连接。

第二平行四边形连杆机构还包括平行设置的第六连杆16和第七连杆25，第七连杆25的一端与第五连杆15的端部铰接，另一端与第四连杆14的一端铰接，第六连杆16的一端与第五连杆15的非端部位置处铰接，具体的，第六连杆16与第五连杆15之间通过螺栓和轴承实现转动连接。

第六连杆16的另一端与安装在电机座的第一电机17的输出轴固定连接，第一电机17的电机壳固定在电机座18上。

同样，第四连杆14的另一端与安装在电机座的第二电机19的输出轴固定连接，第二电机19的电机壳固定在电机座18上。

本实施例中，电机座18为U型板，包括第一板部和设置在第一板部端部的第二板部，第一电机17的电机壳与其中一个第二板部固定，第二电机19的电机壳与另外一个第二板部固定。

电机座18与安装在固定支架的第三电机20的输出轴连接，第三电机20的输出轴轴线垂直于电机座18的第一板部。具体的，第三电机20的电机壳固定在支撑座21上，支撑座21固定在固定支架上。

本实施例中，三套操作机构的第三电机20沿圆周等间隔设置，且三个第三电机20的轴线沿固定支架2所在圆周的径向分布，在操作台4运动时可避免万向铰组件13位于第三电机20的轴线的延长线上，从而避免在每套操作机构中出现奇异构型。第一电机17、第二电机19及第三电机20共同构成了电机组件。

第一电机17、第二电机19及第三电机20的输出轴均安装有转角检测元件，转角检测元件采用编码器，能够检测第一电机17、第二电机19及第三电机20输出轴的转动角度。

第一电机17、第二电机19及第三电机20安装的编码器均与控制系统连接，能够将检测得到的转动角度信息传输给控制系统。

本实施例的主操作手的工作原理为：

手术人员握住把手12，带动操作台4位置和姿态发生变化，通过第一平行四边形连杆机构和第二平行四边形连杆机构将位置和姿态的变化转变为第一电机17、第二电机19和第三电机20输出轴的转动，编码器采集第一电机17、第二电机19和第三电机20的输出轴转动参数，并传送给控制系统，控制系统根据采集的转动参数控制手术机器人工作。

手术人员握住把手12后，手指伸入两个手持开关9内，带动手持开关9之间距离发生变化，进而通过第一平行四边形连杆机构、万向铰组件和第二平行四边形连杆机构转换为第一电机17、第二电机19和第三电机20输出轴的转动，进而可以控制手术机器人的夹钳运动。

采用本实施例的主操作手，控制夹钳运动时无需在操作台上设置电机及相应的编码器，主操作手的运动部分具有较小惯性，从而减小基座所固定的电机组件承受的负载，能够提高主手在操作过程中的动态稳定性，并降低医务人员的劳动强度。且通过控制电机可以实现主动重力平衡，主手可以在医生脱离操作时实现悬停。

本实施例中，第一电机17、第二电19机和第三电机20的输出转矩可以通过操作机构传导并作用在操作台处，医生可以通过主手反馈作用感受手术从手与患者组织接触时产生的交互作用力信息，使医生可在视觉信息和触觉信息的指示下通过控制主操作手，实现对手术从手的控制，实现远距离操作，并提高控制精度。

本实施例中，通过设置第一平行四边形连杆机构、第二平行四边形连杆机构和电机组件，每个操作机构均具有三个电机，共同确定与第二平行四边形机构相连接的万向铰组件13的位置，万向铰组件13与动操作台4间接相连，操作台4可实现六自由度空间运动，剩余三个自由度为冗余自由度，分别表示第一连杆5、第二连杆6与操作台4分支之间的夹角，第一连杆5、第二连杆6和操作台4的分支之间的夹角在设定范围内转动，当超出该范围时，第一电机17、第二电机19和第三电机20输出较大扭矩使得第一连杆5、第二连杆6和操作台4分支之间的夹角无法在外力作用下再发生变化，可通过控制三个夹角有效规避并联机器人固有的奇异问题，拓展了并联机器人的工作空间，特别是增大了操作台4的扭转角度，实现了位置姿态控制与规避奇异构型的解耦。

实施例2

本实施例提供了一种手术机器人系统，包括连续体手术机器人及实施例1所述的用于手术机器人的主操作手。

如图6所示，连续体机器人为从动手，包括连续体基座26、连续体关节22、驱动丝23、夹钳24，连续体基座26垂直安装在旋转平台上，且轴线与旋转平台轴线重合，可以电机驱动实现连续体机器人的周向旋转；连续体机器人的主体由多个连续体关节22串联组成，连续体关节22的上、下、左、右四个方向设置穿丝孔，四根驱动丝23依次穿过所在方向连续体关节22后，分别与对应绕线轮连接，每个绕线轮均设置一个电机驱动，通过控制四根驱动丝23的张力，可实现连续体机器人的弯曲以及进给运动；夹钳24穿过连续体关节22中部支撑管设置，由电机控制两个钳瓣的开合。在本实施例中，从手为丝驱动结构连续体机器人，当然，从手也可以设计成其他结构形式，并与主操作手建立主从映射关系。

控制系统与连续体手术机器人的驱动部件连接，即控制系统与驱动连续体机器人工作的电机连接。

在使用时，通过使用者的自身情况，调整动操作台相对于底座的位置和姿态，再由使用者捏合手持开关，调整两个平行手持开关之间的距离，使用外力带动九个电机的输出轴转动，在各个电机转动过程中，相应编码器获取数据，并由编码器将数据传送给控制器，控制器可为工控机，由控制器通过各个数据的获取，可无线或者有线控制手术从手进行操作，实现远距离的操作。

本实施例的手术机器人系统，采用并联平台作为主操作手的主体结构，通过多自由度冗余实现底部电机对动操作台的直接控制，无需增设机械传动结构，运动时产生的阻力较小，整体结构设置相对简单，可与连续体机器人从手实现主从同构遥操作，既方便开发人员进行控制，又便于医生进行学习和操作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，包括基座和操作台，基座和操作台之间设置有至少三个沿圆周等间隔分布的操作机构，操作机构包括固定操作台的第一平行四边形连杆机构，第一平行四边形连杆机构与从动杆连接，从动杆通过万向铰组件与第二平行四边形连杆机构连接，第二平行四边形连杆机构连接有与基座固定的电机组件，以将操作台的运动转换为电机组件中电机输出轴的转动，电机的输出轴安装有转角检测元件。

2.如权利要求1所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，所述第一平行四边形机构包括平行设置的第一连杆和第二连杆，第一连杆和第二连杆的一端均与操作台的其中一个分支铰接，从动杆与操作台的分支平行且与第一连杆和第二连杆铰接，从动杆与操作台的分支及第一连杆、第二连杆构成第一平行四边形连杆机构。

3.如权利要求2所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，其中有两套操作机构的第一连杆和第二连杆的一端与操作台的分支铰接，第一连杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与第三连杆的另一端铰接，第三连杆安装有手持开关。

4.如权利要求1所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，所述第二平行四边形连杆机构包括平行设置的第四连杆和第五连杆，第五连杆的端部通过万向铰组件与从动杆连接，第四连杆和第五连杆之间设置有平行设置的第六连杆和第七连杆，第六连杆一端与第五连杆铰接，另一端与安装在电机座的第一电机的输出轴固定，第七连杆一端与第五连杆铰接，另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与固定在电机座的第二电机的输出轴固定。

5.如权利要求4所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，电机座与第三电机的输出轴固定连接，第三电机固定在基座上，多个第三电机的轴线沿同一个圆周的径向分布。

6.如权利要求5所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，电机座采用U型板，包括第一板部和设置在第一板部两个端部的第二板部，其中一个第二板部固定第一电机，另一个第二板部固定第二电机，第一板部与第三电机的输出轴固定。

7.如权利要求1所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，所述基座包括底座，底座顶面固定有固定支架，固定支架固定有电机组件。

8.如权利要求7所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，电机组件安装在固定支架的一侧侧面上，固定支架的另一侧的底座部分安装有配重块。

9.如权利要求1所述的一种用于手术机器人的主操作手，其特征在于，所述操作台的两侧面安装第一平行四边形连杆机构，一侧侧面固定在第一壳体的一侧侧面，第一壳体的另一侧侧面固定有第二壳体，第二壳体设置有把手。

10.一种手术机器人系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的用于手术机器人的主操作手，还包括连续体手术机器人，所述的用于手术机器人的主操作手的转角检测元件与控制系统连接，控制系统与连续体手术机器人的驱动部件连接。