CN115005997B - 一种可实时检测器械盒安装状态的机械手 - Google Patents

Abstract

一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其包括机械臂、驱动模块、器械驱动盒、器械盒和转接板，所述驱动模块设置在所述机械臂上，且能在所述机械臂上运动，其特征在于，所述直线驱动模块上设置有器械驱动盒，所述器械驱动盒上连接有器械盒和转接板，所述器械驱动盒内装配有不受电磁场干扰，且能够实时地检测手术器械安装状态的传感系统。

Description

一种可实时检测器械盒安装状态的机械手

技术领域

本发明涉及外科手术用的医疗器械领域，尤其是涉及一种可实时检测器械盒安装状态的机械手。

背景技术

腹腔内窥手术临床中，手术机器人在微创手术中，应用得到越来越广泛的应用，其中，如何快速、准确确定手术器械是否安装到位，是必须解决的技术难题。在内窥镜手术机器人使用中，手术器械盒作为耗材与手术机器人的器械驱动盒通过快拆接口进行组装，由于手术机器人要求具有很高的可靠性与安全性，故需要对手术器械盒的安装状态进行检测。

现有的内窥镜手术机器人采用的是霍尔效应传感器以非接触方式检测手术器械的装配状态。虽然，现有技术中给出了利用非接触式的霍尔效应传感器进行手术器械安装位置判断的解决方案，但是，作为手术机器人的技术现状中，不可避免的大量设置直流电机、各种感应元器件，都将产生一定的磁场感应，这些电磁场复合势必产生难以预料也无法控制的电磁环境，这些都将给霍尔效应传感器的应用造成困扰。实际应用中，一方面，手术机器手中包含有大量的微型直流电机，以及大量的各类传感器，及各种电子元器件，其必然会在手术机械手周围产生复杂的磁场环境；另一方面，来自手术室周边环境的电磁干扰复杂且难以预测和控制，也包括来自自然环境的电磁干扰，这些因素都将不同程度的干扰和影响基于霍尔传感器进行器械盒安装状态判断的准确性和可靠性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的一个目的在于提供其能够不受外界电磁环境干扰的影响，也不对外产生电磁干扰的可实时检测器械盒安装状态的机械手

本发明的又一目的是提供一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其能够灵敏、可靠的检测手术器械安装到手术机器人上的装配状态，从而检测转接板和器械盒的安装是否在正确的工作位置，而且能够实时监测转接板和器械盒在使用过程中是否松动，是否在正确的工作位置。

本发明的又一目的是提供一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其能够根据手术器械装配的位置与接触式传感系统输出的电信号成线性关系，从而提高检测的可靠性和准确性。

为达到上述发明目的，本发明提供一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其包括机械臂、驱动模块、器械驱动盒、器械盒和转接板，所述驱动模块设置在所述机械臂上，且能在所述机械臂上运动，所述直线驱动模块上设置有器械驱动盒，所述器械驱动盒上连接有器械盒和转接板，所述器械驱动盒内装配有不受电磁场干扰，且能够实时地检测手术器械安装状态的传感系统。

进一步地，所述传感系统包括传感部件，所述传感部件可以为接触式传感部件或飞行时间传感部件或电感式传感部件。

进一步地，所述传感系统包括：

随动装置，所述随动装置至少包括一可随检测目标物运动的导杆，所述导杆的末端具有一弹性压块；

所述接触式传感部件与所述弹性压块相抵接，以判断手术器械的安装状态；

数据采集与处理系统，至少包括采集电路、主控芯片，所述采集电路可以获取接触式传感部件的原始数据，所述主控芯片用以计算接触式传感部件相应压力值，并通过与系统内预置的压力阈值对比以判断手术器械的安装状态。

可选择地，所述传感系统包括：

随动装置，所述随动装置至少包括一可随检测目标物运动的导杆；

所述飞行时间传感部件或电感式传感部件设置在电路板上，用以测量所述导杆底端面与电路板之间的距离；

数据采集与处理系统，至少包括采集电路、主控芯片，所述采集电路可以获取所述传感部件的原始数据，所述主控芯片用以计算所述导杆底端面与电路板的距离值，并通过与系统内预置的距离阈值对比以判断手术器械的安装状态。

进一步地，所述接触式传感部件包括弹性件和应变片传感器。

进一步地，所述弹性件两侧均设置有所述应变片传感器。

进一步地，所述应变片传感器通过与多个电阻构成电桥，获得与电阻值成线性关系的电压信号，所述采集电路采集所述电压信号以获取原始数据。

进一步地，所述飞行时间传感器芯片设置在所述导杆的正下方。

进一步地，所述导杆具有金属端面，所述电感式传感部件包括螺旋线圈、电感式传感器芯片和电路板，所述螺旋线圈设置在电路板表面。

进一步地，所述随动装置还包括一基座，所述导杆穿设于所述基座上的通孔中，并可沿该通孔轴向移动。

进一步地，所述随动装置还包括套设于导杆上的弹性装置，所述弹性装置驱动导杆自动复位。

进一步地，所述导杆上设置有凸肩，所述通孔中设置有限位座，所述凸肩上端面抵压在限位座上，用以限制导杆的滑动。

进一步地，所述弹性装置为弹簧，所述弹簧用以与限位座、凸肩配合，提供回复力。

进一步地，所述凸肩与导杆形成为一体，其外缘面与通孔内部配合，以使得该导杆沿通孔轴向平稳移动。

进一步地，所述弹性压块为橡胶或类橡胶的弹性材料制成。

进一步地，所述转接板设置在所述器械盒和器械驱动盒之间，所述传感系统的导杆顶端穿出器械驱动盒的上表面，至少一个所述导杆的顶端抵接于所述转接板上。

进一步地，所述转接板上设置有供所述传感器的导杆穿过的孔，至少一个所述导杆的顶端抵接于所述器械盒上。

本发明还提供一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人至少包含一个如上所述的手术机械手。

本发明的技术效果在于：

本发明能够灵敏，可靠的检测手术器械安装到手术机器人上的装配压力，根据装配压力来判断驱动器械盒、转接板、器械盒三部件的对接状态。通过机械结构将装配压力转化为传感器弹性件的弯曲变形，通过测量弹性件所受弯矩大小，间接获取手术器械安装装位置是否达到目标位置。本发明的接触式应变片传感器不受外界电场、磁场的影响。

本发明利用接触式应变片变形电阻发生改变来检测、判断手术器械的安装状态或使用状态，能够实时检测手术器械的异常状况，完全不受周围电磁环境的影响，具有高准确性和高可靠性，符合外科手术的安全可靠性要求。

此外，本发明的随动装置，可以利用器械盒或器械驱动盒的端部或边缘部分作为基座，并在基座上设置通孔，将导杆设置于通孔中，并通过导杆上套装的弹簧、以及导杆上设置的凸肩，保证该导杆在限定的范围内移动，特别是凸肩结合弹簧，可以保证导杆在非移动状态时，或是器械盒、转接板与器械驱动盒分离回退时，导杆随时可以随器械盒或转接板的抵压而移动，进行新一轮的检测。这样的结构，具有灵敏、可靠的随动性能，确保随时可以进行手术器械安装状态的检测。

本发明的数据采集与处理系统，利用接触式应变片与电阻的电桥连接，采集电路进行电压值的采集，并输出数据至主控芯片进行数据的分析和判断。由于接触式应变片的形变量与电阻之间存在特定的线性函数关系，本发明的应变片式传感器通过直接测量传感片的阻值获得其受到的压力值，更易于保证测量可靠性，本发明的技术方案与基于霍尔效应的电磁感应方式的非线性关系相比较，这种线性函数关系更为简单、直接，数据处理更为简单、可靠，相应的判断结果也更为真实、可靠。

此外，本发明采用飞行时间传感器（ToF传感器）利用光学测距方法测量导杆端部到电路板的距离，从而获取导杆的位置，判断器械的安装状态。还可以采用电感式传感器感应导杆到电路板的距离，测量获得电感变化量，并将其转变为数字信号，计算导杆的位置，判断器械的安装状态。

参考以下描述，本申请的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本申请的实施例，且连同所述描述一起用于解释本申请的原理。

附图说明

本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本申请的完整和启发性公开内容，包括其最佳实施方式，本说明书参考了附图，在附图中：

图1所示为本发明的一种可实时检测器械盒安装状态的机械手中接触式传感器的结构示意图。

图2所示为本发明的一种可实时检测器械盒安装状态的机械手中接触式传感器的另一实施例的结构示意图。

图3所示为图2的一种可实时检测器械驱动盒的示意图。

图4所示为本发明中接触式传感器的结构简图。

图5所示为本发明的数据采集及处理系统的电路原理图。

图6所示为本发明的数据采集及处理系统的另一电路原理图。

图7所示为一种可实时检测器械盒安装状态的机械手结构示意图。

图8所示为图7的局部放大图。

图9为器械盒和器械驱动盒分解示意图。。

附图标记：

1-基座，2-通孔，3-弹簧，4-导杆，5-压块，6-弹性件，7-应变片传感器，8-凸肩，9-1-限位座，9-2-限位座，10-导杆座，11-第一轴承，12-导杆，13-弹簧，14-第二轴承，15-压块，16-应变片传感器。

100-机械臂，110-直线驱动模块，120-器械盒，130-器械驱动盒，140-转接板；

801-电源，802-精密电阻A，803-精密电阻B，804-精密电阻C，805-ADC采样电路，806-主控芯片。

具体实施方式

现将详细参考本申请的实施例，在图中说明本申请的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了解释本申请而提供，而非限制本申请。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下可在本申请中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本申请涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。如本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”等可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。如说明书中所使用，除非上下文另外明确指出，否则术语“一”，“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”，“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除列出的要素外可能还有其他要素。

现在参考附图，其中在所有附图中相同的数字表示相同的元件，下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

如图1、7和8所示，本发明的一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其包括机械臂100、直线驱动模块110、器械驱动盒130、器械盒120和转接板140，所述驱动模块110设置在所述机械臂100上，且能在所述机械臂上运动，所述直线驱动模块110上设置有器械驱动盒130，所述器械驱动盒130上连接有器械盒120和转接板140，所述器械驱动盒130内装配有不受电磁场干扰，且能够实时地检测手术器械安装状态的传感系统。

所述传感系统包括传感部件，所述传感部件可以为接触式传感部件或飞行时间传感部件或电感式传感部件。

所述传感系统包括基座1、随动装置、传感部件和数据采集及处理系统，其中随动装置包括导杆4、弹簧3、凸肩8及导杆座10，凸肩8设置在导杆4上，凸肩8成阶梯状，凸肩8的外缘面与通孔配合对导杆4进行导向。导杆4与导杆座10形成为一体，或可拆卸连接，导杆4及弹簧3设置于基座1的通孔2中，导杆4可以在通孔2中上下滑动。

在发明的实施例一中，通孔2的两端均设置有限位座9-1、9-2，其中位于通孔2上端的限位座可拆卸地固定在通孔2上。可选择地，通孔2上端的限位座9-1可以采用法兰或带有中心孔的盖板座，或者以螺纹的形式与通孔2连接。弹簧3套设于导杆4上，凸肩8和弹簧3位于上下两限位座9-1、9-2之间，弹簧3的一端抵压在下侧的限位座9-2上，另一端抵压在阶梯状凸肩8的下侧，导杆4顶端未受压时，凸肩8的上端面在弹簧3的弹力作用下抵靠在上侧的限位座上，上下侧限位座9-1、9-2上设置有供导杆4往复滑动的导向槽。凸肩8能够紧贴着通孔2并受到通孔2的限制在其中往复滑动，导杆4外缘紧靠在上下侧的两个限位座9-1、9-2上设置的导向槽的内壁上，并能够在其中往复滑动。两导向槽配合导杆4上设置的凸肩8在通孔2中滑动，形成三点导向定位能够有效地避免导杆顶部突然受压时晃动，提高压力测量的精度。

在另一实施例二中，基座1的通孔2中设置有一个上侧的限位座9-1，弹簧3套装在导杆4导杆上，且其一端固定在限位座9-1上，另一端固定在导杆座10上，凸肩8设置在限位座9-1上端面上的通孔2内，并与通孔2配合对导杆4进行导向，导杆4顶端未受压时，导杆4在弹簧拉力的作用下，导杆座10抵靠在基座1的下端面上。

导杆座10下端部设置有压块5，压块5为具有一定弹性的材料制成的块状物，用以随导杆4移动并对下方设置的弹性件6施压。

压块5可以采用具有适当弹性的材料制备，包括橡胶、改性橡胶或是具有弹性的聚氨酯材料等。

接触式传感部件包括弹性件6和应变片传感器7，所述弹性件优选为簧片。在一个实施例中国，簧片与应变片传感器7的设置方式如图1所示，应变片传感器7贴附于簧片6的上表面或下表面，当手术器械装配在手术机器人上，并达到指定位置时，会将导杆4下压，带动压块5给簧片施加压力，应变片传感器7的电阻发生变化，数据采集和处理系统如图5所示，应变片传感器7与精密电阻A802、精密电阻B803、精密电阻C804构成电桥，可以获得与电阻值成线性关系的电压信号，该电压信号经过ADC采集电路805获取原始数据，并由主控芯片806计算压力值，并通过与系统内预置的压力阈值对比判断手术器械的安装状态。

在另一优选实施例中，如图2所示，应变片传感器7有两片，分别同时贴附于簧片6的上下表面，当导杆4下压时，带动压块5给簧片施加压力，应变片传感器7的电阻发生变化，上表面应变片传感器7的阻值变大，下表面应变片传感器7的阻值变小。数据采集和处理系统如图6所示，两应变片传感器7与精密电阻B803、精密电阻C804构成电桥，可以获得与电阻值成线性关系的电压信号，该电压信号经过ADC采集电路805获取原始数据，并由主控芯片806计算压力值，并通过与系统内预置的压力阈值对比判断手术器械的安装状态。

在簧片上下表面同时设置应变片传感器的实施例提高了检测的灵敏度。

如图4所示，优选地是，使用第一轴承11替代上述实施例的设置于通孔2上侧的限位座9-1，第二轴承14替代上述实施例一中的设置于通孔2下侧的限位座9-2。第一轴承11和第二轴承14设置在通孔2中，导杆12可以在第一轴承11和第二轴承14的支撑下往复滑动。第一轴承11和第二轴承14为塑料轴承。

在一个实施例中，所述传感部件为飞行时间传感部件（ToF传感器），所述导杆的下端部没有压块5，ToF传感器可以选用型号为VL80V，ToF传感器设置在印刷电路板上，设置在导杆的正下方，使用光学测距方法测量导杆底端部到电路板6的距离L，通过测量L的长度，数据采集和处理系统采集ToF传感器的数据，将其与系统内预置的距离阈值对比判断手术器械的安装状态。

在另一实施例中，所述传感部件为电感式传感部件，如TI公司生产的LDC3114，所述导杆4具有金属端面，设置在导杆下方的印刷电路板上固定有螺旋线圈，螺旋线圈设置在导杆的正下方，电感式传感器芯片设置在印刷电路板的一侧，当导杆4的金属端面靠近线圈5时，引起线圈5的电感变化，通过电感式传感器芯片7测量获得电感变化量，将其转化为数字信号，数据采集和处理系统采集该数字信号，处理后将其转换成所述导杆4端部到电路板的距离，并与系统内预置的阈值对比判断手术器械的安装状态。

当手术器械安装到机器人，并达到指定位置时，待检测目标下压导杆4，导杆4驱动压块5，压块5给簧片施加压力，所述传感器系统采用应变片式传感器时，应变片传感器7的电阻发生变化，通过数据采集与处理系统获取原始数据并计算压力值，通过与预设的压力阈值进行比对，并依据比对结果判断待检测目标的位置及装配状态。所述传感器系统采用的是ToF传感器时，ToF传感器芯片测得导杆与电路板的距离，数据采集与处理系统获取原始距离值，通过与预设的阈值进行比对，并依据比对结果判断待检测目标的位置及装配状态。所述传感器系统采用电感式传感器时，当导杆4的金属端面靠近设置在其正下方的线圈时，引起线圈5的电感变化，通过电感式传感器芯片测量获得电感变化量，数据采集与处理系统获取电感变化值，通过与预设的阈值进行比对，并依据比对结果判断待检测目标的位置及装配状态。

如图7和8所示，本发明的检测手术器械状态的传感器系统设置于手术机器人的机械臂100的末端，机械臂100的末端设置有直线驱动模块110，器械驱动盒130与直线驱动模块110的滑块连接，器械盒120作为耗材与器械驱动盒130通过快拆接口进行组装。

器械盒120与器械驱动盒130之间设置有转接板140，手术机器人正常工作之前，转接板140和器械盒120依次通过快拆接口装配到器械驱动盒130上，当器械盒120安装正确时，器械盒120、转接板140、器械驱动盒130三者紧密配合，没有松动。

如图9所示，检测手术器械状态的检测装置转配在手术器械盒中，具体而言，器械驱动盒130内部固定设置有两个检测装置，检测装置的导杆4顶端从器械驱动盒130上表面穿出，一个导杆4的顶端抵压在转接板140下端面上，转接板140上设置有与另一导杆4相对应的孔，另一导杆4的顶部可以从该孔中穿出，抵压在器械盒120的下表面上。

优选地，手术器械盒中可以配置四个检测装置，两个检测装置用于检测转接板140是否安装到位（正确的工作位置）或者使用过程中是否有松动，另两个检测装置用于检测器械盒120是否安装到位或者处于正确的工作位（使用过程中是否有松动）。当配置四个检测装置时，两个导杆抵压在转接板140的下表面上，转接板140上设置两个与导杆顶端对应的孔，以供导杆穿过转接板140抵压在器械盒120的下表面。

当转接板140与器械驱动盒130装配时，转接板140驱动导杆4，该导杆4移动，与其相应的检测装置检测判断转接板140是否安装到位。手术器械在使用过程中，转接板140松动时，其施加在导杆上的压力发生变化，检测装置的数据采集预处理系统检测到当前压力值，并与预设阈值进行比较后判断转接板的松动状态，主控芯片发出警示。

当器械盒120与器械驱动盒130装配时，器械盒的下表面抵压穿过转接板140的导杆4顶端，相应的导杆4移动，与其相应的检测装置检测判断器械盒120是否安装到位。手术器械在使用过程中，器械盒120松动时，其施加在导杆上的压力发生变化，检测装置的数据采集预处理系统检测到当前压力值，并与预设阈值进行比较后，判断器械盒120的松动状态，主控芯片发出警示。

本发明的检测装置的外形尺寸小，便于集成在紧凑的机械结构中；本发明通过对导杆进行多次导向，保证了导杆推动压块对压敏装置施加正压力，提高压力测量的精确性，而且通过直接测量传感片的阻值获得其受到的压力值，保证了测量可靠性；传感器不受外界电磁环境干扰的影响，也不对外产生电磁干扰，对于医疗器械尤其重要。

本发明使用压敏传感片可以持续测量接触压力，不仅能够检测转接板和器械盒的安装是否在正确的工作位置，而且能够实时监测转接板和器械盒在使用过程中是否松动，是否在正确的工作位置。

以上所述为本发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员而言，基于本发明公开的技术方案和发明实质，还可以做出其它的变形和改进，但这些基于本发明的变形和改进，均应涵盖于本发明的保护范围。本说明书使用实施例来公开本申请，包括最佳实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实践本申请，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本申请的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实施例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其包括机械臂、驱动模块、器械驱动盒、器械盒和转接板，所述驱动模块设置在所述机械臂上，且能在所述机械臂上运动，其特征在于，直线驱动模块上设置有器械驱动盒，所述器械驱动盒上连接有器械盒和转接板，所述器械驱动盒内装配有不受电磁场干扰，且能够实时地检测手术器械安装状态的传感系统；

所述传感系统包括：

随动装置，所述随动装置至少包括一可随检测目标物运动的导杆，所述导杆的末端具有一弹性压块；

传感部件，所述传感部件为接触式传感部件；所述接触式传感部件与所述弹性压块相抵接，以判断手术器械的安装状态；

数据采集与处理系统，至少包括采集电路、主控芯片，所述采集电路可以获取接触式传感部件的原始数据，所述主控芯片用以计算接触式传感部件相应压力值，并通过与系统内预置的压力阈值对比以判断手术器械的安装状态；

所述接触式传感部件包括弹性件和应变片传感器；所述弹性件两侧均设置有所述应变片传感器；

所述随动装置还包括一基座，所述导杆穿设于所述基座上的通孔中，并可沿该通孔轴向移动；

所述随动装置还包括套设于导杆上的弹性装置，所述弹性装置驱动导杆自动复位；

所述导杆上设置有凸肩，所述通孔中设置有限位座，所述凸肩上端面抵压在限位座上，用以限制导杆的滑动；

所述弹性装置为弹簧，所述弹簧用以与限位座、凸肩配合，提供回复力；

所述凸肩与导杆形成为一体，其外缘面与通孔内部配合，以使得该导杆沿通孔轴向平稳移动；

通孔的两端均设置有限位座，凸肩和弹簧位于两限位座之间；弹簧的一端抵压在下侧的限位座上，另一端抵压在凸肩的下侧，两个限位座上设置有供导杆往复滑动的导向槽，导杆外缘紧靠在两个限位座上设置的导向槽的内壁上，并能够在其中往复滑动；

所述转接板设置在所述器械盒和器械驱动盒之间，所述传感系统的导杆顶端穿出器械驱动盒的上表面，至少一个所述导杆的顶端抵接于所述转接板上；

所述转接板上设置有供所述传感器的导杆穿过的孔，至少一个所述导杆的顶端抵接于所述器械盒上。

2.如权利要求1所述的一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其特征在于，所述应变片传感器通过与多个电阻构成电桥，获得与电阻值成线性关系的电压信号，所述采集电路采集所述电压信号以获取原始数据。

3.如权利要求1所述的一种可实时检测器械盒安装状态的机械手，其特征在于，所述弹性压块为橡胶或类橡胶的弹性材料制成。

4.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人至少包含一个如权利要求1-3任一项所述的机械手。

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