CN115998446A

CN115998446A - 一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆

Info

Publication number: CN115998446A
Application number: CN202211564885.9A
Authority: CN
Inventors: 崔迪; 王悦; 郝思博; 曹涌; 蒋瞳
Original assignee: Hangzhou Dishi Medical Biotechnology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Dishi Medical Biotechnology Co ltd
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-04-25

Abstract

本发明提供了一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆，包括第一转动副、第二转动副和第一移动副，其中，第一转动副包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转；所述第一移动副包括能够相对第二组件移动的第三组件；所述力反馈主控摇杆还包括第一电机、第二电机和第三电机，三者能够实现力反馈主控摇杆的重力补偿和力反馈。本发明通过设置电机并结合算法对主控摇杆进行重力补偿，可实现主控摇杆在各个不同位姿的悬停，使得主控摇杆具备重力平衡，医生在进行手术长时间操作主控摇杆时，不会过于劳累造成手部劳损，导致职业病。

Description

一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆。

背景技术

目前，微创外科手术机器人的发展在医学领域产生了重大的影响，为传统医学带来了技术乃至观念上的根本变革。主从式微创外科手术机器人的设计和相关关键技术的研究已经成为了机器人领域的研究热点问题之一。

为减少手术器械对手术切入点的挤压和拉扯，微创手术机器人中的从手术器械广泛采用远程运动中心RCM(英文为：Remote Center of Motion)机构，该机构可绕一个远端中心点转动，中心点与手术切口重合，其运动模式绕为切入点的三维转动和沿器械切入方向的平动。

外科医生进行微创手术过程中，直接操作主控摇杆，主控摇杆记录医生的手部动作，并将其传递给从端手术器械。从端手术器械实时跟随主控摇杆运动来进行手术操作，因此主控摇杆的性能直接影响手术的效果及成功率。而市面上的主控摇杆大多不具有自动复位功能，操作较为繁琐，且不具备重力平衡功能，医生在进行手术时长时间操作主控摇杆，会造成手部劳损，导致职业病；一些主控摇杆的传动轴位置传感器采用电位器，易引入传感器噪音，还具有无法感知器械与患者的接触状态的缺点。

因此，急需研制出一种可以解决上述问题，能够实现力控制的主控摇杆。

发明内容

本发明提供了一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆，通过设置电机并结合算法对主控摇杆进行重力补偿，可实现主控摇杆在各个不同位姿的悬停，使得主控摇杆具备重力平衡，医生在进行手术长时间操作主控摇杆时，不会过于劳累造成手部劳损，导致职业病。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆，包括第一转动副、第二转动副和第一移动副，其中，第一转动副包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转，所述第一转动副的旋转轴线与第二转动副的旋转轴线相互垂直；所述第一移动副包括能够相对第二组件移动的第三组件；所述力反馈主控摇杆还包括第一电机、第二电机和第三电机，三者能够实现力反馈主控摇杆的重力补偿和力反馈。

进一步地，所述第一组件包括第一支架，所述第一电机固定在第一支架上；

第二组件包括第一转动件以及固定在第一转动件上的第二支架，所述第二电机固定在第二支架上；

第三组件包括第二转动件以及第三支架组件，所述第三电机固定在第二转动件上；

其中，第一支架与第一转动件转动配合连接，第二支架与第二转动件转动配合连接。

进一步地，所述力反馈主控摇杆还包括有PCB组件，所述第一电机、第二电机和第三电机与PCB组件电连接。

进一步地，所述第三支架组件包括齿条和与齿条相啮合的齿轮。

进一步地，所述力反馈主控摇杆还包括第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器，第一角度传感器一端安装在第一支架上，另一端安装在第一转动件上；第二角度传感器一端安装在第二支架上，另一端安装在第二转动件上；第三角度传感器安装在第二转动件上。

进一步地，所述力反馈主控摇杆还包括控制组件，所述控制组件和第三组件固定连接，所述控制组件包括第三壳体以及位于第三壳体内的固定座、活动件以及按钮盘。

进一步地，所述第三壳体内设有弹簧限位杆。

进一步地，所述活动件包括转动部、杆部、按压部，所述转动部中心设有与固定座转动配合连接的转动孔。

进一步地，所述转动孔内设有磁性件。

进一步地，所述第三壳体上还设置有拨盘，拨盘能够实现器械端的转动。

进一步地，所述按钮盘上设置有第一磁传感器、第二磁传感器和手柄PCB组件，手柄PCB组件用于集成步进按钮、步退按钮以及紧急停止开关、第一磁传感器、第二磁传感器的信息，所述第一磁传感器位于按钮盘顶部，靠近拨盘设置，感知拨盘的位置变化；第二磁传感器位于按钮盘中部，靠近磁性件设置，能够感知磁性件的变化，进而获取按压部的位置状态；按压部的位置状态用于控制末端器械自由度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的主控摇杆的各个自由度具有电机驱动，通过算法对主控摇杆进行重力补偿，可实现主控摇杆在各个不同位姿的悬停，使得主控摇杆具备重力平衡，医生在进行手术长时间操作主控摇杆时，不会过于劳累造成手部劳损，导致职业病；

2、本发明提供的主控摇杆不需要医生进行多次复位操作，操作较为简单，自动化程度高；

3、本发明可以通过手术器械末端的力传感器，将力等比例放大后，通过电机体现在主控摇杆上，实现精准的力反馈操作，医生在进行手术操作时，能够感知器械与患者的接触状态；

4、本发明的传动轴位置无需采用电位器，不会造成传感器噪音。

附图说明

图1为本发明提供的主控摇杆整体结构示意图；

图2为本发明提供的主控摇杆正面内部结构示意图；

图3为本发明提供的主控摇杆背面内部结构示意图；

图4为图2的爆炸图；

图5为第三支架组件的结构示意图；

图6为控制组件的结构示意图；

图7为关节力控制的模拟图；

图8为末端力控制的三维矩阵图；

图9为本发明提供的各个信号之间的传输图；

图10为本发明提供的扭矩-角度换算图；

图11为本发明提供的第三壳体的内部结构图；

图中：1-第一转动副，11-第一支架，12-第一电机，13-第一转动件，14-第一角度传感器，15-PCB组件；

2-第二转动副，21-第二支架，22-第二电机，23-第二角度传感器，24-第二转动件，25-滑轨；

3-第一移动副，31-第三支架组件，311-齿条，312-齿轮，32-第三电机，33-第三角度传感器；34-第二壳体，

4-控制组件，41-第三壳体，411-拨盘，42-固定座，43-活动件，431-按压部、432-杆部、433-转动部，434-磁性件，45-弹簧限位杆，4311-凹槽，44-按钮盘，441-步进按钮，442-步退按钮，443-紧急停止开关，444-第一磁传感器，445-第二磁传感器，446-手柄PCB组件；

5-第一壳体，51-支撑部，52-连接部，53-头部。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。这些说明仅仅是表明本发明是如何实现的，并不能限定本发明的具体范围。本发明的范围在权利要求中限定。

如图3和图4所示，本实施例提供了一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆，包括第一转动副1、第二转动副2和第一移动副3，其中，第一转动副包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转，所述第一转动副的旋转轴线与第二转动副的旋转轴线相互垂直；所述第一移动副包括能够相对第二组件移动的第三组件；所述力反馈主控摇杆还包括第一电机、第二电机和第三电机，三者能够实现力反馈主控摇杆的重力补偿和力反馈，所述第一组件包括第一支架11，所述第一电机12固定在第一支架上；第二组件包括第一转动件13以及固定在第一转动件上的第二支架21，所述第二电机22固定在第二支架上；第三组件包括第二转动件23以及第三支架组件31，所述第三电机32固定在第二转动件上；第一支架与第一转动件转动配合连接，第一支架竖直设置，其顶部设有用于安装各部件的第一安装孔，第一转动件与第一安装孔同轴安装且两者之间设有转动座，第一角度传感器14安装在第一安装孔与第一转动件形成的中部孔洞内，第一角度传感器一端与第一电机的后出轴连接，第一角度传感器能够采集第一转动副的位置信息，采集到的位置信息反馈至终端或者反馈至第一电机，由第一电机末端分布式处理完成后再传输至终端(此时需要将电机驱动安装在电机末端)，第二支架与第二转动件转动配合连接，第二转动件为U型件，第二支架为横向设置的杆件，第二支架与第一支架相互垂直，第二支架的一端与第一转动件固定连接，另一端与第二转动件的一侧转动配合连接且两者转动连接的中部安装有第二角度传感器24，第二支架上的第二角度传感器处安装有第二电机，第二角度传感器能够采集第二转动副的位置信息，采集到的位置信息处理方式同第一角度传感器相同，第二转动件的另一侧同轴连接有第三电机且两者之间设有第三角度传感器33，第二转动件的开口处设有滑轨，与滑轨25滑动连接的有第三支架组件中的齿条，齿条竖向设置，与第二支架相互垂直，第二转动件上设有齿轮312，齿轮与齿条311相啮合，齿条下端固定连接有控制组件，齿条能够带着控制组件在与齿轮的传动作用下上下移动，第三角度传感器能够采集第一移动副的位置信息，采集到的位置信息处理方式与第一角度传感器相同；所述第一支架上还装有PCB组件，PCB组件与第一电机、第二电机和第三电机电连接，收集信号，传送至与PCB组件输出孔连接的控制终端(本实施例为计算机)，使得器械端的位置信息变化能够可视化。本实施例所采用的的第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器均为光电编码器。

如图8所示，上述第一转动副的旋转轴与第二支架平行，第二支架能够带着第三组件和控制组件绕着第一转动副的旋转轴旋转，在第一转动副的旋转过程中主控摇杆对应的为器械端的xyz坐标系中的yz平面内旋转；

第二转动副的旋转轴与第一转动副的旋转轴相互垂直，且与第二支架相互垂直，第三支架组件能够带着控制组件绕第二转动副的旋转轴旋转，在第二转动副的旋转过程中主控摇杆对应的为器械端的xyz坐标系中的xz平面内旋转，第一移动副能够实现控制组件的上下移动，而操作者握住控制组件4进行上下移动时，此时齿轮与齿条会发生相对运动，在第一移动副的移动过程中主控摇杆对应的为器械端的xyz坐标系中z方向上的移动。

在上述三个运动过程中，第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器分别与第一电机、第二电机和第三电机的后出轴相连，检测出对应的位置信号。PCB组件将这些信号汇总后，统一发送给终端(计算机)，计算机对各电机位置信号整合，并参考器械端力传感器的信号进行计算，再将所得的控制信号发送给PCB组件。PCB组件收到控制信号后对各个电机进行驱，实现悬停、力反馈、有利于操作者方便直观操作器械，并感受到器械末端传达的力。在本发明中，参照附图2和附图8，第一转动副用于实现YZ轴平面上的旋转，第二转动副用于实现XZ轴平面上的旋转，第一移动副用于实现Z轴上的移动。这一整个操作过程，都是简单、直观的，并不需要进行任何多余的关于如何操作手柄的思考，实现主控摇杆的“拟物态”，握持主控摇杆相当于握持住了手术器械，实现手术的操作方便。

在一些方式中，如图5和图6所示，所述控制组件包括第三壳体41以及位于第三壳体内的固定座42、活动件43以及按钮盘44，所述按钮盘上设置有步进按钮441、步退按钮442以及紧急停止开关443，步进按钮用于控制手术器械前进指定的距离，例如10微米，步退按钮用于控制手术器械后退指定的距离，例如10微米，紧急停止开关用于控制器械端的紧急制动；需要注意的是，这里的前进/后退，指的是，沿着手术器械Z轴方向。

活动件转动配合安装于固定座上，所述活动件包括转动部433、杆部432、按压部431，所述转动部中心设有与固定座转动配合连接的转动孔，所述转动孔内设有磁性件434，本实施例的磁性件为径向充磁磁铁，杆部连接转动部和按压部，按压部的上下侧面为弧形，按压部自第三壳体侧面设置的缺口伸出并能够在缺口中移动，按压部位于第三壳体内的一侧设有凹槽，当外力按压所述按压部时，转动部绕固定座转动，按压部在缺口中移动并伸入至第三壳体，此时凹槽与设置于第三壳体内的弹簧限位杆45相配合实现按压部的移动位置限制，而在转动过程中，如图11所示，所述按钮盘上设置有第一磁传感器444、第二磁传感器445和手柄PCB组件446，手柄PCB组件用于集成步进按钮、步退按钮以及紧急停止开关、第一磁传感器、第二磁传感器的信息，所述第一磁传感器位于按钮盘顶部，靠近拨盘设置，感知拨盘的位置变化，第二磁传感器位于按钮盘中部，靠近磁性件设置，能够感知磁性件的变化，进而获取按压部的位置状态，按压部的位置状态用于控制末端器械自由度。

所述第三壳体上还设置有拨盘411，拨盘能够实现器械端的转动，拨动不同轮齿数对应器械端的不同旋转角度，拨盘的旋转轴与第一转动副的旋转轴相互垂直且与第二转动副的旋转轴相互垂直。

在一些方式中，第三支架组件外还设有第二壳体，第二壳体为空心的柱形结构，其两侧设有竖直长条孔，其顶部设有能够伸出齿条，其底部与第三壳体连接。

在一些方式中，如图1和图2所示，本发明还设有第一壳体5，第一壳体包括支撑部51、连接部52和头部53，支撑部内能够装设第一组件，连接部和头部内能够装设有第二组件和第三组件，连接部和头部之间活动连接，头部能够绕连接部旋转，头部底侧设有长条孔，控制组件自该长条孔中伸出裸露在外供医生操作，同时与控制组件连接的第三支架组件能够在该长条孔内转动。当所述主控摇杆外设有第一壳体时，其自由度会有所限制，具体如下表所示，第一转动副的运动范围为-60°～60°(±3°)，第二转动副的运动范围为-30°～60°(±3°)，第一移动副的运动范围为50mm(±5mm)，拨盘可无限循环拨动，按压部的运动范围为0°～25°(±3°)。

自由度	第一转动副	第二转动副	第一移动副	拨盘	按压部
						运动范围	-60°～60°(±3°)	-30°～60°(±3°)	50mm(±5mm)	无限	0°～25°(±3°)

本发明的位置信号处理流程如图9所示，第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器分别与第一电机、第二电机和第三电机的后出轴连接，第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器将采集到第一转动副、第二转动副和第一移动副的位置信号传输至PCB组件，采集的拨盘、按钮盘及按压部位置信号也传送至PCB组件，PCB组件将上述收集到的位置信息传输至终端即计算机，计算机将位置信号转化为主控摇杆重力补偿控制信号，同样的，器械端设置的力传感器将力信号传输至终端即计算机，计算机将力信号转化为主控摇杆力反馈信号。最后计算机将重力补偿控制信号和力反馈信号叠加后形成最终电机控制信号传输至PCB组件，PCB组件根据计算机的计算后的输出信号控制第一电机、第二电机和第三电机电流驱动进而实现主控摇杆的悬停和重力补偿。

上述过程中的计算机将位置信号转化为主控摇杆重力补偿控制信号的计算方式如下，如图7所示：

主控摇杆可以模拟为一个二阶弹性系统，其柔顺控制可通过下式来实现：

为其中期望位置，

为实际位置，F_ext为施加的外界力，M_d、D_d、K_d为控制律参数对于主控摇杆的第一转动副、第二转动副、第一移动副、拨盘和按压部，可以通过改变控制律参数来实现不同的旋转部位的物理特性，包括刚度参数K_d、阻尼参数D_d、以及惯性参数K_d。

将上述算法在计算机中运行，改变计算机程序内的刚度参数K_d、阻尼参数D_d、以及惯性参数M_d三个参数的数值，就可以改变主控摇杆各个关节的力的表现。具体地，以第一转动副为例，改变刚度参数K_d就能改变第一转动副的弹力，改变阻尼参数D_d能改变第一转动副的阻尼，改变惯性参数M_d能改变第一转动副的随动性。比如，器械末端检测到触碰了一个海绵，将这个触碰海绵的力信号传输至终端，然后我们可以通过调整上述“二阶弹性系统”中的参数在主控摇杆上模拟出海绵的手感，从而实现力反馈的效果。

上述过程中的计算机将力信号转化为主控摇杆力反馈信号的计算方式如下，如图8所示：

计算机接收到力信号后，首先进行信号处理和放大，再根据主控摇杆构型，通过坐标转换的形式，计算得出各电机扭矩，计算公式如下：

式中：

T_{joint_i}：关节i的扭矩

关节i相对于主控摇杆末端的坐标

k：放大系数

器械末端三维力传感器信号

转动关节基坐标与末端基坐标的变换矩阵

(关节在第一转动副中指的是第一转动件，第二转动副中指的是第二转动件，第一移动副中指的是第三支架组件，还包括按钮盘、拨盘和按压部)

具体地，计算机中可通过改变放大系数k的值，可以对反馈力进行定量的大小调节，需要注意的是，大小调节是纯粹主观的，由于器械端受到的力非常小，所以体现在摇杆处的时候需要放大，最终要求可以在摇杆端清晰辨识力反馈即可。具体地，当器械末端的力信号只有重力时，可以将重力的力信号反馈至计算机，计算机经过上述计算方式实现重力补偿，当重力补偿后的主控摇杆进行运动时，计算机处理力信号是将这个器械端的力再加上重力去进行矢量换算的。以第一转动副为例，如图10所示，假设器械端收到的力信号与角度成正弦关系，终端会将该信号放大，最终驱动扭矩信号为重力补偿信号与放大的力信号的叠加值。

在计算机的位置信号和力信号计算处理过程中，通过上述计算方式处理位置信息和力信号后再通过PCB组件控制电机进行力反馈操作，能够更精准的模拟出手术操作中器械与患者的接触状态，有助于手术进程，同时可通过调节上述式子中的参数实现重力补偿，从而实现主控摇杆在各个不同位姿的悬停，使得主控摇杆具备重力平衡，医生在进行手术长时间操作主控摇杆时，不会过于劳累造成手部劳损，导致职业病；同时可通过程序控制电机实现主控摇杆的自动复位，更方便了医生的操作。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种具有重力补偿的眼科手术用主控摇杆，其特征在于，包括第一转动副、第二转动副和第一移动副，其中，第一转动副包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转，所述第一转动副的旋转轴线与第二转动副的旋转轴线相互垂直；所述第一移动副包括能够相对第二组件移动的第三组件；所述力反馈主控摇杆还包括第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器，所述第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器分别轴连接的有第一电机、第二电机和第三电机。

2.根据权利要求1所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述力反馈主控摇杆还包括有PCB组件，所述第一电机、第二电机和第三电机与PCB组件电连接。

3.根据权利要求1所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述第一组件包括第一支架，所述第一电机固定在第一支架上；

4.根据权利要求3所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述第三支架组件包括齿条和与齿条相啮合的齿轮。

5.根据权利要求1所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述力反馈主控摇杆还包括第一壳体，第一壳体包括有支撑部，连接部和头部，所述连接部和头部转动连接。

6.根据权利要求1所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述力反馈主控摇杆还包括控制组件，所述控制组件和第三组件固定连接，所述控制组件包括第三壳体以及位于第三壳体内的固定座、活动件以及按钮盘。

7.根据权利要求6所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述第三壳体内设有弹簧限位杆。

8.根据权利要求6所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述活动件包括转动部、杆部、按压部，所述转动部中心设有与固定座转动配合连接的转动孔。

9.根据权利要求6所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述转动孔内设有磁性件。

10.根据权利要求6所述的力反馈主控摇杆，其特征在于，所述第三壳体上还设置有拨盘，拨盘能够实现器械端的转动。