CN117598794A - 操控装置、手术机器人及手术机器人开合角度的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种操控装置、手术机器人及手术机器人开合角度的校正方法，手术机器人包括主端设备和从端设备。主端设备包括操控装置，操控装置包括传动机构、主端开合机构和数字传感器，主端开合机构用于在承受捏合力时改变开合角度，传动机构连接主端开合机构，并用于驱动主端开合机构产生抵抗捏合力的反作用力；数字传感器固定在主端开合机构和/或传动机构上，并用于检测主端开合机构的开合角度。主端开合机构包括两个齿轮，传动机构用于驱动至少一个齿轮转动；数字传感器用于检测齿轮的转动角度。该手术机器人采用数字传感器测量主端开合机构的开合角度，如此可增强信号传输的抗干扰能力，并无需出厂前的校正和标定，进而降低工艺复杂度。

Description

操控装置、手术机器人及手术机器人开合角度的校正方法

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种操控装置、手术机器人及手术机器人开合角度的校正方法。

背景技术

手术机器人在进行微创伤手术的过程中，医生需要手持操控端(例如医生控制平台)的操控手柄完成手术动作，患者手术平台的器械端能够获取医生的手术动作进而对患者做出对应的术式动作，以实现手术的远程遥控。现有技术中，医生控制平台中的操控手柄能够通过传感器检测其开合角度，并依据开合角度遥控患者手术平台的器械端做出相应的开合动作。操控手柄的开合动作类似手指的张开和捏合的动作。现有的操控手柄上通常设置霍尔传感器，霍尔传感器可通过采集操控手柄中相对的捏合部位的开合距离改变引起的霍尔值变化，从而获取操控手柄的开合角度。由于霍尔传感器输出的信号为模拟量信号，信号种类单一，容错性差，该信号容易在传输时受到外界干扰而影响操控端和器械端之间动作的一致性，进而影响手术机器人运行时的安全性和可靠性。此外，手术机器人的操控手柄制备材料的批次不同和安装差异均会影响霍尔传感器的输出值，同时霍尔传感器长期运行时还会产生累积误差，故每台手术机器人在出厂前均需要具有复杂的标定过程，降低了手术机器人的生产效率，并提高了手术机器人的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操控装置、手术机器人及手术机器人开合角度的校正方法，该手术机器人采用数字传感器进行主端开合机构的开合角度测量，如此可增强信号传输时的抗干扰能力，降低装置功耗；该手术机器人无需出厂前的校正和标定，可降低制造工艺的复杂度，并提升手术机器人工作时的准确度和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供一种操控装置，包括：传动机构、主端开合机构和数字传感器，所述主端开合机构用于在承受捏合力时改变开合角度，所述传动机构连接所述主端开合机构，并用于驱动所述主端开合机构产生抵抗捏合力的反作用力；所述数字传感器固定在所述主端开合机构和/或所述传动机构上，并用于检测所述主端开合机构的开合角度；所述主端开合机构包括两个齿轮，两个所述齿轮在自身径向上并排设置，所述传动机构用于驱动至少一个所述齿轮转动；所述数字传感器用于检测所述齿轮的转动角度。

可选的，所述主端开合机构还包括捏合手柄，所述捏合手柄的数量与所述齿轮的数量相同，每个所述捏合手柄与对应的一个所述齿轮连接；至少一个所述齿轮能够带动对应的一个所述捏合手柄转动，以使两个所述捏合手柄相互靠近或相互分离。

可选的，所述传动机构分别与两个所述齿轮连接，所述传动机构用于同步驱动两个所述齿轮朝相反的方向转动，两个所述齿轮转动后分别驱动对应的一个所述捏合手柄朝相互捏合或相互远离的方向转动。

可选的，所述传动机构与其中一个所述齿轮连接，所述传动机构用于驱动其中一个所述齿轮朝靠近或远离另一个所述齿轮的方向转动，所述齿轮转动后驱动对应的一个所述捏合手柄朝靠近或远离另一个所述捏合手柄的方向转动。

可选的，所述数字传感器包括相对位置编码器、绝对位置编码器和磁栅传感器中的至少一种。

可选的，所述操控装置还包括在所述捏合手柄的外表面上以矩阵方式分布的多个感应传感器，所述感应传感器设置在所述捏合手柄上，并用于检测所述主端开合机构与手指的接触情况。

为实现上述目的，本发明还提供一种手术机器人，包括主端设备和从端设备，所述主端设备包括任一项所述的操控装置，所述主端设备用于控制所述从端设备进行手术操作；所述从端设备包括从端开合机构，所述传动机构用于根据所述从端开合机构受到的阻力带动所述主端开合机构产生所述反作用力。

可选的，所述操控装置包括接触感应模块、冗余检测模块、角度校正模块、姿态监控模块和操控辅助模块；

所述接触感应模块用于根据所述主端开合机构与手指的接触情况判断所述操控装置的使用状态；

所述冗余检测模块用于通过所有所述数字传感器获取所述主端开合机构的开合状态；

所述角度校正模块用于校正所述主端开合机构和所述从端开合机构的角度偏差，以使所述主端开合机构的转动角度和所述从端开合机构的转动角度的比值始终满足初始映射比值；

所述操控装置设置在用于捏合的操作关节上，所述姿态监控模块用于判断所述操作关节是否处于正常操控状态；

所述操控辅助模块用于变更所述操控装置的控制模式。

为实现上述目的，本发明还提供一种手术机器人开合角度的校正方法，所述手术机器人开合角度的校正方法包括：

通过数字传感器获取主端开合机构的第一转动角度和从端开合机构的第二转动角度；设定所述从端开合机构跟随所述主端开合机构转动时的预定映射比值；

使所述从端开合机构依据所述预定映射比值与所述主端开合机构同步朝预定方向转动，直至所述主端开合机构和所述从端开合机构均到达预定位置；

使所述主端开合机构和所述从端开合机构依照初始映射比值同步转动。

可选的，使所述从端开合机构依据所述预定映射比值与所述主端开合机构同步朝预定方向转动的方法包括：

将所述预定映射比值设置为初始映射比值；根据所述第一转动角度和所述第二转动角度选择所述主端开合机构和所述从端开合机构转动时的预定方向，以使所述从端开合机构优先到达所述预定位置；使所述从端开合机构跟随所述主端开合机构同步运行，直至所述从端开合机构和所述主端开合机构相继到达所述预定位置；

或者，将所述预定映射比值设置为所述第一转动角度与所述第二转动角度的比值；使所述从端开合机构跟随所述主端开合机构同步运行，直至所述主端开合机构和所述从端开合机构同步到达所述预定位置。

本发明公开的操控装置包括传动机构、主端开合机构和数字传感器，主端开合机构用于在承受捏合力时改变开合角度，传动机构连接主端开合机构，并用于驱动主端开合机构产生抵抗捏合力的反作用力；数字传感器固定在主端开合机构和传动机构中的至少一个上，并用于检测主端开合机构的开合角度；主端开合机构包括两个齿轮，两个齿轮在自身径向上并排设置，传动机构用于驱动至少一个齿轮转动；数字传感器用于检测齿轮的转动角度。

本发明提供的操控装置、手术机器人及手术机器人开合角度的校正方法至少具有以下有益效果：

第一、本发明采用数字传感器进行主端开合机构的开合角度测量，使主端开合机构的检测信号为数字信号，如此可增强信号传输时的抗干扰能力，增加无线电供电系统和无线通信系统应用的可靠性，还可降低装置功耗。同时，由于数字传感器运行时不会产生积累误差，使手术机器人无需出厂前复杂地校正和标定环节，如此可降低手术机器人制造工艺的复杂度，提高手术机器人的生产效率，提升手术机器人主端设备和从端设备运行时的一致性，提升机器人工作时的精准度和可靠性。

第二、本发明提供的操控装置具有力反馈功能，能够在主端开合机构向医生的手部反馈从端开合机构手术时受到的反作用力，可真实模拟医生在捏合主端开合机构进行手术操作时的阻力，如此可使医生手术时具有较为舒适的手感，并增强医生在进行手术操作时的真实感和临场感。

第三、将数字传感器设置为相对位置编码器时，由于相对位置编码器能够使主端开合机构的开合角度实现增量式反馈数据，故可在手术机器人的操控端和器械端在任何状态下具可直接进入主从控制模式并进行增量角度匹配，而无需使主端开合机构和从端开合机构再次进入主从控制模式前做绝对开合角匹配。操控端可以直接利用相对位置编码器的转动角度增量值作为从端开合机构的开合指令，无缝隙地控制器械端从现有开合角度根据操控端的开合变化而运动，且器械端在开合角度的运动范围内无运动死区，这样做可简化主端开合机构或从端开合机构开合角度校正的步骤，降低操作者的操作难度，并提升操作者的操作体验。

附图说明

图1是本发明一优选实施例中的手术机器人的主端设备的结构示意图；

图2是本发明一优选实施例中的操控装置的结构示意图；

图3为本发明一优选实施例中的从端设备的从端开合机构的结构示意图；

图4为本发明一优选实施例中的主端开合机构和传动机构的简化结构示意图；

图5为本发明一优选实施例中的主端开合机构、传动机构和数字传感器的结构示意图；

图6为本发明另一优选实施例中的主端开合机构和传动机构的简化结构示意图；

图7为本发明另一优选实施例中的主端开合机构、传动机构和数字传感器的结构示意图；

图8为本发明又一优选实施例中的主端开合机构和传动机构的简化结构示意图；

图9为本发明又一优选实施例中的主端开合机构、传动机构和数字传感器的结构示意图；

图10为本发明一优选实施例中捏合手柄的外表面的展开结构示意图；

图11为本发明一优选实施例中的手术机器人执行脱手检测时的流程图；

图12为本发明一优选实施例中的手术机器人的主端设备的应用场景示意图；

图13为本发明一优选实施例中的惯性传感器的空间坐标示意图；

图14为本发明一优选实施例中的手术机器人执行操作关节位置检测时的流程图；

图15为本发明一优选实施例中的操控装置进行开合角度校正时的移动过程示意图，其中，箭头表示捏合手柄的转动方向；

图16为本发明另一优选实施例中的操控装置进行开合角度校正时的移动过程示意图，其中，箭头表示捏合手柄的转动方向；

图17为本发明一优选实施例中的主端开合机构的开合角度和从端开合机构的开合角度的简化结构示意图；

图18为本发明一优选实施例中的执行开合角度校正时的流程图；

图19为本发明一优选实施例中的手术机器人的软件结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个或三个或更多个等。

下面结合附图和优选实施例对本发明作详细的说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互补充或相互组合。

参照图1～图2所示，本发明一优选实施例提供一种操控装置1，用于实施手术机器人主端设备10的捏合操作。操控装置1包括传动机构11和主端开合机构12。主端开合机构12用于在承受捏合力时改变开合角度，即医生能够对主端开合机构12施加捏合力，以使主端开合机构12改变开合角度而实现捏合操作。传动机构11连接主端开合机构12，并用于驱动主端开合机构12产生抵抗捏合力的反作用力。

参照图3所示，本发明一优选实施例还提供一种手术机器人，该手术机器人包括主端设备10和从端设备20；主端设备10包括操控装置1；主端设备10用于控制从端设备20进行手术操作；从端设备20包括从端开合机构21，从端开合机构21用于在主端开合机构12的驱动下改变开合角度；传动机构11用于根据从端开合机构21，受到的阻力驱动主端开合机构12产生反作用力。

更详细地，手术机器人为主从式遥操作的手术机器人，其中主端设备10为遥操作手术机器人的医生控制台，从端设备20为遥操作手术机器人的具体执行平台(例如患者手术平台)。主端设备10用于接收操作者(如医生)的手部运动信息，以完成电切、捏合、内窥镜移动控制等相关操作指令的输入。

操控装置1作为主端设备10的夹持操作端，可用于供操作者捏取以进行夹持操作，从端设备20的从端开合机构21可在患者的手术部位与操作者同步进行捏取操作。

具体的，手术机器人能够根据操作者的手部动作，遵循主从映射关系，调整手术机器人的从端开合机构21的姿态，并驱动从端开合机构21执行相应的操作，例如夹、切、剪等具体操作。

需要解释的是，本发明提供的手术机器人不限于遥操作的手术机器人，还可以是单端式的手术机器人，本发明对手术机器人的类型不作限定。

本发明提供的操控装置1具有力反馈功能，能够在主端开合机构12向医生的手部反馈从端开合机构21手术时受到的反作用力，可真实模拟医生在捏合操控装置1的主端开合机构12进行手术操作时的阻力，如此可使医生手术时具有较为舒适的手感，并增强医生在进行手术操作时的真实感和临场感。

参照图4和图5所示，操控装置1还包括数字传感器13，数字传感器13固定在主端开合机构12或传动机构11上。数字传感器13用于检测主端开合机构12的开合角度。较优的，当数字传感器13为多个时，多个数字传感器13也可分别固定在传动机构11和主端开合机构12上。

数字传感器13用于实时监控主端开合机构12的开合角度，并能够向从端设备20提供主端开合机构12的开合角度信号，从端设备20获取主端开合机构12的开合角度信号后能够根据主从映射关系控制从端开合机构21进行开合操作。

本发明采用数字传感器13进行主端开合机构12的开合角度测量，使主端开合机构12的检测信号为数字信号，如此设置，一方面可增强信号传输时的抗干扰能力，增加无线电供电系统和无线通信系统应用的可靠性，还可降低装置功耗；另一方面，由于数字传感器13运行时不会产生积累误差，使手术机器人无需出厂前复杂地校正和标定环节，如此可降低手术机器人制造工艺的复杂度，提高手术机器人的生产效率，提升手术机器人主端设备10和从端设备20运行时的一致性，提升机器人工作时的精准度和可靠性。

本申请对数字传感器13的种类不作限定，数字传感器13包括但不限于相对位置编码器、绝对位置编码器和磁栅传感器中的至少一种。

优选的，可将数字传感器13设置为相对位置编码器，如此能够通过数字传感器13测量主端开合机构12开合角度的增量值，以使主端开合机构12的开合角度实现增量式反馈数据，以便根据主端开合机构12的开合角度增量控制从端开合机构21运行。

参照图4所示，主端开合机构12包括两个齿轮121，两个齿轮121在自身径向上并排设置，传动机构1用于驱动至少一个齿轮121转动。数字传感器13用于检测齿轮121的转动角度。

继续参照图4，主端开合机构2还包括捏合手柄122，捏合手柄122的数量与齿轮121的数量相同，每个捏合手柄122与对应的一个齿轮121连接。至少一个齿轮21能够带动对应的一个捏合手柄122转动，以使两个捏合手柄122相互靠近或相互分离。

实际使用时，操作者可通过握持捏合手柄122进行捏合和夹取操作，医生带动捏合手柄122转动时，捏合手柄122能够带动齿轮121转动，齿轮121可通过对应的数字传感器13检测实际转动角度，也就是说，捏合手柄122能够通过对应齿轮121上的数字传感器13检测自身的转动角度，从端设备20能够根据捏合手柄122的转动角度驱动从端开合机构21转动。

此外，传动机构11还可根据从端开合机构21对患者进行手术时受到的反作用力驱动齿轮121运行，以通过捏合手柄122向操作者传递实际手术时抵抗捏合力的反作用力。

在一优选实施方式中，传动机构11用于驱动其中一个齿轮121转动。所有数字传感器13均用于检测该齿轮121的转动角度，以实现多个数字传感器13的冗余设计。

在另一优选实施方式中，传动机构11用于驱动两个齿轮121同步转动(参阅图4)，数字传感器13的数量为两个，每个数字传感器13用于检测对应的一个齿轮121的转动角度。

在一优选实施例中，可在一个齿轮121上安装相对位置编码器，另一个齿轮121上安装绝对位置编码器。在另一优选实施例中，可在两个齿轮121上均安装相对位置编码器或绝对位置编码器。在又一优选实施例中，可在同一个齿轮121上安装相对位置编码器和绝对位置编码器。

在一些优选方案中，传动机构11分别与每个齿轮121连接，传动机构11用于同步驱动两个齿轮121朝相反的方向转动，两个齿轮121转动后分别驱动对应的一个捏合手柄122朝相互捏合或相互远离的方向转动。

参照图4所示，在一实施例中，传动机构11为第一电机，第一电机包括但不限于直线电机。第一电机具有齿条111，齿条111置于两个齿轮121之间，并分别与两个齿轮121啮合，此时传动机构11运行时，传动机构11的齿条111能够转动并同步带动两个齿轮121朝相反的方向转动。每个齿轮121与对应的一个数字传感器13连接，以通过数字传感器13检测齿轮121和捏合手柄122的转动角度。如此构造，可通过两个数字传感器13检测两个齿轮121转动的一致性，以确保数字传感器13测量的准确性。

具体的，当齿条111运行并朝图4所示的a方向移动时，齿条111能够带动两个齿轮121均朝背离齿条111的方向转动(即图3左侧的齿轮121逆时针转动，图3右侧的齿轮121顺时针转动)，此时两个捏合手柄122均朝相互靠近的方向转动。而当齿条111运行并朝图4所示的b方向移动时，齿条111能够带动两个齿轮121均朝靠近齿条111的方向转动(其中图3左侧的齿轮121顺时针转动，图3右侧的齿轮121逆时针转动)，此时两个捏合手柄122均朝相互远离的方向转动。

参照图5所示，在一具体方案中，操控装置还包括壳体(未图示)，传动机构11和主端开合机构12均置于壳体内。数字传感器13包括磁体131和读头132，每个数字传感器13的磁体131固定在对应的一个齿轮121上，每个数字传感器13的读头132固定在壳体上，每个数字传感器13的磁体131能够相对于读头132转动，以检测对应齿轮121的转动角度。

在本实施例中，一个数字传感器13为绝对位置编码器，另一个数字传感器13为相对位置编码器。在另一实施中，两个数字传感器13可均为绝对位置编码器或相对位置编码器。

在另一些实施例中，传动机构11为第二电机，第二电机包括但不限于力矩电机，第二电机的数量为两个，每个第二电机与对应的一个齿轮121连接，所有第二电机均用于同步驱动对应的一个齿轮121转动。数字传感器的数量为两个，每个数字传感器13用于检测对应的一个齿轮121的转动角度。

参照图6和图7所示，在一示例中，第二电机为盘式力矩电机，第二电机具有驱动盘112，该电机具有转动力大且驱动盘112轻薄的特点。驱动盘112与对应的一个齿轮121连接，并用于驱动齿轮121转动。每个第二电机与对应的一个数字传感器13连接。

具体的，每个齿轮121可与设置在其上方的第二电机的驱动盘112连接，以完成捏合手柄122的开合运动。每个数字传感器13的磁体131固定在驱动盘112上，每个数字传感器13的读头132固定在壳体上，每个数字传感器13的磁体131能够相对于读头132转动，以检测对应的一个齿轮121的转动角度。

参照图7所示，在本实施例中，其中一个第二电机的驱动盘112上设置有相对位置编码器(例如图7中的左侧转盘或右侧转盘)，另一个第二电机的驱动盘112上设置有绝对位置编码器(例如图7中的右侧转盘或左侧转盘)。在另一实施例中，两个第二电机的驱动盘112上均设置有相对位置编码器或绝对位置编码器。

在另一些优选方案中，传动机构11与其中一个所述齿轮连接，传动机构11用于驱动其中一个齿轮121朝靠近或远离另一个齿轮121的方向转动，齿轮121转动后驱动对应的一个捏合手柄122朝靠近或远离另一个捏合手柄122的方向转动。

参照图8和图9所示，在另一些优选方案中，传动机构1为第三电机，第三电机具有定子组件113和转子组件114，转子组件114与其中一个齿轮121连接，定子组件113与另一个齿轮121连接。转子组件114用于驱动对应的一个齿轮121转动，该齿轮121转动后驱动对应的一个捏合手柄122朝靠近或远离另一个捏合手柄122的方向转动。数字传感器13检测转子组件114相对于定子组件113的转动角度。

需要说明的是，由于第三电机的转子组件114能够相对于定子组件113转动，而定子组件113固定不动，故两个齿轮121中仅有与转子组件114连接的齿轮121转动，而与定子组件113连接的齿轮121固定不动。

在一优选实施方式中，数字传感器13的数量为两个，每个数字传感器13的磁体131与转子组件114连接，每个数字传感器13的读头132与定子组件113连接，每个数字传感器13用于检测转子组件114相对于定子组件113的转动角度，该转动角度即为与转子组件114连接的齿轮121的转动角度。

继续参照图9所示，在一具体示例中，其中一个数字传感器13的磁体131固定在转子组件114上，该数字传感器13的读头132固定在与定子组件113连接的机构上；而另一个数字传感器13的磁体131固定在与转子组件114连接的机构上(例如固定在第三电机转子轴上)，该数字传感器13的读头132固定在定子组件113上。此时两个数字传感器13的磁体131均能够相对于读头132转动，以检测转子组件114相对于定子组件113的转动角度。

在本实施例中，与定子组件113连接的数字传感器13为相对位置编码器(或绝对位置编码器)，与转子组件114连接的数字传感器13为绝对位置编码器(或相对位置编码器)，其中，相对位置编码器和绝对位置编码器均能够检测转子组件114相对于定子组件113的转动角度。在另一实施例中，与定子组件113和转子组件114连接的数字传感器13均为绝对位置编码器或相对位置编码器。

参照图9和图10所示，操控装置还包括在捏合手柄122的外表面123上以矩阵方式分布的多个感应传感器14，感应传感器14设置在捏合手柄122上，并用于检测主端开合机构12与手指的接触情况。

进一步地，操控装置1包括接触感应模块100(参照图19)，接触感应模块100用于根据主端开合机构12与手指的接触情况判断操控装置的使用状态。

具体的，操作者在进行捏合操作时需要按压捏合手柄122的外表面123上的多个感应传感器14，接触感应模块100用于获取与手指接触的感应传感器14的实际数量，并用于根据手指接触感应传感器14的实际数量判断操控装置1的使用状态。接触感应模块100能够在术中对手指与捏合手柄122脱离的非正常情况进行检测，以检测捏合手柄122意外脱手的情况，防止操控装置1发生非预期移动，提高操控装置1使用的安全性和可靠性。

参照图11所示，接触感应模块100判断操控装置1的使用状态的具体步骤为：

步骤101：主从状态脱手检测开始，接触感应模块100获取与手指接触的感应传感器14的实际数量；

步骤102：接触感应模块100判断操控装置1是否处于在线状态；若感应传感器14与手指接触的实际数量小于预设数量时，接触感应模块100判断操控装置1处于离线状态，则执行步骤103，启动安全保护策略；而后执行步骤104，接触感应模块100结束检测过程。若感应传感器14与手指接触的实际数量大于或等于预设数量时，接触感应模块100判断操控装置1处于在线状态，则执行步骤104，接触感应模块100直接结束检测过程。

应理解，接触感应模块100设置的预设数量可为图10中的8个，也可根据需要设置为更少个或更多个。还应理解，操控装置1处于离线状态可能是由于操作者缝合时甩手动作造成的意外脱手，或主从控制模式下操作者非正常的脱手等原因导致，此时可启动安全保护策略进行非正常情况下的安全检测。所述安全保护策略包括但不限于切断主从控制模式或发出安全警报等操作。

进一步地，操控装置1还包括冗余检测模块200，数字传感器13的数量为两个，冗余检测模块200用于通过所有数字传感器13获取主端开合机构12的开合状态。

具体的，冗余检测模块200可通过对比多个数字传感器13的检测信息获取多个齿轮121转动的一致性；此外，冗余检测模块200还能够冗余监控主端开合机构12的实时开合状态，并在主端开合机构12进行异常运行时进行故障报警，提升主端开合机构12运行的安全性。

本申请利用多个数字传感器13的冗余设计，可更加精确的测量主端开合机构12的开合情况。此外，若部分数字传感器13发生故障也可通过未发生故障的数字传感器13进行检测，提高手术机器人的容错性和可靠性。

进一步地，操控装置1还包括驱动控制模块300，驱动控制模块300用于与从端设备20进行信息交互，并用于向操作者提供交互信息，以使操作者向主端开合机构12施加捏合力。

具体的，主端开合机构12受力后，驱动控制模块300用于获取主端开合机构12的开合角度，并根据预定映射比值，获得从端开合机构21的期望开合角度，进而控制从端开合机构21运动到期望的开合角度。

驱动控制模块300还用于获取从端开合机构21受到的阻力，并用于根据从端开合机构21的力反馈情况通过传动机构11驱动主端开合机构12产生抵抗捏合力的反作用力，以将从端开合机构21受到的阻力反馈到操作者的手部，进而使操作者在手术时具有直接对人体组织进行手术操作的真实感。

参照图12所示，主端设备10包括多个关节(未标号)，每个关节均能够执行对应的手术操作，操控装置1设置在用于捏合的操作关节100上。

进一步地，操控装置1还包括姿态监控模块400，姿态监控模块400用于0操作关节100是否处于正常操控状态。

在一具体示例中，操作关节100上设置有惯性传感器和位置编码器(未图示)，惯性传感器和位置编码器均用于获取操作关节100的位置。位姿监控模块40用于根据操作关节100的位置判断操作关节100是否处于正常操控状态。

应理解，惯性传感器包括但不限于加速度传感器和角加速度传感器等。惯性传感器用于检测操作关节100的移动位置和/或转动角度，从而获取操作关节100的实时位置。

在手术过程中，进入主从控制模式后，从端开合机构21会随着主端开合机构110的开合角度变化而转动，此时主端开合机构12的运动安全就显得非常重要。为了提高手术机器人系统的安全性，本发明在操控关节110上冗余设置惯性传感器和位置编码器以反馈操作关节100的位置，并可通过惯性传感器和位置编码器的相互校正获知操作者对操作关节100的操作情况，以对操作关节100脱手的异常运动进行检测，例如可在姿态监控模块400检测到操作关节100的移动位置异常时启动安全保护策略，以判断操作关节100是否与医生手部分离，进而确保手术操作过程的安全性。

需要解释的是，参照图13所示，惯性传感器检测操作关节100实时移动位移和转动位移的方法为：

惯性传感器包括加速度传感器，加速度传感器可实时反馈操作关节100在X位置的加速度a_x、Y位置的加速度a_y和Z位置的加速度a_z，并能够以此获得操作关节100在预设时间内在X位置的移动位移增量P_x、在Y位置的移动位移增量P_y和在Z位置的移动位移增量P_Z，其中P_x＝1/2a_xt²、P_y＝1/2a_yt²、P_z＝1/2a_zt²，t为操作关节100移动的预定时间。

同样的，惯性传感器还可包括角加速度传感器，角加速度传感器还可以实时反馈操作关节100沿X轴方向的角加速度w_x、沿Y轴方向的角加速度w_y和沿Z轴方向的角加速度w_z，并能够以此获得操作关节100在预设时间内沿X轴方向的转动位移增量Q_x、沿Y轴方向的转动位移增量Q_y和沿Z轴方向的转动位移增量Q_z，其中Q_x＝1/2w_xt²、Q_y＝1/2w_yt²、Q_z＝1/2w_zt²，t为操作关节100移动的预定时间。

更详细地，可将惯性传感器设置在操作关节100中与主端开合机构12连接的末端关节处，同时将位置编码器设置在与末端关节连接的机械臂上。此时可通过位置编码器检测与操作关节100连接的机械臂的位置，并通过惯性传感器检测操作关节100中操控装置1的具体移动位置。若位置编码器的检测结果与惯性传感器的检测结果差值较大，则说明操作关节100相对于对应的机械臂进行了较大幅度的移动，此时操作关节100存在误操作或脱手的可能。

参照图14所示，姿态监控模块400根据操作关节100的位置判断操作关节100是否处于正常操控状态的步骤包括：

步骤201：监控操作关节100的位姿异常情况的姿态监控模块400开始工作：

步骤202：姿态监控模块400通过位置编码器获取操作关节100移动的第一位移量(即获取主手位姿周期增量)；

步骤203：姿态监控模块400通过惯性传感器获取操作关节100移动的第二位移量(即获取主手位姿周期增量)；

步骤204：将第一位移量和第二位移量作差值并取绝对值；

步骤205：若第一位移量和第二位移量的差值大于设置阈值，判断操作关节100的操作姿态异常，则执行步骤206，启动安全保护策略；而后执行步骤207，姿态监控模块400结束检测过程。若第一位移量和第二位移量的差值小于设置阈值，判断操作关节100的操作姿态正常，则执行步骤207，姿态监控模块400直接结束检测过程。

应理解，所述安全保护策略包括但不限于切断主从控制模式或发出安全警报等操作。

进一步地，操控装置还包括角度校正模块500，角度校正模块500用于校正主端开合机构12和从端开合机构21之间的角度偏差，以使主端开合机构12的转动角度和从端开合机构21的转动角度的比值始终满足初始映射比值。

参照图19所示，操控装置还包括操控辅助模块600，操控辅助模块600用于变更操控装置的控制模式。操控装置的控制模式可包括开启或关闭主从控制状态、修改操控装置工作时的预定参数等，预定参数包括但不限于设置初始映射比值、设置感应传感器14的预设数量、设置姿态监控模块400的设定阈值、调整显示屏的显示尺寸等。控制模式还可包括设置特殊功能复合按钮，例如可在操控装置1上设置一需要始终按压以进行切割、捏合等手术操作的按钮。

手术机器人的其他部件的结构和原理，可参考现有技术，本发明不再一一展开说明。

由于手术机器人在主从控制模式下，医生控制操控装置1中主端开合机构12的开合，进而对从端开合机构21的开合进行遥操作。其中，从端开合机构21的开合状态由从端设备20上的传感器进行实时反馈。正常情况下，主端开合机构12和从端开合机构21之前存在主从映射关系，即主端开合机构12的开合角度和从端开合机构21的开合角度是一一对应的关系，即绝对开合角匹配。主端开合机构12的开合角度和从端开合机构21的开合角度的比值为初始映射比值，初始映射比值反映了主端开合机构12和从端开合机构21同步转动时开合角度的实际对应关系。

在退出主从后，从端设备20和主端设备10之间的主从控制模式中断，此时需要使手术机器人再次进入主从控制模式，才能再次使主端设备10和从端设备20进入主从控制模式。

当手术机器人再次进入主从控制模式时，若主端开合机构12或从端开合机构21的开合角度发生变化(即主端开合机构12的开合角度和从端开合机构21的开合角度不满足初始映射比值)，则需要在重新进入主从控制模式前进行开合角度校正。此外，由于信号干扰使主端设备10或从端设备20的开合角度信号存在累积误差时，也需要进行开合角度校正操作。

在现有技术中，手术机器人开合角度的校正方法为：在手术机器人再次进入主从控制模式前，调整主端开合机构12的开合角度或从端开合机构21的开合角度(即使主端开合机构12或从端开合机构21空程运行转动一定角度)，直至使主端开合机构12的转动角度和从端开合机构21的转动角度重新对应(即使主端开合机构12的开合角度和从端开合机构21的开合角度重新满足初始映射比值)，整个调整过程较为复杂。

本发明一优选实施例提供一种手术机器人开合角度的校正方法，应用于如上所述的手术机器人，所述手术机器人开合角度的校正方法包括：

步骤一：通过数字传感器获取主端开合机构12的第一转动角度和从端开合机构21的第二转动角度；设定从端开合机构21跟随主端开合机构12转动时的预定映射比值；

步骤二：使从端开合机构21依据预定映射比值与主端开合机构12同步朝预定方向转动，直至主端开合机构12和从端开合机构21均到达预定位置；

步骤三：而后使主端开合机构12和从端开合机构21依照初始映射比值同步转动。

应理解，预定方向为主端开合机构12和从端开合机构21的打开方向或闭合方向，预定位置为主端开合机构12和从端开合机构21的完全打开位置或完全闭合位置。

在实际操作过程中，若主从控制过程中有干扰引起的积累误差，或者主端开合机构12的开合角度和第二开合机构21的开合角度再次进入主从控制模式时不符合初始映射比值，可通过上述校正方法对主端开合机构12的开合角度和第二开合机构21的开合角度进行校正。

上述手术机器人的开合角度校正方法使主端开合机构12和从端开合机构21通过一次朝向开合方向和闭合方向的行程即可消除主端开合机构12和从端开合机构21之间的角度误差，使得主端开合机构12和从端开合机构21进行误差校正后即可满足初始映射比值，也就是说，主端开合机构12和从端开合机构21进行一次误差校正后即可继续按照初始映射比值同步转动。实际校正时，手术机器人在每一次进入主从控制模式后均需要进行一次主端设备10和从端设备20的开合角度校正，并可消除主端设备10和从端设备20的操控开合指令的累积误差。

如此设置，可在手术机器人的主端设备10和从端设备20为任何状态下直接进入主从控制模式并进行增量角度匹配，并可在完成一次校正过程后消除主端开合机构12和从端开合机构21的开合角度误差。

更详细地，主端开合机构12或从端开合机构21的开合角度发生变化时直接进入主从控制模式，并依据主端开合机构12开合角度的增量值，遵照主从映射关系确定从端开合机构21的开合角度增量，进而驱动从端开合机构21进行开合操作。而无需使主端开合机构12和从端开合机构21再次进入主从控制模式前做绝对开合角匹配(即进行空程转动)，就可以直接利用相对位置编码器的开合角度增量值作为从端开合机构21的开合指令，无缝隙地控制从端设备20从现有开合角度根据主端设备10的开合变化而运动，且从端开合机构21在开合角度的运动范围内无运动死区，简化主端开合机构12或从端开合机构21开合角度校正的步骤，降低操作者的操作难度，提升操作者的操作体验。

进一步地，使从端开合机构21依据预定映射比值与主端开合机构12同步朝预定方向转动，直至主端开合机构2和从端开合机构21均到达预定位置有如下两种方法：

方法一：

步骤一：将预定映射比值设置为初始映射比值；

步骤二：根据第一转动角度和第二转动角度选择主端开合机构12和从端开合机构21转动时的预定方向，以使从端开合机构21优先到达预定位置；

步骤三：使从端开合机构21跟随主端开合机构12同步运行，直至从端开合机构21和主端开合机构12相继到达预定位置。

需要说明的是，第一转动角度和第二转动角度均是指开合机构的捏合手柄122的实际位置与捏合手柄122的闭合位置之间的夹角。

参照图15所示，在一示例中，通过数字传感器13获取主端开合机构12的第一转动角度和从端开合机构21的第二转动角度。若第一转动角度大于第二转动角度，则说明主端开合机构12的开合角度更大，此时使主端开合机构12和从端开合机构21同步朝闭合方向转动，此时主端开合机构12由图15中的B位置转动到图15中的A位置，以使从端开合机构21优先到达完全闭合位置，而主端开合机构12随后到达完全闭合位置。

在另一示例中，获取主端开合机构12的第一转动角度和从端开合机构21的第二转动角度。若第一转动角度小于第二转动角度，则说明从端开合机构12的开合角度更大，此时使主端开合机构12和从端开合机构21同步朝打开方向转动，以使从端开合机构21优先到达完全打开位置，而主端开合机构12随后到达完全打开位置。

方法二：

步骤一：将预定映射比值设置为第一转动角度与第二转动角度的比值。

步骤二：使从端开合机构21跟随主端开合机构12同步运行，直至主端开合机构12和从端开合机构21同步到达预定位置。而后使主端开合机构12和从端开合机构21依照初始映射比值同步转动。

该方法优化了主端开合机构12和从端开合机构21的主从映射关系，在此情况下主端开合机构12和从端开合机构21可同时到达预定位置，进而使主端开合机构12和从端开合机构21的转动过程更加平滑。

参照图16所示，在一示例中，使主端开合机构12和从端开合机构21依照预定映射比值朝闭合方向同步转动，此时主端开合机构12由图16中的D位置转动到图16中的C位置，进而使主端开合机构12和从端开合机构21同步到达完全闭合位置。

进一步地，使从端开合机构21跟随主端开合机构12同步运行的步骤包括：通过数字传感器13获得主端开合机构12运行的第一角度增量，根据第一角度增量和初始映射比值得到从端开合机构21运行的第二角度增量。

更详细的，当数字传感器13为相对位置编码器时，可通过数字传感器13获得主端开合机构12的第一角度增量，即通过数字传感器13进行主端开合机构12的转动角度的增量式数据反馈。同时，根据第一角度增量和预设映射比值获取从端开合机构21的第二角度增量(其中第二角度增量＝第一角度增量*预设映射比值)，进而控制从端开合机构21跟随主端开合机构12同步转动。

更详细地，参照图17所示，S1为从端开合机构21的实际开合角度，S2为主端开合机构12与从端开合机构21对应的理论开合角度，初始映射比值为K1，则S2＝S1*K1。S3为主端开合机构12的实际开合角度，S4为主端开合机构12的转动角度的过程偏差或主端开合机构12重新进入主从状态相对于S2的角度偏差，S4＝S3-S2；预设映射比值为K2，则K2＝S3/S1。

实际应用时，由于S4的数值较小，预设映射比值K2与初始映射比值K1接近，此时主端开合机构12和从端开合机构21依照初始映射比值K1还是依照预定映射比值K2转动，在实时校正的体验上基本无差别。而当主端开合机构12和从端开合机构21再次进入主从控制模式后，由于S4的数值较大，故预设映射比值K2与初始映射比值K1差别较大。

在主端开合机构12和从端开合机构21再次进入主从控制模式时，操作者可根据需要选择方法一和方法二中的任意一种进行主端开合机构12和从端开合机构21的开合角度校正，以消除手术机器人的主端设备10和从端设备20的开合角度偏差，进而提升手术机器人的可靠性。

参照图18所示，角度校正模块500进行手术机器人开合角度校正的具体步骤为：

步骤301：角度校正模块500开始工作：

步骤302：获取从端开合机构21(即器械端)的当前开合角(即第二转动角度)；

步骤303：通过数字传感器13获取主端开合机构12(即操控端)的当前开合角(即第一转动角度)。

操作者根据需要选择进入原始比例模式(即根据原始映射比值进行校正)或者选择进入自适应比例(即根据预设映射比值进行校正)。

若操作者选择原始比例模式进行校正，则执行以下步骤。

步骤3041：使器械端按照初始映射比例跟随操控端转动；

步骤3042：判断器械端是否到达边界位置(即完全打开状态或完全闭合状态)，若否，则执行步骤3041，使器械端继续跟随操控端运动，直至器械端转动至边界位置；若是，则执行步骤3043，使器械端不再跟随操控端运动，直至操控端转动至边界位置；

步骤305：角度校正模块500结束校正过程。

若操作者选择自适应比例模式进行校正，则执行以下步骤。

步骤3061：使器械端按照预设映射比例跟随操控端转动；

步骤3062：判断器械端是否到达边界位置(即完全打开状态或完全闭合状态)，若否，则执行步骤3061，使器械端继续跟随操控端运动，直至器械端和操控端同步转动至边界位置；若是，则执行步骤3063，使器械端和操控端恢复初始映射比值；

步骤305：角度校正模块500结束校正过程。

综上，本发明提供一种操控装置1、手术机器人及手术机器人开合角度的校正方法，操控装置1采用数字传感器13进行主端开合机构12的开合角度测量，使主端开合机构12的检测信号为数字信号，如此可增强信号传输时的抗干扰能力，增加无线电供电系统和无线通信系统应用的可靠性，还可降低装置功耗。同时，由于数字传感器13运行时不会产生积累误差，使手术机器人无需出厂前的校正和标定，如此可降低手术机器人制造工艺的复杂度，提高手术机器人的生产效率，提升手术机器人主端设备和从端设备运行时的一致性，提升机器人工作时的精准度和可靠性。

此外，本发明提供的操控装置1具有力反馈功能，能够在主端开合机构12向医生的手部反馈从端开合机构21手术时受到的反作用力，可真实模拟医生在捏合主端开合机构12进行手术操作时的阻力，如此可使医生手术时具有较为舒适的手感，并增强医生在进行手术操作时的真实感和临场感。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种操控装置，其特征在于，包括：传动机构、主端开合机构和数字传感器；所述主端开合机构用于在承受捏合力时改变开合角度；所述传动机构连接所述主端开合机构，并用于驱动所述主端开合机构产生抵抗捏合力的反作用力；所述数字传感器固定在所述主端开合机构和/或所述传动机构上，并用于检测所述主端开合机构的开合角度；所述主端开合机构包括两个齿轮，两个所述齿轮在自身径向上并排设置，所述传动机构用于驱动至少一个所述齿轮转动；所述数字传感器用于检测所述齿轮的转动角度。

2.如权利要求1所述的操控装置，其特征在于，所述主端开合机构还包括捏合手柄，所述捏合手柄的数量与所述齿轮的数量相同，每个所述捏合手柄与对应的一个所述齿轮连接；至少一个所述齿轮能够带动对应的一个所述捏合手柄转动，以使两个所述捏合手柄相互靠近或相互分离。

3.如权利要求2所述的操控装置，其特征在于，所述传动机构分别与两个所述齿轮连接，所述传动机构用于同步驱动两个所述齿轮朝相反的方向转动，两个所述齿轮转动后分别驱动对应的一个所述捏合手柄朝相互捏合或相互远离的方向转动。

4.如权利要求2所述的操控装置，其特征在于，所述传动机构与其中一个所述齿轮连接，所述传动机构用于驱动其中一个所述齿轮朝靠近或远离另一个所述齿轮的方向转动，所述齿轮转动后驱动对应的一个所述捏合手柄朝靠近或远离另一个所述捏合手柄的方向转动。

5.如权利要求1-4中任一项所述的操控装置，其特征在于，所述数字传感器包括相对位置编码器、绝对位置编码器和磁栅传感器中的至少一种。

6.如权利要求3或4所述的操控装置，其特征在于，还包括在所述捏合手柄的外表面上以矩阵方式分布的多个感应传感器，所述感应传感器设置在所述捏合手柄上，并用于检测所述主端开合机构与手指的接触情况。

7.一种手术机器人，其特征在于，包括主端设备和从端设备，所述主端设备包括如权利要求1-6中任一项所述的操控装置，所述主端设备用于控制所述从端设备进行手术操作；所述从端设备包括从端开合机构，所述传动机构用于根据所述从端开合机构受到的阻力带动所述主端开合机构产生所述反作用力。

8.如权利要求7所述的手术机器人，其特征在于，所述操控装置包括接触感应模块、冗余检测模块、角度校正模块、姿态监控模块和操控辅助模块；

所述接触感应模块用于根据所述主端开合机构与手指的接触情况判断所述操控装置的使用状态；

所述冗余检测模块用于通过所有所述数字传感器获取所述主端开合机构的开合状态；

所述角度校正模块用于校正所述主端开合机构和所述从端开合机构的角度偏差，以使所述主端开合机构的转动角度和所述从端开合机构的转动角度的比值始终满足初始映射比值；

所述操控装置设置在用于捏合的操作关节上，所述姿态监控模块用于判断所述操作关节是否处于正常操控状态；

所述操控辅助模块用于变更所述操控装置的控制模式。

9.一种手术机器人开合角度的校正方法，其特征在于，所述手术机器人开合角度的校正方法包括：

通过数字传感器获取主端开合机构的第一转动角度和从端开合机构的第二转动角度；设定所述从端开合机构跟随所述主端开合机构转动时的预定映射比值；

使所述从端开合机构依据所述预定映射比值与所述主端开合机构同步朝预定方向转动，直至所述主端开合机构和所述从端开合机构均到达预定位置；

使所述主端开合机构和所述从端开合机构依照初始映射比值同步转动。

10.如权利要求9所述的手术机器人开合角度的校正方法，其特征在于，使所述从端开合机构依据所述预定映射比值与所述主端开合机构同步朝预定方向转动的方法包括：

将所述预定映射比值设置为初始映射比值；根据所述第一转动角度和所述第二转动角度选择所述主端开合机构和所述从端开合机构转动时的预定方向，以使所述从端开合机构优先到达所述预定位置；使所述从端开合机构跟随所述主端开合机构同步运行，直至所述从端开合机构和所述主端开合机构相继到达所述预定位置；

或者，将所述预定映射比值设置为所述第一转动角度与所述第二转动角度的比值；使所述从端开合机构跟随所述主端开合机构同步运行，直至所述主端开合机构和所述从端开合机构同步到达所述预定位置。