CN117653355A - 输入装置、主操作设备和手术机器人 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种输入装置、主操作设备和手术机器人。该输入装置用于操控手术器械。该输入装置包括：第一操作件，绕第一轴线可转动，并配置为在操作下绕第一轴线转动而控制手术器械的开合；第一转动件，绕与第一轴线基本平行的第二轴线可转动；第一绳索，与第一操作件相接并卷绕于第一转动件；以及驱动单元，配置为根据手术器械的夹持状态，经第一转矩传递路径，将力觉反馈转矩施加于第一操作件，其中在第一转矩传递路径上从驱动单元到第一操作件依次配设有第一转动件和第一绳索。本公开提供的输入装置能够为操作者提供力觉反馈，从而能够提高手术的安全性，降低手术的难度。另外，本公开提供的输入装置结构较为简单，可靠性较佳。

Description

输入装置、主操作设备和手术机器人

技术领域

本公开涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种输入装置、主操作设备和手术机器人。

背景技术

微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相较于传统手术方式，微创手术具有创伤小、疼痛轻和恢复快等优势。

随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。一种微创手术机器人包括主操作设备和从操作设备。主操作设备用于根据操作者(例如，医生)的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备利用手术器械进行相应的手术操作。主操作设备包括输入装置。操作者可以通过操作输入装置来控制诸如夹钳之类的手术器械，使得手术器械对患者的组织进行夹持。

然而，对于传统输入装置，操作者在操作输入装置的过程中无法感受到手术器械施加到组织上的力，这提高了出现不当操作(例如，手术器械施加到组织上的力过小而导致组织滑脱；又如，手术器械施加到组织上的力过大而损伤组织)的可能性，进而降低了手术的安全性并提高了手术的难度。

发明内容

鉴于此，本公开提供一种能够为操作者提供力觉反馈的输入装置，并提供一种具有该输入装置的主操作设备和具有该主操作设备的手术机器人。

一方面，本公开提供一种用于操控手术器械的输入装置。该输入装置包括：第一操作件，绕第一轴线可转动，并配置为在操作下绕第一轴线转动而控制手术器械的开合；第一转动件，绕与第一轴线基本平行的第二轴线可转动；第一绳索，与第一操作件相接并卷绕于第一转动件；以及驱动单元，配置为根据手术器械的夹持状态，经第一转矩传递路径，将力觉反馈转矩施加于第一操作件，其中在第一转矩传递路径上从驱动单元到第一操作件依次配设有第一转动件和第一绳索。

根据本公开，在操作过程中，驱动单元能够通过第一转动件和第一绳索将力觉反馈转矩施加到第一操作件上，使得第一操作件能够为操作者提供力觉反馈，进而使得操作者能够在一定程度上感受到手术器械施加到患者的组织上的力。因此，采用本公开提供的输入装置，能够降低因操作者无法感知手术器械对组织施加的力而导致的不当操作出现的可能性，并由此能够提高手术的安全性，降低手术的难度。

另外，在本公开提供的输入装置中，第一操作件的旋转轴(即第一轴线)和第一转动件的旋转轴(即第二轴线)基本平行。通过这种构造，能够在不提高输入装置的复杂程度的前提下，有效地避免运形过程中第一绳索在第一转动件上缠乱。因此，这种构造能够简化输入装置的结构并提高输入装置的可靠性。

在一个可能的实现方式中，第一转动件包括第一卷绕部和第二卷绕部，第一绳索卷绕于第一卷绕部，输入装置还包括：第二转动件，绕与第一轴线基本平行的第三轴线可转动；第二绳索，卷绕于第二卷绕部并卷绕于第二转动件，其中在第一转矩传递路径上从驱动单元到第一转动件依次配设有第二转动件和第二绳索；第二转动件和第一卷绕部的半径均小于第二卷绕部的半径，且第一卷绕部的半径小于第一轴线和第二轴线的间距。

第二转动件、第二绳索、第一转动件、第一绳索和第一操作件一起构成了一个多级减速机构，该多个减速机构能够显著地放大驱动单元输出的转矩。具体而言，由于第二转动件的半径小于第二卷绕部的半径，因此经第二绳索从第二转动件传递至第一转动件的转矩会被有效地放大；由于第一卷绕部的半径小叶第二卷绕部的半径，并且第一卷绕部的半径明显小于第一轴线和第二轴线之间的间距，因此经第一绳索从第一转动件传递至第一操作件的转矩会被显著放大。由此可见，即使采用较小的驱动单元，也能够通过该多级减速机构为第一操作件提供足够大的力觉反馈转矩。因此，这种实现方式允许输入装置具有更紧凑的结构，利于输入装置小型化和轻量化。

另外，由于这种减速机构具有足够的减速比，因此在这种实现方式中，无需再采用内置有齿轮减速机的驱动单元(或者，无需在驱动单元上安装齿轮减速机)。考虑到齿轮减速机具有回程间隙，这会降低传动精度并导致操作过程中产生顿挫感。由于无需再采用齿轮减速机，因此本公开提供的实现方式具有较佳的传动精度且具有更平顺的操作感受。

在一个可能的实现方式中，该输入装置还包括张紧轮，张紧轮压靠于第二绳索以对第二绳索施加张力。

这种构造能够为第二绳索提供适当的张紧力，从而能够有效避免在第一转动件和第二转动件的转动过程中因第二绳索松弛而导致的缠乱。因此，这种实现方式具有较佳的可靠性。

在一个可能的实现方式中，该输入装置还包括：滑块，张紧轮可转动地设于其上；壳体，设有引导滑块的滑槽，并收容第一转动件、第二转动件、第二绳索、张紧轮和滑块；以及定位件，可操作性地固定滑块相对于滑槽的位置。

在使用一段时间后，第二绳索可能会被拉长变松。这种情况下，可以通过操作定位件和滑块来调整张紧轮的位置，从而为第二绳索提供合适的张紧力。

在一个可能的实现方式中，该输入装置还包括第一传感器和第二传感器，其中第一传感器用于检测驱动单元的输出轴的角位移，第二传感器用于检测第一转动件的角位移。

在运行过程中，第一传感器和第二传感器分别检测驱动单元和第一转动件的角位移，这实现了双闭环控制，从而提高了控制精度。

在一个可能的实现方式中，第一操作件具有面对第一转动件的引导面，引导面为中心轴与第一轴线重合的圆柱面的一部分；第一绳索卷绕于第一转动件，且两端分别沿引导面朝引导面的周向上的相对两侧延伸至各自的固定点。

根据这种构造，在第一操作件的转动过程中，从第一转动件的送出第一绳索的送线位置沿着引导面到一个固定点的距离与从将第一绳索缠绕于第一转动件上的缠绕位置沿着引导面到另一个固定点的距离之和始终保持基本不变。这使得在第一操作件的转动过程中，第一绳索始终能够保持适当的张紧力，而不会因为第一操作件的转动而过度松弛或过度张紧。因此，这种构造有利于第一操作件具有较为平顺的操作感受，并有利于避免第一绳索缠乱，进而有利于提高输入装置的可靠性。

在一个可能的实现方式中，驱动单元作为输入装置的手柄；或者，驱动单元设于输入装置的手柄内。

将驱动单元用作输入装置的手柄或者将驱动单元设于输入装置的手柄内，能够更高效、更合理地利用空间。因此，这种实现方式允许输入装置具有更紧凑的结构，利于输入装置小型化。

在本公开中，输入装置可以仅设有一个操作件(即第一操作件)，也可以设有一对操作件(即第一操作件和第二操作件)。下面对两种有一对操作件的输入装置进行举例说明。

在一个可能的实现方式中，该输入装置还包括：第二操作件，绕与第一轴线基本平行的第四轴线可转动，并配置为在操作下绕第四轴线转动而控制手术器械的开合；第三转动件，绕与第一轴线基本平行的第五轴线可转动；第三绳索，与第二操作件相接并卷绕于第三转动件；以及第四绳索，卷绕于第一转动件并卷绕于第三转动件，其中力觉反馈转矩经第二转矩传递路径被递送至第二操作件；在第二转矩传递路径上从驱动单元到第二操作件依次配设有第一转动件、第四绳索，第三转动件和第三绳索。

在另一个可能的实现方式中，该输入装置还包括：绕与第一轴线基本平行的第四轴线可转动，并配置为在操作下绕第四轴线转动而控制手术器械的开合；以及第三绳索，与第二操作件相接并卷绕于第一转动件，其中力觉反馈转矩经第二转矩传递路径被递送至第二操作件；在第二转矩传递路径上从驱动单元到第二操作件依次配设有第一转动件和第三绳索。

在本公开中，力觉反馈转矩可以是恒定不变的，也可以是动态变化的。对此，本公开不具体限制。

在一个可能的实现方式中，力觉反馈转矩正相关于输入装置在手术机器开始对组织施加夹持力时的张开角和输入装置的实时张开角的差。

在这种方式实现方式，力觉反馈力矩是动态变化的，其正相关于输入装置在手术机器开始对组织施加夹持力时的张开角和输入装置的实时张开角的差。力觉反馈转矩的这种配置使得操作者在操作输入装置时具有更自然的操作感受，这种操作感受更接近传统手术中直接握持手术器械进行手术操作的使用感受。

另一方面，本公开还提供一种手术机器人的主操作设备，该主操作设备适于向手术机器人的从操作设备发送指令以控制从操作设备执行手术操作。该主操作设备包括上述方面提供的输入装置。

另一方面，本公开还提供一种手术机器人。该手术机器人包括从操作设备和上述方面提供的主操作设备。从操作设备配置为根据来自主操作设备的指令执行手术操作。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

应当理解，在附图中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的要素(构件或组成部分)。

应当理解，附图仅是示意性的，附图中的要素(构件或组成部分)的尺寸和比例不一定精确。

图1是根据本公开一实施例的手术机器人的主操作设备的结构示意图。

图2是根据本公开一实施例的手术机器人的从操作设备的结构示意图。

图3是图1中的主操作设备的机械臂的结构示意图。

图4是根据本公开一实施例的输入装置的结构示意图。

图5是示出了从另一视向观察的图4中的输入装置的结构示意图。

图6是示出了图4中的输入装置除去盖后的结构示意图。

图7是示出了图4中的输入装置将外壳沿A-A面剖切后的结构示意图。

图8是图4中的输入装置的第一转动件的结构示意图。

图9是根据本公开另一实施例的输入装置的结构示意图。

图10是示出了从另一视向观察的图9中的输入装置的结构示意图。

图11是示出了图9中的输入装置将外壳沿B-B面剖切后的结构示意图。

图12是示出了图9中的输入装置的第一转动件和第三转动件的结构示意图。

图13是示出了根据本公开另一实施的输入装置的第一转动件的结构示意图。

图14是根据本公开另一实施例的输入装置的结构示意图。

图15是示出了从另一个视向观察的图14中的输入装置的结构示意图。

图16是示出了图14中的输入装置除去外壳后的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施方式中的附图，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本公开的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

示例性手术机器人

下面，参照图1和图2，示意性地描述根据本公开一实施例的手术机器人。该手术机器人包括主操作设备100和从操作设备200。图1是主操作设备100的结构示意图。图2是从操作设备200的结构示意图。

操作者，例如医生，可以在主操作设备100上进行操作。主操作设备100可以根据操作者的操作向从操作设备200发送控制命令，以控制从操作设备200利用安装于其上的手术器械210进行相应的手术操作。手术器械210可以是，但不限于是，夹钳、镊子或切割工具(例如剪刀)等。从操作设备200可以根据手术的需求配设有多个不同类型的手术器械210。

需要说明的是，主操作设备100和从操作设备200可以位于同一个手术室内，也可以置于不同的房间中，甚至二者可以相距很远。例如，在某些应用场景中，主操作设备100和从操作设备200可以分别位于不同的城市。

主操作设备100和从操作设备200可以通过有线的方式进行数据的传输，也可以通过无线的方式进行数据的传输。例如，在主操作设备100和从操作设备200位于一个手术室内的应用场景中，二者可以通过有线的方式进行数据的传输。又如，在主操作设备100和从操作设备200分别位于不同的城市的应用场景中，二者可以通过无线的方式进行远距离数据传输。

示例性主操作设备

参见图1，主操作设备100可以包括基座110、机械臂120、观察室130和脚踏板140。作为主操作设备100的主体，基座110支撑机械臂120、观察室130和脚踏板140，以便于整体移动。在手术过程中，观察室130可以实时呈现内窥镜采集到的手术部位的图像。操作者可以坐在主操作设备100前，通过观察室130观察患者体内的手术部位的视野。与此同时，操作者可以操作机械臂120。通过运动映射算法，操作者对操作机械臂120时的手部动作会映射到从操作设备200上从而控制手术器械210执行相应的手术操作。进一步地，为了减少操作者的手部操作，部分简单的操作可以通过踩踏脚踏板140来执行。

图3是机械臂120的结构示意图。参见图3，机械臂120可以包括主臂120a、第一连杆121、第二连杆122、第三连杆123、第四连杆124、第五连杆125、第六连杆126以及输入装置127。主臂120a以能够绕其自身轴线R₁转动的方式附接于观察室130。第一连杆121的一端以能够绕轴线R₂转动的方式连接于主臂120a，另一端以能够绕轴线R₃转动的方式连接于第三连杆123。第二连杆122的一端以能够绕轴线R₄转动的方式连接于主臂120a，另一端以能够绕轴线R₅转动的方式连接于第三连杆123。第四连杆124以能够绕轴线R₆转动的方式连接于第三连杆123，并以能够绕轴线R₇转动的方式连接于第五连杆125。第六连杆126以能绕轴线R₈转动的方式连接于第五连杆125。输入装置127以能够绕轴线R₉转动的方式附接于第六连杆126。

手术过程中，操作者可以通过改变输入装置127的位置和方向来改变机械臂120的姿态(即主臂120a、多个连杆121-126以及输入装置127的姿态)。主操作设备100的控制系统可以根据机械臂120的姿态来控制从操作设备200臂姿态，进而控制安装在从操作设备200的机械臂上的手术器械210的位置和方向。同时，操作者可以通过操作输入装置127来控制手术器械210的开合，从而实现对患者的组织的夹持或切割。

示例性输入装置

图4是根据本公开一实施例的输入装置300的结构示意图。图5示出了从另一视向观察的输入装置300的结构示意图。输入装置300可以用作图3中的输入装置127。

参见图4和图5，输入装置300包括外壳310和第一操作件320。在一个示例中，外壳310可以包括壳体311和盖312，二者协同限定腔。特别地，壳体311在纵向上的一端可以设有接合部311a，接合部311a被构造为适于与主操作设备100的机械臂120的第六连杆126连接。

第一操作件320绕第一轴线可转动。在一个示例，第一操作件320可以绕第一轴线可转动地被外壳310支撑。图6示出了除去盖312后的输入装置300。如图6所示，在一个更特别的示例中，第一操作件320可以通过销轴301可转动地被壳体311支撑。在该示例中，第一轴线即为销轴301的轴线。

手术过程中，操作者可以通过对操作件320进行操作来控制手术器械210的开合。具体而言，操作者可以对第一操作件320进行操作，使得第一操作件320绕第一轴线转动第一操作件320而改变输入装置300的张开角；与此同时，从操作设备200将会根据输入装置300的张开角来对应地调整手术器械210的张开角，从而实现对手术器械210的开合的控制。

需要说明的是，在本实施例中，如图4所示，输入装置300的张开角可以为第一操作件320与外壳310之间的夹角α。

参见图5，输入装置300还包括驱动单元330。驱动单元330配置为根据手术器械210的夹持状态，经第一转矩传递路径，将力觉反馈转矩施加于第一操作件320。在力觉反馈转矩的作用下，第一操作件320将为操作者的手部提供使操作者感受到阻碍输入装置300的闭合动作的阻力(即阻闭合角α由大变小的阻力)，从而操作者能够在一定程度上感受到手术器械210对患者的组织施加的作用力。

在一个示例中，手术器械210的夹持状态可以包括未施力状态和施力状态。在未施力状态下，手术器械210未对患者的组织施加夹持力；在施力状态下，手术器械210对患者的组织施加夹持力。从操作设备200还可以包括用于检测手术器械210是否对组织施加夹持力的传感器，以确定手术器械210的夹持状态。驱动单元330可以配置为当手术器械210的处于施力状态时，经第一转矩传递路径，将力觉反馈转矩施加于第一操作件320。

图7是示出了图4中的输入装置300将外壳310沿A-A面剖切后的结构示意图。参见图6和图7，输入装置300还包括第一转动件341和第一绳索351。第一转动件341绕与第一轴线基本平行的第二轴线可转动。第一绳索351与第一操作件320相接并卷绕于第一转动件341，以在二者之间传递转矩。

在一个示例中，第一转动件341可以绕第二轴线可转动地被外壳310支撑。在一个更特别的示例中，如图7所示，输入装置300还可以包括一对分别套设于第一转动件341的两端的轴承302,303，第一转动件341可以通过一对轴承302,303支撑于外壳310。在该示例中，第二轴线即为轴承302(或轴承303)的轴线。

在第一转矩传递路径上，从驱动单元330到第一操作件320，依次配设有第一转动件341和第一绳索351。也就是说，驱动单元330直接或间接地将力觉反馈转矩施加到第一转动件341上，并且力觉反馈转矩能够依次经第一转动件341和第一绳索351传递至第一操作件320。

在操作过程中，驱动单元330能够通过第一转动件341和第一绳索351将力觉反馈转矩施加到第一操作件320上，使得第一操作件320能够为操作者提供力觉反馈，进而使得操作者能够在一定程度上感受到手术器械210施加到患者的组织上的力。因此，采用本公开提供的输入装置300，能够降低因操作者无法感知手术器械210对组织施加的夹持力而导致的不当操作出现的可能性，并由此能够提高手术的安全性，降低手术的难度。

另外，在本公开提供的输入装置300中，第一操作件320的旋转轴(即第一轴线)和第一转动件341的旋转轴(即第二轴线)基本平行。通过这种构造，能够在不提高输入装置300的复杂程度的前提下，有效地避免运行过程中第一绳索351在第一转动件341上缠乱。因此，这种构造能够简化输入装置300的结构并提高输入装置300的可靠性。

再次参见图6和图7，第一转动件341包括第一卷绕部341a和第二卷绕部341b。第一绳索351与第一操作件320相接并卷绕于第一转动件341的第一卷绕部341a。输入装置300还包括第二转动件342和第二绳索352。第二绳索352卷绕于第一转动件341的第二卷绕部341b并卷绕于第二转动件342，以在二者之间传递转矩。

第二转动件342绕第三轴线可转动，第三轴线与第一轴线基本平行。在一个示例中，第二转动件342可以直接安装在驱动单元330的输出轴上，驱动单元330可以固定于壳体311。在该示例中，第三轴线即为驱动单元330的输出轴的轴线。

在第一转矩传递路径上，从驱动单元330到第一转动件341，依次配设有第二转动件342和第二绳索352。也就是说，输出单元330输出的力觉反馈转矩依次经第二转动件342和第二绳索352传递至第一转动件351，并进一步地依次经第一转动件341和第一绳索351传递至第一操作件320。

第二转动件342可以被构造为半径小于第二卷绕部341b半径。第一转动件341可以被构造为第一卷绕部341a的半径小于第二卷绕部341b的半径。第一操作件320和第一转动件341可以被布置为第一卷绕部341a的半径小于第一轴线和第二轴线的间距D(即第一卷绕部341a的半径小于第一操作件320面对第一卷绕部341a的端部到第一轴线的距离)。

在这种实现方式中，第二转动件342、第二绳索352、第一转动件341、第一绳索351和第一操作件320协同构成了一个多级减速机构。该多个减速机构能够显著地放大驱动单元330输出的转矩。

具体而言，由于第二转动件342的半径小于第二卷绕部341b的半径，因此经第二绳索352从第二转动件342传递至第一转动件341的转矩会被有效地放大。进一步地，由于第一卷绕部341a的半径小于第二卷绕部341b的半径，并且第一卷绕部341a的半径明显小于第一轴线和第二轴线之间的间距D，因此经第一绳索351从第一转动件341传递至第一操作件320的转矩会被显著放大。由此可见，即使采用较小的驱动单元330，也能够通过该多级减速机构为第一操作件320提供足够大的力觉反馈转矩。因此，这种实现方式允许输入装置300具有更紧凑的结构，从而有利于输入装置300小型化和轻量化。

另外，由于这种减速机构具有足够的减速比，因此在这种实现方式中，无需再采用内置有齿轮减速机的驱动单元(或者，无需在驱动单元上安装齿轮减速机)。考虑到齿轮减速机具有回程间隙，这会降低传动精度并导致操作过程中产生顿挫感。由于无需再采用齿轮减速机，因此本公开的上述实现方式具有较佳的传动精度且具有更平顺的操作感受。

再次参见图7，输入装置300还可以包括张紧轮361。张紧轮361压靠于第二绳索352以对第二绳索352施加张紧力。这种构造能够为第二绳索352提供适当的张紧力，从而能够有效避免在第一转动件341和第二转动件342的转动过程中因第二绳索352松弛而导致的缠乱。因此，这种实现方式具有较佳的可靠性。

再次参见图7，输入装置300还可以包括滑块362。张紧轮361可转动地安装在滑块362上。壳体311设有滑槽311b。滑槽311b用于引导滑块362。输入装置300还包括定位件363。定位件363用于可操作性地固定滑块362相对于滑槽311b的位置。在使用一段时间后，第二绳索352可能会被拉长变松。这种情况下，可以通过操作定位件363和滑块362来调整张紧轮361的位置，从而为第二绳索352提供合适的张紧力。

作为一种可能的实现方式，重新参见图7，定位件363可以为螺栓363。螺栓363穿过滑槽311b而与滑块362配合(通过螺母或通过滑块362上设置的螺纹孔)。在需要调整滑块362的位置时，可以先松开螺栓363，然后沿着滑槽311b调整滑块362的位置。完成调整后，可以再次拧紧螺栓363，以将滑块362压紧在壳体311的内表面上，进而防止滑块362相对滑槽311b的位置发生变化。这种构造易于实现。

参见图5和图7，输入装置300还可以包括第一传感器371和第二传感器372。第一传感器371用于检测驱动单元330的输出轴的角位移。第二传感器372用于检测第一转动件341的角位移。在运行过程中，第一传感器371和第二传感器372分别检测驱动单元330和第一转动件341的角位移，这实现了双闭环控制，从而提高了控制精度。在一个示例中，第一传感器371和第二传感器372可以均为编码器。

作为一种具体的实现方式，再次参见图7，第二传感器可以包括固定架372a、光栅读数头372b和磁柱372c。固定架372a固定于外壳310。光栅读数头372b固定于固定架372a。磁柱372c安装在第一转动件341上。光栅读数头372b和磁柱372c相对布置且彼此间隔(即二者不发生接触)。光栅读数头372b、磁柱372c以及第一转动件341三者的轴线重合。这种实现方式检测准确且拆装方便。

再次参见图6，第一操作件320具有面对第一转动件341(的第一卷绕部341a)的引导面321a。引导面321a是中心轴与第一轴线重合的圆柱面的一部分。第一绳索351卷绕于第一转动件341(的第一卷绕部341a)。第一绳索351的一端从点P₁沿引导面321a朝引导面321a的周向上的一侧延伸至固定点P₂；第一绳索351的另一端从点P₁沿引导面321a朝引导面321a的周向上的另一侧延伸至固定点P₃。由于第一绳索351上存在张紧力，第一绳索351沿引导面321a延伸的部分被压靠在引导面321a上。从图6中的视图方向观察，在第一操作件320绕第一轴线转动的过程中，第一绳索351缠绕在第一转动件341上部分从点P₁被送出，同时第一绳索351未缠绕在第一转动件341上的部分也从点P₁被缠绕到第一转动件341上。

根据这种构造，在第一操作件320的转动过程中，从第一转动件341送出第一绳索351的送线位置(即点P₁)沿着引导面321a到一个固定点(即点P₂和点P₃中的一个)的距离与从将第一绳索351缠绕于第一转动件341上的缠绕位置(即点P₁)沿着引导面321a到另一个固定点(即点P₂和点P₃中的另一个)的距离之和始终保持基本不变。这使得在第一操作件320的转动过程中，第一绳索351始终能够保持适当的张紧力，而不会因为第一操作件320的转动而过度松弛或过度张紧。因此，这种构造有利于第一操作件320具有较为平顺的操作感受，并有利于避免第一绳索351缠乱，进而有利于提高输入装置300的可靠性。

考虑到在输入装置300中，驱动单元330以其输出轴的轴线与第一轴线基本平行的方式布置。也就是说，驱动单元330的输出轴的轴线与外壳310的纵向基本垂直。这导致难以将驱动单元330沿着外壳310的纵向布置在外壳310中。

鉴于此，重新参见图5和图7，驱动单元330可以被布置在外壳310的远离接合部311a的一端，以作为输入装置330的手柄。将驱动单元330用作输入装置300的手柄，能够更高效、更合理地利用空间。因此，这种实现方式允许输入装置300具有更紧凑的结构，利于输入装置300小型化。

作为一种替代性的实现方式，输入装置300也可以具有一个中空的手柄。该手柄可以与壳体311一体形成，也可以作为独立的构件安装在壳体311上。在这种实现方式中，驱动单元330可以设于该中空的手柄内。这种实现方式也利于输入装置300小型化。

参见图4至图6，第一操作件320包括支架321和指扣322。指扣322设于支架321上。操作者可以将手指伸入到指扣322中，以对第一操作件320进行操作。支架321绕第一轴线可转动。引导面321a设于支架321上。第一绳索351的两端固定在支架321上。

图8是第一转动件341的结构示意图。参见图8，第一转动件341除包括第一卷绕部341a和第二卷绕部341b外，还可以包括转轴371c。第一卷绕部341a和第二卷绕部341b可以设于转轴341c的中部。一对轴承302,303可以分别套设转轴341c的两端。在一个示例中，第一卷绕部341a和第二卷绕部341b一体形成在转轴341c上。在另一个示例中，第一卷绕部341a和第二卷绕部341b是两个独立的构件，它们均以相对转轴341c不可转动的方式套设在转轴341c上。

驱动单元330的实现方式有多种。本公开对驱动单元330的类型不做具体限制。在一个示例中，驱动单元330可以为电机。在其它示例中，驱动单元330也可以为其它能够输出转矩的装置。

在本公开中，力觉反馈转矩可以是恒定不变的，也可以是动态变化的。对此，本公开不具体限制。在一个可能的实现方式中，力觉反馈转矩可以正相关于输入装置在手术器械开始对患者的组织施加夹持力时的张开角α_s和输入装置的实时张开角α_r的差α_s-α_r。

在这种实现方式中，在检测到手术器械210开始对组织施加夹持力后，驱动单元330才会向第一操作件320施加力觉反馈转矩，这使得操作者能够准确地感知手术器械210是否对患者的组织施加了作用力，从而能够降低出现不当操作的可能性。

另外，在这种方式实现方式，力觉反馈力矩是动态变化的，其正相关于输入装置300在手术机器开始对患者的组织施加夹持力时的张开角α_s和输入装置300的实时张开角α_r的差α_s-α_r。力觉反馈转矩的这种配置使得操作者在操作输入装置300时具有更自然的操作感受，这种操作感受更接近传统手术中直接握持手术器械进行手术操作的使用感受。

需要说明的是，在上述实施例中，输入装置300的张开角可以为第一操作件320和外壳310之间的夹角α。下述的实施提供的输入装置均具有一对操作件。在下述实施例中，输入装置的张开角可以为一对操作件之间的夹角。

图9是根据本公开另一实施例的输入装置400的结构示意图。图10示出了从另一视向观察的输入装置400的结构示意图。下面参照图9和图10对输入装置400进行描述。

需要说明的是，输入装置400和上述实施例提供的输入装置300在构造上相似。在下文中，将主要围绕输入装置400与输入装置300的差异进行说明。关于输入装置400与输入装置300相同或对应的要素(构件或部分)，通过标注相同或对应的附图标记而省略说明。

参见与9和图10，输入装置400除了包括第一操作件320外，还包括第二操作件380。也就是说，输入装置400包括一对操作件320,380。第二操作件380绕与第一轴线基本平行的第四轴线可转动。在一个示例中，第二操作件380可以绕第四轴线可转动地被外壳310支撑。在一个更具体的示例中，第二操作件380可以通过一个销轴(未示出)可转动地支撑于壳体311。在该示例中，第四轴线即为该销轴的轴线。

第二操作件380配置为在操作下绕第四轴线转动而控制手术器械210的开合。具体而言，在手术过程中，操作者可以通过操作一对操作件320,380来改变输入装置400的张开角。与此同时，从操作设备200将会根据输入装置400的张开角来对应地调整手术器械210的张开角，从而实现对手术器械210的开合的控制。

需要说明的是，在本实施例中，如图9所示，输入装置400的张开角可以为第一操作件320与第二操作件380之间的夹角α。还需要说明的是，第二操作件380与第一操作件320大体相同，出于简洁的目的，这里不再赘述。

图11是示出了输入装置400将外壳310沿B-B面剖切后的结构示意图，其示出了输入装置400的内部构造。参见图11，输入装置400除了包括第一转动件341和第二转动件342外，还包括第三转动件343。第三转动件343绕与第一轴线基本平行的第五轴线可转动。

在一个示例中，第三转动件343可以绕第五轴线可转动地被外壳310支撑。在一个更具体的示例中，如图11所示，输入装置400还包括一对分别套设于第三转动件343的两端的轴承304,305，第三转动件343通过一对轴承304,305支撑于外壳310。在该示例中，第五轴线即为轴承304(或轴承305)的轴线。

图12是示出了第一转动件341和第三转动件343的结构示意图。参见图11和图12，输入装置400还包括第三绳索353和第四绳索354。第三绳索353与第二操作件380相接并卷绕于第三转动件343，以在第二操作件380和第三转动件343之间传递转矩。第三绳索353和第二操作件380的连接方式可以参见前述实施例中关于第一绳索351和第一操作件320的连接方式的描述，这里不再赘述。第四绳索354卷绕于第一转动件341并卷绕于第三转动件343，以在第一转动件341和第三转动件343之间传递转矩。

驱动单元330输出的力觉反馈转矩经第二转矩传递路径递送至第二操作件380。在第二转矩传递路径上，从驱动单元330到第二操作件380依次配设有第一转动件341、第四绳索354，第三转动件343和第三绳索353。也就是说，驱动单元330直接或间接地将力觉反馈转矩施加到第一转动件341上，并且力觉反馈转矩能够依次经第一转动件341、第四绳索354，第三转动件343和第三绳索353传递至第二操作件380。

以手术器械210为夹钳的应用场景为例。手术过程中，操作者可以通过对一对操作件320,380进行操作，使得一对操作件320,380闭合(即致使二者之间的张开角α由最大值逐渐减小)。在这一过程中，从操作设备200会操作手术器械210，使得手术器械210逐渐闭合。在手术器械210夹持到患者的组织后(即传感器检测到手术器械210对组织施加作用力后)，驱动单元330输出力觉反馈转矩。力觉反馈转矩经第一转矩传递路径和第二转矩传递路径分别传递至一对操作件320,380，使得一对操作件320,380具有张开的运动趋势(即致使二者之间的张开角α变大的运动趋势)。在力觉反馈转矩的作用下，操作者能够感受到阻碍致使一对操作件320,380的闭合动作的阻力，从而操作者能够在一定程度上感受到手术器械210对患者的组织施加的作用力。

图13是根据本公开另一实施例的输入装置的第一转动件341的结构示意图。该实施提供的输入装置与前述实施例提供的输入装置400大体相同。具体而言，该实施提供的输入装置同样具有第一操作件和第二操作件。不同于前述实施例提供的输入装置400的是，该实施例提供的输入装置不包括第三转动件和第四绳索。

如图13所示，在该实施中，第一转动件341除了包括第一卷绕部341a和第二卷绕部341b外，还包括第三卷绕部341c。第三绳索353与第二操作件相接并卷绕于第三卷绕部353，以在二者之间传递转矩。

在该实施例中，在第二转矩传递路径上，从驱动单元到第二操作件，依次配设有第一转动件341和第三绳索353。也就是说，在该实施例中，驱动单元直接或间接地将力觉反馈转矩施加到第一转动件341上，并且力觉反馈转矩能够依次经第一转动件341和第三绳索353传递至第二操作件。

图14是根据本公开另一实施例的输入装置500的结构示意图。图15是出了从另一个视向观察的输入装置500的结构示意图。

参见图14和图15，输入装置500包括外壳510和一对操作件520,530。一对操作件520,530分别位于外壳510的相对的两侧。一对操作件520,530分别绕一对基本平行的轴线可转动。在一个示例中，一对操作件520,530分别绕一对基本平行的轴线可转动地被外壳510支撑。图16是示出了图14中的输入装置500除去外壳510后的结构示意图。在一个更具体的示例中，一对操作件520,530可以分别通过一对平行布置的销轴501,502可转动地支撑于外壳510，以实现一对操作件520,530分别绕一对销轴501,502的轴线可转动。

需要说明的是，在其它示例中，一对操作件520,530也可以绕同一轴线可转动。例如，一对操作件520,530可以通过同一个销轴可转动地支撑于外壳510。

一对操作件520,530配置为通过在操作下开合而控制手术器械210的开合。具体而言，在手术过程中，操作者可以通过操作一对操作件520,530来改变输入装置500的张开角。与此同时，从操作设备200将会根据输入装置500的张开角来对应地调整手术器械210的张开角，从而实现对手术器械210的开合的控制。

需要说明的是，在本实施例中，如图14所示，输入装置500的张开角可以为一对操作件520,530之间的夹角α。还需要说明的是，操作件520,530与前述实施例提供的第一操作件320大体相同，出于简洁的目的，不再赘述。

再次参见图16，输入装置500还包括力觉反馈机构。力觉反馈机构包括驱动单元540和连杆组件550。驱动单元540配置为通过连杆组件550向一对操作件520,530施加力觉反馈转矩。在一个示例中，驱动单元540可以固定于外壳510。

在手术过程中，驱动单元540能够通过连杆组件550将力觉反馈转矩施加到一对操作件520,530上，使得一对操作件520,530能够为操作者提供力觉反馈，进而使得操作者能够在一定程度上感受到手术器械210施加到患者的组织上的力。因此，采用本公开提供的输入装置500，能够降低因操作者无法感知手术器械210对组织施加的力而导致的不当操作出现的可能性，并由此能够提高手术的安全性，降低手术的难度。

另外，在输入装置500中，驱动单元540采用了连杆组件550将力觉反馈转矩施加到一对操作件520,530上，而并未采用齿轮机构或绳索机构来传递转矩。齿轮机构不可避免地存在回程间隙，这会降低传动精度并导致操作过程中产生顿挫感。同时，绳索机构因在工作过程中容易缠乱而可靠性差。由于输入装置500并未采用齿轮机构和绳索机构，因此输入装置500具有较佳的传动精度、更平顺的操作感受以及较优的可靠性。

重新参见图16，连杆组件550包括运动杆551和一对联动杆552,553。一对联动杆552,553分别对应于一对操作件520,530。联动杆552在其一端可转动地连接于操作件520，并在其另一端可转动地连接于运动杆551。联动杆553在其一端可转动地连接于操作件530，并在其另一端可转动地连接于运动杆551。

驱动单元540配置为通过沿运动杆551的轴向对运动杆551施加作用力而对一对操作件520,530施加力觉反馈转矩。具体而言，在手术器械210夹持到患者的组织后，驱动单元540可以沿着运动杆511的轴向，朝着图16中虚线箭头所指的方向，对第一运动杆551施加作用力；通过一对联动杆552,553，该作用力在一对操作件520,530上形成了力觉反馈转矩，使得一对操作件520,530具有张开的运动趋势(即使得二者之间的张开角α变大的运动趋势)。在该力觉反馈转矩的作用下，操作者能够感受到阻碍一对操作件520,530的闭合动作的阻力，从而操作者能够在一定程度上感受到手术器械210对患者的组织施加的作用力。

在这种实现方式中，仅需要一个运动杆551和一对联动杆552,553，驱动单元540便能够通过沿着运动杆551的轴向对运动杆551施作用力而向一对操作件520,530施加力觉反馈转矩。这种实现方式允许输入装置500具有更少的构件和更简单的结构，这有利于降低输入装置500的制造成本。

驱动单元540的实现方式有多种。对于驱动单元540的实现方式，本公开不做具体限制。在某些示例中，驱动单元540为直线驱动器。在其它示例中，驱动单元540也可以为其它能够执行直线往复运动的装置或机构。

重新参见图16，运动杆551在其轴向上具有相对的第一端和第二端。一对联动杆552,553可转动地连接于运动杆551的第一端。直线驱动器540(即驱动单元540)以其轴向(即其推杆的轴线方向)与运动杆551的轴向基本平行的方式被布置，并且直线驱动器540的推杆(未示出)的末端与运动杆551的第二端基本平齐。

连杆组件550还包括连接件554。连接件554连接于直线驱动器540的推杆的末端(例如，通过螺栓555)并连接于运动杆551的第二端(例如，通过螺栓556)。伴随直线驱动器540的推杆的收缩，直线驱动器540的推杆(通过连接件554)朝着从运动杆551的第二端到运动杆551的第一端的方向对运动杆551施加作用力。

这种实现方式允许直线驱动器540和运动杆551重叠地布置(即直线驱动器540被布置在运动杆551的下方)，而不是直线驱动器540和运动杆551沿着运动杆551的轴向依次地布置。这种构造使得输入装置500能够具有更紧凑的结构。

在一个示例中，输入装置500还可以包括传感器(未示出)。该传感器配置为检测直线驱动器540的推杆的位置。由于直线驱动器540的推杆的位置与一对操作件520,530之间的夹角α的大小相对应，因此通过检测直线驱动器540的推杆的位置便能够准确地确定出一对操作件520,530之间夹角α，进而能够根据该夹角α来控制手术器械210的开合。相较于通过一对编码器分别检测一对操作件520,530的角位移的方式来确定一对操作件520,530之间的夹角，利用一个传感器来检测直线驱动器540的推杆的位置的方式成本更低。

重新参见图16，输入装置500还可以包括弹性件561。弹性件561位于一对操作件520,530之间，并且弹性件561的两端分别压靠于一对操作件520,530。根据这种实现方式，在一对操作件520,530由闭合到张开的过程中，弹性件561能够起到助力的作用，从而使得操作过程更加省力。

重新参见图16，输入装置500还包括软管562。软管562位于一对操作件520,530之间，且并且软管562的两端分别附接于一对操作件520,530。弹性件561可以为套设于软管562上的压簧561。在这种实现方式中，软管562具有导向的作用，其能够防止在操作过程中压簧561发生不期望的位移或形变。

需要说明的是，虽然在前述实现方式中输入装置500包括一对操作件520,530，但是在其它实现方式中，输入装置500也可以仅包括一个操作件520。例如，在输入装置500也可以仅包括一个操作件520的实现方式中，联动杆553可以一端可转动地连接于运动杆551，另一端可转动地连接于外壳510。在这种实现方式中，输入装置500的张开角可以为第一操作件520和外壳510之间的夹角。对应地，在这种实现方式中，操作者可以通过转动第一操作件520来改变其与外壳510之间的夹角，进而控制手术器械210的开合。

应当理解，在本公开中，第一绳索、第二绳索、第三绳索和第四绳索中的每一者既可以是一根连续不间断的绳索，也可以由多段绳索组成。例如，在第一绳索为一根连续不间断的绳索的示例中，第一绳索的中间部分卷绕于第一转动件，并且其两端分别固定于第一操作件的两个固定点。又如，在第一绳索由两段绳索(下称第一段绳索和第二段绳索)组成的示例中，第一段绳索的一端固定于第一转动件，另一端固定于第一操作件的一个固定点；第二段绳索的一端固定于第一转动件，另一端固定于第一操作件的另一个固定点。

应当理解，本公开使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”，术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。

应当理解，虽然术语“第一”或“第二”等可能在本公开中用来描述各种要素(如第一操作件和第二操作件)，但这些要素不被这些术语所限定，这些术语只是用来将一个要素与另一个要素区分开。

需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征(要素)，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

应当理解，多个构件和/或部分能够由单个集成构件或部分来提供。另选地，单个集成构件或部分可以被分成分离的多个构件和/或部分。用来描述构件或部分的公开“一”或“一个”并不说为了排除其它的构件或部分。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种用于操控手术器械的输入装置，其特征在于，包括：

第一操作件，绕第一轴线可转动，并配置为在操作下绕所述第一轴线转动而控制所述手术器械的开合；

第一转动件，绕与所述第一轴线基本平行的第二轴线可转动；

第一绳索，与所述第一操作件相接并卷绕于所述第一转动件；以及

驱动单元，配置为根据所述手术器械的夹持状态，经第一转矩传递路径，将力觉反馈转矩施加于所述第一操作件，其中在所述第一转矩传递路径上从所述驱动单元到所述第一操作件依次配设有所述第一转动件和所述第一绳索。

2.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述第一转动件包括第一卷绕部和第二卷绕部，所述第一绳索卷绕于所述第一卷绕部，所述输入装置还包括：

第二转动件，绕与所述第一轴线基本平行的第三轴线可转动；

第二绳索，卷绕于所述第二卷绕部并卷绕于所述第二转动件，其中在所述第一转矩传递路径上从所述驱动单元到所述第一转动件依次配设有所述第二转动件和所述第二绳索；所述第二转动件和所述第一卷绕部的半径均小于所述第二卷绕部的半径，且所述第一卷绕部的半径小于所述第一轴线和所述第二轴线的间距。

3.根据权利要求2所述的输入装置，其特征在于，还包括张紧轮，所述张紧轮压靠于所述第二绳索以对所述第二绳索施加张力。

4.根据权利要求3所述的输入装置，其特征在于，还包括：

滑块，所述张紧轮可转动地设于其上；

壳体，设有引导所述滑块的滑槽，并收容所述第一转动件、所述第二转动件、所述第二绳索、所述张紧轮和所述滑块；以及

定位件，可操作性地固定所述滑块相对于所述滑槽的位置。

5.根据权利要求1或2所述的输入装置，其特征在于，还包括第一传感器和第二传感器，其中所述第一传感器用于检测所述驱动单元的输出轴的角位移，所述第二传感器用于检测所述第一转动件的角位移。

6.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述第一操作件具有面对所述第一转动件的引导面，所述引导面为中心轴与所述第一轴线重合的圆柱面的一部分；所述第一绳索卷绕于所述第一转动件，且两端分别沿所述引导面朝所述引导面的周向上的相对两侧延伸至各自的固定点。

7.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述驱动单元作为所述输入装置的手柄；或者，所述驱动单元设于所述输入装置的手柄内。

8.根据权利要1所述的输入装置，其特征在于，还包括：

第二操作件，绕与所述第一轴线基本平行的第四轴线可转动，并配置为在操作下绕所述第四轴线转动而控制所述手术器械的开合；

第三转动件，绕与所述第一轴线基本平行的第五轴线可转动；

第三绳索，与所述第二操作件相接并卷绕于所述第三转动件；以及

第四绳索，卷绕于所述第一转动件并卷绕于所述第三转动件，其中所述力觉反馈转矩经第二转矩传递路径递送至所述第二操作件；在所述第二转矩传递路径上从所述驱动单元到所述第二操作件依次配设有所述第一转动件、所述第四绳索，所述第三转动件和所述第三绳索。

9.根据权利要1所述的输入装置，其特征在于，还包括：

第二操作件，绕与所述第一轴线基本平行的第四轴线可转动，并配置为在操作下绕所述第四轴线转动而控制所述手术器械的开合；以及

第三绳索，与所述第二操作件相接并卷绕于所述第一转动件，其中所述力觉反馈转矩经第二转矩传递路径递送至所述第二操作件；在所述第二转矩传递路径上从所述驱动单元到所述第二操作件依次配设有所述第一转动件和所述第三绳索。

10.根据权利要1所述的输入装置，其特征在于，所述力觉反馈转矩正相关于所述输入装置在所述手术器械开始对组织施加夹持力时的张开角和所述输入装置的实时张开角的差。

11.一种手术机器人的主操作设备，适于向所述手术机器人的从操作设备发送指令以控制所述从操作设备执行手术操作，其特征在于，所述主操作设备包括如权利要求1至10中任一项所述的输入装置。

12.一种手术机器人，其特征在于，包括从操作设备和如权利要求11所述的主操作设备，其中所述从操作设备配置为根据来自所述主操作设备的指令执行手术操作。