CN219306926U - 一种用于机器人的主手操控装置及其手术机器人 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供了一种用于机器人的主手操控装置及其手术机器人。主手操控装置至少包括穿刺执行部。穿刺执行部包括摇杆组件、运动组件和第一力反馈机构；第一力反馈机构包括第一传动组件和第一扭矩控制件，第一力反馈机构基于第一力反馈信息对运动组件施加运动阻力。第一传动组件包括第一大绕线轮、第一小绕线轮和第一传动绳；第一大绕线轮和第一小绕线轮沿运动组件运动的第一方向间隔布置，第一大绕线轮的转轴与第一扭矩控制件的输出轴同轴连接；第一传动绳的两端端部固定在第一大绕线轮的外圆周上，且第一传动绳绕过第一小绕线轮；运动组件与第一传动绳固定连接；运动组件沿第一方向直线运动时，通过第一传动绳带动第一大绕线轮转动。

Description

一种用于机器人的主手操控装置及其手术机器人

技术领域

本说明书涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种用于机器人的主手操控装置及其手术机器人。

背景技术

主从遥操作式的机器人辅助穿刺手术模式是一种手术方式。通过远程操作控制图像引导穿刺机器人执行穿刺操作，可以有效的避免医生受到辐射照射。但是，主从遥操作式的机器人只能控制末端执行器以系统设定速度运动，无法模拟医生握针的穿刺过程，无法反馈穿刺力大小。若医生缺乏力觉感知会增加手术风险和不确定性，同时增加手术时间，降低手术效率，影响穿刺手术的成功率。目前，为了对机器臂末端进针操作进行控制以及反馈机器臂末端的进针阻力，可以使用转轮和同步带传动，由于同步带与转轮可能发生打滑现象，这可能导致力反馈的精度变差。

实用新型内容

本说明书实施例之一提供一种用于机器人的主手操控装置，所述主手操控装置包括穿刺执行部；所述穿刺执行部包括摇杆组件、可运动设置于所述摇杆组件上的运动组件和第一力反馈机构；所述第一力反馈机构包括第一传动组件和第一扭矩控制件，所述第一力反馈机构基于第一力反馈信息对所述运动组件施加运动阻力；所述第一传动组件包括第一大绕线轮、第一小绕线轮和第一传动绳；所述第一大绕线轮和所述第一小绕线轮沿所述运动组件的运动的第一方向间隔布置，所述第一大绕线轮的转轴与所述第一扭矩控制件的输出轴同轴连接；所述第一传动绳的两端端部固定在所述第一大绕线轮的外圆周上，且所述第一传动绳绕过所述第一小绕线轮；所述运动组件与所述第一传动绳固定连接；所述运动组件沿所述第一方向直线运动时，通过所述第一传动绳带动所述第一大绕线轮转动。

在一些实施例中，所述穿刺执行部还包括限位组件；所述限位组件包括沿所述直线运动组件运动的第一方向间隔布置的第一限位机构和第二限位机构；所述第一限位机构和所述第二限位机构位于所述第一大绕线轮与所述第一小绕线轮之间。

在一些实施例中，所述第一传动组件还包括第一导向轮组；所述第一导向轮组包括第一导向轮和第二导向轮；所述第一导向轮和所述第二导向轮的轴线与所述第一大绕线轮的轴线平行；所述第一导向轮和所述第二导向轮位于所述第一大绕线轮与所述运动组件之间的位置，所述第一导向轮和所述第二导向轮在垂直于所述第一方向的第二方向上间隔布置；所述第一传动绳位于所述第一导向轮和所述第二导向轮之间，所述第一导向轮和所述第二导向轮之间在第二方向上的距离等于所述第一小绕线轮的直径。

在一些实施例中，所述第一大绕线轮的周长小于所述第一限位机构与所述第二限位机构之间的距离；所述第一传动绳的两端端部沿所述第一大绕线轮的外圆周方向具有部分重叠。

在一些实施例中，所述第一传动组件还包括第二导向轮组；所述第二导向轮组包括第三导向轮和第四导向轮；所述第三导向轮和所述第四导向轮用于限定所述第一传动绳绕入所述第一大绕线轮的部分和绕出所述第一大绕线轮的部分之间沿所述第一大绕线轮的轴向方向上具有间隙。

在一些实施例中，所述第一扭矩控制件包括磁滞制动器；所述磁滞制动器与所述第一大绕线轮同轴固定连接。

在一些实施例中，所述穿刺执行部还包括第一回零组件；所述第一回零组件包括第一回零电机和第一编码器；所述第一回零电机与所述第一大绕线轮的转轴同轴连接。

在一些实施例中，所述运动组件上设有主从控制使能按键；所述穿刺执行部还包括无线触发组件，所述无线触发组件与所述运动组件固定；所述无线触发组件包括控制按键和与所述控制按键电连接的信号发射机构；当所述主从控制使能按键被按下，所述主从控制使能按键触发所述控制按键，以使得所述信号发射机构发射信号。

在一些实施例中，所述无线触发组件还包括电路板和与所述电路板电连接的电池，所述电路板连接所述控制按键和所述信号发射机构。

在一些实施例中，主手操控装置还包括调姿执行部；所述调姿执行部包括第一转动轴、第一连接部件、第二转动轴、第二连接部件、第二力反馈机构和第三力反馈机构。所述第一连接部件的一端与所述第一转动轴固定连接，所述第一连接部件的另一端活动连接所述穿刺执行部的所述摇杆组件；所述第二连接部件的一端与所述第二转动轴固定连接，所述第二连接部件的另一端活动连接所述穿刺执行部的所述摇杆组件；所述第一转动轴的轴线和所述第二转动轴的轴线间的夹角大于10°；所述第二力反馈机构与所述第一转动轴相连，并基于第二力反馈信息对所述第一转动轴施加调姿阻力；所述第三力反馈机构与所述第二转动轴相连，并基于第三力反馈信息对所述第二转动轴施加调姿阻力。

在一些实施例中，所述第二力反馈机构包括第二传动组件和第二扭矩控制件；所述第二扭矩控制件通过所述第二传动组件与所述第一转动轴连接；所述第三力反馈机构包括第三传动组件和第三扭矩控制件；所述第三扭矩控制件通过所述第三传动组件与所述第二转动轴连接。

在一些实施例中，所述第二扭矩控制件和所述第三扭矩控制件均包括磁滞制动器。

在一些实施例中，所述第二传动组件包括第二大绕线轮、第二小绕线轮和第二传动绳；所述第二大绕线轮的半径大于所述第二小绕线轮的半径；所述第二传动绳的两端分别固定在所述第二大绕线轮和所述第二小绕线轮上；所述第二大绕线轮的转轴与所述第一转动轴同轴连接，所述第二小绕线轮的转轴与所述第二扭矩控制件的输出轴同轴固定连接；所述第三传动组件包括第三大绕线轮、第三小绕线轮和第三传动绳；所述第三大绕线轮的半径大于所述第三小绕线轮的半径；所述第三传动绳的两端分别固定在所述第三大绕线轮和所述第三小绕线轮上；第三大绕线轮的转轴与所述第二转动轴同轴固定连接，所述第三小绕线轮的转轴与所述第三扭矩控制件的输出轴同轴连接。

在一些实施例中，所述第二大绕线轮和所述第二小绕线轮的传动比为1：5～1：15；所述第三大绕线轮和所述第三小绕线轮的传动比为1：5～1：15。

在一些实施例中，所述第二大绕线轮和所述第三大绕线轮均呈扇形；所述第二传动绳有两根，两根所述第二传动绳的一端分别固定连接在所述第二大绕线轮的扇形弧线段的两个端部，另一端均固定连接在所述第二小绕线轮上；所述第三传动绳有两根，两根所述第三传动绳的一端分别固定连接在所述第三大绕线轮的扇形弧线段的两个端部，另一端均固定连接在所述第三小绕线轮上。

在一些实施例中，所述调姿执行部还包括第二回零组件和第三回零组件；所述第二回零组件包括第二回零电机和第一角度检测件；所述第二回零电机的输出轴与所述第二小绕线轮的转轴同轴连接；第一角度检测件与所述第一转动轴同轴连接，用于检测所述第一转动轴的转动角度；所述第三回零组件包括第三回零电机和第二角度检测件；所述第三回零电机的输出轴与所述第三小绕线轮的转轴同轴连接；所述第二角度检测件与所述第二转动轴同轴连接，用于检测所述第二转动轴的转动角度；所述第二回零电机基于所述第一角度检测件检测的第一角度，以及，所述第三回零电机基于所述第二角度检测件检测的第二角度，将所述摇杆组件回归零位。

在一些实施例中，主手操控装置还包括被动旋转关节部。所述被动旋转关节部包括第一转环和第二转环和第一轴承和第二轴承；所述第一转环套设在所述第一轴承的外圈，所述第二转环套设在所述第二轴承的外圈；所述第一轴承和所述第二轴承的内圈均套设在所述摇杆组件上；所述第一转环通过第一连接直杆与所述第一连接部件连接；所述第一连接直杆的一端固定连接在所述第一转环上，所述第一连接直杆的另一端与所述第一连接部件转动连接；所述第二转环通过第二连接直杆与所述第二连接部件连接；所述第二连接直杆的一端固定连接在所述第二转环上，所述第二连接直杆的另一端与所述第二连接部件转动连接。

本说明书实施例之一提供一种手术机器人，包括机器人本体、末端执行器、第一处理器、第二处理器以及如上述任一实施例所述的主手操控装置；所述末端执行器与所述机器人本体连接；所述主手操控装置电连接所述第一处理器，所述机器人本体和所述末端执行器电连接所述第二处理器。

附图说明

本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：

图1是根据本说明书一些实施例所示的主手操控装置的示例性结构图；

图2是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性结构图；

图3是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性主视图(运动组件和摇杆壳体未示出)；

图4是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性左视图(运动组件和摇杆壳体未示出)；

图5是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性结构图(一半摇杆壳体未示出)；

图6是图5中A处的放大结构示意图；

图7A是根据本说明书一些实施例所示的第一传动组件的示例性局部结构图；

图7B是是根据本说明书一些实施例所示的第一传动组件的示例性局部结构主视图；

图7C是是根据本说明书一些实施例所示的第一传动组件的示例性局部结构侧视图；

图8是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性局部结构图；

图9是根据本说明书一些实施例所示的运动组件的示例性结构图；

图10是根据本说明书一些实施例所示的运动组件的示例性局部结构图；

图11是根据本说明书一些实施例所示的无线触发组件的工作原理示意图；

图12是根据本说明书另一些实施例所示的穿刺执行部的示例性局部结构图；

图13是根据本说明书一些实施例所示的调姿执行部和被动旋转关节部的示例性结构图；

图14是根据本说明书一些实施例所示的调姿执行部和被动旋转关节部的另一角度示例性结构图；

图15是根据本说明书另一些实施例所示的主手操控装置的示例性结构图；

图16是根据本说明书另一些实施例所示的主手操控装置的第二传动组件的示例性结构图；

图17是根据本说明书另一些实施例所示的主手操控装置的另一角度示例性结构图；

图18是根据本说明书一些实施例所示的主手操控装置的工作原理示意图；

图19是根据本说明书一些实施例所示的主手操控装置的某个调姿工况下的姿态示意图；

图20是根据本说明书一些实施例所示的手术机器人的示例性结构图；

图中：1000、主手操控装置；100、穿刺执行部；110、摇杆组件；111、摇杆壳体；120、运动组件；121、主从控制使能按键；122、滑环；123、滑块；124、直线滑轨；130、第一传动组件；131、第一大绕线轮；132、第一小绕线轮；133、第一传动绳；1331、第一传动绳固定头A；1332、第一传动绳固定头B；134、第一导向轮组；1341、第一导向轮；1342、第二导向轮；135、第二导向轮组；1351、第三导向轮；1352、第四导向轮；136、传动绳固定座；140、第一扭矩控制件；150、限位组件；151、第一限位机构；152、第二限位机构；160、第一回零组件；161、第一回零电机；162、第一编码器；163、联轴器；170、无线触发组件；180、支撑座；190、转接件；200、调姿执行部；210、第一转动轴；220、第一连接部件；230、第二转动轴；240、第二连接部件；250、第二力反馈机构；251、第二传动组件；2511、第二大绕线轮；2512、第二小绕线轮；2513、第二传动绳；252、第二扭矩控制件；260、第三力反馈机构；261、第三传动组件；2611、第三大绕线轮；2612、第三小绕线轮；2613、第三传动绳；262、第三扭矩控制件；270、第二回零组件；271、第二回零电机；272、第一角度检测件；280、第三回零组件；281、第三回零电机；282、第二角度检测件；290、底座；300、被动旋转关节部；310、第一转环；320、第二转环；330、轴承；340、第三转动轴；350、第四转动轴；410、第一自由度；420、第二自由度；430、第三自由度；440、第四自由度；2000、机器人本体；3000、末端执行器；4000、第一处理器；500、第二处理器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本说明书的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其他类似情景。应当理解，给出这些示例性实施例仅仅是为了使相关领域的技术人员能够更好地理解进而实现本说明书，而并非以任何方式限制本说明书的范围。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。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”。

根据以下对附图的描述，本申请的这些和其它的特征、特点以及相关结构元件的功能和操作方法，以及部件组合和制造经济性，可以变得更加显而易见，这些附图都构成本申请说明书的一部分。然而，应当理解的是，附图仅仅是为了说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围。应当理解的是，附图并不是按比例绘制的。

近年来，X射线计算机断层扫描成像技术(CT)无论是在基本技术方面，还是在新的临床应用方面都取得了巨大的进展。CT的各个组成部分，如光管、探测器、滑环、数据获取系统和算法等方面都取得了很大的进步。自从螺旋CT和多层CT面世以来，出现了许多新的临床应用，且具备扫描时间快、图像清晰等优点，可用于多种疾病的检查。CT技术经过三十多年的发展，再次成为医学图像领域中最令人兴奋的诊断方法之一。如今CT已不再作为一项单纯的影像检查而存在。在现代医学科学不断打破各科界限、互相依存共同探索等各种多元化模式的推动下，CT也配合着临床各科实现各种检查和治疗，并取得显著的医疗效果。CT引导下经皮穿刺就是现在临床应用较多的一项技术，它其实就是在CT扫描的精确引导下，将末端执行器上连接的穿刺针准确穿入体内的病灶并获取病变组织的一项技术。

穿刺手术是将末端执行器上连接的手术工具(例如，穿刺针、手术剪、缝针等)插入患者体内从而完成病灶的活检或者切除，传统的穿刺手术均为盲穿，由医生根据临床经验在没有确切知道病灶位置的情况下完成穿刺手术，该方式一般成功率较低，容易对病人造成多次伤害且对穿刺手术的操作医生提出较高要求。CT图像引导下的穿刺术是在CT成像(人体组织和穿刺器械)的前提下，可以实时判断穿刺方向并及时做出调整，大大提高了手术成功率、降低手术风险，提高患者的康复速度和生活质量。但是CT设备均采用X射线、γ射线等完成工作，在CT侧完成手术会让医生长期暴露在辐射环境中，对身体健康造成极大威胁。主从遥操作式机器人辅助穿刺手术系统应运而生。

通过主从遥操作式机器人辅助穿刺系统(下文简称“机器人”)可以在CT间外通过主操作器远程操作使机械臂完成穿刺过程，避免医生在手术过程遭受X射线辐射照射，同时CT图像实施引导穿刺过程，提高穿刺成功率。目前有些机器人可以智能控制末端执行器以系统设定速度运动，但无法模拟医生握针的穿刺过程，无法反馈穿刺力大小。若医生缺乏力觉感知会增加手术风险和不确定性，同时增加手术时间，降低手术效率，影响穿刺手术的成功率。在一些实施例中，为了对机器臂末端进针操作进行控制以及反馈机器臂末端的进针阻力，可以使用转轮和同步带传动，主手操控装置的力反馈采用同步带传动，同步带在使用过程中容易出现打滑现象，导致力反馈精度变差等问题。

基于上述原因，本说明书一些实施例提供一种用于机器人的主手操控装置，该主手操控装置至少包括穿刺执行部。穿刺执行部用于在操作者确定末端执行器的姿态后执行穿刺过程，穿刺机械臂末端的末端执行器将会跟随穿刺执行部的滑动装置实现穿刺动作。穿刺执行部包括摇杆组件、可运动设置于摇杆组件上的运动组件和第一力反馈机构。第一力反馈机构包括第一传动组件和第一扭矩控制件，第一力反馈机构基于第一力反馈信息对运动组件施加运动阻力。第一传动组件包括第一大绕线轮、第一小绕线轮和第一传动绳。第一大绕线轮和第一小绕线轮沿运动组件的运动方向间隔布置，第一大绕线轮的转轴与第一扭矩控制件的输出轴同轴连接。第一传动绳的两端端部固定在第一大绕线轮的外圆周上，且第一传动绳绕过第一小绕线轮。运动组件与第一传动绳固定连接。运动组件做直线运动时，通过第一传动绳带动第一大绕线轮转动。在一些实施例中，穿刺执行部可以用于穿刺进针控制。在一些实施例中，主手操控装置可以应用于机器人中，主手操控装置可以对机器人的机器臂末端进行远程控制，使得机器臂末端承载的末端执行器能够刺入患者体内的目标穿刺靶点。而且，该机器人可以配合CT等成像设备使用，这样可以实现基于实时成像引导的远程穿刺操作，避免成像设备的辐射对医护人员的身体健康造成影响。该主手操控装置能够在操作间模拟临床的穿刺过程，使得操作者能够在CT成像实时指引下完成穿刺手术，从而提高穿刺的成功率。

本说明书实施例中提供的主手操控装置的穿刺运动及力反馈传递采用非打滑的传动绳(例如，钢丝绳)传动方案，传动刚度高，力反馈以及运动传递准确，解决了当前同步带传动中出现打滑、寿命不足以及力反馈精度变差的问题，且穿刺自由度整体可靠性及操作柔顺性大幅提升，使用过程中的力反馈精度得到充分保障。

以下将结合图1-18对本说明书实施例所涉及的主手操控装置进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅用以解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是根据本说明书一些实施例所示的主手操控装置的示例性结构图。

参见图1，在一些实施例中，主手操控装置可以包括穿刺执行部100、调姿执行部200和被动旋转关节部300。其中，穿刺执行部100可以是主手操控装置控制机器臂末端末端执行器执行穿刺操作的主体结构。主手操控装置能够与机器人的处理器传输连接，这里的传输连接是指电连接或通信连接。穿刺执行部100能够将穿刺信号反馈给处理器，使得处理器控制机器臂末端准备穿刺动作，然后，穿刺执行部100运动时，穿刺执行部100的运动能够实时反馈到处理器上，进而处理器能够根据穿刺执行部100的运动控制机器臂末端带动末端执行器执行穿刺操作。

调姿执行部200可以是主手操控装置调节末端执行器姿态的主要结构。调姿执行部200连接于穿刺执行部100的底部，用于调节穿刺执行部100的姿态，进而调节机器臂末端末端执行器的姿态。调节末端执行器姿态时，穿刺执行部100能够相对于调姿执行部200转动，进而调姿执行部200能够检测到穿刺执行部100的倾角信息，调姿执行部200将倾角信息反馈给处理器后，处理器能够根据穿刺执行部100的倾角信息调节机器臂末端的姿态，以达到调节末端执行器姿态的目的，使得末端执行器能够对准目标穿刺靶点，保证穿刺操作的准确性。

在一些实施例中，主手操控装置还可以包括信号传输部件(图中未显示)，信号传输部件与穿刺执行部100以及调姿执行部200电连接。信号传输部件能够接收穿刺执行部100以及调姿执行部200反馈的各项信号，并根据接收的信号输出相应的控制信号，以满足不同场景(例如，调姿场景、穿刺场景)的使用需求。

在一些实施例中，信号传输部件可以与机器人的通信装置电连接，用于建立主手操控装置与处理器的传输连接，实现主手操控装置与处理器的信息交互。也就是说，主手操控装置与处理器之间的信息交互通过信号传输部件实现。可以理解的是，下文所描述的主手操控装置的各部件(例如，力反馈机构、无线触发组件等)与处理器之间的信息交互可以是信号传输部件通过通信装置与处理器传榆。在一些实施例中，信号传输部件可以包括但不限于以太网、串口、无线、CAN总线、EtherCAT总线等等。本说明书实施例中，信号传输部件可以通过以太网实现信息交互。

图2是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性结构图；图3是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性主视图(运动组件和摇杆壳体)；图4是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性左视图(运动组件和摇杆壳体未示出)。

参见图2，在一些实施例中，穿刺执行部100可以包括摇杆组件110、可运动设置于摇杆组件110上的运动组件120和第一力反馈机构。摇杆组件110可以包括中空的摇杆壳体111。摇杆壳体111供操作者调姿时沿任意方向摆动从而实现对末端执行器姿态的控制。运动组件120连接在摇杆壳体111上，运动组件120部分位于摇杆壳体111中，部分露出摇杆壳体111,运动组件120能够相对于摇杆壳体111运动，进而实现末端执行器穿刺的控制。可以理解的，运动组件120能够输出直线运动，该直线运动被反馈至处理器后，处理器能够将根据运动组件120输出的直线运动的距离控制末端执行器执行穿刺操作，使得末端执行器能够顺利刺入目标穿刺靶点。

在一些实施例中，运动组件120的底部连接第一力反馈机构,第一力反馈机构通过信号传输部件与处理器传输连接。运动组件120输出的直线运动通过第一力反馈机构转换为转动变量，并通过信号传输部件反馈给处理器，处理器将转动变化转化为直线位移，处理器根据该直线位移控制机器臂末端运动，使得机器臂末端带动末端执行器执行穿刺操作，以准确刺入目标穿刺靶点。穿刺操作完成后，主手操控装置按照进针过程的反向运动，实现末端执行器退出患者体内，其原理与进针过程实质相同，在此不做赘述。

可以理解的，末端执行器运动的直线位移与运动组件120输出的直线运动的距离可以存在比例映射关系，比如1:1、1:1.2、1:1.5、1:2、2:1、1.5:1等。优选的，末端执行器运动的直线位移与运动组件120输出的直线运动的距离的比例映射关系为1:1。这样医护人员操作运动组件120输出预设距离时可以控制末端执行器运动预设距离，使医生能够尽可能的感受到临床穿刺的感觉，提升医护人员的操作体验，提高穿刺成功率。

力反馈机构还是用于施加穿刺阻力或调姿阻力的部件，例如，第一力反馈机构是施加穿刺阻力的部件，下文的第二力反馈机构和第三力反馈是施加调姿阻力的部件。力反馈信息为机器臂末端的末端执行器进行进针或调姿操作时受到的不同方向的阻力信息，力反馈信息可以包括阻力的大小、方向等。参见图3，第一力反馈机构可以包括第一传动组件130和第一扭矩控制件140，第一力反馈机构可以基于第一力反馈信息对运动组件120施加运动阻力。第一力反馈信息，是指运动组件120沿摇杆组件110做直线运动时机器臂末端的末端执行器前进或后退受到的阻力信息。运动组件120控制机器臂末端的末端执行器进行操作时，末端执行器遇到穿刺阻力即为第一力反馈信息，该阻力可以通过设置在机器臂末端的末端执行器的传感器检测获得，再通过信号传输部件反馈给第一力反馈机构,第一力反馈机构向运动组件120施加与穿刺阻力相当的阻力。这样，医护人员进行穿刺操作时，可以通过第一力反馈机构反馈的穿刺阻力感受到末端执行器的进针阻力，以真实模拟握针穿刺的情况。

参见图3、图4，第一传动组件130包括第一大绕线轮131、第一小绕线轮132和第一传动绳133。第一大绕线轮131和第一小绕线轮132沿运动组件120运动的第一方向(如图7B中的X向)间隔布置，第一大绕线轮131的转轴与第一扭矩控制件140的输出轴同轴连接。第一大绕线轮131和第一小绕线轮132的转轴平行。第一传动绳133的两端端部固定在第一大绕线轮131的外圆周上，且第一传动绳133绕过第一小绕线轮132。可以理解的是第一传动绳133可以部分缠绕在第一大绕线轮131的外圆周上。运动组件120与第一传动绳133固定连接，可以理解的是，运动组件120位于第一大绕线轮131和第一小绕线轮132之间。运动组件120沿摇杆组件110做直线运动时，通过第一传动绳133带动第一大绕线轮131转动，可以理解的是，第一小绕线轮132在该实施例中为从动轮。第一小绕线轮132固定连接在摇杆壳体111内。

参见图3，在一些实施例中，第一传动组件130还包括传动绳固定座136，传动绳固定座136固定连接在第一传动绳133上。参见图3、图4、图9，在一些实施例中，运动组件120可以包括滑环122以及与滑环122固定连接的滑块123，其中，滑环122套设于摇杆壳体111的外部。滑环122为操作者执行穿刺动作时的手持部分，通过移动滑环122上下运动控制末端执行器的进退针操作。摇杆壳体111内设有直线滑轨124，滑块123与直线滑轨124滑动连接，使得滑环122可沿摇杆壳体111滑动。直线滑轨124提供直线滑动支撑，运动阻力小，承载能力高；直线滑轨124固定连接在摇杆壳体111内。滑块123与第一传动组件130连接，具体的，滑块123与传动绳固定座136固定连接，因此滑环122可以通过滑块123带动传动绳固定座136移动，进而带动第一传动绳133移动。

上述实施例所述的主手操控装置，穿刺执行部100采用第一传动绳133与第一大绕线轮131固定连接传动，相比现有技术中使用的同步带传动，解决了当前同步带使用中传动打滑的问题，使穿刺动作的运动传递准确性提高，且使用过程中的力反馈精度得到充分保障。

在一些实施例中，第一传动绳133可以采用钢丝绳，穿刺运动及力反馈传递均采用非打滑的钢丝绳传动方案，传动刚度高，力反馈精度高以及运动传递准确，解决了当前同步带蠕变导致刚度大幅减弱、寿命不足以及力反馈精度变差以及原传动绳传动中打滑的问题。

图5是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性结构图(一半摇杆壳体未示出)；图6是图5中A处的放大结构示意图。

参见图5、图6，在一些实施例中，穿刺执行部100还包括限位组件150，摇杆组件110。限位组件150包括沿运动组件120直线运动的第一方向(如图7B中的X向)间隔布置的第一限位机构151和第二限位机构152；第一限位机构151和第二限位机构152位于第一大绕线轮131与第一小绕线轮132之间，用于限制运动组件120的运动行程，起到限位保护作用。第一限位机构151可以靠近第一小绕线轮132设置，第二限位机构152可以靠近第一大绕线轮131设置。第一方向，是指运动组件120沿直线滑轨124做直线运动的方向，即第一方向与直线滑轨124的延伸方向相平行。可选地，第一限位机构151和第二限位机构152为限位开关。第一限位机构151和第二限位机构152为机械运动限制的极限点位置，确保在机械限位之前电气限位先工作。

第一限位机构151和第二限位机构152为运动组件120直线运动的极限位置，可以避免运动组件120超行程运行，保证末端执行器的运动轨迹准确，保证末端执行器的穿刺不超行程，避免意外事故发生。当运动组件120带动滑块123运动至第二限位机构152处，第二限位机构152检测到滑环123时，表明滑块123运动至极限位置，末端执行器停止进针，此时，末端执行器的端部位于目标穿刺靶点。当滑环122带动滑块123至第一限位机构151处，第一限位机构151检测到滑块123时，表明滑环122运动至极限位置，此时，末端执行器完成退针操作。

在一些实施例中，第一限位机构151和第二限位机构152与信号传输部件电连接。第一限位机构151和第二限位机构152自动识别滑块123的极限位置，并反馈给信号传输部件。当滑块123运动至任一极限位置时，信号传输部件能够控制第一大绕线轮131停止运动，限制滑环123的继续运动。

第一限位机构151与第二限位机构152之间的距离是运动组件120的运动行程。当运动组件120移动带动第一大绕线轮131转动时，固定在第一大绕线轮131的第一传动绳133的一部分从第一大绕线轮131绕出，另外一部分同步绕入到第一大绕线轮131上，缠绕在第一大绕线轮131上面的第一传动绳133长度至少需要等于最大穿刺行程(即第一限位机构151与第二限位机构152之间的距离)。在一些实施例中，第一大绕线轮131的周长等于第一限位机构151与第二限位机构152之间的距离。该实施例中，第一传动绳133绕在第一大绕线轮131上的长度刚好为第一大绕线轮131外圆周上一周，则第一传动绳133的两端不会在第一大绕线轮131上出现重叠缠绕的问题，有效避免了因第一传动绳133重叠缠绕而出现运动组件120移动卡死的现象。

在一些实施例中，第一大绕线轮131的周长大于第一限位机构151与第二限位机构152之间的距离。该实施例中，运动组件120从第一限位机构151移动至第二限位机构152时，第一大绕线轮131的转动不足一周，因此第一传动绳133绕在第一大绕线轮131上的长度不足一个外圆周周长，所以第一传动绳133的两端也不会在第一大绕线轮131上出现重叠缠绕的问题。在一些实施例中，第一大绕线轮131的周长比第一限位机构151与第二限位机构152之间的距离大10％-15％。

图7A是根据本说明书一些实施例所示的第一传动组件的示例性局部结构图；图7B是是根据本说明书一些实施例所示的第一传动组件的示例性局部结构主视图；图7C是是根据本说明书一些实施例所示的第一传动组件的示例性局部结构右视图。

参见图7A，在一些实施例中，第一传动组件130还包括第一导向轮组134；第一导向轮组134包括第一导向轮1341和第二导向轮1342；第一导向轮1341和第二导向轮1342的轴线与第一大绕线轮131的轴线平行；第一导向轮1341和第二导向轮1342位于第一大绕线轮131与运动组件120之间的位置，第一导向轮1341和第二导向轮1342在垂直于第一方向(如图7B中的X向)的第二方向(如图7B中的Y向)上间隔布置。优选的，第一导向轮1341和第二导向轮1342设于靠近第一大绕线轮131的上方。第一传动绳133位于第一导向轮1341和第二导向轮1342之间，第一导向轮1341和第二导向轮1342之间在第二方向上的距离(如图7B中的距离L)基本等于第一小绕线轮132的直径。该实施例中，第一导向轮组134增加了第一传动绳133在第一大绕线轮131上面的包角，可以缩小第一传动绳133传动部分的整体空间，而且还使得第一传动绳133从第一小绕线轮132往下到第一导向轮1341和第二导向轮1342时，保持两侧的第一传动绳133之间的间距相等。

由于缠绕在第一大绕线轮131上面的第一传动绳133长度至少需要等于第一限位机构151与第二限位机构152之间的距离，如果第一传动绳133是单圈绕在第一大绕线轮131上，这样就会导致第一大绕线轮131直径偏大，进一步导致对第一扭矩控制件140以及回零电机组件(例如，下文的第一回零电机161)的力矩输出需求线性增大。基于此，进一步改进了第一大绕线轮131的尺寸大小。在一些实施例中，第一大绕线轮131的周长小于第一限位机构151与第二限位机构152之间的距离。第一传动绳133的两端端部沿第一大绕线轮131的外圆周方向具有部分重叠。

在一些实施例中，参见附图7A，第一传动绳133的两端端部集成有第一传动绳固定头A1331和第一传动绳固定头B1332，通过将第一传动绳固定头A1331和第一传动绳固定头B1332放置在第一大绕线轮131的定位槽内(图中未示出)，可以实现第一传动绳133与第一大绕线轮131的位置锁定，使二者不会出现相对滑动。当第一大绕线轮131的周长小于运动组件120的行程时，第一传动绳133缠绕在第一大绕线轮131上的长度大于一圈，即第一传动绳133的两端端部沿第一大绕线轮131的外圆周方向具有部分重叠。

在一些实施例中，为了避免第一传动绳133缠绕在第一大绕线轮131上时互相堆叠，第一传动绳固定头A1331和第一传动绳固定头B1332在第一大绕线轮131的轴向上具有间隙。

在一些实施例中，参见图7A和图7C，第一传动组件130还包括第二导向轮组135。第二导向轮组135包括第三导向轮1351和第四导向轮1352。第三导向轮1351和所述第四导向轮1352用于限定第一传动绳133绕入第一大绕线轮131的部分和绕出第一大绕线轮131的部分之间沿第一大绕线轮131的轴向方向上具有间隙。第二导向轮组135的设置，是为了将即将绕到第一大绕线轮131上的第一传动绳133的位置在第一大绕线轮131的轴向方向上做平移调整，避免第一传动绳133在第一大绕线轮131上出现堆叠。

图8是根据本说明书一些实施例所示的穿刺执行部的示例性局部结构图。

在一些实施例中，第一扭矩控制件140可以为磁滞制动器。磁滞制动器与第一大绕线轮131同轴固定连接。在一些实施例中，第一扭矩控制件140通过紧定螺钉与第一大绕线轮131的转轴固定连接。第一传动绳133通过第一大绕线轮131连接到第一扭矩控制件140—磁滞制动器上，操作者在滑动滑环122时就可以感受到由第一传动绳133传递来的运动阻力，即实现穿刺进针时的力反馈。磁滞制动器的制动扭矩与控制电流成强线性的比例关系，属于无接触式扭矩传递，寿命长、稳定性高，机械臂末端的进针阻力可以转换为磁滞制动器的控制电流，进而实现主从力反馈传递。

上述主手操控装置采用传动绳传动及磁滞力反馈方式，能够模拟穿刺手术过程中医生握针穿刺时产生的直线运动，且移动距离能够实现与末端执行器移动距离的1:1映射关系，相比手握式的主操作器以及按钮进针方案，使医生能够尽可能的感受到临床穿刺的感觉，提高穿刺成功率。

参见图8，在一些实施例中，穿刺执行部100还包括第一回零组件160。第一回零组件160至少包括第一回零电机161和第一编码器162。第一回零电机161与第一大绕线轮131的转轴同轴连接，例如，第一回零电机161通过联轴器163与第一大绕线轮131的转轴同轴连接。在一些实施例中，第一回零电机161可以配置低级减速器。第一编码器162为多圈绝对值编码器。第一编码器162用于检测滑环122的移动距离，第一回零电机161基于第一编码器162检测到的移动距离驱动滑环122回归零位，并通过主操作器控制中心将该信息传递给机械臂末端，使得末端执行器同步运动。在一些实施例中，可以设定滑环122在靠近第一限位机构151的极限位置为零位。

在一些实施例中，主手操控装置还包括滑环回零按键，触发滑环回零按键就会触发第一回零组件160的回零动作。例如，操作者可以在手术前进行一次回零动作，确保滑环122零位的准确，手术结束后页可以进行一个回零动作，确保滑环122回到零位，以便于下次手术使用。

在一些实施例中，穿刺执行部100还包括支撑座180。支撑座180主要用于支撑穿刺执行部10。在一些实施例中，参见图3、图8，第一导向轮组134、第二导向轮组135、第一扭矩控制件140和第一回零电机161均可以安装在支撑座180上。

该主手操控装置的穿刺运动采用磁滞制动器实现力反馈，同时采用小电机配合减速器实现运动组件的回零动作。在一些实施例中，穿刺执行部100还可以直接采用手动回零，不需要设置回零电机组件160。

上述实施例的主手操控装置，采用上述力反馈及回零方式既可以实现力反馈及滑环位置锁定的需求，又可以避免单电机力反馈场合下控制复杂、功率冗余、不易配平的问题。因为单电机执行力反馈时，为了减小电机体积，往往选用无刷力矩电机，该电机控制复杂，滑环锁定时电机位置使能会导致滑环的抖动，不适用于精密的人机交互场合。

图9是根据本说明书一些实施例所示的运动组件的示例性结构图；图10是根据本说明书一些实施例所示的运动组件的示例性局部结构图；图11是根据本说明书一些实施例所示的无线触发组件的工作原理示意图；图12是根据本说明书另一些实施例所示的穿刺执行部的示例性局部结构图。

参见图9，在一些实施例中，运动组件120上设有主从控制使能按键121。主从控制使能按键121用于控制主从运动使能，只有该按键触发后，主操作器方可控制机械臂末端。主从控制使能按键121部分从滑环122的表面露出，方便操作者触发，部分设于滑环122内部。

由于滑环122需要在第一方向(如图7B中的X向)上滑动，且滑环122的内部空间狭小，主从控制使能按键121不便采用传统的带有导线的机械按键。在一些实施例中，穿刺执行部100还包括无线触发组件170，无线触发组件170与运动组件120固定连接。参见图9、图10、图12，在一些实施例中，无线触发组件170安装在滑块123上，可以跟随滑环122一起滑动。

参见图11，在一些实施例中，无线触发组件170包括控制按键171和与控制按键171电连接的信号发射机构172。主从控制使能按键121下端与控制按键171接触。当主从控制使能按键121被按下，主从控制使能按键121触发控制按键171，以控制按键171控制信号发射机构172发射信号。在一些实施例中，控制按键171为硅胶按键。

在一些实施例中，无线触发组件170还包括电路板173和与电路板173电连接的电池174。电路板173连接控制按键171和信号发射机构172。在一些实施例中，电路板173为无线模块PCB电路板。电池174是整个无线触发组件170的供电部分，优选为纽扣电池。当操作者按压主从控制使能按键121时，会将控制按键171触发，无线模块PCB电路板173会处理控制按键171的触发信号，并且通过信号发射机构172(例如，天线)传递给主操作器主控单元的接收端，进而实现主从运动的使能控制。

主从控制使能按键121采用上述无线触发方式，无需连接任何线缆，在随着滑环122上下滑动过程中该部分不会产生任何运动阻力，且结构简单，安装方便，信号易处理，检测准确，可靠性高，易于维护，在使用寿命内只需定期更换电池即可。

运动组件120上设置有主从控制使能按键121，用于主从运动使能控制，该按键在全行程中采用无线触发检测方式，无需设置运动线缆，位于滑环122内的无线触发组件170仅需纽扣电池供电，体积小，触发简单、检测准确、可靠性高。

图13是根据本说明书一些实施例所示的调姿执行部和被动旋转关节部的示例性结构图；图14是根据本说明书一些实施例所示的调姿执行部和被动旋转关节部的另一角度示例性结构图；图15是根据本说明书另一些实施例所示的主手操控装置的示例性结构图。

参见图13-图15，主手操控装置还包括调姿执行部200。调姿执行部200主要用于实现穿刺执行部100的调姿功能需求，也是用于调整机械臂末端的末端执行器的姿态的装置。

在一些实施例中，参见图13、图14，调姿执行部200包括第一转动轴210、第一连接部件220、第二转动轴230、第二连接部件240、第二力反馈机构250和第三力反馈机构260。第一连接部件220的一端与第一转动轴210固定连接，第一连接部件220的另一端活动连接穿刺执行部100的摇杆组件110(如通过下文的被动旋转关节部300活动连接穿刺执行部100的摇杆组件110)。第二连接部件240的一端与第二转动轴230固定连接，第二连接部件240的另一端活动连接穿刺执行部100的摇杆组件110(如通过下文的被动旋转关节部300活动连接穿刺执行部的摇杆组件100)。摇杆组件110的运动(例如，调姿动作)可以传递给第一连接部件220和第二连接部件240，第一连接部件220和第二连接部件240分别带动第一转动轴210和第二转动轴230转动，进而第一转动轴210和第二转动轴230的转动角度信息被采集(如通过下文的第一角度检测件272和第二角度检测件282进行角度信息采集)，转动角度信息通过信号传输部件传送至机械臂末端，机械臂末端根据接收的信号输出相应的控制信号控制末端执行器调姿，以满足不同调姿场景的使用需求。

第一转动轴210的轴线(图13中的轴线B)和第二转动轴230的轴线(图13中的轴线C)之间的夹角大于10°。例如，可以呈10-180以内的任意角度设置(如呈30°设置、呈60°设置、呈135°设置等)。在一些实施例中，第一转动轴210的轴线和第二转动轴230的轴线之间的夹角85°。例如，第一转动轴210的轴线和第二转动轴230的轴线之间的夹角可以为90°,如图13、图14所示，以使得第二力反馈机构250和第三力反馈机构260能够获得较大的操作空间。

第二力反馈机构250与第一转动轴210相连，并基于第二力反馈信息对第一转动轴210施加调姿阻力，再通过被动旋转关节部300对穿刺执行部100施加调姿阻力。第二力反馈信息是指摇杆组件110在第二自由度下做调姿运动时机器臂末端的末端执行器受到的阻力信息。第三力反馈机构260与第二转动轴230相连，并基于第三力反馈信息对第二转动轴230施加调姿阻力，再通过被动旋转关节部300对穿刺执行部100施加调姿阻力。第三力反馈信息是摇杆组件110在第三自由度下做调姿运动时机器臂末端的末端执行器受到的阻力信息。此处的第二自由度和第三自由度的相关描述详见下文主手操控装置的工作原理部分。

参见图15，在一些实施例中，第二力反馈机构250包括第二传动组件251和第二扭矩控制件252。第二扭矩控制件252通过第二传动组件251与第一转动轴210连接。第三力反馈机构260包括第三传动组件261和第三扭矩控制件262。第三扭矩控制件262通过第三传动组件261与第二转动轴230连接。

在一些实施例中，第二扭矩控制件252和第三扭矩控制件262均为磁滞制动器。当机械臂末端的末端执行器进入人体组织后，在进行末端执行器姿态调节时，末端执行器会受到来自人体组织的阻力，第二力反馈机构250和第三力反馈机构260中同样采用磁滞制动器，可将该运动阻力在穿刺执行部100处体现出来。采用上述力反馈方式实现方式解决了当前电机实现大值力反馈时电机体积大、功率冗余、控制复杂的问题。同时在执行穿刺动作时，要求调姿自由度能够锁定，该磁滞制动器可实现制动扭矩额定值5％～100％的无级调节，并且通过合适选型可实现调姿自由度的运动锁定，实现一种器件两种用途。

第二传动组件251和第三传动组件261为调姿执行部200的传动机构，图15中四个箭头为调姿执行部200所必须的四个转动副。第二传动组件251和第三传动组件261的主要作用一是传递回零电机(下文所述的第二回零电机271和第三回零电机281)克服整机重力及运动摩擦力的驱动扭矩，使得摇杆组件110回归零位；二是传递第二扭矩控制件252和第三扭矩控制件262的制动扭矩，用于实现调姿自由度力反馈功能。

该主手操控装置在调姿运动和穿刺运动中均实现力反馈，在主从遥操作过程中为操作者提供实时力反馈能让操作过程更加安全、高效，并且能够提高操作精度。

参见图15，在一些实施例中，第二传动组件251包括第二大绕线轮2511、第二小绕线轮2512和第二传动绳2513。第二大绕线轮2511的半径大于第二小绕线轮2512的半径。第二传动绳2513的两端分别固定在第二大绕线轮2511和第二小绕线轮2512上。第二大绕线轮2511的转轴与第一转动轴210同轴连接，第二小绕线轮2512的转轴与第二扭矩控制件252的输出轴同轴固定连接。第三传动组件261包括第三大绕线轮2611、第三小绕线轮2612和第三传动绳2613。第三大绕线轮2611的半径大于第三小绕线轮2612的半径。第三传动绳2613的两端分别固定在第三大绕线轮2611和第三小绕线轮2612上。第三大绕线轮2611的转轴与第二转动轴230同轴固定连接，第三小绕线轮2612的转轴与第三扭矩控制件262的输出轴同轴连接。

在一些实施例中，第二小绕线轮2512和第二大绕线轮2511之间，以及，第三小绕线轮2612和第三大绕线轮2611之间可以设置较大的减速比，从而将相应的磁滞制动器的制动扭矩放大，实现小器件大扭矩输出，使得整体结构紧凑，占据空间较小。

在一些实施例中，第二大绕线轮2511和第二小绕线轮2512的传动比为1：5～1：15；第三大绕线轮2611和第三小绕线轮2612的传动比为1：5～1：15。

在一些实施例中，第二大绕线轮2511和第二小绕线轮2512的传动比为1：10；第三大绕线轮2611和第三小绕线轮2612的传动比为1：10。

在一些实施例中，第二大绕线轮2511和第二小绕线轮2512的传动比为1：5；第三大绕线轮2611和第三小绕线轮2612的传动比为1：5。

在一些实施例中，第二大绕线轮2511和第二小绕线轮2512的传动比为1：15；第三大绕线轮2611和第三小绕线轮2612的传动比为1：15。

在一些实施例中，由于第二小绕线轮2512和第二大绕线轮2511之间，以及，第三小绕线轮2612和第三大绕线轮2611之间的减速比设置的较大，因此，第二大绕线轮2511和第三大绕线轮2611的半径较大，如果做成整个的圆形会导致主手操控装置的整机很大。而且第二大绕线轮2511和第三大绕线轮2611在使用时转动角度较小，因此可以改进第二大绕线轮2511和第三大绕线轮2611的结构来减小体积。第二大绕线轮2511和第三大绕线轮2611均呈扇形，该扇形为圆形的其中一部分，如图16中所示。第二传动绳2513有两根。两根第二传动绳2513的一端分别固定连接在第二大绕线轮2511的扇形弧线段的两个端部，另一端均固定连接在第二小绕线轮2512。第二大绕线轮2511转动时，通过两根第二传动绳2513带动第二小绕线轮2512转动。当第二小绕线轮2512转动时，其中一根第二传动绳2513会在第二小绕线轮2512上绕入，另一根第二传动绳2513会从第二小绕线轮2512上绕出。

在一些实施例中，第二传动绳2513的一端通过紧固螺钉固定连接在第二大绕线轮2511上。如附图16所示，第二大绕线轮2511的两个直线段上设有两个紧固螺钉2514，且两个紧固螺钉2514靠近第二大绕线轮2511的扇形弧线段的两个端部。第二大绕线轮2511的扇形弧线段的两端端部与两侧的直线段之间具有过渡圆角。每根第二传动绳2513的一端从第二大绕线轮2511的扇形弧线段端部的过渡圆角绕过，再固定连接在紧固螺钉2514上。

同理，第三传动绳2613有两根。两根第三传动绳2613的一端分别固定连接在第三大绕线轮2611的扇形弧线段的两端端部，另一端均固定连接在第三小绕线轮2612。第三大绕线轮2611转动时，通过两根第三传动绳2613带动第三小绕线轮2612转动。当第三小绕线轮2612转动时，其中一根第二传动绳2513会在第三小绕线轮2612上绕入，另一根第二传动绳2513会从第三小绕线轮2612上绕出。

在一些实施例中，第二传动绳2513和第三传动绳2613可以采用钢丝绳，传动刚度高，零间隙，寿命长，无摩擦，不仅运动传递准确且力反馈精度高。

参见图17，在一些实施例中，调姿执行部200还包括第二回零组件270和第三回零组件280。第二回零组件270和第三回零组件280，用于在主手操控装置完成手术后将调姿执行部100归为零位。零位可以根据使用需求自动定义，例如定义摇杆组件110与竖直方向呈预设角度时为零位。在一些实施例中，零位定义为摇杆组件110处于竖直状态时所处的位置，即预设角度为0。第二回零组件270包括第二回零电机271和第一角度检测件272。第二回零组件270的输出轴与第二小绕线轮2512的转轴同轴连接。第一角度检测件272与第一转动轴210同轴连接，用于检测第一转动轴210的转动角度。第三回零组件280包括第三回零电机281和第二角度检测件282。第三回零电机281的输出轴与第三小绕线轮2612的转轴同轴连接。第二角度检测件282与第二转动轴230同轴连接，用于检测第二转动轴230的转动角度。第二回零电机271基于第一角度检测件272检测的第一角度，以及，第三回零电机281基于第二角度检测件282检测的第二角度(如图17中的两个箭头所示)，并将其传递给机械臂，进而控制末端末端执行器的姿态，实现主端到从端的姿态控制，实现控制摇杆组件110回归零位。

在一些实施例中，第一角度检测件272和第二角度检测件282为绝对值编码器，可以设置摇杆组件110的零位，例如，将摇杆组件110处于竖直状态设置为摇杆组件110的零位。

第二回零电机271和第三回零电机281可采用步进或者有刷电机，同时配置减速箱，可实现小电机大扭矩输出，控制简单，整体体积小、成本低。

在一些实施例中，调姿执行部200还包括底座290。底座290用于支撑调姿执行部200。上述的第二力反馈机构250、第三力反馈机构260、第二回零组件270和第三回零组件280均可以安装在底座290上。

在一些实施例中，穿刺执行部100还包括转接件190。在一些实施例中，转接件190安装在摇杆组件110的下端，且安装在支撑座180上，如图5所示。转接件190，一方面为摇杆组件110提供支撑，另一方面将摇杆组件110与被动旋转关节部300连接起来，实现摇杆组件110沿其中心轴线的自由转动。

在一些实施例中，主手操控装置还包括被动旋转关节部300，被动旋转关节部300的主要作用为实现摇杆组件110绕其中心轴线的自由转动。参见图13、图14，在一些实施例中，被动旋转关节部300包括第一转环310、第二转环320和第一轴承330、第二轴承340。在一些实施例中，第一轴承330和第二轴承340为滚动轴承。

第一转环310套设在第一轴承330的外圈，第二转环320套设在第二轴承340的外圈，第一轴承330和第二轴承340的内圈均套设在摇杆组件110下端的转接件190上。第一转环310通过第一连接直杆350与第一连接部件220连接。第一连接直杆350的一端固定连接在第一转环310上，第一连接直杆350的另一端与第一连接部件220转动连接。第二转环320通过第二连接直杆360与第二连接部件240连接。第二连接直杆360的一端固定连接在第二转环310上，第二连接直杆360的另一端与第二连接部件240转动连接。具体地，第一连接直杆350和第二连接直杆360可以沿摇杆组件110的径向设置。第一连接部件220和第二连接部件240可以沿摇杆组件110外侧的周向设置。第一转环310和第二转环320通过第一轴承330和第二轴承340可以沿摇杆组件110周向旋转，进而可以带动第一连接直杆350和第二连接直杆360沿摇杆组件110周向转动，进一步地，第一连接直杆350和第二连接直杆360带动第一连接部件220和第二连接部件240沿摇杆组件110周向转动。

穿刺执行部100的转接件190通过第一轴承330与第一转环310，以及第二轴承340与第二转环320形成两个转动副，如图13中的两个大箭头M所示。第一转环310和第二转环形320与第一连接部件220和第二连接部件240之间也需要设置两个转动副，用于实现调姿时摇杆能够沿两个方向转动，如图13中两个小箭头N所示。

图18是根据本说明书一些实施例所示的主手操控装置的工作原理示意图。

本说明书实施例提供的主手操控装置，是一种主从姿态增量映射式四自由度力反馈主操作器。具体的，参见图18，运动组件120可以沿摇杆组件110直线滑动，具有第一自由度410；第二力反馈机构250可以绕其转动轴线B转动，具有第二自由度420；第三力反馈机构260可以绕其转动轴线C转动，具有第三自由度430；摇杆组件110可以绕其中心轴线转动，具有第四自由度440。

本说明书实施例提供的主手操控装置的调姿自由度为并联构型，第二力反馈机构250和第三力反馈机构260的两个转动自由度均固定到底座290上，摇杆组件110的运动即为调姿运动，该调姿运动会转化为第二力反馈机构250和第三力反馈机构260的旋转运动，即图18中的第二自由度420和第三自由度430，通过角度检测装置(即第一角度检测件272和第二角度检测件282)可以实现第二力反馈机构250和第三力反馈机构260旋转角度的检测，通过处理器解耦后用于控制机械臂末端，从而实现末端执行器的姿态调整。穿刺执行部100通过运动组件120沿摇杆组件110做直线运动控制末端执行器的穿刺动作。通过被动旋转关节300的设置，实现了第四自由度440，使得摇杆组件110整体能够相对于底座290转动。因此，本说明书实施例提供的主手操控装置的整体构型为调姿部分的第二自由度420和第三自由度430并联转动，并与穿刺执行部100的第一自由度410和第四自由度440串联。

本说明书实施例提供的主手操控装置的调姿运动(即第二自由度和第三自由度的转动)采用并联构型，通过将其转动角度进行解耦计算即可完成对机械臂末端的运动控制，调姿运动的力反馈也采用磁滞制动器实现，该方法控制简单，线性度好，体积小，且调姿运动的回零控制也采用小电机配合减速器实现，解决了当前大电机执行力反馈的功率冗余、体积大、运动所需空间大、控制复杂等问题。

第二力反馈机构250和第三力反馈机构260分别通过被动旋转关节部300与穿刺执行部100连接，因此穿刺执行部100带动第二力反馈机构250运动对第三力反馈机构260无影响，机械臂末端带动第三力反馈机构260对第二力反馈机构250也无影响。第二力反馈机构250和第三力反馈机构260可以各自独立地进行运动(例如，绕其转动轴线转动等)。在一些实施例中，第二力反馈机构250和第三力反馈机构260可以为相同或相类似的结构。在一些实施例中，第二力反馈机构250和第三力反馈机构260可以用于将穿刺执行部100的至少一部分运动(例如，摆动)转换为第二力反馈机构250和第三力反馈机构260的对应运动(例如，绕其转动轴线转动)。穿刺执行部100的摆动可以带动第二力反馈机构250绕其转动轴线B转动，穿刺执行部100的摆动可以带动第三力反馈机构260其转动轴线C转动，穿刺执行部100的实际调姿运动量为第二力反馈机构250和第三力反馈机构260转动叠加的矢量和。

图19是根据本说明书一些实施例所示的主手操控装置的某个调姿工况下的姿态示意图。参见图19，本说明书提供的用于机器人的主手操控装置，能够满足主从遥操作下对机械臂末端末端执行器的进退针及姿态控制，进而实现CT图像引导下的穿刺手术。该主手操控装置在运动组件滑动过程中的主从使能触发、穿刺过程中的运动传递、穿刺自由度力反馈实现方法以及调姿执行部的运动传递和力反馈实现方法上都有很大的技术改变，整机性能得到巨大提升，该提升对于人机交互场合下的主手操控装置至关重要。

本说明书一些实施例提供了一种用于医疗手术的手术机器人，其包括用于操控机器人的末端执行器的主手操控装置，该主手操控装置可以采用上述任一实施例中的主手操控装置。

图20是根据本说明书一些实施例所示的手术机器人的应用场景图。如图20所示，机器人可以包括机器人本体2000、末端执行器3000、主手操控装1000、第一处理器4000以及第二处理器5000。末端执行器3000与机器人本体2000连接(例如，设置于机器人本体2000的机器臂末端)。主手操控装置1000电连接第一处理器4000，机器人本体2000和末端执行器3000电连接第二处理器5000。上文所述的处理器包括第一处理器4000和第二处理器5000。

机器人在实际使用时，机器人本体2000位于扫描间内。可选地，机器人本体2000包括机械臂，能够带动安装在机械臂末端的末端执行器3000运动，以调整机器臂末端功能部件的姿态。末端执行器3000设置在机器人本体2000上，用于执行同步动作(例如，穿刺、缝合等)。第二处理器5000也位于扫描间内。与扫描间相邻设置或者间隔设置控制间，控制间中设置成像设备的操作台，操作台上设有第一处理器4000，并与扫描间之间存在混凝土墙壁，以屏蔽射线。并且，控制间内还设置主手操控装置1000,医生通过操作控制间中的主手操控装置1000实现对扫描间的机器人本体2000的控制，从而完成主从遥操作式手术操作。具体地，医生操控主手操控装置1000产生的操控信号传送给第一处理器4000，第一处理器4000对操控信号进行接收处理并发送至第二处理器5000，第二处理器5000接收操控信号并控制机器人本体2000和末端执行器3000执行相应动作，同时末端执行器3000检测到的阻力信息反馈至第二处理器5000，再通过第二处理器5000发送至第一处理器4000，第一处理器4000再将阻力信息通过力反馈机构对穿刺执行部100施加相应的阻力。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。

同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个实用新型实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (18)

1.一种用于机器人的主手操控装置，其特征在于，所述主手操控装置(1000)包括穿刺执行部(100)；所述穿刺执行部(100)包括摇杆组件(110)、可运动设置于所述摇杆组件(110)上的运动组件(120)和第一力反馈机构；所述第一力反馈机构包括第一传动组件(130)和第一扭矩控制件(140)，所述第一力反馈机构基于第一力反馈信息对所述运动组件(120)施加运动阻力；

所述第一传动组件(130)包括第一大绕线轮(131)、第一小绕线轮(132)和第一传动绳(133)；所述第一大绕线轮(131)和所述第一小绕线轮(132)沿所述运动组件(120)运动的第一方向间隔布置，所述第一大绕线轮(131)的转轴与所述第一扭矩控制件(140)的输出轴同轴连接；所述第一传动绳(133)的两端端部固定在所述第一大绕线轮(131)的外圆周上，且所述第一传动绳(133)绕过所述第一小绕线轮(132)；所述运动组件(120)与所述第一传动绳(133)固定连接；所述运动组件(120)沿所述第一方向直线运动时，通过所述第一传动绳(133)带动所述第一大绕线轮(131)转动。

2.如权利要求1所述的主手操控装置，其特征在于，所述穿刺执行部(100)还包括限位组件(150)；所述限位组件(150)包括沿所述运动组件(120)直线运动的第一方向间隔布置的第一限位机构(151)和第二限位机构(152)；所述第一限位机构(151)和所述第二限位机构(152)位于所述第一大绕线轮(131)与所述第一小绕线轮(132)之间。

3.如权利要求1所述的主手操控装置，其特征在于，所述第一传动组件(130)还包括第一导向轮组(134)；所述第一导向轮组(134)包括第一导向轮(1341)和第二导向轮(1342)；所述第一导向轮(1341)和所述第二导向轮(1342)的轴线与所述第一大绕线轮(131)的轴线平行；所述第一导向轮(1341)和所述第二导向轮(1342)位于所述第一大绕线轮(131)与所述运动组件(120)之间的位置，所述第一导向轮(1341)和所述第二导向轮(1342)在垂直于所述第一方向的第二方向上间隔布置；

所述第一传动绳(133)位于所述第一导向轮(1341)和所述第二导向轮(1342)之间，所述第一导向轮(1341)和所述第二导向轮(1342)之间在第二方向上的距离等于所述第一小绕线轮(132)的直径。

4.如权利要求2所述的主手操控装置，其特征在于，所述第一大绕线轮(131)的周长小于所述第一限位机构(151)与所述第二限位机构(152)之间的距离；所述第一传动绳(133)的两端端部沿所述第一大绕线轮(131)的外圆周方向具有部分重叠。

5.如权利要求4所述的主手操控装置，其特征在于，所述第一传动组件(130)还包括第二导向轮组(135)；所述第二导向轮组(135)包括第三导向轮(1351)和第四导向轮(1352)；所述第三导向轮(1351)和所述第四导向轮(1352)用于限定所述第一传动绳(133)绕入所述第一大绕线轮(131)的部分和绕出所述第一大绕线轮(131)的部分之间沿所述第一大绕线轮(131)的轴向方向上具有间隙。

6.如权利要求1所述的主手操控装置，其特征在于，所述第一扭矩控制件(140)包括磁滞制动器；所述磁滞制动器与所述第一大绕线轮(131)同轴固定连接。

7.如权利要求1所述的主手操控装置，其特征在于，所述穿刺执行部(100)还包括第一回零组件(160)；所述第一回零组件(160)包括第一回零电机(161)和第一编码器(162)；所述第一回零电机(161)与所述第一大绕线轮(131)的转轴同轴连接。

8.如权利要求1所述的主手操控装置，其特征在于，所述运动组件(120)上设有主从控制使能按键(121)；所述穿刺执行部(100)还包括无线触发组件(170)，所述无线触发组件(170)与所述运动组件(120)固定；所述无线触发组件(170)包括控制按键(171)和与所述控制按键(171)电连接的信号发射机构(172)；当所述主从控制使能按键(121)被按下，所述主从控制使能按键(121)触发所述控制按键(171)，以使得所述信号发射机构(172)发射信号。

9.如权利要求8所述的主手操控装置，其特征在于，所述无线触发组件(170)还包括电路板(173)和与所述电路板(173)电连接的电池(174)，所述电路板(173)连接所述控制按键(171)和所述信号发射机构(172)。

10.如权利要求1所述的主手操控装置，其特征在于，还包括调姿执行部(200)；所述调姿执行部(200)包括第一转动轴(210)、第一连接部件(220)、第二转动轴(230)、第二连接部件(240)、第二力反馈机构(250)和第三力反馈机构(260)；

所述第一连接部件(220)的一端与所述第一转动轴(210)固定连接，所述第一连接部件(220)的另一端活动连接所述穿刺执行部(100)的所述摇杆组件(110)；所述第二连接部件(240)的一端与所述第二转动轴(230)固定连接，所述第二连接部件(240)的另一端活动连接所述穿刺执行部(100)的所述摇杆组件(110)；所述第一转动轴(210)的轴线和所述第二转动轴(230)的轴线间的夹角大于10°；

所述第二力反馈机构(250)与所述第一转动轴(210)相连，并基于第二力反馈信息对所述第一转动轴(210)施加调姿阻力；所述第三力反馈机构(260)与所述第二转动轴(230)相连，并基于第三力反馈信息对所述第二转动轴(230)施加调姿阻力。

11.如权利要求10所述的主手操控装置，其特征在于，所述第二力反馈机构(250)包括第二传动组件(251)和第二扭矩控制件(252)；所述第二扭矩控制件(252)通过所述第二传动组件(251)与所述第一转动轴(210)连接；所述第三力反馈机构(260)包括第三传动组件(261)和第三扭矩控制件(262)；所述第三扭矩控制件(262)通过所述第三传动组件(261)与所述第二转动轴(230)连接。

12.如权利要求11所述的主手操控装置，其特征在于，所述第二扭矩控制件(252)和所述第三扭矩控制件(262)均包括磁滞制动器。

13.如权利要求11所述的主手操控装置，其特征在于，所述第二传动组件(251)包括第二大绕线轮(2511)、第二小绕线轮(2512)和第二传动绳(2513)；所述第二大绕线轮(2511)的半径大于所述第二小绕线轮(2512)的半径；所述第二传动绳(2513)的两端分别固定在所述第二大绕线轮(2511)和所述第二小绕线轮(2512)上；所述第二大绕线轮(2511)的转轴与所述第一转动轴(210)同轴连接，所述第二小绕线轮(2512)的转轴与所述第二扭矩控制件(252)的输出轴同轴固定连接；

所述第三传动组件(261)包括第三大绕线轮(2611)、第三小绕线轮(2612)和第三传动绳(2613)；所述第三大绕线轮(2611)的半径大于所述第三小绕线轮(2612)的半径；所述第三传动绳(2613)的两端分别固定在所述第三大绕线轮(2611)和所述第三小绕线轮(2612)上；第三大绕线轮(2611)的转轴与所述第二转动轴(230)同轴固定连接，所述第三小绕线轮(2612)的转轴与所述第三扭矩控制件(262)的输出轴同轴连接。

14.如权利要求13所述的主手操控装置，其特征在于，所述第二大绕线轮(2511)和所述第二小绕线轮(2512)的传动比为1：5～1：15；所述第三大绕线轮(2611)和所述第三小绕线轮(2612)的传动比为1：5～1：15。

15.如权利要求13所述的主手操控装置，其特征在于，所述第二大绕线轮(2511)和所述第三大绕线轮(2611)均呈扇形；所述第二传动绳(2513)有两根，两根所述第二传动绳(2513)的一端分别固定连接在所述第二大绕线轮(2511)的扇形弧线段的两个端部，另一端均固定连接在所述第二小绕线轮(2512)上；所述第三传动绳(2613)有两根，两根所述第三传动绳(2613)的一端分别固定连接在所述第三大绕线轮(2611)的扇形弧线段的两个端部，另一端均固定连接在所述第三小绕线轮(2612)上。

16.如权利要求13所述的主手操控装置，其特征在于，所述调姿执行部(200)还包括第二回零组件(270)和第三回零组件(280)；

所述第二回零组件(270)包括第二回零电机(271)和第一角度检测件(272)；所述第二回零电机(271)的输出轴与所述第二小绕线轮(2512)的转轴同轴连接；第一角度检测件(272)与所述第一转动轴(210)同轴连接，用于检测所述第一转动轴(210)的转动角度；

所述第三回零组件(280)包括第三回零电机(281)和第二角度检测件(282)；所述第三回零电机(281)的输出轴与所述第三小绕线轮(2612)的转轴同轴连接；所述第二角度检测件(282)与所述第二转动轴(230)同轴连接，用于检测所述第二转动轴(230)的转动角度；

所述第二回零电机(271)基于所述第一角度检测件(272)检测的第一角度，以及，所述第三回零电机(281)基于所述第二角度检测件(282)检测的第二角度，将所述摇杆组件(110)回归零位。

17.如权利要求10所述的主手操控装置，其特征在于，还包括被动旋转关节部(300)，所述被动旋转关节部(300)包括第一转环(310)、第二转环(320)和第一轴承(330)、第二轴承(340)；所述第一转环(310)套设在所述第一轴承(330)的外圈，所述第二转环(320)套设在所述第二轴承(340)的外圈；所述第一轴承(330)和所述第二轴承(340)的内圈均套设在所述摇杆组件(110)上；

所述第一转环(310)通过第一连接直杆(350)与所述第一连接部件(220)连接；所述第一连接直杆(350)的一端固定连接在所述第一转环(310)上，所述第一连接直杆(350)的另一端与所述第一连接部件(220)转动连接；

所述第二转环(320)通过第二连接直杆(360)与所述第二连接部件(240)连接；所述第二连接直杆(360)的一端固定连接在所述第二转环(320)上，所述第二连接直杆(360)的另一端与所述第二连接部件(240)转动连接。

18.一种手术机器人，其特征在于：包括机器人本体(2000)、末端执行器(3000)、第一处理器(4000)、第二处理器(5000)以及如权利要求1-17任一项所述的主手操控装置(1000)；所述末端执行器(3000)与所述机器人本体(2000)连接；所述主手操控装置(1000)电连接所述第一处理器(4000)，所述机器人本体(2000)和所述末端执行器(3000)电连接所述第二处理器(5000)。

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