一种内镜式微创手术机器人用主操作手

1.本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种内镜式微创手术机器人用主操作手。


背景技术：

2.微创手术是一种医生通过内窥镜、专用手术器械，在不造成巨大创口的情况下施行手术的术式。为了追求创伤小，术后恢复好的效果，微创手术术式经历了从多孔、单孔腔镜手术到自然腔道手术的发展过程。自然腔道内镜手术是将器械臂通过人体腔道到达病变组织进行手术的方式，可以达到体表无疤痕的效果。目前，内镜式微创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。
3.现有内镜式微创手术机器人普遍采用主从遥控操作模式。主操作手作为医生与从操作臂间的人机交互设备，医生通过控制主操作手实现内镜机器人从操作臂在腔道内进行病变探查与组织操作。因此主操作手的性能直接影响医生的操作体验、手术效果及安全性。但是现有内镜式微创手术机器人主操作手以及通用型商业化主操作手，普遍存在如下缺陷：(1)结构设计极其复杂，且装置体积大、制备成本高，既不利于加工生产、推广普及；(2)具有冗余自由度，造成操作不直观，增加了医生学习难度；(3)操作主手进行控制时，可能存在位置调整与姿态调整的耦合问题，造成操作不直观，增长了学习曲线；(4)目前主操作手设计中，操作者一般整个手臂处于悬空状态，影响医生的操作舒适性，不利于长时间操作；(5)缺乏力反馈的功能，但是力反馈信息的缺失导致操作者无法在操作过程中直观的获取从操作臂与病变组织以及手术环境的交互反馈信息，继而导致手术安全性较差。


技术实现要素：

4.为了解决上述一个或多个问题，本发明通过对内镜操作的典型动作进行分解，并分析内镜式机器人从操作臂的结构特点与运动方式，提供了一种各自由度完全解耦、互不干涉，且机械结构设计巧妙、整体布局紧凑合理、装置体积小、操作舒适流畅的内镜式微创手术机器人用同构式串联型主操作手。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种内镜式微创手术机器人用主操作手，包括由上至下依次设置的俯仰运动关节、偏摆运动关节以及进给运动关节；其中：
6.所述俯仰运动关节设置于偏摆运动关节上，偏摆运动关节设置于进给运动关节上；所述俯仰运动关节的旋转部可绕俯仰运动关节的轴线a进行旋转，所述偏摆运动关节的旋转部可带动俯仰运动关节绕偏摆运动关节的轴线b旋转，所述轴线a与轴线b垂直相交于一点；
7.所述进给运动关节可带动偏摆运动关节以及俯仰运动关节进行直线移动。
8.作为优选，所述俯仰运动关节内设置俯仰电机作为力反馈单元，所述偏摆运动关节内设置偏摆电机作为力反馈单元，所述俯仰电机以及偏摆电机分别与控制系统相连接，并在可控制系统控制下驱动对应运动关节的旋转部进行旋转。
9.作为优选，所述俯仰运动关节包括俯仰支撑架、俯仰回转轴承以及构成旋转部的
俯仰运动机架；其中：
10.俯仰支撑架上设有俯仰支撑轴，俯仰运动关节的轴线a为俯仰支撑轴的轴线；
11.俯仰运动机架通过俯仰回转轴承转动设置于俯仰支撑轴上；
12.用于实现力反馈作用的俯仰电机与俯仰支撑架安装固定，电机的输出轴与俯仰运动机架安装固定。
13.作为优选，所述俯仰运动机架内部设有与所述俯仰支撑轴相匹配的环形槽，所述俯仰支撑轴配合于所述环形槽内；所述俯仰回转轴承设置有两个，俯仰运动机架内的环形槽两侧分别设置与俯仰回转轴承相匹配的安装端孔；所述两个俯仰回转轴承的内环分别嵌套于俯仰支撑轴上，外环分别与所述安装端孔相抵接。
14.作为优选，所述偏摆运动关节包括偏摆支撑架、偏摆回转轴承以及构成旋转部的偏摆运动机架，其中：
15.所述偏摆支撑架与进给运动关节相连接，偏摆支撑架上设有偏摆支撑轴，所述偏摆运动关节的轴线b为偏摆支撑轴的轴线；
16.所述偏摆运动机架与俯仰支撑架相固定，并通过偏摆回转轴承转动设置于偏摆支撑轴上；
17.用于实现力反馈作用的偏摆电机与偏摆支撑架安装固定，电机输出轴与偏摆运动机架相固定。
18.作为优选，所述偏摆运动机架内部设有与所述偏摆支撑轴相匹配的环形槽，所述偏摆支撑轴配合于所述环形槽内；所述偏摆回转轴承设置有两个，偏转运动机架内的环形槽两侧分别设置与偏摆回转轴承相匹配的安装端孔；所述两个偏转回转轴承的内环分别嵌套于偏摆支撑轴上，外环分别与所述安装端孔相抵接。
19.作为优选，所述进给运动关节包括直线导轨、导轨滑块以及进给驱动装置；其中：所述导轨滑块滑配安装于直线导轨上，所述偏摆运动关节通过偏摆支撑架固定于导轨滑块上，所述进给驱动装置用于驱动设置于导轨滑块上的偏摆运动关节以及设置于偏摆运动关节上的俯仰运动关节沿直线导轨方向进行移动。
20.作为优选，所述进给驱动装置包括进给驱动电机、主动带轮、从动带轮以及进给皮带；其中：
21.所述进给驱动电机作为力反馈单元，与控制系统相连接，并可驱动主动带轮旋转；所述进给皮带传动设置于主动带轮以及从动带轮上，所述进给皮带与设置于偏摆支撑架上的夹持装置固接。
22.作为优选，所述夹持装置包括平行设置于偏摆支撑架上的上压板与下托板，进给皮带设置于上压板与下托板之间，所述上压板与下托板之间通过紧固件安装固定。
23.作为优选，所述俯仰运动关节上设有操作柄以及配合所述操作柄的支撑平台。
24.本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
25.1、本发明将内镜式微创手术机器人从操作臂在人体腔道内的典型运动模式分解为：进给运动、俯仰运动(上、下)以及偏摆运动(左、右)，并根据从操作臂的结构特点和运行方式，集成设计一种由上至下依次连接的俯仰运动关节(用于实现从操作臂上、下运动)、偏摆运动关节(用于实现从操作臂左、右摆动)以及进给运动关节(用于实现从操作臂进行前后移动)的同构式串联型主操作手，兼具对从操作臂进行位置调节以及姿态调节的功能，与
现有商业化内镜式机器人用主操作手相比，本发明所述的主操作手，由上至下依次连接，结构布局紧凑合理，装置整体体积小，操作流畅性好，且直观可靠，降低了医生的学习难度，提高了操作效率。
26.2、本发明所述内镜式微创手术机器人用主操作手具有2个转动自由度以及1个平移自由度；其中：俯仰运动关节以及偏摆运动关节构成从操作臂姿态调整关节，共同决定主操手末端(从操作臂)的姿态，在姿态调整过程中，俯仰运动关节的旋转轴线与偏摆运动关节的旋转轴线汇交于一点，这种设计方式使得主操手能够非常灵活性地进行姿态调整，且整个操作柔顺性好，在主手操作过程中，主从端运动和力的传递一一对应，并且三个自由度完全解耦，各自由度互不干涉，可独立运动，提高了操作的精准度、舒适性以及直观性。
27.3、本发明通过在用于实现从操作臂姿态及位置调整的俯仰运动关节内、偏摆运动关节以及进给运动关节内分别设置驱动电机作为力反馈单元，在操作过程中，设置于俯仰运动关节以及偏摆运动关节处的驱动电机按照一定的比例驱动关节旋转，施加阻碍操作者手部运动的力；另一方面，设置于进给运动关节处的驱动电机还可用于向操作者传递从操作臂在进给过程中所受的阻力，继而实现力反馈功能，提高手术操作的直观性及安全性。
28.4、本发明通过在俯仰运动关节上设置贴合人体手部、腕部的操作柄以及支撑平台，符合人机工程学，实现了医生在腕部有支撑的前提下，进行灵活操作，保证操作的舒适性，减轻了操作者长时间操作时的疲劳感。
29.5、本发明所述的俯仰运动关节以及偏摆运动关节中，通过引入回转轴承的方式，实现旋转部与支撑部的转动连接，结构设计简单、合理，有利于实现装置体积的小型化；同时采用关节电机直驱的形式，不仅避免了传动装置引入所带来的摩擦等问题，也使得装置结构紧凑，体积小，降低了装配难度、制备成本，同时紧凑的结构设置，也降低了主手操作时的惯性力矩，提高了操作精度。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例所述内镜式微创手术机器人用主操作手整体结构示意图。
32.图2为本发明实施例中所述俯仰运动关节结构分解图。
33.图3为本发明实施例中所述偏摆运动关节结构分解图。
34.图4本发明实施例中进给运动关节结构示意图。
35.图5为本发明实施例中操作柄结构示意图。
36.标号说明：1、俯仰运动关节；11、俯仰支撑架；12、俯仰支撑轴；13、俯仰回转轴承；14、俯仰运动机架；15、俯仰电机；16、端盖固定板；17、壳体端盖；18、支撑平台；2、偏摆运动关节；21、偏摆支撑架；22、偏摆支撑轴；23、偏摆回转轴承；24、偏摆电机；25、偏摆运动机架；26、偏摆固定板；3、进给运动关节；31、进给驱动电机；32、主动带轮安装架；33、主动带轮；34、从动带轮；35、进给皮带；36、导轨滑块；37、直线导轨；38、夹持装置；39、从动带轮安装架；4、操作柄；5、安装机架；51、使能按键部。
具体实施方式
37.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
38.实施例1：本发明将内镜式微创手术机器人从操作臂在人体腔道内的典型运动模式分解为：进给运动、俯仰运动(上、下)以及偏摆运动(左、右)，并根据从操作臂的结构特点和运行方式，集成设计了一种内镜式微创手术机器人用主操作手，如图1所示，包括由上至下依次设置的俯仰运动关节1、偏摆运动关节2以及进给运动关节3；其中：
39.所述俯仰运动关节1与偏摆运动关节2分别用于实现从操作臂进行姿态调整，进给运动关节3用于实现从操作臂进行位置调整；具体地：
40.所述俯仰运动关节1设置于偏摆运动关节2上，偏摆运动关节2设置于进给运动关节3上；所述俯仰运动关节1的旋转部可绕俯仰运动关节的轴线a进行旋转，所述偏摆运动关节2的旋转部可带动俯仰运动关节1绕偏摆运动关节2的轴线b旋转，所述轴线a与轴线b垂直相交于一点；
41.所述进给运动关节3可带动偏摆运动关节2以及俯仰运动关节1进行直线移动。
42.本发明实施例1所述的主操作手中，俯仰运动关节1、偏摆运动关节2以及进给运动关节3由上至下依次连接，并与从操作臂的俯仰运动、偏摆运动以及进给运动一一对应，构成同构式串联型主操作手，兼具对从操作臂进行位置调节以及姿态调节的功能。
43.如图1所示，本发明实施例1所述的主操手在结构方面，与现有商业化内镜式机器人用主操作手相比，具有结构简单、布局紧凑合理，装置整体体积小，易于加工装配，应用前景较好的特点。
44.另一方面，从主操手的性能以及操作的操作体验分析，本发明实施例1所述的主操作手具有两个转动自由度以及一个平移自由度，在姿态调整过程中，俯仰运动关节1的旋转轴线与偏摆运动关节2的旋转轴线垂直汇交于一点，这种设计方式使得主操手能够非常灵活性地进行姿态调整，且整个操作柔顺性好，在主手操作过程中，主从端运动和力的传递一一对应，并且各个自由度完全解耦，互不干涉，可独立运动，提高了操作的精准度、流畅性以及直观性，同时降低了操作者的学习难度。
45.进一步地，在对从操作臂进行姿态调整过程中，可在俯仰运动关节1上设置操作柄4，操作柄上设置控制按钮。作为优选的实施方式，可将操作柄4一体设置于俯仰运动关节1上。其中：所述操作柄4的结构尺寸可根据内镜式手术机器人的需求以及人机工程学，并及结合《中国成年人人体尺寸》gb/t10000-1988标准设计得到，使得操作者将腕部置于俯仰运动关节的外壳上进行支撑的同时，在整个操作空间进行灵活操作。
46.具体地，上述操作柄4既可用于辅助驱动俯仰运动关节1的旋转部绕轴线a旋转，还可用于辅助驱动偏摆运动关节2中的旋转部带俯仰运动关节1绕偏摆运动关节的轴线b旋转。在操作过程中，为了更好地实现对手腕肘部的支撑，可在俯仰运动关节1上设置配合操作柄4的支撑平台18，以进一步降低手臂操作的疲劳感，提高操作的舒适性。
47.实施例2：如图1至5所示，为了解决现有内镜式微创手术机器人所采用主操作手普遍缺乏力反馈功能的不足，本实施例提供了一种主操作手与实施例1的区别在于，所述俯仰运动关节1内设置俯仰电机15作为力反馈单元，所述偏摆运动关节2内设置偏摆电机24作为力反馈单元，所述俯仰电机15以及偏摆电机24分别用于驱动对应运动关节的旋转部进行主
动旋转。
48.具体地，所述俯仰电机15、偏摆电机24分别与内镜式微创手术机器的控制系统相连接，且俯仰电机与偏摆电机上分别设有用于反馈电机位置信息的磁编码器。
49.进一步地，本实施例所述的主操作手实现力反馈功能的原理如下：
50.在操作过程中，操作者可利用俯仰运动关节以及偏摆运动关节实现扭矩输出；同时，内镜式机器人系统从操作臂在人体内运动或者与病变组织交互时，通过机器人携带的传感器可以将机器人与组织之间的交互信息收集，并将这个交互作用力信息反馈至控制系统，控制系统通过控制设置于俯仰运动关节以及偏摆运动关节内的驱动电机按照一定的比例驱动关节旋转，施加阻碍操作者手臂运动的力，从而实现力反馈功能，继而提高手术操作的直观性及安全性。
51.进一步地，如图2、3、4所示，本实施例2所述的主操作手中，俯仰运动关节1、偏摆运动关节2的具体结构设置如下：
52.如图2所示，所述俯仰运动关节1包括俯仰支撑架11、俯仰回转轴承13、构成旋转部的俯仰运动机架14；其中：
53.俯仰支撑架11上设有俯仰支撑轴12，俯仰运动关节的轴线a为俯仰支撑轴12的轴线；
54.俯仰运动机架14通过俯仰回转轴承13转动设置于俯仰支撑轴12上；
55.用于实现力反馈作用的俯仰电机15与俯仰支撑架11安装固定，电机的输出轴与俯仰运动机架14安装固定。
56.具体地，作为其中一种实施方式，所述俯仰运动关节1中，构成旋转部的俯仰运动机架14与俯仰支撑轴12之间的装配关系设置如下：
57.所述俯仰运动机架14内部设有与所述俯仰支撑轴12相匹配的环形槽，所述俯仰支撑轴12配合于所述环形槽内；
58.所述俯仰回转轴承13设置有两个，俯仰运动机架14内的环形槽两侧分别设置与俯仰回转轴承13相匹配的安装端孔；进一步地，两个俯仰回转轴承13的内环分别嵌套于俯仰支撑轴12上，外环分别与所述安装端孔相抵接。
59.具体地，作为其中一种实施方式，所述俯仰运动关节1中，俯仰电机15的装配方式如下：
60.所述俯仰电机15的端部通过紧固件(螺钉)固定于俯仰支撑架11上，电机输出轴可直接固定于俯仰运动机架14的壳体端部，实现扭矩输出。进一步地，作为一种优选的实施方式，俯仰运动机架14右侧壳体端盖17上还设有用于对俯仰回转轴承13进行限位的端盖固定板16，所述俯仰电机的输出轴可通过紧固件(螺栓)与端盖固定板16固接。
61.本发明实施例2中，上述俯仰运动关节1的结构设计与现有内镜式微创手术主操手中的姿态调整关节相比，具有如下特点：
62.(1)俯仰运动关节对应从操作臂的俯仰运动特点进行设计，通过设置俯仰回转轴承实现俯仰运动机架14(旋转部)与俯仰支撑轴12的相对转动连接，结构设计简单、合理，且运动阻尼低；
63.(2)在关节设计时采用关节电机直驱的形式，避免了传动装置引入所带来的摩擦等问题，同时也使得结构紧凑，体积小，降低了制备成本，同时紧凑的结构设置，也降低了主
手操作时的惯性力矩，提高了操作精度。
64.具体地，所述俯仰运动关节旋转自由度的实现以及力反馈功能实现的工作原理如下：
65.所述俯仰运动机架14转动设置于俯仰支撑轴12上，在操作过程中，通过对操作柄4施加一定的力，即可实现俯仰运动机架14的被动旋转；
66.同时，所述俯仰电机15的输出轴与俯仰运动机架14相连接，当内镜式机器人系统将从操作臂与病变组织的力交互信息传递给控制系统时，控制系统控制俯仰电机15按一定比例进行扭矩输出，继而驱动俯仰运动机架14进行主动旋转，施加阻碍操作者手部运动的力，从而实现力反馈功能，增强操作的临场感，提升手术的安全性。
67.进一步地，如图3所示，所述偏摆运动关节2包括偏摆支撑架21、偏摆回转轴承23以及构成旋转部的偏摆运动机架25，其中：
68.所述偏摆支撑架21与进给运动关节3相连接，偏摆支撑架21上设有偏摆支撑轴22，所述偏摆运动关节2的轴线b为偏摆支撑轴22的轴线；
69.所述偏摆运动机架25与俯仰支撑架11相固定，并通过偏摆回转轴承23转动设置于偏摆支撑轴22上；
70.用于实现力反馈作用的偏摆电机24与偏摆支撑架21安装固定，电机输出轴与偏摆运动机架25相固定。
71.具体地，作为其中一种实施方式，所述偏摆运动关节2中，构成旋转部的偏摆运动机架与25与偏摆支撑轴22之间的转动装配关系设置如下：
72.所述偏摆运动机架25内部设有与所述偏摆支撑轴22相匹配的环形槽，所述偏摆支撑轴22配合于所述环形槽内；
73.所述偏摆回转轴承23设置有2个，偏转运动机架25内的环形槽两侧分别设置与偏摆回转轴承23相匹配的安装端孔；进一步地，2个偏转回转轴承23内环分别嵌套于偏摆支撑轴22上，外环分别与所述安装端孔相抵接。
74.具体地，作为其中一种实施方式，所述偏摆电机24的装配方式如下：
75.所述偏摆电机24的端部通过紧固件(螺钉)固定于偏摆支撑架21上，电机输出轴可直接固定于偏摆运动机架25的顶部，实现扭矩输出。作为一种优选的实施方式，所述偏摆运动机架25的顶部设有用于对偏摆回转轴承23进行限位的偏摆固定板26，偏摆电机输出轴可通过紧固件(螺栓)与偏摆固定板26固接。
76.本发明实施例2中，偏摆运动关节2的结构设计优点与俯仰运动关节一致。
77.进一步地，所述偏摆运动关节2旋转自由度的实现以及力反馈功能实现的工作原理如下：
78.通过将偏摆运动机架25与俯仰支撑架11固连，并通过偏摆回转轴承23将偏摆运动机架25与偏转支撑轴22相对转动连接，操作过程中，通过驱动操作柄4即可实现偏摆运动机架25带动俯仰关节1进行旋转；
79.同时，内镜式机器人系统将从操作臂与病变组织的力交互信息传递给控制系统，控制系统控制偏摆电机24按一定的比例输出扭矩，带动偏摆运动机架25以及俯仰运动关节1进行旋转，继而施加阻碍操作者手部运动的力，从而实现力反馈功能。
80.进一步地，如图4所示，本实施例2中，所述进给运动关节3的结构设置如下：
81.所述进给运动关节3包括直线导轨37、导轨滑块36以及进给驱动装置；其中：所述导轨滑块36滑配安装于直线导轨37上，所述偏摆运动关节2通过偏摆支撑架21固定于导轨滑块36上，所述进给驱动装置用于驱动设置于导轨滑块36上的偏摆运动关节2以及设置于偏摆运动关节2上的俯仰运动关节1沿直线导轨37进行移动。
82.实施例3：为了进一步克服现有主操作手缺乏力反馈功能的不足，本实施例提供了一种主操手，与实施例1、实施例2的区别在于，所述进给运动关节3的进给驱动装置中，设置进给驱动电机31作为力反馈单元，所述进给驱动电机31与内镜式微创手术机器人的控制系统相连接，以实现向操作者传递从端在进给过程中所受到的阻力，继而达到力反馈功能，并进一步提高手术操作的直观性以及安全性。
83.具体地，如图4所示，作为其中一种实施方式，所述进给驱动装置的结构设置如下：
84.包括作为力反馈单元的进给驱动电机31、主动带轮33、从动带轮34以及进给皮带35；其中：
85.所述进给驱动电机31与主动带轮33相连接，并可驱动主动带轮33旋转；所述进给皮带35传动设置于主动带轮33以及从动带轮34上，所述进给皮带35与设置于偏摆支撑架21上的夹持装置38固接。
86.具体地，所述主动带轮33安装于主动带轮安装架32上，从动带轮34设置于与所述主动带轮安装架32平行布置的从动带轮安装架39上；所述夹持装置38包括平行设置于偏摆支撑架21上的上压板与下托板，进给皮带35设置于上压板与下托板之间，所述上压板与下托板之间通过紧固件(螺栓)安装固定。
87.具体地，作为另外一种实施方式，所述驱动装置的结构可设置如下(未在附图中显示)：所述驱动装置包括作为力反馈单元的进给驱动电机、丝杆以及丝杠螺母，所述进给驱动电机用于驱动丝杆旋转，所述丝杆螺母螺纹配合于丝杆上，所述偏转支撑架与丝杆螺母相连接，并可在进给驱动电机驱动下，由丝杆螺母带动沿直线导轨进行直线移动。
88.本发明实施例3所述的进给运动关节3可同时带动偏摆运动关节2以及俯仰运动关节1进行直线移动；同时，可确保主操作手进行姿态调整时，位置不会发生改变。
89.进一步地，本实施例中，所述进给运动关节3进给动作的实现以及力反馈功能实现的工作原理如下：
90.进给驱动电机31驱动主动带轮33旋转，主动带轮33带动进给皮带35转动，进给皮带35带动偏摆运动关节2、设置于偏摆运动关节2上的俯仰运动关节1沿直线导轨37进行移动，继而驱动从操作臂进行进给运动；
91.同时，内镜式机器人系统将从操作臂与病变组织的力交互信息传递给控制系统，控制系统控制进给驱动电机31按一定的比例输出扭矩，带动主动带轮33进行旋转，继而施加阻碍操作者手部运动的力，从而实现力反馈功能。
92.实施例4：如图1至5所示，一种内镜式微创手术机器人用主操作手，与实施例1、实施例2、实施例3的区别在于，还包括用于为主操手安置提供支撑的安装机架5，所述安装机架5由多块板材拼接组成，呈长方体状，其中：所述进给驱动装置设置于安装机架5内部，偏摆支撑架21通过安装机架5上的缺口伸入机架内部，并可在进给驱动装置带动下，沿所述缺口进行左右移动。
93.进一步地，如图1所示，所述安装机架5上还可设置多个使能按键部51，用于根据主
从控制要求设置使能。
94.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。