一种微创手术机器人主手及从手控制方法

技术领域

本发明属于医疗机器人技术领域，涉及一种微创手术机器人主手。

背景技术

微创手术因为损伤小、愈合快，因此被广泛的应用。现有技术中，微创手术机器人通常采用在主手末端设置主控制器，操作主控制器时，主手各轴产生运动，从而向控制中心发出信号，经处理后，发送到从手，控制器械运动，完成手术。控制中心在处理信号时，由于主手各轴都在运动，因此控制中心处理的数据量非常大，导致数据处理时间长，人手动作到手术动作的迟延。

另一方面，现有技术中的主手结构，如CN106667583A公开的主手，为实现多个自由度，因此结构复杂，体积庞大。为实现精确的手术操作，需要更精密的机械加工，这直接增加了制造成本。

同时，手术机器人的操作尺寸要尽量小，尤其是为了避免主手与其他部件在竖直方向的干涉，需要尽量减小主手在竖直方向的尺寸。

因此本领域技术人员致力于开发一种结构简单紧凑、能有效避免干涉的微创手术机器人主手。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单紧凑的微创手术机器人主手。

为实现上述目的，本发明提供了一种微创手术机器人主手，包括彼此垂直的第一主手模组、第二主手模组和第三主手模组；所述第三主手模组的输出端与第二主手模组的输入端连接；所述第二主手模组的输出端与所述第一主手模组的输入端连接；所述第一主手模组可与主控制器连接。

较佳的，所述第一主手模组和第二主手模组之间通过第一主手臂连接；所述第二主手模组上设有第二主手臂；所述第三主手模组上设有横向的第三主手臂；所述第三主手臂远离所述第三主手模组的一端与所述第二主手臂远离所述第二主手模组的一端连接。

较佳的，所述第一主手模组和第二主手模组的中心线位于同一平面。

较佳的，所述第三主手臂远离所述第三主手模组的一端设有可转动的驱动件；所述第二主手臂远离所述第二主手模组的一端设有第二连杆；所述第二连杆与所述驱动件动力连接。

较佳的，所述驱动件通过皮带传动机构与所述第三主手模组动力连接。

为了简化控制中心的计算，所述第一主手模组、第二主手模组和所述所述驱动件中心交汇于同一点。

较佳的，所述第三主手臂包括横向的第三连杆；所述第三连杆的一端设置有第三关节模组；所述第三关节模组的外壳上设有用于与主手的第四主手模组固定连接的第三固定座；所述驱动件设置在所述第三连杆的另一端。

较佳的，所述第二主手臂呈L状；所述第二主手臂包括第二固定座；所述第二固定座上设置有第二关节模组；所述第二固定座的一端依次固定连接第二盖板A和所述第二连杆；所述第二固定座的另一端固定连接有第二盖板B；所述第二盖板B与所述第二连杆固定连接。

较佳的，所述第一主手臂呈L状；所述第一主手臂的一端与所述第一主手模组固定连接，所述第一主手臂的另一端与所述第二主手模组的输出端固定连接。

较佳的，所述第一主手模组包括第一固定座；所述第一固定座上设置有第一关节模组；所述第一固定座的一端依次固定连接有第一盖板A、第一盖板B和第一连杆；所述第一固定座的另一端依次固定连接有第一盖板C和第一盖板D；所述第一盖板D与所述第一连杆固定连接。

较佳的，还包括竖向由下至上依次设置的第四主手模组、第五主手模组和第六主手模组；所述第四主手模组与所述第三主手模组固定连接。

较佳的，所述第四主手模组、第五主手模组和第六主手模组均包括关节模组；

所述关节模组包括基座；所述基座上固定连接有壳体；所述壳体上通过滚动轴承和滚动轴承设置有电机；所述电机的输出轴通过连接法兰与减速机连接；所述减速机通过交叉滚动轴承设置在所述基座上；所述减速机将动力传递给输出法兰。

为了准确控制主手臂的位置，所述输出法兰的外圆面上设置有位置编码器。

较佳的，所述减速机的输出端与连接法兰固定；所述输出法兰与所述连接法兰固定连接；所述连接法兰与输出法兰之间设有扭矩传感器。

较佳的，所述基座远离所述输出法兰的一端固定有线套固定座；所述线套固定座内固定有线套；所述线套依次穿过所述电机和减速机；所述线套通过滚动轴承支承于所述连接法兰。

为了测量电机的运动参数，所述线套远离所述输出法兰一端设置有速度编码器。

较佳的，所述第一主手模组、第三主手模组和第二主手模组的结构相同，均包括壳体和置于壳体内的关节模组；

所述关节模组包括与所述壳体固定连接的基座；所述基座上通过第一轴承设置有电机；所述电机的输出轴与减速机连接；所述减速机通过轴承设置在所述基座上；所述减速机将动力传递给输出法兰；

所述第一主手臂一端与所述第一主手模组的壳体固定，另一端与所述第二主手模组的输出法兰固定；

所述第二主手臂一端与所述第二主手模组的壳体固定，另一端与所述第三主手模组的输出法兰固定；

所述第三主手臂一端与所述第三主手模组的输出法兰固定。

较佳的，所述输出法兰的外圆面上设置有位置编码器。

较佳的，所述减速机的输出端与中间件固定；所述输出法兰与所述中间件固定连接。

较佳的，所述中间件与所述输出法兰之间设置有扭矩传感器。

较佳的，所述基座远离所述输出法兰一端固定有线套固定座；所述线套固定座内固定有线套；所述线套依次穿过所述电机和减速机；所述线套通过间隔设置的轴承支承。

较佳的，所述线套远离所述输出法兰一端设置有速度编码器。

较佳的，所述第二主手模组的输出法兰与第一盘形件螺栓固定；所述第一盘形件与第二盘形件螺栓固定；所述第二盘形件的边缘与所述第一主手臂的末端螺栓固定；

所述第三主手模组的输出法兰与第三盘形件螺栓固定；所述第三盘形件与第四盘形件螺栓固定；所述第四盘形件的边缘与所述第二主手臂的末端固定。

较佳的，所述第一主手模组和第二主手模组之间通过第一主手臂连接；所述第三主手模组和第二主手模组之间通过第二主手臂连接；所述第三主手模组通过第三主手臂可与机器人的第四主手模组固定。

较佳的，所述第一主手模组和第三主手模组的中心线位于同一平面；或

所述第三主手模组和第二主手模组的中心线位于同一平面；或

所述第一主手模组和第二主手模组的中心线位于同一平面。

较佳的，所述第一主手模组、第三主手模组和第二主手模组的中心交汇于同一点。

本发明还提供了一种手术机器人从手控制方法，包括以下步骤:

1)提供多个主手模组；使上游的主手模组可旋转的连接于下游的主手模组；

2)使首端或尾端的主手模组与主控制器连接；当主控制器运动时，其运动方向或运动方向按预设坐标系的分解方向，总能通一个或多个主手模组的中心线；

3)在主控制器的运动过程中，各主手模组向控制中心发出各自运动参数的信号；所述运动参数包括运动速度、角度、位移等；

4)控制中心接受各主手模组的信号，经过计算，得到从手运动参数，然后根据该从手运动参数，控制从手动作；所述从手运动参数包括运动速度、角度、位移等。

较佳的，与主控制器连接的主手模组、以及与该主手模组相邻连接的两个主手模组彼此垂直。

较佳的，主控制器与相邻连接的两个主手模组的中心线交汇于一点。

较佳的，与主控制器连接的主手模组、以及与该主手模组相邻连接的两个主手模组的中心线交汇于一点。

本发明的有益效果是：本发明的微创手术机器人主手结构简单紧凑，可实现更高精度的手术操作；并且主手模组均位于横向的第三主手臂上方，减小了主手在竖直方向的尺寸，有效避免了主手与其他部件在竖直方向的干涉。

附图说明

图1是本发明实施例1微创手术机器人主手的结构示意图。

图2是本发明实施例1微创手术机器人主手的结构示意图。

图3是本发明实施例1微创手术机器人主手安装于手术机器人的结构示意图。

图4是本发明实施例1微创手术机器人主手中第一主手模组的结构示意图。

图5是本发明实施例1微创手术机器人主手中第二主手臂的结构示意图。

图6是本发明实施例1微创手术机器人主手中第三主手臂的结构示意图。

图7是本发明实施例1微创手术机器人主手中第一主手模组中关节模组结构示意图。

图8是本发明实施例1微创手术机器人主手中第四主手模组中关节模组结构示意图。

图9是本发明实施例2微创手术机器人主手的结构示意图。

图10是本发明实施例2微创手术机器人主手的结构示意图。

图11是本发明实施例2微创手术机器人主手中第一主手模组的结构示意图。

图12是图11中I处的局部放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

一种手术机器人从手控制方法，包括以下步骤:

1)提供多个主手模组；使上游的主手模组可旋转的连接于下游的主手模组；

2)使首端或尾端的主手模组与主控制器连接；当主控制器运动时，其运动方向或运动方向按预设坐标系的分解方向，总能通一个或多个主手模组的中心线；

3)在主控制器的运动过程中，各主手模组向控制中心发出各自运动参数的信号；所述运动参数包括运动速度、角度、位移等；

4)控制中心接受各主手模组的信号，经过计算，得到从手运动参数，然后根据该从手运动参数，控制从手动作；所述从手运动参数包括运动速度、角度、位移等。

与主控制器连接的主手模组、以及与该主手模组相邻连接的两个主手模组彼此垂直。

其中，主控制器与相邻连接的两个主手模组的中心线交汇于一点。或者所述三个主手模组的中心线交汇于一点。

实施例1

一种微创手术机器人主手，包括彼此垂直的第一主手模组100、第二主手模组200和第三主手模组300；第三主手模组300的输出端与第二主手模组200的输入端连接；第二主手模组200的输出端与第一主手模组100的输入端连接；第一主手模组10可与主控制器1010连接。

第一主手模组100和第二主手模组200之间通过第一主手臂400连接；第二主手模组200上设有第二主手臂500；第三主手模组300上设有横向的第三主手臂600；第三主手臂600远离第三主手模组300的一端与第二主手臂500远离第二主手模组200的一端连接。

第一主手模组100和第二主手模组200的中心线位于同一平面。

第三主手臂600远离第三主手模组300的一端设有可转动的驱动件601；第二主手臂500远离第二主手模组200的一端设有第二连杆501；第二连杆501与驱动件601动力连接。

驱动件601通过皮带传动机构605与第三主手模组300动力连接。

第一主手模组100、第二主手模组200和驱动件60中心交汇于同一点O。

第三主手臂600包括横向的第三连杆602；第三连杆602的一端设置有第三关节模组603；第三关节模组603的外壳上设有用于与主手的第四主手模组固定连接的第三固定座604；驱动件601设置在第三连杆602的另一端。

第二主手臂500呈L状；第二主手臂500包括第二固定座502；第二固定座 502上设置有第二关节模组503；第二固定座502的一端依次固定连接第二盖板 A504和第二连杆501；第二固定座502的另一端固定连接有第二盖板B505；第二盖板B505与第二连杆501固定连接。

第一主手臂400呈L状；第一主手臂400的一端与第一主手模组100固定连接，第一主手臂400的另一端与第二主手模组200的输出端固定连接。

第一主手模组100包括第一固定座101；第一固定座101上设置有第一关节模组102；第一固定座101的一端依次固定连接有第一盖板A103、第一盖板B104 和第一连杆105；第一固定座101的另一端依次固定连接有第一盖板C106和第一盖板D107；第一盖板D107与第一连杆105固定连接。

还包括竖向由下至上依次设置的第四主手模组700、第五主手模组800和第六主手模组900；第四主手模组700与第三主手模组300固定连接。

第四主手模组700、第五主手模组800和第六主手模组900均包括关节模组 1000；

关节模组1000包括基座8；基座8上固定连接有壳体4；壳体4上通过滚动轴承15和滚动轴承16设置有电机3；电机的输出轴5通过连接法兰6与减速机7连接；减速机7通过交叉滚动轴承13设置在基座8上；减速机7将动力传递给输出法兰12。

输出法兰12的外圆面上设置有位置编码器11。用于控制电机转过的角度，进而控制第一连杆、第二连杆和第三连杆所处的实际位置。

减速机7的输出端与连接法兰9固定；输出法兰12与连接法兰9固定连接；连接法兰9与输出法兰12之间设有扭矩传感器10。当电机3断电后，通过扭矩传感器10测知输出法兰12的扭矩，从而控制电机3适当反转，实现输出法兰的力平衡。

基座8远离输出法兰12的一端固定有线套固定座17；线套固定座17内固定有线套1；线套1依次穿过电机3和减速机7；线套1通过滚动轴承14支承于连接法兰6。

线套1远离输出法兰12一端设置有速度编码器2，用于控制电机的旋转速度。

第一主手模组100、第三主手模组300和第二主手模组200的结构相同，均包括壳体和置于壳体内的关节模组1000＇；

关节模组1000＇包括与壳体固定连接的基座1＇；基座1＇上通过第一轴承7＇设置有电机2＇；电机的输出轴3＇与减速机4＇连接；减速机4＇通过轴承 6＇设置在基座1＇上；减速机4＇将动力传递给输出法兰5＇；

第一主手臂400＇一端与第一主手模组100的壳体固定，另一端与第二主手模组200＇的输出法兰固定；

第二主手臂500＇一端与第二主手模组200的壳体固定，另一端与第三主手模组300的输出法兰固定；

第三主手臂600＇一端与第三主手模组300的输出法兰固定。

输出法兰5＇的外圆面上设置有位置编码器15＇。

减速机4＇的输出端与中间件8＇固定；输出法兰5＇与中间件8＇固定连接。

中间件8＇与输出法兰5＇之间设置有扭矩传感器16＇。

基座1＇远离输出法兰5＇一端固定有线套固定座13＇；线套固定座13＇内固定有线套14＇；线套14＇依次穿过电机2＇和减速机4＇；线套14＇通过间隔设置的轴承支承18＇。

线套14＇远离输出法兰5＇一端设置有速度编码器17＇。

第二主手模组200的输出法兰与第一盘形件9＇螺栓固定；第一盘形件9＇与第二盘形件10＇螺栓固定；第二盘形件10＇的边缘与第一主手臂400的末端螺栓固定；

第三主手模组300的输出法兰与第三盘形件11＇螺栓固定；第三盘形件11＇与第四盘形件12＇螺栓固定；第四盘形件12＇的边缘与第二主手臂500＇的末端固定。

上述结构的本发明的微创手术机器人主手，通过第四主手模组700与第三主手模组300固定连接，第三主手模组300中第三关节模组603带动驱动件601 转动，进而带动第二主手模组200转动，通过第二主手模组200中的第二关节模组带动第一主手臂400运动，进而带动第一主手模组100运动，同时通过输出法兰12的外圆面上设置的位置编码器11控制电机转过的角度，进而控制第一连杆、第二连杆和第三连杆所处的实际位置。且主手模组均位于横向的第三主手臂上方，减小了主手在竖直方向的尺寸，有效避免了主手与其他部件在竖直方向的干涉。

需要说明的是，关节模组1000＇和关节模组1000可以交替使用，即关节模组1000＇可以设置在第四主手模组700、第五主手模组800和第六主手模组上，关节模组1000可以设置在第一主手模组100、第二主手模组200和第三主手模组300上。

实施例2

参见图9-图12，一种微创手术机器人主手，本实施例中，第一主手模组100 和第二主手模组200之间通过第一主手臂400＇连接；第三主手模组300和第二主手模组200之间通过第二主手臂500＇连接；第三主手模组300通过第三主手臂600＇可与机器人的第四主手模组固定。

第一主手模组100和第三主手模组300的中心线位于同一平面；

第一主手模组100、第三主手模组300和第二主手模组200的中心交汇于同一点O。

上述结构的本发明的微创手术机器人主手，其第一主手模组100与主控制器1010连接，通过控制各主手模组的关节模组，使各关节模组中输出法兰转过不同的角度,从而控制主控制器1010以及后续连接的第四主手模组、第五主手模组和第六主手模组的空间位置，实现手术的精确定位。并且由于各传感器的作用，进一步提高手术精度。

更重要的是，在主控制器1010运动的过程中，若主控制器1010的运动方向经过某一主手模组的中心线，则主控制器1010对该主手模组不产生力矩，因此该主手模组不产生旋转运动，从而大大简化了控制中心处理的数据量。控制中心通过数据计算后，控制从手900＇运动。从手900＇手术过程中，也可通过力反馈，将信号传递给主控制器1010，从而提醒医生微调手术操作。

进一步的，由于第一主手模组100、第二主手模组200和第三主手模组300 的中心交汇于同一点O，因此控制中心在处理这三个主手模组数据时，不用单独计算各主手模组最初原点的位移差，从而进一步简化计算。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。