力反馈型主操作手

技术领域

本公开的至少一种实施例涉及一种医疗器械技术领域，尤其涉及一种串并联混合的同轴输入球面的医疗机器人的力反馈型主操作手。

背景技术

现有的微创医疗机器人主操作手一般由三部分构成，分别为位置调整机构、姿态调整机构和夹持机构，分别主要对位置、姿态和夹持进行输出控制。由于现有的微创医疗机器人主操作手感知到的从操作手的信息不够全面，容易对人体组织产生伤害，不利于手术正常进行，并且活动空间较小、灵活性差。

发明内容

针对于现有的技术问题，本公开提供一种力反馈型主操作手。利用第一反馈装置可以将人体组织给所述从操作手的推动反馈力，反馈至主操作手，并将操作手柄的第一位姿信息传递至所述上位机上。通过第二反馈装置可以将人体组织给所述从操作手的扭转反馈力，反馈至主操作手，并将操作手柄的第二位姿信息传递至所述上位机上。

本公开的实施例提供一种力反馈型主操作手，被配置为基于上位机控制从操作手执行手术操作，包括：基座；操作手柄；传动机构，分别与所述基座和所述操作手柄连接，所述传动机构包括：第一反馈装置，包括：位置调整装置，包括多个串联的第二传动组件，可转动地安装在所述基座上，在手术过程中，所述上位机基于人体组织给所述从操作手的推动反馈力，控制所述第二传动组件转动，以推动所述操作手柄移动和/或摆动；在所述操作手柄向所述传动机构施加作用力时，所述位置调整装置将所述操作手柄的第一位姿信息传递至所述上位机上；第二反馈装置，基于所述第一反馈装置摆动和/或移动，所述第二反馈装置被配置为在手术过程中，基于人体组织给所述从操作手的扭转反馈力控制所述操作手柄的摆动和/或转动；在所述操作手柄向所述传动机构施加作用力时，所述姿态调整装置将所述操作手柄的第二位姿信息传递至所述上位机上，所述上位机基于所述第一位姿信息和所述第二位姿信息控制所述从操作手运动。

可选的，所述第二反馈装置包括：第二反馈单元，安装在所述第一反馈装置上；姿态调整装置，可转动地安装在所述第二反馈单元上，在手术过程中，所述第二反馈单元基于人体组织给所述从操作手的扭转反馈力，控制所述姿态调整装置沿所述第一反馈装置的轴线摆动和/或转动，以带动所述操作手柄的摆动和/或转动；在所述操作手柄向所述传动机构施加作用力时，所述姿态调整装置将所述操作手柄的第二位姿信息传递至所述上位机上，所述上位机基于所述第一位姿信息和所述第二位姿信息控制所述从操作手运动。

可选的，所述姿态调整装置包括：转台，所述操作手柄安装在所述转台上；至少三个并联的第一传动组件，所述第一传动组件的第一端均匀安装在所述转台的边缘，所述第一传动组件的第二端可转动的安装在所述第二反馈单元的中心轴上，所述第二反馈单元基于所述扭转反馈力控制每个所述第一传动组件的转动角度，进而控制所述转台的摆动和/或转动，从而推动所述操作手柄的摆动和/或转动。

可选的，所述第一传动组件包括：第一连杆，包括：第一部分，套设在所述第二反馈单元的中心轴上，所述第一部分的外周形成有凸起，所述第一部分的第一端基于所述凸起嵌设在所述第二反馈单元上；第二部分，所述第二部分的第一端由所述第一部分的第二端垂直延伸；第三部分，所述第三部分的第一端由所述第二部分的第二端倾斜延伸；第二连杆，所述第一连杆的第一端与所述第三部分的第二端转动连接，所述第一连杆的第二端安装在所述转台的边缘。

可选的，所述每个第三部分的第二端处于同一水平面上，并位于同一圆的圆周上，所述圆的圆心的垂直投影与所述第二反馈单元的中心的垂直投影重合，所述第一连杆在所述第二反馈单元的驱动下转动，进而带动所述第二连杆转动，从而驱动所述转台摆动和/或转动。

可选的，所述第二反馈单元包括至少三个反馈组件，每个所述反馈组件用于控制一个所述第一传动组件，每个所述反馈组件包括：第一电机，安装在所述位置调整装置上，所述第一电机的输出轴上形成有第一齿轮；第二齿轮，套设在所述中心轴上，并于所述第一齿轮啮合，所述第二齿轮上形成与所述第一部分的所述凸起契合的凹槽，所述第一电机驱动所述第二齿轮转动，进而带动所述第一传动组件转动。

可选的，至少一个所述第一部分套设在前一个所述第一部分上，进而通过前一个所述第一部分套设在所述第二反馈单元的中心轴上，每个所述第二部分和所述第三部分的夹角不同，以使每个所述第三部分的第二端处于同一水平面上，并位于同一圆的圆周上，所述圆的圆心的垂直投影与所述第二反馈单元的中心的垂直投影重合。

可选的，所述第一反馈装置还包括：抱闸，套设在所述基座上，所述第一反馈装置基于所述抱闸的放松或锁紧沿所述基座移动或固定。

可选的，每个所述第二传动组件包括：第二电机，多个所述第二传动组件通过所述第二电机转动连接；编码器，所述编码器被配置为基于所述第二电机的转角确定所述第一位姿信息。

可选的，所述操作手柄包括：握把部，与所述传动机构连接，操作者通过所述握把部向所述传动机构施加作用力；以及开合部，包括：开合座，安装在所述传动机构上，形成有容纳空间；弹性单元，安装在所述容纳空间内；两个开合瓣，一端对称安装在所述开合座的两侧，另一端延伸至所述容纳空间与所述弹性机构连接，在所述开合瓣打开或关闭的情况下，所述开合瓣挤压或拉伸所述弹性机构；以及传感器，与所述弹性机构连接，被配置为检测所述弹性机构受到的压力或拉力，所述上位机基于所述压力或拉力控制所述从操作手进行开合运动；

可选的，所述弹性单元包括：开合连杆，安装在所述容纳空间中；以及压紧片，套设在所述开合连杆上，并基于弹性件与所述开合座内壁连接，所述开合瓣的另一端对称安装在所述压紧片的两侧，在所述开合瓣打开或关闭的情况下，所述压紧片基于所述弹性件上升或下降。

根据本公开实施例，在手术操作者利用从操作手实施手术过程中，从操作手与人体组织之间产生的交互力会反馈给主操作手，通过上位机将反馈力分解为推动反馈力和扭转反馈力，分别控制第一反馈装置和第二反馈装置运动模拟推动反馈力和扭转反馈力，从而可以将推动反馈力和扭转反馈力分别反馈至操作手柄，以便手术操作者感受从操作手受力情况，进而可以制定对应的手术方案，避免损伤人体组织，可以提高手术的准确性。上位机利用第一反馈装置和二反馈装置传递的操作手柄的第一位姿信息和第二位姿信息，可以较为精准的控制从操作手模拟操作手柄的运动轨迹，进而完成手术操作。通过设置多个串联的第二传动组件，第二传动组件之间转动连接，可以具有较大的活动空间，较好的灵活性。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的力反馈型主操作手的立体图；

图2示意性示出了如图1所示的实施例在传动机构转动后的立体图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的姿态调整装置的立体图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的中心轴的安装位置图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的第二反馈单元的立体图；

图6至图8示意性示出了根据本公开实施例的第一连杆的立体图；

图9示意性示出了根据本公开实施例的操作手柄的立体图。

附图标记

1、基座；

2、传动机构；21、第一反馈装置；211、位置调整装置；2111第二传动组件；212抱闸；22、第二反馈装置；221、第二反馈单元；2211、反馈组件；22111、第一电机；22112、第一齿轮；22113、第二齿轮；2212、中心轴；22121、安装座；222、姿态调整装置；2221、转台；2222、第一传动组件；22221、第一连杆；222211、第一部分；2222111、凸起；222212、第二部分；222213、第三部分；22222、第二连杆；

3、操作手柄；31、握把部；32、开合部；321、开合座；322、开合连杆；323、压紧片；324、弹性件；325、开合瓣。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

在此公开本公开结构实施例和方法的描述。应当了解，这并不意图将本公开限制在特定公开的实施例中，本公开可以通过使用其它特征，元件、方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。

图1示意性示出了根据本公开实施例的力反馈型主操作手的立体图。图2示意性示出了如图1所示的实施例在传动机构转动后的立体图。

如图1至图2所示，本公开实施例提出一种力反馈型主操作手。力反馈型主操作手被配置为基于上位机控制从操作手执行手术操作。力反馈型主操作手包括基座1、传动机构2和操作手柄3。力反馈型主操作手可以设置在距离手术台一定距离的位置上，力反馈型主操作手和从操作手之间连接有上位机，通过将力反馈型主操作手中操作手柄3的位置信息传输至上位机，上位机基于位置信息驱动从操作手运动，实施手术操作。通过将从操作手受到人体组织施加的反馈力传输到上位机，上位机基于反馈力控制传动机构2运动，从而将反馈力传输至操作手柄3，使操作者感受从操作手受到的反馈力。

具体地，传动机构2分别与基座1和操作手柄3连接。传动机构2包括第一反馈装置21和第二反馈装置22。第一反馈装置21包括位置调整装置211。位置调整装置安装在基座1上。位置调整装置211包括多个串联的第二传动组件2111。第二传动组件2111可以设置为三个(如图2中的第二传动组件2111a、第二传动组件2111b和第二传动组件2111c)，第二传动组件2111c可以连接第二反馈装置22。第二传动组件2111c和第二传动组件2111b之间可以有两个相互垂直的转动关节，从而第二传动组件2111c可以绕第二传动组件2111b在两个相互垂直的平面内转动(例如，绕图2中x和y轴转动)。第二反馈装置22的轴线可以与第二反馈装置的轴线重合。第二传动组件2111转动地安装在基座1上。在手术过程中，上位机基于人体组织给从操作手的推动反馈力，控制第二传动组件2111转动，以推动操作手柄3移动和/或摆动。推动反馈力可以是在手术过程中，从操作手向人体组织施加推动力的过程中，人体组织反馈至从操作手的移动方向的力。在操作手柄3向传动机构2施加作用力时，位置调整装置211将操作手柄3的第一位姿信息传递至上位机上。第二反馈装置22基于第一反馈装置21摆动和/或移动。第二反馈装置22被配置为在手术过程中，基于人体组织给从操作手的扭转反馈力控制操作手柄3的摆动和/或转动。扭转反馈力可以是在手术过程中，从操作手向人体组织施加扭转力的过程中，人体组织反馈至从操作手的转动方向的力。在操作手柄3向传动机构2施加作用力时，姿态调整装置222将操作手柄3的第二位姿信息传递至上位机上，上位机基于第一位姿信息和第二位姿信息控制从操作手运动。上位机可以是将第一位姿信息和第二位姿信息融合后，根据融合后的整体位置信息驱动从操作手运动。

根据本公开实施例，在手术操作者利用从操作手实施手术过程中，从操作手与人体组织之间产生的交互力会反馈给主操作手，通过上位机将反馈力分解为推动反馈力和扭转反馈力，分别控制第一反馈装置21和第二反馈装置22运动模拟推动反馈力和扭转反馈力，从而可以并将推动反馈力和扭转反馈力分别反馈至操作手柄3，以便手术操作者感受从操作手受力情况，进而可以制定对应的手术方案，避免损伤人体组织，可以提高手术的准确性。上位机利用第一反馈装置21和二反馈装置传递的操作手柄3的第一位姿信息和第二位姿信息，可以较为精准的控制从操作手模拟操作手柄3的运动轨迹，进而完成手术操作。通过设置多个串联的第二传动组件，第二传动组件之间转动连接，可以具有较大的活动空间，较好的灵活性。

如图1至图2，在一些实施例中，第二反馈装置22包括第二反馈单元221和姿态调整装置222。第二反馈单元221安装在第一反馈装置21上。姿态调整装置222可转动地安装在第二反馈单元221上。在手术过程中，第二反馈单元221基于人体组织给从操作手的扭转反馈力，控制姿态调整装置222沿第一反馈装置21的轴线摆动和/或转动，以带动操作手柄3的摆动和/或转动。在操作手柄3向传动机构2施加作用力时，姿态调整装置222将操作手柄3的第二位姿信息传递至上位机上，上位机基于第一位姿信息和第二位姿信息控制从操作手运动。

图3示意性示出了根据本公开实施例的姿态调整装置的立体图。图4示意性示出了根据本公开实施例的中心轴的安装位置图。

如图1至图4所示，在一些实施例中，姿态调整装置222包括转台2221和至少三个第一传动组件2222。操作手柄3安装在转台2221上。第一传动组件2222的第一端均匀安装在转台2221的边缘，第一传动组件2222的第二端可转动的安装在第二反馈单元221的中心轴2212的安装座22121上，第二反馈单元221基于扭转反馈力控制每个第一传动组件2222的转动角度，进而控制转台2221的摆动和/或转动，从而推动操作手柄3的摆动和/或转动，通过设置三个第一传动组件2222可以模拟从操作手扭转反馈力。

如图1至图4所示，在一些实施例中，第一传动组件2222包括第一连杆22221和第二连杆22222。第一连杆22221包括第一部分222211、第二部分222212和第三部分222213。第一部分222211套设在第二反馈单元221的中心轴2212上，第一部分222211的外周形成有凸起2222111。第一部分222211的第一端基于凸起2222111嵌设在第二反馈单元221上。第二部分222212的第一端由第一部分222211的第二端垂直延伸。第三部分222213的第一端由第二部分222212的第二端倾斜延伸。第一连杆22221的第一端与第三部分222213的第二端转动连接，第一连杆22221的第二端安装在转台2221的边缘。

在一些实施例中，每个第三部分222213的第二端处于同一水平面上，并位于同一圆的圆周上。圆的圆心的垂直投影与第二反馈单元221的中心的垂直投影重合，第一连杆22221在第二反馈单元221的驱动下转动，进而带动第二连杆22222转动，从而驱动转台2221摆动和/或转动。

图5示意性示出了根据本公开实施例的第二反馈单元的立体图。

如图1至图5所示，在一些实施例中，第二反馈单元221包括至少三个反馈组件2211。每个反馈组件2211用于控制一个第一传动组件2222。每个反馈组件2211包括第一电机22111和第二齿轮22113。第一电机22111安装在位置调整装置211上，第一电机22111的输出轴上形成有第一齿轮22112。第二齿轮22113套设在中心轴2212上，并于第一齿轮22112啮合。第二齿轮22113上形成与第一部分222211的凸起2222111契合的凹槽，第一电机22111驱动第二齿轮22113转动，进而带动第一传动组件2222转动。

第一电机22111上可以连接编码器。操作手柄3可以安装在转台2221的中心上。在姿态调整装置222跟随操作者拉动操作手柄3运动时，姿态调整装置222安装在安装座22121上的位置与转台2221中心的距离不变，即位置信息不变，安装座22121与转台2221的相对角度发生变化，即姿态信息发生变化。操作手柄3的安装位置可以表征为夹持点。第一位姿信息和第二位姿信息可以表征为夹持点的位置信息和姿态信息。在三个第一传动组件2222运动过程中，不改变夹持点的位置信息，只改变夹持点的姿态。角度的变化可由第一电机22111上的编码器输出至上位机，即角度的变化可以为第二位姿信息。上位机基于第二位姿信息控制从操作手末端的姿态。人体组织反馈至从操作手的转动方向的力，即扭转力矩，也可由主操作手处的第一电机22111反馈至操作手柄3。反馈组件2211还可以包括电机壳，电机壳分别套设在第一电机22111上，电机壳的尺寸可以与电机尺寸相匹配。电机壳的高度小于等于10毫米。三个第一齿轮22112的尺寸相同。三个第二齿轮22113可以由安装座22121依次叠放(如图4所示)，并且三个第二齿轮22113的标称轴直径依次变大，其余尺寸，例如压力角、模数、齿数等参数可以相同。

图6至图8示意性示出了根据本公开实施例的第一连杆的立体图。

在一些实施例中，至少一个第一部分222211套设在前一个第一部分222211上，进而通过前一个第一部分222211套设在第二反馈单元221的中心轴2212上，每个第二部分222212和第三部分222213的夹角不同，以使每个第三部分222213的第二端处于同一水平面上，并位于同一圆的圆周上，圆的圆心的垂直投影与第二反馈单元221的中心的垂直投影重合。夹角可以小于或等于5π/6。

在一些实施例中，第一反馈装置21还包括抱闸212。抱闸212，套设在基座1上，第一反馈装置21基于抱闸212的放松或锁紧沿基座1移动或固定，例如，第一反馈装置21可以沿基座1上下移动(如图1的上下)。

在一些实施例中，每个第二传动组件2111包括第二电机(图中未示出)和编码器。多个第二传动组件通过第二电机转动连接，换句话说，第二传动组件之间通过第二电机转动连接。编码器被配置为基于第二电机的转角确定第一位姿信息。

图9示意性示出了根据本公开实施例的操作手柄的立体图。

如图1至图9所示，在一些实施例中，操作手柄3包括握把部31和开合部32。握把部31与传动机构2连接，操作者通过握把部31向传动机构2施加作用力。开合部32包括开合座321、弹性单元(图中未示出)、两片开合瓣325和传感器。开合座321安装在传动机构2上，形成有容纳空间。弹性单元(图中未示出)安装在容纳空间内。开合瓣325一端对称安装在开合座321的两侧，另一端延伸至容纳空间与弹性机构连接，在开合瓣325打开或关闭的情况下，开合瓣325挤压或拉伸弹性机构。传感器与弹性机构连接。传感器被配置为检测弹性机构受到的压力或拉力，上位机基于压力或拉力控制从操作手进行开合运动。通过手握在握把部31，可以实现拖动传动机构2转动或移动，通过挤压或放松开合瓣325，可以开合瓣325打开或关闭。

在一些实施例中，弹性单元包括开合连杆322和压紧片323。开合连杆322安装在容纳空间中。压紧片323套设在开合连杆322上，并基于弹性件324与开合座321内壁连接，开合瓣325的另一端对称安装在压紧片323的两侧，在开合瓣325打开或关闭的情况下，压紧片323基于弹性件324上升或下降。当操作者对开合瓣325进行按压时，装在压紧片323上的编码器，可以输出压紧片323的移动距离，通过对夹持力与压紧片323移动距离之间的关系，上位机可以控制从操作手执行相应的夹持操作。弹性件324反馈的弹性力，可以反馈从操作手执行夹持操作时受到的反馈力。

如图2所示，在一些实施例中，握把部31上装有按钮311，当操作者按下按钮311并移动握把部31控制从操作手进行手术操作时，第一电机22111和第二电机会将从操作手感受到的拉扯力与扭转力反馈至握把部31，弹性单元将从操作手感受到的夹持力的反作用力反馈至握把部31，从而使操作者更加真实的感受到手术操作的过程，对提高医疗机器人手术质量有极大的帮助。按钮311可以是开关，在按钮311被按压的情况下，力反馈型主操作手通电，在按钮311处于放松状态的情况下，力反馈型主操作手断电。

上述具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上上述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。