一种基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手及其系统

技术领域

本发明属于手术机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手及其系统。

背景技术

医疗机器人系统中用于手术的手术机器人通常采用主从式机械臂，操作者通过操作机器人主手带动主手末端的从手运动，通过测量主手各关节的运动信息，映射到末端的从手，驱动从手实现相应运动。

在穿刺手术机器人的实际应用中，用于控制机器人进针的自由度主要有两个转动自由度及一个线性自由度，其中两个转动自由度需要用于控制穿刺机器人上穿刺针的姿态角度，线性自由度用于控制穿刺针进针的深度。同时，穿刺针所受到的在进针方向上的作用力以及侧向力产生的合力矩需要实时地在主手端反馈从而让操作者感觉到并调整进针的方向。

传统的手术机器人主手装置普遍采用类似机械操作臂的串联结构实现多自由度的运动以及力的反馈，这种平移和旋转耦合的机构在控制时容易出现位移和姿态命令相互影响的情况，且每个自由度的实现均需对应一个关节，多自由度就是多个关节，且关节间运动易相互影响，整体结构复杂，在提供力反馈时也使得操作者难以准确感觉并区分力和力矩，这给穿刺手术的操作带来极大的不便，也给穿刺手术的精度带来了一定的影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手及其系统，通过球关节驱动电解和直线驱动电机配合作用，一方面将球关节和直线电机的旋转和直线运动传递给穿刺针，实现穿刺针穿刺过程中姿态和深度的控制，提高穿刺过程中的手术精度；另一方面，在穿刺针受到阻力时，在球关节驱动电机和直线驱动电机线圈中通入相应的电流，产生与阻力相当的电磁力，该电磁力作为阻力传递给手柄，实现力的反馈，提高穿刺手术的操作者的体验感和沉浸感。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手，该穿刺机器人主手包括手柄、直线驱动电机和球关节驱动电机，其中，

所述手柄固定连接于所述直线驱动电机上，所述球关节驱动电机固定连接于所述直线驱动电机的下端，当所述手柄上施加轴向力时，该轴向力驱动所述直线驱动电机沿轴向做轴向直线运动，所述直线驱动电机的轴向行程作为穿刺机器人从手的行程指令；当所述手柄上施加旋转力时，该旋转力带动所述球关节驱动电机绕其自身球心旋转，所述球关节驱动电机的旋转姿态作为穿刺机器人从手的姿态控制指令。

进一步优选地，所述球关节驱动电机包括球形转子和设置在该形转子球心处的球电机定子，所述球电机定子与所述球形转子连接，以此牵引所述球形转子绕所述球电机定子旋转。

进一步优选地，所述球形转子和球电机定子之间通过球关节连接，该球关节包括圆球部分和与长柄部分，所述圆球部分设置在所述球电机定子的球心处，所述长柄部分一端与所述圆球连接，另一端与所述球形转子连接。

进一步优选地，所述机器人主手还包括基座，所述球形转子上设置有开口，在该开口处，所述球电机定子与所述球形转子断开连接，与所述基座连接。

进一步优选地，所述球关节驱动电机包括还包括球电机永磁体和球电机线圈，所述球电机线圈均匀分布在所述球形转子的内表面，所述球电机定子设置在所述球形转子内部，所述球电机永磁体一一对应所述球电机线圈，均匀分布在所述球电机定子上，在不同位置处的所述球电机线圈中通入电流后，该球形电机线圈与其对应的球形电机永磁体之间产生电磁力，该电磁力作为阻力反馈至所述手柄上，以此感知所述穿刺针圆周方向上不同位置处受到的阻力。

进一步优选地，所述直线驱动电机包括直线电机外壳、直线电机线圈和直线电机永磁体，所述直线电机外壳呈线性，所直线电机线圈均匀分布在所述直线电机外壳内，所述直线电机永磁体设置在所述直线电机线圈上，且与所述直线电机线圈相对设置，所述手柄与所述直线电机永磁体固定连接，在手柄上施加力，带动所述直线电机永磁体沿该直线驱动电机的轴向进行直线运动；在所述直线电机线圈中通入电流，直线电机线圈和永磁体之间产生电磁力并反馈至所述手柄上，以此感知所述穿刺针在深度方向上受到的阻力。

按照本发明的另一个方面，提供了一种穿刺手术机器人系统，该机器人系统包括上述所述的机器人主手、传感器、控制器、手术机器人和穿刺针，其中：

所述传感器与所述机器人主手相连，用于采集所述直线驱动电机和球形驱动电机的行程和姿态信息，并将该行程和姿态信息传递给所述控制器；

所述控制器同时与所述传感器和机器人从手连接，用于将所述传感器采集的信息转化为所述机器人从手的操作指令；

所述机器人从手用于夹持所述穿刺针，并根据所述操作指令带动所述穿刺针进行穿刺手术。

进一步优选地，该机器人系统还包括阻力传感器，该阻力传感器用于测量所述穿刺针受到的阻力，并将测量的阻力传递给所述控制器；所述控制器根据所述阻力转化为电信号，并依据该电信号向所述直线驱动电机和球关节驱动电机中通入相应的电流，以此在所述直线驱动电机和球关节驱动电机中形成与所述阻力相应的电磁力，实现力的反馈。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明用于解决传统手术机器人主手应用在穿刺手术中自由度冗余及难以实现位置与姿态间解耦的问题，为此设计了一种基于球关节驱动以及直线驱动的手术机器人主手装置，使得通过手术机器人主手上的球形关节驱动电机与直线驱动电机，直接控制穿刺手术机器人末端穿刺针的姿态与进针深度，避免通过多关节串联，以及关节之间运动彼此相互影响，简化结构，但保留原有的多自由度功能；

2.本发明中通过将球形转子与球电机定子通过球关节连接，牵引球形转子绕球电机定子转动，并保持定子不自转，另外，通过球形转子上设置开口，一方面开口处球形转子与球电机转子断开连接，另一方面开口处球电机转子与基座连接，使得球形转子不能旋转至开口处，限制球形转子的自由度，避免球形驱动电机控制穿刺针的穿刺深度；

3.本发明中的球形驱动电机和直线驱动电机均包括线圈和磁铁，其并不仅仅是传递手柄上的力控制穿刺针的穿刺深度和姿态，在穿刺针在穿刺过程中受到阻力时，在线圈中通入相应的电流，通过线圈和磁铁之间产生的电磁力模拟受到的阻力，实现力的反馈；

4.本发明比起传统的手术机器人主手，通过球关节驱动与直线驱动电机串联的结构，实现了位置与多自由度姿态间的解耦，结构更简单，主手命令更准确；采用直驱的方式，可实现手术机器人主从端的力反馈功能，与传统的手术机器人主手相比，这种直驱控制方式能够提供更高精度的反馈力以及反馈力矩，更好地满足了穿刺手术对机器人主手的要求。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的机器人主手控制操作末端穿刺过程示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的球关节驱动电机的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的直线驱动电机的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-球关节驱动电机，2-直线驱动电机，3-穿刺针，4-球形转子，5-球电机永磁体，6-球电机线圈，7-球电机定子，8-球关节，9-基座，10-直线电机外壳，11-直线电机永磁体，12-直线电机线圈，13-手柄。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示是基于球关节驱动的穿刺手术机器人主手结构示意图，球关节驱动的手术机器人主手包括以下结构：球关节驱动电机1，直线驱动电机2。球关节驱动电机1以及直线驱动电机2中均包括定子与转子上分别布置有电磁线圈与永磁体，当电磁线圈通电后，通过定子上电磁线圈与转子上永磁体之间电磁力的作用，可以驱动球关节驱动电机以及直线驱动电机分别进行旋转和直线运动，同时也能够提供穿刺手术机器人在反馈力矩及反馈力。

如图2所示是机器人主手穿刺过程示意图，穿刺手术机器人在进行经皮穿刺时，需要控制穿刺针3穿入角度以及穿刺针3的穿刺深度，本发明提供的穿刺机器人主手由一个直线驱动电机2和一个球关节驱动电机1构成，其中直线驱动电机2用于控制穿刺手术机器人末端穿刺针3的线性自由度，即穿刺深度；球关节驱动电机1用于控制穿刺手术机器人末端穿刺针3的转动自由度，即穿刺针的姿态。

与机器人主手的球关节驱动电机1和直线驱动电机2分别相连的有测量元件，在转动穿刺机器人主手时，与球关节驱动电机相连的测量元件测量得到的当前状态下的球关节驱动电机的姿态输入至手术机器人末端，即可实现对穿刺手术机器人末端穿刺针的姿态角度控制；同理，在上下驱动直线驱动电机2时，与该直线驱动电机2相连的测量元件测量直线电机的当前状态，并将获得的状态传递给机器人末端，即可实现对穿刺手术机器人末端穿刺针3的穿刺深度的控制，通过球关节驱动电机1所提供的驱动力矩以及直线电机的驱动力，可实现穿刺手术机器人的转动自由度力矩反馈以及线性自由度的力反馈。

图3所示的是球关节驱动电机的结构示意图，如图中所示，该球关节驱动电机由球电机定子7、球电机线圈6，球电机永磁体5、球形转子4和基座9构成，球电机定子7的上面设置有球电机永磁体5，球形转子4上设置有球形电机线圈6，通过球电机线圈6及球电机永磁体5之间的电磁力作用，可以驱动球关节电机1进行转动，球形转子4和球电机定子7之间通过球关节8连接。通过球关节驱动电机姿态测量元件测得球形转子4当前的姿态，再通过球关节实现自重平衡所需的驱动电流、电压的解算，即可实现穿刺手术机器人主手在任意位置静止的功能。通过穿刺手术机器人从端的反馈力测量元件，即可对球关节驱动电机所需的驱动电压进行求解，通过主手的反向驱动实现手术机器人的主从力矩反馈控制。

图4所示的直线驱动电机的驱动方式与球关节驱动电机同理。如图中所示，该直线驱动电机由直线电机外壳10、直线电机永磁体11，直线电机线圈12，手柄13构成，直线电机外壳10的上面设置有直线电机线圈12，手柄13上设置有直线电机永磁体11，通过直线电机线圈12与直线电机永磁体11之间的电磁力作用，可以驱动直线电机进行线性自由度方向上的移动。通过穿刺手术机器人从端的反馈力测量元件，即可对直线驱动电机所需的驱动电压进行求解，通过主手的反向驱动实现手术机器人在线性自由度方向上的主从力反馈控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。