本發(fā)明涉及手術(shù)機(jī)器人，特別涉及一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、微創(chuàng)手術(shù)是一種醫(yī)生通過內(nèi)窺鏡、專用手術(shù)器械，在不造成巨大創(chuàng)口的情況下施行的手術(shù)。為了追求創(chuàng)傷小、術(shù)后恢復(fù)好的效果，微創(chuàng)手術(shù)經(jīng)歷了從多孔、單孔腔鏡手術(shù)到自然腔道手術(shù)的發(fā)展過程，自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)是將機(jī)械臂通過人體腔道到達(dá)病變組織進(jìn)行手術(shù)的方式，可以達(dá)到體表無疤痕的效果。目前，內(nèi)鏡式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)成為了手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題之一。現(xiàn)有內(nèi)鏡式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人普遍采用主從操作模式。主操作手作為醫(yī)生與從執(zhí)行器的人機(jī)交互設(shè)備，醫(yī)生通過控制主操作手實(shí)現(xiàn)從執(zhí)行器在腔道內(nèi)進(jìn)行病變探查與人體組織操作。

2、為了使醫(yī)生能夠感受到與人體組織之間的相互作用力，主操作手通常還應(yīng)該具有力反饋的功能。傳統(tǒng)的力反饋主操作手通常為通用型設(shè)計(jì)，對(duì)于手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)來說有缺少自由度、工作空間不匹配、姿態(tài)角輸出范圍受限、手腕不夠靈活等缺點(diǎn)，另外還具有力反饋精度不足等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的不足，提供一種主操作手操作便捷、力反饋精度高的主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括主操作手模塊、從執(zhí)行器模塊以及上位機(jī)，所述主操作手模塊、所述從執(zhí)行器模塊均與所述上位機(jī)通信連接，所述從執(zhí)行器模塊設(shè)置有力矩傳感器，所述傳感器用于采集力矩信號(hào)并發(fā)送至上位機(jī)，所述主操作手模塊設(shè)置有力反饋電機(jī)，所述力反饋電機(jī)用于施加阻力矩，以在操作過程中手部感受到力反饋；

3、所述主操作手模塊包括主手偏航組件、主手俯仰組件、主手旋轉(zhuǎn)組件以及主手剪切組件；所述主手偏航組件用于控制所述從執(zhí)行器模塊整體的偏航角度，操作時(shí)對(duì)應(yīng)手腕的偏航角度；所述主手俯仰組件用于控制所述從執(zhí)行器模塊整體的俯仰角度，操作時(shí)對(duì)應(yīng)手腕的俯仰角度；所述主手旋轉(zhuǎn)組件用于控制所述從執(zhí)行器模塊整體的旋轉(zhuǎn)角度，作時(shí)對(duì)應(yīng)手腕相對(duì)于小臂中心軸的旋轉(zhuǎn)角度；所述主手剪切組件用于控制所述從執(zhí)行器模塊的夾持剪切部的張開與閉合，操作時(shí)對(duì)應(yīng)手指的剪切動(dòng)作。

4、所述從執(zhí)行器模塊包括執(zhí)行驅(qū)動(dòng)端以及執(zhí)行末端，所述執(zhí)行驅(qū)動(dòng)端包括多個(gè)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)座。

5、系統(tǒng)的執(zhí)行過程包括執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行末端、力矩傳感器采集力矩信號(hào)、信號(hào)傳遞給上位機(jī)、上位機(jī)對(duì)力矩信號(hào)通過訓(xùn)練后的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行分析判斷來獲得執(zhí)行末端各個(gè)自由度的狀態(tài)、上位機(jī)向主操作手模塊的各個(gè)力反饋電機(jī)發(fā)送指令、力反饋電機(jī)作出響應(yīng)、手部感受到力反饋電機(jī)的阻力矩并對(duì)應(yīng)調(diào)整操作狀態(tài)，循環(huán)過程。

6、進(jìn)一步地，所述主手偏航組件包括偏航力反饋電機(jī)和支撐座，所述支撐座與所述偏航力反饋電機(jī)連接，所述主手俯仰組件與所述支撐座連接，所述偏航力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述支撐座、手腕的偏航運(yùn)動(dòng)受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

7、進(jìn)一步地，所述支撐座設(shè)置為半圓環(huán)形，操作時(shí)便于手腕放置在所述支撐座上。

8、進(jìn)一步地，所述主手俯仰組件包括俯仰力反饋電機(jī)和連桿，所述連桿與所述俯仰力反饋電機(jī)連接，所述俯仰力反饋電機(jī)與所述支撐座連接，所述主手旋轉(zhuǎn)組件、所述主手剪切組件與所述連桿連接，所述俯仰力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述連桿、手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

9、進(jìn)一步地，所述連桿設(shè)置為門架形，所述連桿的第一端與所述俯仰力反饋電機(jī)連接，所述支撐座還連接有重力平衡電機(jī)，所述連桿的第二端與所述重力平衡電機(jī)連接，所述重力平衡電機(jī)用于產(chǎn)生與所述連桿上所述主手旋轉(zhuǎn)組件以及所述主手剪切組件形成的重力矩相反的平衡力矩。

10、進(jìn)一步地，所述主手旋轉(zhuǎn)組件包括旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)和旋轉(zhuǎn)座，所述旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)與所述連桿連接，所述旋轉(zhuǎn)座的第一端與所述旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)連接，所述旋轉(zhuǎn)座的第二端與所述主手剪切組件連接，所述旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述旋轉(zhuǎn)座、手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

11、進(jìn)一步地，所述主手剪切組件包括剪切力反饋電機(jī)、剪切座、握把以及控制扳機(jī)，所述剪切座與所述旋轉(zhuǎn)座的第二端連接，所述握把與所述剪切座連接，所述剪切力反饋電機(jī)設(shè)置在所述剪切座上，所述控制扳機(jī)與所述剪切力反饋電機(jī)連接，所述控制扳機(jī)設(shè)置有環(huán)扣，所述剪切力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述剪切座、手指的動(dòng)作受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

12、進(jìn)一步地，所述控制扳機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與所述主手俯仰組件的旋轉(zhuǎn)軸平行設(shè)置，與所述主手旋轉(zhuǎn)組件的旋轉(zhuǎn)軸正交設(shè)置，以符合手部的操作習(xí)慣并使手腕進(jìn)行俯仰以及剪切操作時(shí)順暢。

13、進(jìn)一步地，所述執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)、俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和剪切驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)、所述俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)、所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及所述剪切驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述執(zhí)行末端分別通過對(duì)應(yīng)的鋼絲連接，每個(gè)所述執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)均配置所述力矩傳感器。

14、本發(fā)明的上述方案有如下的有益效果：

15、本發(fā)明提供的帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，通過從執(zhí)行器模塊的力矩傳感器采集力矩信號(hào)并發(fā)送至上位機(jī)，依靠上位機(jī)對(duì)力矩信號(hào)進(jìn)行分析判斷，后續(xù)再發(fā)送指令至主操作手模塊，以使主操作手模塊的力反饋電機(jī)產(chǎn)生阻力矩，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生在主操作手模塊操作時(shí)的力反饋，保證了主操作手模塊力反饋的可靠性、精度，且主操作手模塊與從執(zhí)行器模塊之間通過不斷交流與迭代，形成準(zhǔn)確可靠的手術(shù)操作過程；

16、本發(fā)明提供的帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，主操作手模塊的四個(gè)自由度組件符合人體手部的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，讓醫(yī)生擁有更好的手部操作空間，同時(shí)各個(gè)組件設(shè)置合理，保證了醫(yī)生操作的舒適性、便捷性、準(zhǔn)確性；

17、本發(fā)明的其它有益效果將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，包括主操作手模塊、從執(zhí)行器模塊以及上位機(jī)，所述主操作手模塊、所述從執(zhí)行器模塊均與所述上位機(jī)通信連接，所述從執(zhí)行器模塊設(shè)置有力矩傳感器，所述傳感器用于采集力矩信號(hào)并發(fā)送至上位機(jī)，所述主操作手模塊設(shè)置有力反饋電機(jī)，所述力反饋電機(jī)用于施加阻力矩，以在操作過程中手部感受到力反饋；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述主手偏航組件包括偏航力反饋電機(jī)和支撐座，所述支撐座與所述偏航力反饋電機(jī)連接，所述主手俯仰組件與所述支撐座連接，所述偏航力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述支撐座、手腕的偏航運(yùn)動(dòng)受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐座設(shè)置為半圓環(huán)形，操作時(shí)便于手腕放置在所述支撐座上。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述主手俯仰組件包括俯仰力反饋電機(jī)和連桿，所述連桿與所述俯仰力反饋電機(jī)連接，所述俯仰力反饋電機(jī)與所述支撐座連接，所述主手旋轉(zhuǎn)組件、所述主手剪切組件與所述連桿連接，所述俯仰力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述連桿、手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述連桿設(shè)置為門架形，所述連桿的第一端與所述俯仰力反饋電機(jī)連接，所述支撐座還連接有重力平衡電機(jī)，所述連桿的第二端與所述重力平衡電機(jī)連接，所述重力平衡電機(jī)用于產(chǎn)生與所述連桿上所述主手旋轉(zhuǎn)組件以及所述主手剪切組件形成的重力矩相反的平衡力矩。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述主手旋轉(zhuǎn)組件包括旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)和旋轉(zhuǎn)座，所述旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)與所述連桿連接，所述旋轉(zhuǎn)座的第一端與所述旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)連接，所述旋轉(zhuǎn)座的第二端與所述主手剪切組件連接，所述旋轉(zhuǎn)力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述旋轉(zhuǎn)座、手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述主手剪切組件包括剪切力反饋電機(jī)、剪切座、握把以及控制扳機(jī)，所述剪切座與所述旋轉(zhuǎn)座的第二端連接，所述握把與所述剪切座連接，所述剪切力反饋電機(jī)設(shè)置在所述剪切座上，所述控制扳機(jī)與所述剪切力反饋電機(jī)連接，所述控制扳機(jī)設(shè)置有環(huán)扣，所述剪切力反饋電機(jī)施加的阻力矩使所述剪切座、手指的動(dòng)作受到與所述執(zhí)行末端一致的阻力。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述控制扳機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與所述主手俯仰組件的旋轉(zhuǎn)軸平行設(shè)置，與所述主手旋轉(zhuǎn)組件的旋轉(zhuǎn)軸正交設(shè)置，以符合手部的操作習(xí)慣并使手腕進(jìn)行俯仰以及剪切操作時(shí)順暢。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)、俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和剪切驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)、所述俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)、所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及所述剪切驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述執(zhí)行末端分別通過對(duì)應(yīng)的鋼絲連接，每個(gè)所述執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)均配置所述力矩傳感器，以檢測執(zhí)行末端通過鋼絲傳遞的人體組織產(chǎn)生的反力矩。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種帶力反饋主從操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括主操作手模塊、從執(zhí)行器模塊以及上位機(jī)，主操作手模塊、從執(zhí)行器模塊均與上位機(jī)通信連接，從執(zhí)行器模塊設(shè)置有力矩傳感器，傳感器用于采集力矩信號(hào)并發(fā)送至上位機(jī)，主操作手模塊設(shè)置有力反饋電機(jī)，力反饋電機(jī)用于施加阻力矩。通過從執(zhí)行器模塊的力矩傳感器采集力矩信號(hào)并發(fā)送至上位機(jī)，依靠上位機(jī)對(duì)力矩信號(hào)進(jìn)行分析判斷，后續(xù)再發(fā)送指令至主操作手模塊，以使主操作手模塊的力反饋電機(jī)產(chǎn)生阻力矩，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生在主操作手模塊操作時(shí)的力反饋，保證了主操作手模塊力反饋的可靠性、精度，且主操作手模塊與從執(zhí)行器模塊之間通過不斷交流與迭代，形成準(zhǔn)確可靠的手術(shù)操作過程。

技術(shù)研發(fā)人員：李洲,段吉安,張镕,童主東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9