用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)，用于驅動手術工具的各自由度的每一個鋼絲繩傳動鏈路上均設置有鋼絲繩張緊力檢測裝置，所述的鋼絲繩張緊力檢測裝置用于采集驅動手術工具的各自由度的鋼絲繩的張緊力。本發(fā)明的優(yōu)點在于：能夠從本質上消除驅動力對末端手術操作力的耦合影響。
【專利說明】用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種力感覺手術工具，特別涉及一種手術機器人用多自由度絲傳動力感覺手術工具。
【背景技術】
[0002]機器人微創(chuàng)手術具有很多獨特的優(yōu)點，如較低的組織創(chuàng)傷、較高的手術操作質量、較短的康復時間、更加舒適的手術操作和更強的復雜手術適應能力。然而，現有的機器人微創(chuàng)手術最大的薄弱環(huán)節(jié)是喪失了力感覺功能。力感覺功能的喪失為手術操作帶來很多不利因素，如潛在的安全性問題、使醫(yī)生嚴重依賴于視覺反饋、延長手術操作時間并阻礙了微創(chuàng)手術機器人在復雜手術中的應用。
[0003]現有的微創(chuàng)手術機器人力感覺功能的實現面臨諸多的技術困難，特別是工具整體尺寸、切入點摩擦力和手術消毒要求等方面的限制。因此，盡管研究者提出了多種力感覺實現方法，如US4573466專利公開一種運用激光檢測手術工具桿上的操作力的力檢測方法；US8281670公開一種運用電阻應變片在手術工具桿上進行力檢測的力感覺方法；文獻“Amultifunctional PVDF-based tactile sensor for minimally invasive surgery，，通過在手術工具前端鉗體上安裝PVDF傳感器進行感覺，，力感覺技術仍然不能滿足臨床手術的苛刻要求。
[0004]在典型的微創(chuàng)手術機器人中，鋼絲繩用于多自由度手術工具所有自由度的驅動。目前的力感覺技術為通過上述的力感覺方式在工具桿上或工具鉗體上進行力檢測，在工具桿上進行力感覺的方案不能檢測手術工具開合力，在工具鉗體上的力感覺方案實現難度大，可靠性差，設計制造成本 均較高，同時難以滿足醫(yī)療器械生物相容性要求。
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服已有技術的缺點，提供一種能夠避免手術工具外徑尺寸帶來的設計與制造的空間限制；另一方面能夠使力傳感元件更加地接近手術工具前端；同時該方法也能避免引入力傳感元件后端的傳動部件的摩擦和慣量，獲得更高的力檢測精度的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0007]本發(fā)明的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)，用于驅動手術工具的各自由度的每一個鋼絲繩傳動鏈路上均設置有鋼絲繩張緊力檢測裝置，所述的鋼絲繩張緊力檢測裝置用于采集驅動手術工具的各自由度的鋼絲繩的張緊力。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0009]1.本發(fā)明提供的力感覺方案中，所有的力傳感器都安裝在手術工具的傳動盒中，易于實現手術工具的消毒和傳感器設計與制造，同時，減低力感覺系統(tǒng)的成本。
[0010]2.本發(fā)明提供的力感覺方案直接檢測傳動鋼絲繩的絲張緊力，能夠從本質上消除驅動力對末端手術操作力的耦合影響。[0011]3.本發(fā)明提供的力感覺方案中，鋼絲繩并不與手術工具桿內壁接觸，避免了在絲張緊力傳感器與手術工具腕部之間的摩擦力，電機、減速機和后部傳動機構中的摩擦力和慣量，增加力感覺系統(tǒng)的精度和解析度。
[0012]4.與現有在手術工具桿上進行力檢測的方法相比較，本發(fā)明提供的力感覺方案能夠檢測多自由度手術工具的手術操作力，特別是手術工具末端執(zhí)行器的鉗體夾持力。
[0013]5.本發(fā)明提供的力感覺方案中，絲張緊力傳感器與其他電氣元器件不需要和病人內部組織和血液接觸，能夠很方便地處理生物相容性和消毒方面的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)應用示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的力感覺系統(tǒng)的一種實施方式中的傳動盒部分結構示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的力感覺系統(tǒng)的一種實施方式中的后部傳感器安裝模塊示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明的力感覺系統(tǒng)的單自由度力檢測原理圖；
[0018]圖5是本發(fā)明的力感覺系統(tǒng)的絲張緊力傳感器結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0020]本發(fā)明的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)，用于驅動手術工具的各自由度的每一個鋼絲繩傳動鏈路上均設置有鋼絲繩張緊力檢測裝置，所述的鋼絲繩張緊力檢測裝置用于采集驅動手術工具 的各自由度的鋼絲繩的張緊力。本系統(tǒng)的工作原理為:通過鋼絲繩張緊力檢測裝置檢測并最終推算出鋼絲繩張緊力；根據檢測到的各自由度鋼絲繩張緊力能夠實現施加于手術工具末端手術操作力的力感覺。
[0021]優(yōu)選的所述的鋼絲繩張緊力檢測裝置為絲張緊力傳感器，用于驅動手術工具的各自由度的每一個鋼絲繩傳動鏈路均繞過對應設置的絲張緊力傳感器上的滑輪的凹槽。所述的絲張緊力傳感器可以為壓電傳感器、壓阻傳感器、光學傳感器中的一種。
[0022]作為本發(fā)明的一種實施方式優(yōu)選的所述的絲張緊力傳感器包括底座，在所述的底座上安裝有傳感器彈性梁5-1，在所述的傳感器彈性梁5-1頂部安裝有轉軸，在所述的轉軸上套有軸承5-2，在所述的軸承外套有滑輪5-3，在所述的傳感器彈性梁5-1側壁上套有電阻應變片4-1。采用本絲張緊力傳感器的優(yōu)點是該力傳感器通過鋼絲折彎處的合力間接檢測鋼絲繩張緊力，鋼絲運動對力檢測的干擾較小，當然也可以采用其他的定制或商業(yè)傳感器間接檢測鋼絲繩張緊力。
[0023]作為本發(fā)明的一種實施方式本系統(tǒng)的工作原理為:鋼絲繩的張緊力會向絲張緊力傳感器施加負載，造成傳感器彈性梁5-1的微應變，該應變最終通過電阻應變片4-1檢測并最終推算出鋼絲繩張緊力；根據檢測到的各自由度鋼絲繩張緊力能夠實現施加于手術工具末端手術操作力的力感覺。
[0024]下面結合CN200910306053.5專利公開的結構對本發(fā)明的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)加以詳細說明:
[0025]如圖1所示的本發(fā)明的應用整體示意圖，多自由度絲傳動手術工具由手術工具末端1-1，力感覺手術工具傳動盒1-3與手術工具桿1-2三大部件組成，所述的手術工具末端1-1直接固聯于所述的手術工具桿1-2的前端，所述的手術工具桿1-2后端固定安裝于自轉旋轉軸2-2上。
[0026]下面對CN200910306053.5專利公開的結構的多自由度轉動實現過程說明如下:
[0027]如圖1所示，工具末端1-1具有四個自由度，分別是工具自轉自由度R4，工具腕部俯仰自由度R5，工具上鉗體偏轉自由度R6，工具下鉗體偏轉自由度R7，工具自轉自由度R4提供手術工具前端繞R4的軸線自轉運動；所述的工具腕部俯仰自由度R5軸線垂直于工具自轉自由度R4，提供手術工具前端繞R5軸線的角度偏轉；所述的工具上鉗體偏轉自由度R6與工具下鉗體偏轉自由度R7同軸，同時垂直于工具腕部俯仰自由度R5，分別提供工具上鉗體1-1-1與工具下鉗體1-1-2繞R6軸線的角度偏轉。
[0028]圖2所示為力感覺手術工具傳動盒1-3結構示意圖，力感覺手術工具傳動盒1-3以工具傳動盒底座2-1為基座，工具傳動盒底座2-1轉動連接R4自由度驅動模塊D4，R5自由度驅動模塊D5，R6自由度驅動模塊D6，R7自由度驅動模塊D7與自轉旋轉軸2_2 ;所述的R4自由度驅動模塊D4通過R4自由度驅動模塊D4的上鋼絲繩C4-2與R4自由度驅動模塊D4的下鋼絲繩C4-1牽拉驅動自轉旋轉軸2-2，實現工具自轉自由度R4 ;所述的R5自由度驅動模塊D5，R6自由度驅動模塊D6與R7自由度驅動模塊D7通過六根鋼絲繩牽拉驅動工具腕部俯仰自由度R5，工具上鉗體偏轉自由度R6與工具下鉗體偏轉自由度R7。
[0029]在CN200910306053.5公開的結構中的各自由度的鋼絲繩傳動鏈路中加入絲張緊力傳感器2-4檢測鋼絲繩驅動力。如:對于工具自轉自由度R4，固定于工具傳動盒底座2-1上的第二絲張緊力傳感器2-4-2用于R4自由度驅動模塊D4的上鋼絲繩C4-2的驅動力檢測，上鋼絲繩C4-2繞過第二絲張緊力傳感器2-4-2上的滑輪設置。固定于工具傳動盒蓋板1-3-1上的第一絲張緊力傳感器2-4-1用于R4自由度驅動模塊D4的下鋼絲繩C4-1的驅動力檢測，下鋼絲繩C4-1繞過第一絲張緊力傳感器2-4-1上的滑輪設置；工具腕部俯仰自由度R5，工具上鉗體偏轉自由度R6與工具下鉗體偏轉自由度R7涉及的六根鋼絲繩的絲張緊力傳感器固定安裝于后部傳感器安裝模塊2-3中，以工具下鉗體偏轉自由度R7為例，其涉及的R7自由度驅動模塊D7的上鋼絲繩C7-1與R7自由度驅動模塊D7的下鋼絲繩C7-2分別繞過后部傳感器安裝模塊2-3中的兩個絲張緊力傳感器2-4，之后向右延伸穿過中空的自轉旋轉軸2-2和手術工具桿1-2，驅動工具下鉗體偏轉自由度R7。
[0030]圖3所示為后部傳感器安裝模塊結構示意圖，后部傳感器安裝模塊2-3以傳感器模塊底座3-1為基座，向上固定安裝三個絲張緊力傳感器2-4 ;后部傳感器安裝模塊2-3上的基座螺孔3-1-1用于后部傳感器安裝模塊2-3與工具傳動盒底座2-1的連接；后部傳感器安裝模塊2-3以其頂端的傳感器模塊頂蓋3-2為基座，向下固定安裝三個絲張緊力傳感器2-4，傳感器模塊頂蓋3-2上的頂蓋螺孔3-2-1用于傳感器模塊頂蓋3-2與傳感器模塊底座3-1的固定連接。
[0031]圖4描述本發(fā)明的單自由度力檢測原理。如圖所示，以工具上鉗體偏轉自由度R6為例，R6自由度驅動模塊D6通過兩根鋼絲繩C6-1與C6-2驅動工具上鉗體偏轉自由度R6，兩根鋼絲繩的傳動鏈路上分別設置有兩個絲張緊力傳感器2-4 ;絲張緊力傳感器2-4上布置有電阻應變片4-1，手術工具運動過程中，鋼絲繩C6-1與C6-2的張緊力會向絲張緊力傳感器2-4施加負載，造成傳感器彈性梁5-1的微應變，該應變最終通過電阻應變片4-1檢測并最終推算出鋼絲繩張緊力；根據檢測到的各自由度鋼絲繩張緊力能夠實現施加于手術工具末端手術操作力的力感覺。
[0032]圖5所示為絲張緊力傳感器結構示意圖。絲張緊力傳感器2-4以傳感器彈性梁5-1為基座，頂端通過軸承5-2轉動連接滑輪5-3，滑輪5-3外圓周上開設有凹槽用于對纏繞于其上的鋼絲繩進行導向；傳感器彈性梁5-1底部設置有傳感器螺孔5-1-1用于傳感器彈性梁5-1與后部傳感器安裝模塊2-3的連接與拆卸。
【權利要求】
1.用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)，其特征在于:用于驅動手術工具的各自由度的每一個鋼絲繩傳動鏈路上均設置有鋼絲繩張緊力檢測裝置，所述的鋼絲繩張緊力檢測裝置用于采集驅動手術工具的各自由度的鋼絲繩的張緊力。
2.根據權利要求1所述的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)，其特征在于:所述的鋼絲繩張緊力檢測裝置為絲張緊力傳感器，用于驅動手術工具的各自由度的每一個鋼絲繩傳動鏈路均繞過對應設置的絲張緊力傳感器上的滑輪的凹槽。
3.根據權利要求2所述的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)，其特征在于:所述的絲張緊力傳感器為壓電傳感器、壓阻傳感器、光學傳感器中的一種。
4.根據權利要求2所述的用于多自由度絲傳動手術工具的力感覺系統(tǒng)，其特征在于:所述的絲張緊力傳感器包括底座，在所述的底座上安裝有傳感器彈性梁，在所述的傳感器彈性梁頂部安裝有轉軸，在所述的轉軸上套有軸承，在所述的軸承外套有滑輪，在所述的傳感器彈性梁側壁上套有電阻應變片。
【文檔編號】A61B19/00GK103462694SQ201310404144
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】王樹新, 何超, 桑宏強, 蘇赫, 師云雷 申請人:天津大學