一种主端操作装置和手术机器人的制作方法

1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体而言涉及一种主端操作装置和手术机器人。


背景技术：

2.医疗手术微器械具有定位准确、运行稳定、灵巧性强、工作范围大、不怕辐射和感染等优点，广泛的应用于各种手术中。手术微器械的使用有助于提高外科医生手术的精度，解决外科医生手部的颤抖、疲劳、肌肉神经的反馈，能够使医生在最舒适的状态下进行手术操作，对于提高手术成功率、减轻患者痛苦具有重要价值，近年来其研究已经成为医疗器械应用的新领域。
3.在医生端一般通过操作机器人主手，测量医生的手部的位置、姿态及手指的开合，从而将手部的动作以一定的放大比映射到病人侧的机器人从手端，使医生能够灵活自如地操作手术器械。
4.在主手的末端一般会配置有三轴云台，用于测量手部的姿态，在云台的末端配有一夹爪，医生通过控制夹爪来控制从手端器械的开合角度，实现剪切、缝合等操作。因此夹爪在机器人手术中是全程高频使用的关键部件。
5.夹爪提供给操作者的触觉反馈对操作者的操作判断至关重要。而实际操作过程中，如操作夹钳，一般主手夹爪会通过某种手段模拟从手夹钳上的二段力的感觉。即第一段力从夹爪张开的最大角度处往回运动到接近夹爪夹紧的位置，实现对从手端夹钳开合的位置映射控制；在主手夹爪的第一段行程的末端，相映射的从手夹爪一般已经或者非常接近闭合，但输出力相对较小。第二段力从接近夹紧的微小角度开始到完全夹紧或用力夹紧、用力剪切，提供给操作着用力夹紧的触觉。一般主手夹爪的二段力切换角度为当主手两夹爪的夹角在10
°
以内时出现，从而提示并反馈给医生正在执行具有相当输出力的夹紧或者切割操作。这种二段夹紧力反馈的发生角度和力度对医生操作来说有非常重要的意义，是医疗机器人主手控制的关键点。
6.目前的二段力夹爪，多通过不同刚度和长度的弹簧的原理来模拟二段力，并通过曲柄连杆、成对啮合齿轮等机构将两个夹爪的运动耦合到一起以模拟对称夹持。
7.然而上述类型的夹爪存在诸多问题。例如，在紧凑的空间内，两个不同刚度的弹簧的放置位置和压缩距离难以精确配合；角度测量组件的结构复杂、占用空间大；连杆强度低、受力不同步；齿轮易出现啮合间隙导致不精确等。
8.因此，需要一种主端操作装置和手术机器人，以至少部分地解决以上问题。


技术实现要素：

9.在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保
护范围。
10.为至少部分地解决上述问题，本实用新型提供了一种主端操作装置，用于手术机器人，包括：
11.装置主体；
12.一对操作机构，所述一对操作机构分别可枢转地连接于所述装置主体的两侧，所述操作机构上设置有主动部；
13.可移动件，所述可移动件至少部分地设置于所述装置主体内，且构造为能够沿所述装置主体的轴向移动，所述可移动件设置有被动部，所述被动部与所述主动部干涉，以使得所述可移动件能够在所述操作机构的作用下沿所述轴向移动，所述被动部具有第一约束面，所述第一约束面沿起始端至终端包括至少一个折弯部，所述折弯部朝向所述装置主体的中心面凹陷；
14.弹性件，所述弹性件构造为提供驱使所述可移动件朝向靠近所述主端操作装置的顶端移动的弹性力。
15.根据本实用新型的主端操作装置，结构简单、连接部件的强度高，能够精确控制力的跃迁，且夹紧力的输出易控制，同时还能够容易地保持一对操作机构的对称运动。
16.进一步地，所述第一约束面位于起始端至所述折弯部的部分为第一约束段，所述第一约束面位于所述折弯部至终端的部分为第二约束段，所述第一约束段与所述折弯部的界限处相对于所述装置主体径向截面的斜率小于所述折弯部与所述第二约束段的界限处的斜率。
17.进一步地，所述第一约束段和/或所述第二约束段为平面或曲面。
18.进一步地，所述被动部还具有第二约束面，所述第二约束面与所述第一约束面间隔设置，以在所述第二约束面和所述第一约束面之间形成容纳所述主动部运动的空间，所述第二约束面与所述径向截面形成夹角。
19.进一步地，所述第二约束面包括第三约束段和第四约束段，所述第三约束段与所述第四约束段连接，所述第三约束段与所述第一约束段相对应，所述第四约束段与所述第二约束段相对应，所述第二约束面与所述第一约束面平行设置。根据上述设置，可以使得对二段力的操作更加精确。
20.进一步地，所述主动部包括主动轴，所述主动轴设置于所述第一约束面和所述第二约束面之间。
21.进一步地，所述操作机构包括本体，
22.所述主动轴的两端设置有轴承，其中所述轴承的外圈与所述本体连接，所述轴承的内圈与所述主动轴连接。
23.进一步地，所述可移动件包括：
24.移动块，所述移动块设置于所述装置主体内，所述被动部设置于所述移动块，且所述移动块的外周被所述装置主体的内周所限定；以及
25.伸缩杆，所述伸缩杆从所述移动块沿远离所述顶端的方向延伸出所述装置主体。
26.进一步地，所述装置主体的顶部设置有通孔；
27.所述伸缩杆贯穿所述移动块并延伸至所述顶端处，其且延伸进入所述通孔；
28.所述主端操作装置还包括定位套，所述定位套延伸进入所述通孔并套设于所述伸
缩杆，且所述定位套的外周被所述通孔的内周限定。由此，能够提高结构强度，提高了一对操作机构的运动对称性。
29.进一步地，所述弹性件构造为压缩弹簧；
30.所述主端操作装置包括固定件，所述固定件设置于所述装置主体内，且所述固定件相对于所述移动块更远离所述主端操作装置的顶端，所述弹性件连接在所述移动块和所述固定件之间；
31.或者，所述弹性件连接在所述操作机构和装置主体之间。
32.进一步地，所述一对操作机构沿所述主端操作装置的中心轴线对称；并且/或者
33.所述操作机构还包括指套，所述指套设置在所述本体上。
34.本实用新型的第二方面提供一种手术机器人，包括上述第一方面所述的主端操作装置。
35.根据本实用新型的手术机器人，能够起到与上述第一方面的主端操作装置相类似的技术效果。
附图说明
36.本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。
37.附图中：
38.图1为根据本实用新型的主端操作装置的正视示意图；
39.图2为图1中主端操作装置的局部透视图；
40.图3为图1中主端操作装置的侧视示意图；
41.图4为图1中主端操作装置的a-a’向剖切面示意图；
42.图5为图4中c部分的放大示意图；以及
43.图6为图3中主端操作装置的b-b’向剖切面示意图
44.附图标记说明：
45.100：主端操作装置
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110：装置主体
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111：通孔
46.112：枢转轴
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120：操作机构
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121：本体
47.122：主动轴
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123：轴承
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124：指套
48.125：顶端
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130：移动块
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131：第一约束面
49.132：第一约束段
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133：第二约束段
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134：第二约束面
50.135：第三约束段
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136：第四约束段
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137：移动槽
51.138：第一移动段
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139：第二移动段
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140：伸缩杆
52.150：弹性件
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160：固定件
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170：定位套
53.141：折弯部
具体实施方式
54.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些
技术特征未进行描述。
55.为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的描述。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本实用新型的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。显然，本实用新型实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。
56.应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
57.本实用新型中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明目的，并非限制。
58.现在，将参照图1到图6更详细地描述根据本实用新型的示例性实施例。
59.参考图1到图4，本实用新型的一种优选实施方式的主端操作装置100包括装置主体110、一对操作机构120、可移动件和弹性件150。
60.操作机构120可枢转地连接于装置主体110，且一对操作机构120分别位于装置主体110的两侧。例如，操作机构120可以通过枢转轴112与装置主体110可枢转地连接。
61.操作机构120上设置有主动部。优选地，为了便于操作，使其不易脱手，操作机构120包括本体121和设置在本体121上的指套124。示例性地，指套124可以根据不同手指的形状定制，以便于手指的插入操作。在一种优选实施方式中，一对操作机构120沿主端操作装置100的中心轴线对称设置。
62.可移动件至少部分地设置于装置主体110内。其构造为能够沿装置主体110的轴向移动。在一种可选实施方式中，装置主体110内设置有固定件160。且固定件160相对于移动块130更远离主端操作装置100的顶端125。弹性件150优选连接在可移动件和固定件160之间，弹性件150构造为压缩弹簧，以提供使得可移动件向上移动或者说朝向靠近主端操作装置100的顶端125移动的弹力。
63.在操作机构120与装置主体110之间小夹角的前提下，可以使得弹性件150的压缩量设定的很小，使得弹簧的输出力接近于恒定值，从而避免弹簧力变化因素的引入，使得输出力更稳定。
64.可移动件设置有能够和主动部干涉的被动部。由此，被动部在主动部的作用下，使得可移动件能够沿轴向移动。优选地，对应于一对操作机构120，一对被动部也对称设置。其中，被动部具有第一约束面131，第一约束面131具有至少一个折弯部141(图5中所示)。并且折弯部141朝向装置主体110的中心面p凹陷。其中，中心面p是指平分装置主体110，且使一对操作机构120对称的平面。
65.具体而言，第一约束面131包括一个折弯部141。由此使得第一约束面131被折弯部
141分隔成第一约束段132和第二约束段133。换言之，第一约束面131的位于起始端至折弯部141的部分构造为上述第一约束段132。第一约束面131的位于折弯部141至终端的部分构造为第二约束段133。其中，起始端是指被动部的远离中心平面p的端部，终端是指被动部的靠近中心平面p的端部。
66.由此，折弯部141即构造成第一约束面131的拐角，或者说弯折角。具体而言其是隶属于第一约束面131的一小段曲面。
67.优选地，第一约束段132与装置主体110的径向截面的夹角小于第二约束段133与径向截面的夹角。或者说，第一约束段132与折弯部141的界限处相对于装置主体110径向截面的斜率小于折弯部141与第二约束段133的界限处的斜率。
68.其中，第一约束段132与折弯部141的界限是指第一约束段132与折弯部141连接处的某一点，折弯部141与第二约束段133的界限是指折弯部141与第二约束段133的连接处的某一点。
69.当折弯部141是一段曲面时，上述两个界限分别是折弯部141的两端点处。当折弯部141是弯折角的交界点时，上述两个界限是该弯折角的顶点处。
70.可选地，第一约束段132和/或第二约束段133为平面或曲面。优选地，第一约束段132和/或第二约束段133为曲面，且二者曲率小于折弯部141的曲率。示例性地，第一约束段132和/或第二约束段133为曲率趋近于零的曲面。
71.主动部与第一约束段132的干涉运动映射从动端夹钳从夹持到夹住的状态变化过程，即从张开状态趋向于夹持但未夹紧。主动部与第二约束段133的干涉运动映射从动端夹钳从夹持状态趋向于夹紧。
72.这样，第二约束段133的大夹角使得操作装置向可移动件施加的力在y方向(其中y方向是与中心平面p共面的方向，且与x方向垂直)上的分量，相对于第一约束段132变小。并且使得可移动件在y方向上跟随操作机构120转动角度而移动的量，相对于第一约束段132变小。由此使得操作人员对操作机构120施加更大的力并使其转动更大的角度才能使得可移动件移动移动较小的距离，有利于对从动端夹钳夹持力提高的精确操作。并且，第一约束段132末端的角度到第二约束段133起始端的角度产生突变，弹簧的压力突然增加，使得使用者感受到的操作力度突然增加，从而从手夹钳或剪刀端运动的力度也会突增，能够顺利的完成夹持或者剪切动作，而在整个过程中，操作者会有非常接近于真实使用夹钳或剪刀的手感状态的二段力感受。
73.并且，当操作人员松手后，可移动件在弹性力的作用下朝向主端操作装置100的顶端125移动时，被动部能够对主动部施加作用，使得操作机构120能够跟随主动部进行复位。
74.具体而言，参考图2、图4和图5，被动部还优选具有第二约束面134。第二约束面134与第一约束面131间隔设置，以在第二约束面134和第一约束面131之间形成容纳主动部运动的空间，或者说形成移动槽137。第二约束面134与径向截面形成夹角。由此，能够使得主动部被限定在第一约束面131和第二约束面134之间。
75.进一步优选地，第二约束面134包括第三约束段135和第四约束段136，第三约束段135与第四约束段136连接，第三约束段135与第一约束段132相对应，第四约束段136与第二约束段133相对应，且第三约束段135与装置主体110的径向截面的夹角小于第四约束段136与径向截面的夹角。
76.更优选地，第一约束面131和第二约束面134平行设置。即，第一约束段132与第三约束段135平行，第二约束段133与第四约束段136平行。
77.在具有第二约束面134的情况下，弹性件150还可以连接在装置主体110和操作机构120之间，以提供使得操作机构120复位的弹性力。由此，当操作人员松手时，主动件还能够与第二约束面134发生作用，从而带动可移动件朝向靠近装置主体110的顶端125的方向移动。
78.下面请继续参考图4和图5，主动部包括设置于第一约束面131和第二约束面134之间的主动轴122，主动轴122的两端设置有轴承123，例如深沟球轴承。其中，轴承123的外圈与本体121连接，轴承123的内圈与主动轴122连接。由此，可以使主动部的主动轴122沿第一约束面131移动时，减小接触摩擦，甚至能够完全将滑动摩擦变为滚动摩擦，有利于操作的顺畅性。
79.移动槽137的位于第一约束段132与第三约束段135之间的部分形成第一移动段138，移动槽137的位于第二约束段133与第四约束段136之间的部分形成第二移动段139。当主动轴122位于第一移动段138时，从动端夹钳处于未夹紧状态，或者说处于从夹持到夹住的状态变化过程。当主动轴122位于第二移动段139时，从动端夹钳处于已夹紧状态，或者说处于从夹住到夹紧的状态变化过程。
80.第一约束面131和第二约束面134之间的距离优选与主动轴122的直径相适应。例如二者可以相等，或者第一约束面131和第二约束面134之间的距离略微大于主动轴122的直径。由此使得主动轴122能够更好地被限定在第一移动段138和第二移动段139内移动。
81.可移动件包括移动块130和伸缩杆140。其中，移动块130设置于装置主体110内，其外周被装置主体110的内周所限定，使其仅能沿周向移动。被动部设置于移动块130，在图示实施方式中，被动部构造为开设在移动块130上的槽，例如对称设置的八字形槽。
82.缩杆贯穿移动块130，其顶端125延伸至装置主体110的顶部处，其底端延伸出装置主体110，以用于和从动端夹钳或控制装置连接。装置主体110的顶部设置有通孔111缩杆贯延伸进入通孔111。且装置主体110的顶部处还设置有定位套170，其延伸进入通孔111并套设于伸缩杆140。定位套170的外周被通孔111的内周限定，由此使得伸缩杆140的位置也被限定，提高了伸缩杆140在y方向上的稳定性，使其能够稳定的上下移动。并且，这种结构还提高了可移动件的强度。
83.根据本实用新型的主端操作装置100，结构简单、连接部件的强度高，能够精确控制力的跃迁，且夹紧力的输出易控制，同时还能够容易地保持一对操作机构120的对称运动。
84.本实用新型的第二方面提供一种手术机器人。手术机器人的一种优选实施方式包括从动端夹钳、主端操作装置100和控制装置。控制装置与主端操作装置100和从动端夹钳信号连接。
85.控制装置配置为当主动部与第一约束段132干涉且沿靠近第二约束段133的方向移动时，控制从动端夹钳从打开状态逐渐向夹持状态转变。当主动部位于第一约束段132和第二约束段133的连接处时，控制从动端夹钳转变为夹持状态。并且，当主动部与第二约束段133干涉且沿远离第一约束段132的方向移动时，控制从动端夹钳的夹持力逐渐增加。
86.除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本实用新型的技术领域的技术
人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本实用新型。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
87.本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。