[发明专利]一种串并联力反馈遥操作手

说明书

技术领域

本发明涉及一种手术操作手，具体涉及一种串并联力反馈摇操作手，属于微创手术机器人领域。

背景技术

微创腹腔外科手术机器人是将遥操作机器人与微创腹腔外科手术有机结合的医疗机器人，在手术中提供可视化导引或监视服务功能，辅助医生高质量地完成手术操作的机器人集成系统。它提高了手术的质量，并能够克服传统微创手术的缺陷，拓宽微创手术的范围，还可以进行手术仿真。这些优点极大地促进了微创外科手术机器人的研究和应用。力反馈主手是主从遥操作机器人系统的关键设备，它是从端机械手进行实时运动控制的输入设备，当主手将从手与未知环境之间的相互作用力提供给操作者，主手则成为一种力觉感知/接口设备。目前大部分医疗机器人的主手都存在没有力反馈的问题并且采用串联型或者并联型结构，单纯的串联型或者并联型结构都不适用于主从遥操作微创手术机器人。原因主要有以下两点：(1)串联型主手虽然运动灵活，工作空间和旋转角度大，但是末端大多设计成笔状，而且没有夹持自由度，不能形象地反映末端执行器的形状(比如夹钳、剪刀、分离钳等)。操作者难免不适应，长时间操作会产生手部疲劳；(2)并联型主虽然刚度大、惯量小、力反馈大，但是运动不灵活，工作空间小，三个转动自由度运动范围受限，很难满足腹腔手术器械动作灵活，转动角度大的要求。

发明内容

本发明的目的是为解决现有微创腹腔手术中使用的主从遥操作机器人的主手只采用串联型或者并联型结构，串联型主手结构存在没有夹持自由度，操作者不适应，长时间操作会产生手部疲劳的问题，以及并联型主手结构存在运动不灵活，工作空间小，很难满足腹腔手术器械动作灵活，转动角度大的要求问题，进而提供一种串并联力反馈遥操作手。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种串并联力反馈遥操作手包括串联机构、并联机构和夹持机构；

所述串联机构包括第一旋转臂、第二旋转臂、第一配重块、第二配重块、第一编码器、第二编码器、第三编码器和力传感器，第一旋转臂为直角形臂，第二旋转臂为直角形臂，第一旋转臂的一端与第二旋转臂的一端转动连接，第一旋转臂的一端的端部设置有第二编码器，第一旋转臂的另一端的端部设置有第一配重块，第一旋转臂的另一端的中部的同侧设置有力传感器和第一编码器，力传感器与第一编码器转动连接，第二旋转臂的一端的端部设置有第二配重块，第二旋转臂的另一端的端部连接有第三编码器，第一编码器、第二编码器和第三编码器三者的轴线汇交于一点；

所述夹持机构包括夹持座、第四编码器、第一伺服电机、减速器、第三配重块和夹持装置，夹持座上的导向杆的一端与第三编码器转动连接，所述第一伺服电机具有两个输出轴，夹持座上安装有减速器，第一电机的一个输出轴与减速器连接，第一电机的另一个输出轴连接有第四编码器，且第四编码器与第三编码器的轴线相交，夹持座上的导向杆的另一端连接有夹持装置，所述夹持装置能在夹持座上的导向杆滑动，所述夹持装置包括主夹持片、从夹持片和弧形驱动片，主夹持片和从夹持片正对设置，从夹持片与弧形驱动片转动连接，弧形驱动片与第一伺服电机的所述其中一个输出轴连接；

所述并联机构包括基座、立座、静平台、动平台、三个连杆、六套虎克铰和三个绳轮驱动装置，每个所述绳轮驱动装置包括电机座、第五编码器、第二伺服电机、第三旋转臂和钢丝绳，每个所述绳轮驱动装置上的第二伺服电机上设置有第五编码器，第二伺服电机安装在电机座上，电机座与第三旋转臂转动连接，第二伺服电机的输出轴通过钢丝绳与第三旋转臂连接，基座上连接有立座，立座上安装有静平台，力传感器和第一编码器之间设置有动平台，所述静平台上均布连接有三个电机座，每个连杆的一端通过虎克铰与第三旋转臂连接，每个连杆的另一端通过虎克铰与动平台连接。

本发明的有益效果是：本发明结构实现了6+1个自由度，可达姿态空间：任意方向±70°，静刚度12N/mm，工作空间100mmX100mmX100mm。

本发明的串联机构上设置的第一编码器、第二编码器和第三编码器以及第一旋转臂、第二旋转臂构成了三个关节，三个关节的轴线汇交于一点D。三个关节都有相应的配重，通过三个编码器测量末端夹持机构的姿态信息，并通过第一定位销将三个回转角度控制在±70°。通过机械限位，运动范围控制在要求的角度范围。

本发明的夹持机构实现对从手的夹持张角的控制，同时将从手夹持人体组织的力通过电机驱动装置反映出来，让夹持片产生反向的力，夹持机构的夹持座上设置有第二定位销2-9，用于对夹持机构的位置定位。