[发明专利]手术机器人系统及其手术器械

说明书

本发明提供了一种手术机器人系统及手术器械，消除了动力驱动环境中相关因素的干扰，还降低了噪音，提高了接触力测量的准确性。所述手术器械包括末端执行器、自转关节、俯仰关节、摆动关节、动力模组和控制单元；所述自转、俯仰、摆动关节分别驱动末端执行器做自转、俯仰和摆动，所述动力模组分别驱动三个关节运动；所述俯仰关节的轴线与自转关节的轴线垂直相交，且与摆动关节的轴线垂直不相交；所述控制单元获取动力模组输出的力矩，还建立末端执行器的局部坐标系和手术器械的基坐标系，并还用于建立两个坐标系之间的映射关系，另用于根据动力模组输出的力矩，获取局部坐标系下末端执行器的受力，并根据映射关系获取基坐标系下末端执行器的受力。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人系统及其手术器械。

背景技术

在手术机器人辅助下的外科手术的常见场景中，医生在远离病人的位置操作机器人的主手端，按照主从操作的控制模式，以此来控制病人端机器人的外科器械在手术部位的运动。主手端的形式包括但不限于串联同构机械臂、串联异构机械臂、并联机械臂、外骨骼手套等，通过这些装置可以控制外科器械在手术部位的位置和朝向。

一般而言，病人端机器人具有多个机械臂，可持手术器械和内窥镜。在这样的使用场景中，将存在一个非常重要的问题是如何让医生准确地感受到外科器械与组织互动所产生的结果，即医生需要获得手术器械施加的力的可感知的指示，该力也是组织施加于器械末端的力。

其中，达芬奇手术机器人系统作为佼佼者，已经获得了全世界的任可。但是，目前国内外，包括达芬奇系统中手术器械均存在着某些不足，主要表现为如下几点：

(1)一些手术器械不具有力反馈机制；所述力反馈机制，即是手术器械在实际的手术过程中，不能反馈其实际的工作环境及状态，这会使得医生在操作过程中无法感知手术器械碰到的视野之外的干扰，或是无法感知手术器械触碰到某些人体结构，这会很大程度地影响医生的使用感觉，同时会影响手术的效果，甚至会导致手术失败。

(2)另一些手术器械虽设置有外置力感测装置，但其一般采用间接的测量方式，这种外置力感测装置不仅由于间接测量的方式会受到环境中其他因素的干扰，同时还有可能为病人带来额外的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术机器人系统及其手术器械，不仅消除了例如减速机构等动力驱动环境中相关因素的干扰，还降低了噪音，因此，提高了手术器械末端接触力测量的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了一种手术器械，包括末端执行器、自转关节、俯仰关节、摆动关节、动力模组和控制单元；

所述自转关节用于驱动所述末端执行器做自转运动；所述俯仰关节用于驱动所述末端执行器做俯仰运动；所述摆动关节用于驱动所述末端执行器做摆动运动；所述动力模组用于分别驱动所述自转关节、所述俯仰关节和所述摆动关节运动；所述控制单元用于获取所述动力模组输出的力矩；

所述控制单元还用于建立所述末端执行器的局部坐标系和所述手术器械的基坐标系，以及所述局部坐标系与所述基坐标系之间的映射关系，并还用于根据所述动力模组输出至各个关节的力矩，获取所述局部坐标系下的所述末端执行器的受力，并根据所述映射关系获取所述基坐标系下的所述末端执行器的受力；

其中，所述自转关节、俯仰关节和摆动关节依次连接，所述俯仰关节的轴线与所述自转关节的轴线垂直相交，所述摆动关节的轴线与所述俯仰关节的轴线垂直不相交。

可选的，所述局部坐标系为直角坐标系，其中第一坐标轴与所述摆动关节轴线垂直，第二坐标轴与所述摆动关节轴线平行，第三坐标轴与所述末端执行器的中轴线平行，坐标原点位于所述摆动关节轴线与所述末端执行器的中轴线的交点。

可选的，所述局部坐标系下，所述末端执行器的受力在所述第一坐标轴方向的分力F'₁为：