[发明专利]基于球窝关节及触觉反馈的手术机器人及其控制装置

说明书

本发明提供一种基于球窝关节及触觉反馈的手术机器人，具有由球型件和关节座组成的球窝关节，关节座内具有用于驱动球型件在其中三维旋转的第一滚轴和第二滚轴，还安装有用于采集球型件相对其三维旋转的感应器。球型件的中心顺序穿设有旋转通道管、进退通道管和手术器械。本发明同时提供基于相同结构原理的控制装置。本发明利用球窝关节的三维旋转能力简化了手术机器人及控制装置的结构，而且控制装置和执行装置结构相同，有触觉反馈给操作者，提升了手术机器人的便携性及操作性。

技术领域

本发明涉及一种手术机器人系统，具体涉及一种基于球窝关节及触觉反馈的手术机器人及其控制装置。

背景技术

随着科技的进步，越来越多的微创外科手术开始使用手术机器人。微创外科手术中手术器械通过体表固定的小切口进入体内完成手术，鉴于体表切口的约束和患者的手术安全性，要求手术器械在切口处做定点运动。目前，采用以下三种方案实现手术器械的定点运动。

一、被动式关节：通过运动链前端关节运动间接实现手术器械绕切口的运动，在运动过程中依靠体表对手术器械的反作用力保证定点运动。这种方法可以保证病人的安全性却不易于调整手术器械姿态。

二、机械结构：通过机械结构的运动特点实现定点运动，可以保证定点运动的机构有：1、圆弧轨道机构，只要保证患者的体表切口位于圆弧轨道的圆心处就可以保证手术器械的定点运动，但这种机构的驱动问题不易解决。

2、轴直接驱动机构，只要使得体表切口位于驱动轴线上便可实现定点运动，但只能实现一个摆动方向上的定点运动。

3、复合平行四杆机构，利用两个平行四杆的叠加运动实现定点运动，这种机构加工精度要求较高，实现起来比较困难，且体积较大、不利于手术操作。

三、主动控制：通过对机器人关节的软件控制来实现的，只有当机器人关节数大于4时才有可能实现定点运动，这种控制方式要求医疗机器人的运动链较长，所需的驱动关节个数较多，通过算法控制关节运动以实现切口处的定点运动。

目前达芬奇机器人是世界上商品化和临床化最成功的微创机器人，该机器人采用的开环平行四边形远心定位机构，依靠钢带同步约束来实现平行四边机构，该机构的缺点是在装配时需要借助装置寻找远心定位点。被动臂采用基于移动平台的机械臂集成，这种方式的缺点是整个机械系统体积较大，为了便于术前调整需要被动臂具有四个自由度，导致悬臂梁较长，使得机器人整体刚度降低。同时出于达芬奇微创机器人在这方面的专利壁垒考虑，而且现在大多数的手术器械装置的驱动是通过电机直接驱动，这样往往使得驱动电机布置在平台的上部，导致头重脚轻，增大了关节的驱动力矩，使得机械臂系统容易产生震动。

内窥镜驱动装置采用螺母丝杠传动方式，但这种方式不便于手动实现术前调整，竖向移动装置采用电机带动螺母丝杠方式来实现上下运动，整体体积比较大。要调整镜头方向时，主刀医生需要停止所有持械臂操作，切换到持镜臂控制系统，用两只手共同调整持镜臂的位置，调整完毕后，再切换持械臂控制系统，重新开始中断的操作。反复切换浪费时间，也不能像常规腹腔镜手术中由助手灵活地控制镜头方向和角度。

达芬奇微创机器人也缺少触觉反馈，而触觉反馈可以使手术医生辨别组织，“触摸”到受感染或被炎症影响的脆弱组织，并更加小心谨慎地进行诊断分析。有了触觉反馈，医生在微创手术中将可以更完美、更精准地缝合伤口。

因此研发新型的微创机器人机械臂系统对我国微创机器人领域发展具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于球窝关节及触觉反馈的手术机器人及其控制装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于球窝关节的手术机器人，具有由球型件和关节座组成的球窝关节，所述关节座内具有用于驱动球型件在其中三维旋转的第一球窝滚轴和第二球窝滚轴，所述滚轴由电机驱动，所述球型件的中心穿设有通道管。