CN107307910B - 用于操纵执行机构的控制手柄 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操纵执行机构的控制手柄，涉及机器人控制技术领域，用于解决现有技术中存在的机器人主手的末端不能形象地反映末端执行器的形状的技术问题。本发明的用于操纵执行机构的控制手柄，包括安装底盘、夹持式位置调节部件以及连杆，通过设置夹持式位置调节部件，使其能够形象地反应末端执行器的形状，使操作者能够真实的感受到手术过程中的各种信息，从而使控制手柄的可操作性更强；此外，通过传感器采集控制手柄空间位置与姿态信息及夹持张角信息，以控制执行机构作出相应的动作，使操作者不用直接对执行机构进行操作，因此能够避免操作者长时间操作带来的手部疲劳等问题。

Description

用于操纵执行机构的控制手柄

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别地涉及一种用于操纵执行机构的控制手柄。

背景技术

显微外科手术是医生在显微镜下完成的手术。由于该类手术的对象大都是微小的神经和血管，因此该类手术操作需要高的操作精度和动作稳定性，而且手术工作时间很长，会使医生感觉非常疲惫，可能会出现医生手的颤动、疲劳、肌肉神经的反馈，导致动作的不准确，加大了患者的痛苦，降低了手术的成功率。在这种情况下，外科手术机器人应运而生，其在手术中可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。

力反馈主手(即控制手柄)是主从遥控操作机器人系统的关键设备，它是从手(即机械手)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主手的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)。

发明内容

本发明提供一种用于操纵执行机构的控制手柄，用于解决现有技术中存在的机器人主手的末端不能形象地反映末端执行器的形状的技术问题。

本发明提供一种用于操纵执行机构的控制手柄，包括：

用于固定在操作台上的安装底盘；

至少具有一个自由度的夹持式位置调节部件，所述夹持式位置调节部件中设置有用于采集其位置信息并将该位置信息发送到中央控制台的传感器，中央控制台根据所述位置信息控制执行机构发生动作；以及

用于连接所述安装底盘和所述夹持式位置调节部件的连杆；

在一个实施方式中，所述夹持式位置调节部件包括圆盘、转接板以及夹板组件，所述圆盘与所述连杆铰接，所述转接板的两端分别与所述圆盘和所述夹板组件转动连接。

在一个实施方式中，所述转接板包括与所述圆盘中心位置处的转动轴相连的水平段以及与所述夹板组件相连的竖直段，所述水平段与所述竖直段通过圆弧过渡连接。

在一个实施方式中，所述夹板组件包括锥形轴和夹片，所述锥形轴的轴线与所述圆盘的轴线相互垂直；

所述锥形轴的小端与所述竖直段转动连接，所述锥形轴的大端设置有连接轴，所述连接轴与所述夹片相连。

在一个实施方式中，所述夹片包括夹持板和与所述连接轴相连的倾斜板所述夹持板水平设置，所述倾斜板与水平方向的夹角为30-80°。

在一个实施方式中，所述连杆的数量为3个，所述圆盘与所述安装底盘分别与所述连杆转动连接。

在一个实施方式中，所述圆盘的轴线与所述安装底盘的轴线重合或平行。

在一个实施方式中，所述转接板和所述锥形轴的旋转角度均不超过360°。

在一个实施方式中，所述安装底盘上设置有用于与所述连杆相连的锥形凸台，所述锥形凸台的数量为3个，3个所述锥形凸台沿所述安装底盘的周向均匀分布。

在一个实施方式中，所述安装底盘上设置有减重孔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置夹持式位置调节部件，使其能够形象地反应末端执行器的形状，使操作者能够真实的感受到手术过程中的各种信息，从而使控制手柄的可操作性更强；此外，通过传感器采集控制手柄空间位置与姿态信息及夹持张角信息，以控制执行机构作出相应的动作，使操作者不用直接对执行机构进行操作，因此能够避免操作者长时间操作带来的手部疲劳等问题。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1为本发明的一个实施例中用于操纵执行机构的控制手柄的立体结构示意图；

图2是图1所示夹持式位置调节部件的立体结构示意图；

图3是本发明的另一个实施例中安装底盘的立体结构示意图。

附图标记：

1-安装底盘； 2-夹持式位置调节部件； 3-连杆；

4-滑块； 11-锥形凸台； 12-减重孔；

21-圆盘； 22-转接板； 23-夹板组件；

41-滑块最高平面； 42-滑块最低平面； 43-滑块斜面；

211-转动轴； 221-水平段； 222-竖直段；

231-锥形轴； 232-夹片； 233-连接轴；

234-夹持板； 235-倾斜板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供了一种用于操纵执行机构的控制手柄，其包括用于固定在操作台上的安装底盘1、至少具有一个自由度的夹持式位置调节部件2以及用于连接安装底盘1和夹持式位置调节部件2的连杆3。

具体来说，夹持式位置调节部件2中设置有用于采集其位置信息并将该位置信息发送到中央控制台的传感器，中央控制台根据位置信息控制执行机构发生动作。其中，传感器至少包括力传感器、位置传感器和角度传感器，通过传感器能够采集控制手柄的空间位置与姿态信息及夹持张角信息，以控制执行机构作出相应的动作，使操作者不用直接对执行机构进行操作，因此能够避免操作者长时间操作带来的手部疲劳等问题。

此外，由于设置有夹持式位置调节部件，使其能够形象地反应末端执行器的形状，如夹钳、剪刀、分离钳等，使操作者能够真实的感受到手术过程中的各种信息，从而使控制手柄的可操作性更强。

在本实施例中，夹持式位置调节部件2至少具有一个自由度。优选地，夹持式位置调节部件2具有七个自由度，其具体的自由度在下文中将详细进行介绍。

在本实施例中，执行机构为机械手臂，其具有与夹持式位置调节部件2相同的自由度，能够根据夹持式位置调节部件2的位置变化作出相应的动作。

此外，为了使操作者能够真实的感受到手术过程中的力信息，在执行机构中设置反馈回路，即执行机构中产生的力信号，经中央控制台通过相应的运算处理后将力信息映射到夹持式位置调节部件2，并控制电机输出相应的扭矩，使操作者可受到反馈力的作用，提高操作者感知的真实度。

具体地，如图2所示，夹持式位置调节部件2包括圆盘21、转接板22以及夹板组件23，圆盘21与连杆3铰接，转接板22的两端分别与圆盘21和夹板组件23转动连接。转接板22能够以圆盘21的轴线为旋转轴进行转动，此为控制手柄的第一个自由度。

转接板22构造为L形结构，即转接板22包括与圆盘21中心位置处的转动轴211相连的水平段221以及与夹板组件23相连的竖直段222，水平段221与竖直段222通过圆弧过渡连接。竖直段222上设置有安装孔，夹板组件23可转动地设置在该安装孔内，使夹板组件23能够以该安装孔的轴线为旋转轴进行转动，此为控制手柄的第二个自由度。

在一个实施例中，夹板组件23包括锥形轴231和夹片232，锥形轴231的轴线与圆盘21的轴线相互垂直；锥形轴231的小端与竖直段222转动连接，锥形轴231的大端设置有连接轴233，连接轴233与夹片232相连。连接轴233能够以平行于转动轴211轴线的方向为旋转轴进行转动，此为控制手柄的第三个自由度；此外，连接轴233还能够以锥形轴231的轴线为旋转轴进行转动，此为控制手柄的第四个自由度。

进一步地，夹片232包括夹持板234和与连接轴233相连的倾斜板235，夹持板234水平设置，倾斜板235与水平方向的夹角为30-80°。操作者通过按压夹持板234，使两个夹持板234之间的距离发生改变，此为控制手柄的第五个自由度；此外，夹片232能够沿连接轴233的圆周面以其轴线为旋转轴进行转动，此为控制手柄的第六个自由度。

此外，夹板组件23的末端还可根据应用对象设置为手术刀、手术剪、针持、分离钳等多种方式，在此不再赘述。

在本实施例中，连杆3的数量为3个，圆盘21与安装底盘1分别与连杆3转动连接。具体来说，3个连杆3与水平线之间的夹角同时发生变化，即夹持式调节部件2能够以安装底盘1的轴线为旋转轴进行转动，此为控制手柄的第六个自由度；此外，圆盘21能够以其轴线为旋转轴进行转动，此为控制手柄的第七个自由度。

因此，本发明中的控制手柄，其所具有的这七个运动自由度，已基本上能够满足所有对体内组织操作的需求。

此外，圆盘21的轴线与安装底盘1的轴线重合或平行。当圆盘21以安装底盘1的轴线为旋转轴旋转到另一姿态后，其轴线与安装底盘1的轴线平行，使其操作简单方便。

另外，为了方便隐蔽连接夹持式位置调节部件2和中央控制台的各钢丝，在连杆3的内部设置有通道。

并且，转接板22和锥形轴231的旋转角度均不超过360°，以控制其旋转角度，避免控制手柄出现奇异。

安装底盘1上设置有用于与连杆3相连的锥形凸台11，与3个连杆3相对应，锥形凸台11的数量为3个，3个锥形凸台11沿安装底盘1的周向均匀分布。即3个连杆3形成一个等边三角形，使整个控制手柄稳定牢靠，便于作业。

为了减轻整个设备的重量，还在安装底盘1上设置有减重孔12。减重孔12位于安装底盘1的中心，其轴线与安装底盘1的轴线重合，使其既保持了安装底盘1的刚度，有能够起到减重的效果。

可选地，安装底盘1与操作台的连接方式可采用螺栓连接的方式，以保证其连接的可靠性。

可选地，为了拆装方便，安装底盘1的上方边缘处设有三个或三个以上的滑块4。如图3所示，该滑块4呈楔形或锥形，且滑块4的尖端朝向方向相同，即均朝向顺时针或者逆时针方向。

进一步地，为了确保安装底盘1与操作台1之间卡合连接的可靠性，在该滑块4的最高点形成有滑块最高平面41，在相邻的两个滑块4之间(即滑块4的最低点)形成有滑块最低平面42，在滑块4的最高点与最低点之间形成有滑块斜面43；与之相对应的是，在操作台上设置有相应的滑道，类似地，滑道的最高点形成有滑道最高平面，滑道的最低点形成有滑道最低平面，在滑道的最高点与最低点之间形成有滑道斜面。当旋转安装底盘1进行安装时，滑块斜面43与滑道斜面配合产生滑动，直至滑块最高平面41与滑道最高平面正好对正并相互接触，滑块最低平面42与滑道最低平面也正好对正并相互接触，由于滑块最高平面41正好被滑道最高平面沿竖直方向挡止，且滑块最低平面42正好被滑道最低平面沿竖直方向挡止，因此滑块4无法从滑道中滑出，安装底盘1与操作台即可实现锁紧。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种用于操纵执行机构的控制手柄，其特征在于，包括：

用于固定在操作台上的安装底盘(1)；

至少具有一个自由度的夹持式位置调节部件(2)，所述夹持式位置调节部件(2)中设置有用于采集其位置信息并将该位置信息发送到中央控制台的传感器，中央控制台根据所述位置信息控制执行机构发生动作；以及

用于连接所述安装底盘(1)和所述夹持式位置调节部件(2)的连杆(3)；

所述夹持式位置调节部件(2)包括圆盘(21)、转接板(22)以及夹板组件(23)，所述圆盘(21)与所述连杆(3)铰接，所述转接板(22)的两端分别与所述圆盘(21)和所述夹板组件(23)转动连接；

所述转接板(22)包括与所述圆盘(21)中心位置处的转动轴(211)相连的水平段(221)以及与所述夹板组件(23)相连的竖直段(222)，所述水平段(221)与所述竖直段(222)通过圆弧过渡连接；

所述夹板组件(23)包括锥形轴(231)和夹片(232)，所述锥形轴(231)的轴线与所述圆盘(21)的轴线相互垂直；

所述锥形轴(231)的小端与所述竖直段(222)转动连接，所述锥形轴(231)的大端设置有连接轴(233)，所述连接轴(233)与所述夹片(232)相连。

2.根据权利要求1所述的用于操纵执行机构的控制手柄，其特征在于，所述夹片(232)包括夹持板(234)和与所述连接轴(233)相连的倾斜板(235)，所述夹持板(234)水平设置，所述倾斜板(235)与水平方向的夹角为30-80°。

3.根据权利要求1所述的用于操纵执行机构的控制手柄，其特征在于，所述连杆(3)的数量为3个，所述圆盘(21)与所述安装底盘(1)分别与所述连杆(3)转动连接。

4.根据权利要求3所述的用于操纵执行机构的控制手柄，其特征在于，所述圆盘(21)的轴线与所述安装底盘(1)的轴线重合或平行。

5.根据权利要求1或2所述的用于操纵执行机构的控制手柄，其特征在于，所述转接板(22)和所述锥形轴(231)的旋转角度均不超过360°。

6.根据权利要求1所述的用于操纵执行机构的控制手柄，其特征在于，所述安装底盘(1)上设置有用于与所述连杆(3)相连的锥形凸台(11)，所述锥形凸台(11)的数量为3个，3个所述锥形凸台(11)沿所述安装底盘(1)的周向均匀分布。

7.根据权利要求1所述的用于操纵执行机构的控制手柄，其特征在于，所述安装底盘(1)上设置有减重孔(12)。