[發(fā)明專利]一種具有冗余自由度的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力反饋主操作手

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810167532.2
• 申請(qǐng)日: 2018-02-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108378922A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付宜利;潘博;王濤;宋濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B34/37
• 分類號(hào): A61B34/37;A61B34/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 牟永林

一種具有冗余自由度的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力反饋主操作手，本發(fā)明涉及一種機(jī)器人力反饋主操作手，本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)力反饋主操作手價(jià)格昂貴，力反饋主操作手通常為通用型力反饋主操作手，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主操作手缺少自由度，工作空間不匹配，姿態(tài)角輸出范圍受限，手腕不夠靈活的問(wèn)題，第一驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輸出端與第二驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輸入端和第三驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輸入端連接，第二驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和第三驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，第三驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與第四驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，第四驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與第五驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，第五驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與第六驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，第六驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與第七驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，第七驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與第八驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接。本發(fā)明屬于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種機(jī)器人力反饋主操作手，具體涉及一種具有冗余自由度的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力反饋主操作手，屬于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)一般采用主從式的控制方式，醫(yī)生通過(guò)操作主操作手將醫(yī)生的手部動(dòng)作實(shí)時(shí)的傳送到進(jìn)行手術(shù)操作的從機(jī)械臂。為了實(shí)現(xiàn)靈活的手術(shù)操作，從機(jī)械臂通常具有7個(gè)自由度，即三自由度的位置，三自由度的姿態(tài)以及一個(gè)夾持自由度。要完整的再現(xiàn)醫(yī)生的手部動(dòng)作，主操作手至少具有同樣的自由度以及運(yùn)動(dòng)范圍。同時(shí)，為了避免醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間操作時(shí)產(chǎn)生疲勞感，主操作手需要具有重力平衡功能，摩擦力補(bǔ)償和慣性補(bǔ)償，使得醫(yī)生操作更輕便舒適。再有，為了使醫(yī)生能夠感受到從機(jī)械臂端與人體組織之間的相互作用力，主操作手還應(yīng)該具有力反饋的功能。

市場(chǎng)上現(xiàn)有多款商業(yè)的通用型力反饋主操作手。如美國(guó)Sensable公司研制的PHANTOM系列主操作手，具有6自由度的位姿輸出和6自由度的力反饋。法國(guó)的Haption公司推出的VIRTUOSE 6D設(shè)備也是具有6自由度力反饋信息的主操作手，他們多為通用型設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用在虛擬仿真，娛樂(lè)，虛擬裝配，遙操作等場(chǎng)合，沒(méi)有真對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不太適合應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人當(dāng)中。因此就有研究機(jī)構(gòu)將通用型主操作手加以改進(jìn)，以更好的應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中。如華盛頓大學(xué)研發(fā)的RAVEN-II微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，就是將一個(gè)夾持機(jī)構(gòu)添加到Phantom OMNI的末端，以便更好的控制從端的夾持操作。西安大略大學(xué)的力反饋主操作手也是在Quanser公司Quanser 5-DOF PlanarPantograph System力反饋主操作手的基礎(chǔ)上，將夾持機(jī)構(gòu)添加到商業(yè)的主操作手上，開(kāi)發(fā)了能輸出6+1自由度的位姿夾持信息以及相應(yīng)的力反饋。但是該主操作手有兩個(gè)方向上的姿態(tài)角輸出相對(duì)較小。

瑞士的Force Dimension公司推出的delta、omega以及sigma系列是當(dāng)前最為成功的并聯(lián)型力覺(jué)主操作手，其原理均依據(jù)delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其機(jī)械臂采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的重力補(bǔ)償，同時(shí)具有剛度、精度高等的優(yōu)點(diǎn)。Omega.7主操作手雖然能夠輸出6+1自由度的位姿夾持信息以及三自由度的力反饋和一自由度的夾持力反饋，但是其腕部各關(guān)節(jié)沒(méi)有電機(jī)，不能輸出三自由的力矩反饋。Sigma.7主操作手在omega.7主操作手的基礎(chǔ)上增加了三自由的力矩反饋，同時(shí)其工作空間也有相應(yīng)的提高，但是由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，其工作空間還是相對(duì)較小。

國(guó)內(nèi)由天津大學(xué)王樹(shù)新教授課題組牽頭，天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院以及南開(kāi)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的MicroHand A(妙手A)系統(tǒng)的主操作手，采用串聯(lián)型的結(jié)構(gòu)，其工作空間較大，且可提供三維力反饋，但是其主手腕部沒(méi)有電機(jī)，夾持機(jī)構(gòu)也沒(méi)有電機(jī)，因此沒(méi)有相應(yīng)的力反饋。并且其主從姿態(tài)對(duì)應(yīng)時(shí)，只能通過(guò)人的視覺(jué)觀察和人手操作來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的對(duì)應(yīng)，其精確度相對(duì)較低。目前最為成功的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主操作手為Intuitive Surgical公司研發(fā)的daVinci系統(tǒng)的主操作手，該主操作手不但工作空間大，能輸出6+1自由的位姿夾持信息，且具有6自由度的力和力矩反饋，唯一的不足是其夾持機(jī)構(gòu)沒(méi)有電機(jī)，不能反饋夾持力，這對(duì)于研究全方位的力反饋在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用是個(gè)缺陷。