[發明專利]一種用于微創手術機器人主操作手的磁流變液力反饋裝置

有效

• 申請號: 202110014658.8
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112807090B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 施虎;岳印云;譚坤;梅雪松
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61B34/37
• 分類號: A61B34/37;A61B34/35;A61B34/00;A61B17/00;H01F1/44
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開了一種用于微創手術機器人主操作手的磁流變液力反饋裝置，屬于機器人技術領域。本發明通過設計的葉片組、磁流變液、電磁鐵等部件，利用磁流變液的磁流變效應，可以將微創手術過程中從操作手端檢測到的手術器械與病灶組織的接觸力反饋給主手操作者，使主手操作者獲得身臨其境的感覺，即手術過程中的臨場感，實現主操作手的力反饋控制。因此，本發明可以實現微創手術機器人主操作手的力反饋，使操作者獲得臨場感，也可以提高手術質量，且其力反饋控制過程簡單，延時短，為遠程手術過程的力反饋提供一種新的思路。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，涉及一種用于微創手術機器人主操作手力反饋控制的磁流變液裝置。

背景技術

隨著機器人技術的發展與成熟，機器人越來越多的用在手術過程中，利用機器人進行微創手術時，醫生需要操作主手進行手術，而主操作手并不與患者接觸，從操作手與手術患者病灶接觸，且隨著主手的動作而動作。在手術過程中，醫生只能通過內窺鏡觀察從手末端的手術器械與病灶組織之間的接觸情況，無法直接感覺到手術器械與病灶組織接觸力的大小，所以醫生無法進行組織觸摸，影響病癥分析，即缺乏臨場感。此外，若從手末端的手術器械與組織的接觸力太大，容易造成組織破損，形成二次傷害。因此，對主操作手進行力反饋控制，提高操作者的臨場感是非常關鍵的技術之一。

對于主操作手的力反饋控制過程，必須以從手末端手術器械上的力檢測裝置所測得的力信號(手術器械與病灶組織接觸力)為基礎，再將測得的力信號進行處理，進而使主手操作者獲得臨場感。通過控制主操作手各關節電機電流是最常見的力反饋控制方法，即通過從手末端檢測到的力來計算主手期望的輸出力，再將主手期望的輸出力解算到主手各關節電機，通過控制電機的輸入電流來控制電機的輸出力矩，進而實現主操作手的力反饋控制。上述基于電機輸出力矩來進行主操作手力反饋控制的方法具有計算過程復雜、力反饋誤差大、延時長的特點，且需要考慮補償柯氏力、重力和摩擦力等。此外，國內外主操作手的力反饋還包括阻抗控制、滑模控制、繩驅動控制等，都存在結構復雜、控制過程復雜、運動過程耦合性高、力反饋效果不佳等特點。

因此，有必要設計一種控制過程簡單、控制效果理想的力反饋裝置，為微創手術機器人的主操作手力反饋提供技術支持，進而提高操作者的臨場感。

發明內容

為了解決微創手術機器人主操作手力反饋過程的缺點，本發明的目的在于提供一種用于微創手術機器人主操作手力反饋控制的裝置，該裝置以磁流變液作為力反饋控制核心，且其結構簡單，控制過程簡單可靠，能有效的提高力反饋控制的效果，提高主手操作者的臨場感。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

本發明公開了一種用于微創手術機器人主操作手的磁流變液力反饋裝置，包括力傳感器、電流控制器、傳動軸、磁場產生機構、密封箱體以及設置在密封箱體中的葉片組；

所述力傳感器，用于檢測手術器械與病灶組織間的接觸力；

所述電流控制器與力傳感器電連接，用于根據力傳感器采集的接觸力信號輸出對應的電流；

所述磁場產生機構包括對稱設置在密封箱體兩側的電磁鐵和用于聚集磁場的聚磁體；

所述葉片組設置在密封箱體中，在密封箱體中心及葉片組中心位置處開設有供傳動軸穿過的中心孔，在傳動軸的一側設有手柄，轉動手柄能夠帶動葉片組和傳動軸同步轉動；所述密封箱體內部填充磁流變液，葉片組下半部浸泡于磁流變液中，當葉片組轉動時，磁流變液從葉片組的葉片之間穿過。

優選地，所述磁場產生機構包括對稱設置在密封箱體兩側的第一電磁鐵和第二電磁鐵，在第一電磁鐵與密封箱體之間設有第一聚磁體，在第二電磁鐵與密封箱體之間設有第二聚磁體。

進一步優選地，所述第一聚磁體和第二聚磁體均為圓臺狀，一端與電磁鐵的鐵芯相連，另一端鑲嵌于密封箱體中，且被磁流變液淹沒。