[發明專利]一種基于球關節驅動的穿刺手術機器人主手及其系統

在審

• 申請號: 202110309044.2
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113081288A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 白坤;李孟軻
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: A61B34/37
• 分類號: A61B34/37
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 尚威;孔娜

1.一種基于球關節驅動的穿刺手術機器人主手，其特征在于，該穿刺機器人主手包括手柄(13)、直線驅動電機(2)和球關節驅動電機(1)，其中，

所述手柄(13)固定連接于所述直線驅動電機(2)上，所述球關節驅動電機固定連接于所述直線驅動電機的下端，當所述手柄上施加軸向力時，該軸向力驅動所述直線驅動電機沿軸向做軸向直線運動，所述直線驅動電機的軸向行程作為穿刺機器人從手的行程指令；當所述手柄上施加旋轉力時，該旋轉力帶動所述球關節驅動電機(1)繞其自身球心旋轉，所述球關節驅動電機的旋轉姿態作為穿刺機器人從手的姿態控制指令。

2.如權利要求1所述的一種基于球關節驅動的穿刺手術機器人主手，其特征在于，所述球關節驅動電機(1)包括球形轉子(4)和設置在該形轉子(4)球心處的球電機定子(7)，所述球電機定子(7)與所述球形轉子連接，以此牽引所述球形轉子繞所述球電機定子旋轉。

3.如權利要求2所述的一種基于球關節驅動的穿刺手術機器人主手，其特征在于，所述球形轉子(4)和球電機定子(7)之間通過球關節連接，該球關節(8)包括圓球部分和與長柄部分，所述圓球部分設置在所述球電機定子的球心處，所述長柄部分一端與所述圓球連接，另一端與所述球形轉子連接。

4.如權利要求2或3所述的一種基于球關節驅動的穿刺手術機器人主手，其特征在于，所述機器人主手還包括基座(9)，所述球形轉子上設置有開口，在該開口處，所述球電機定子(7)與所述球形轉子(4)斷開連接，與所述基座(9)連接。

5.如權利要求2或3所述的一種基于球關節驅動的穿刺手術機器人主手，其特征在于，所述球關節驅動電機(1)包括還包括球電機永磁體(5)和球電機線圈(6)，所述球電機線圈(6)均勻分布在所述球形轉子(4)的內表面，所述球電機定子(7)設置在所述球形轉子(4)內部，所述球電機永磁體(5)一一對應所述球電機線圈(6)，均勻分布在所述球電機定子(7)上，在不同位置處的所述球電機線圈中通入電流后，該球形電機線圈與其對應的球形電機永磁體之間產生電磁力，該電磁力反饋至所述手柄上。

6.如權利要求1或2所述的一種基于球關節驅動的穿刺手術機器人主手，其特征在于，所述直線驅動電機(2)包括直線電機外殼(10)、直線電機線圈(12)和直線電機永磁體(11)，所述直線電機外殼(10)呈線性，所直線電機線圈(12)均勻分布在所述直線電機外殼(10)內，所述直線電機永磁體(11)設置在所述直線電機線圈(12)上，且與所述直線電機線圈(12)相對設置，所述手柄與所述直線電機永磁體固定連接，手柄沿帶動所述直線驅動電機軸向運動時，帶動所述直線電機永磁體運動；在所述直線電機線圈(12)中通入電流，直線電機線圈和永磁體之間產生電磁力并反饋至所述手柄上。

7.一種穿刺手術機器人系統，其特征在于，該機器人系統包括權利要求1-6任一項所述的機器人主手、行程和姿態傳感器、控制器、機器人從手和穿刺針，其中：

所述行程和姿態傳感器與所述機器人主手相連，用于采集所述直線驅動電機和球形驅動電機的行程和姿態信息，并將該行程和姿態信息傳遞給所述控制器；

所述控制器同時與所述行程和姿態傳感器和機器人從手連接，用于將所述行程和姿態傳感器采集的信息轉化為所述機器人從手的行程指令和姿態指令；

所述機器人從手用于夾持所述穿刺針，并根據所述行程指令和姿態指令帶動所述穿刺針進行穿刺手術。

8.如權利要求7所述的機器人系統，其特征在于，該機器人系統還包括阻力傳感器，該阻力傳感器用于測量所述穿刺針受到的阻力，并將測量的阻力傳遞給所述控制器；所述控制器根據所述阻力轉化為電信號，并依據該電信號向所述直線驅動電機和球關節驅動電機中通入相應的電流，以此在所述直線驅動電機和球關節驅動電機中形成與所述阻力相應的電磁力，實現力的反饋。