输入装置、主操作设备及手术机器人的制作方法

本申请涉及医疗器械领域，特别是涉及一种输入装置、具有该输入装置的主操作设备，及具有该主操作设备的手术机器人。

背景技术：

1、微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。

2、随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台用于根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备用于响应主操作台发送的控制命令，并进行相应的手术操作。手术器械与从操作设备的驱动装置连接，用于执行外科手术，手术器械的末端器械包括用于执行手术操作的末端执行器和与末端执行器连接的可以多个自由度动作的关节。

3、主操作设备连接有输入装置，输入装置与末端执行器建立起映射关系，操作者通过操作输入装置控制末端执行器的动作，在输入装置对末端执行器的诸多动作的控制中，对于末端执行器的滚转动作是通过输入装置的手柄的旋转控制的；通过操作输入装置开合或旋转，作为输入操作信号至末端执行器实施夹持或旋转等；力反馈功能需要将器械末端的执行力和回转角的信息参数传递给输入装置，以使操作者感受末端的执行力或回转角度等。

4、目前输入装置的手柄均采用两段弹簧来模拟器械夹持到物体前后受到的不同的反作用力，缺点在于无论器械夹持到物体的大小、软硬如何，主操作手均在同一位置反馈给操作者同一大小的力，操作体验上不能感受实时夹持力的变化和/或夹持回转角度等；以及一些存在反馈功能的手柄，但其为单动式，即手指做捏合动作时，装置只有单侧可动，另一侧为固定端，操作体验的直观性差且体积庞大，不利于操作装置的小型精细化；至于器械端采集执行力和回转角的方式，目前还存在包括以下手段：①通过检测驱动盒电机的电流、电压、转速中的一种获得末端夹持力；②通过检测末端夹持瓣的开合角度、手柄开合部的开合角度，获得夹持力；③在腕部或末端设置传感器，直接检测末端的夹持力等。在现有一些存在反馈功能的手柄中，其力反馈机构和夹具开合部传动机构存在耦合，增大了夹具开合时的摩擦力和阻尼，操作体验和主操作设备的寿命都受影响。

技术实现思路

1、基于此，为解决上述问题，本申请第一方面提供一种输入装置，该输入装置包括：

2、支撑部；

3、手柄，所述手柄配置为与所述支撑部旋转连接；

4、夹具，所述夹具安装在所述手柄上；

5、反馈电机，所述反馈电机设置在所述手柄内，所述反馈电机用于通过夹具向操作者提供力反馈；

6、所述夹具与所述反馈电机之间通过齿轮组保持传动连接，所述反馈电机通过所述齿轮组传动将反馈力传递至手柄，以实现向操作者提供力反馈；

7、回转电机，所述回转电机设置在所述支撑部内，其被配置为通过传动结构驱动所述手柄自转；

8、控制器，所述控制器控制所述回转电机进行重力补偿、主从对位和/或通过所述手柄向操作者提供末端执行器的回转反馈

9、在一个具体的实施方案中，所述传动结构包括：驱动杆和齿轮传动组，所述驱动杆的近端与所述手柄固定连接，所述驱动杆的远端通过所述齿轮传动组与所述回转电机的输出轴传动连接；所述回转电机通过所述齿轮传动组和所述驱动杆驱动所述手柄自转。

10、在一个具体的实施方案中，所述齿轮组包括交错齿轮组和弧形齿轮组。

11、在一个具体的实施方案中，当所述末端执行器侧未夹持到物体时：所述控制器控制所述反馈电机不向所述夹具提供反馈力至操作者，所述控制器控制所述回转电机输出扭矩通过所述传动结构实现对夹具的回转反馈；

12、当所述末端执行器侧夹持到物体时：所述控制器控制所述反馈电机输出扭矩以通过齿轮组向所述夹具反馈末端执行力，所述控制器控制所述回转电机输出扭矩通过所述传动结构实现对夹具的回转反馈。

13、在另一个具体的实施方案中，所述输入装置还包括：

14、开合传感器，所述开合传感器用于检测所述夹具的开合自由度运动；

15、所述开合传感器与所述夹具相连接，且与所述开合传感器对应的第一磁体设置在所述手柄；所述夹具相对所述手柄运动使所述开合传感器相对所述第一磁体运动，从而使所述开合传感器检测到磁场强度的变化以检测所述夹具的开合自由度运动。

16、在另一个具体的实施方案中，所述输入装置还包括：

17、回转传感器，所述回转传感器用于检测所述夹具的旋转自由度运动；

18、所述回转传感器与所述驱动杆相连接，所述手柄自转时所述回转电机同时转动以进行重力补偿，所述回转传感器通过检测所述回转电机的转动以检测所述夹具的旋转自由度运动。

19、在另一个具体的实施方案中，所述输入装置还包括：

20、压力传感器，所述压力传感器设置在所述夹具外侧，与所述反馈电机形成闭环，所述压力传感器通过检测力反馈至所述夹具处的力与所述反馈电机输出的力是否相同，以实现力反馈的闭环以及提供更精准的力反馈。

21、本申请实施例第二方面还提供一种主操作设备，所述主操作设备包括所述主操作设备包括主控制台和所述的输入装置，所述主控制台用于处理所述输入装置输入的信号。

22、本申请实施例第三方面还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括所述手术机器人包括从操作设备和如所述的主操作设备，所述从操作设备根据所述主操作设备的指令执行相应操作。

23、本申请的输入装置手柄旋转安装在支撑部上，手柄内的夹具联动的从件件和与反馈电机传动连接的主动件为可断开式传动连接，仅在执行力反馈时相互接触，其他时间保持无相互作用力，在自由状态下可以灵活拖动，不受电机惯量的影响，响应更迅速，且由于可以排除电机惯量的影响，可以采用惯量较大、减速比较高的大力矩电机，在力反馈状态下可以模拟更大的反馈力，极端情况下可以模拟器械夹持硬物后位置固定的效果；且双滑块的结构设置使输入装置同时具有可大力矩输出且反应快的效果，反馈电机反应滞后操作者是感受不到的，不会影响及时力反馈，解决了现有技术中多数手柄与反馈电机转轴的刚性连接，大力矩电机存在反应启动滞后情况，使操作者在进行手术操作时更具有真实感；对于手柄内的夹具联动机构与反馈电机传动机构之间相连接的输入装置，其结构紧凑，传动力矩大，将动力部件移动到与手柄连接的支架上，减小了手柄本身的体积，方便抓握；以及对于将微型电机内置于手柄内、直接与夹具传动连接的结构设置的输入装置，实现了手柄旋转和手柄开合力反馈的解耦，且不显著增加手柄的体积，不影响握持手感。

24、本申请实施例为齿轮传动的机械解耦方案，其将反馈电机直接设置在手柄内与齿轮组传动结构传动连接，其传动力矩大、结构紧凑且不显著增加手柄的体积，不影响握持手感。将微型电机内置于手柄内、直接与夹具传动连接的结构设置的输入装置，结构上实现了手柄旋转和手柄开合力反馈的解耦，互不干扰。

1.一种输入装置，其特征在于，所述输入装置包括：

2.如权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述传动结构包括：驱动杆和齿轮传动组，所述驱动杆的近端与所述手柄固定连接，所述驱动杆的远端通过所述齿轮传动组与所述回转电机的输出轴传动连接；所述回转电机通过所述齿轮传动组和所述驱动杆驱动所述手柄自转。

3.如权利要求1或2所述的输入装置，所述齿轮组包括交错齿轮组和弧形齿轮组。

4.如权利要求2所述的输入装置，

5.如权利要求1所述的输入装置，其特征在于，所述输入装置还包括：

6.如权利要求5所述的输入装置，其特征在于，所述输入装置还包括：

7.如权利要求5或6所述的输入装置，其特征在于，所述输入装置还包括：压力传感器，所述压力传感器设置在所述夹具外侧，与所述反馈电机形成闭环，所述压力传感器通过检测力反馈至所述夹具处的力与所述反馈电机输出的力是否相同，以实现力反馈的闭环以及提供更精准的力反馈。

8.一种主操作设备，其特征在于，所述主操作设备包括主控制台和如权利要求1-7任一项所述的输入装置，所述主控制台用于处理所述输入装置输入的信号。

9.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括从操作设备和如权利要求8所述的主操作设备，所述从操作设备根据所述主操作设备的指令执行相应操作。