申请/专利权人：深圳市第二人民医院(深圳市转化医学研究院)

申请日：2023-12-26

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN117697748A

主分类号：B25J9/16

分类号：B25J9/16;B25J18/00

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.02#实质审查的生效;2024.03.15#公开

摘要：本发明公开一种软轴拉扭协同驱动微创手术机械手前端机构力觉感知方法，利用软轴竖直或者弯曲姿态下良好的牵拉、扭转特性，研究软轴拉扭协同驱动的机械手前端等效力感知方法。利用软轴可以牵拉和扭转协同驱动输出的特性，设计由软轴牵拉驱动的万向弯曲柔性关节和软轴扭转驱动的刚性关节组成的机械手结构，研究软轴弯扭形变与动力输出的映射关系，建立三维空间姿态下软轴牵拉输入‑接触力感知和软轴扭转输入‑夹持力感知的等效力模型，为微创手术操作力交互提供重要支撑。

主权项：1.一种软轴拉扭协同驱动微创手术机械手前端机构力觉感知方法，其特征在于，所述方法包括：根据柔性关节中间弹性支撑杆弯曲刚度kb以及单根软轴的弯曲刚度为kt，确定软轴牵拉柔性关节的曲率κ为： 其中，κ0为柔性关节初始曲率；Fti，di分别表示第i根软轴的牵拉力和力臂，M为弯矩，EI为弯曲刚度；柔性关节中软轴和弹性支撑杆的拉伸应变分别表示为： 其中εti为柔性关节中软轴的拉伸应变，εb为弹性支撑杆的拉伸应变；对应于柔性关节曲率，沿圆周分布的三根软轴的拉伸量Δli为： 其中，l为弹性支撑杆的长度，lti为柔性关节中软轴的长度；曲率κ用软轴的牵拉位移量表示为： 输入扭矩与周向形变的映射关系表示为， 其中，T为软轴上施加扭矩，为扭转角度值，G为软轴的剪切模量，ds为软轴的直径，lt为软轴的长度，π为圆周率，JT为软轴横截面的极惯性矩，G为切向模量，ds为软轴的直径；假设柔性关节前端的外部负载We＝[FeMe]T，当机械手与环境稳定接触时，满足内外力平衡，即 其中，Finter为柔性关节内部力，Fexter为柔性关节外部力，Fe为外部负载作用力，Minter为内力矩，Mexter为外力矩，Me为外部负载弯矩；利用虚功原理，柔性关节在外部负载作用下，产生虚位移Δp，根据能量守恒定律得到： 其中，Δp＝Pθ+Δθ，δ+Δδ-Pθ，δ，为外部弯矩，Δqi为软轴轴向伸缩量，ΔE为做功量，θ为柔性关节弯曲角度，δ为柔性关节扭转角度，Δθ为柔性关节弯曲角度变化量，Δδ为柔性关节扭转角度变化量，Pθ+Δθ，δ+Δδ为柔性关节位置变化后的坐标，Pθ，δ为柔性关节位置变化前的坐标；柔性关节弯曲势能表示为： 联合式9-10，求解出外部负载We＝[FeMe]T数值；基于机械手前端钳子几何特征，用Fg表示钳子夹持力，Lg表示钳子夹持力臂，得到： 其中，T3为钳子开合驱动软轴输入扭矩，η3为柔性关节段软轴传动效率，为直齿轮副传动效率，η4为刚性关节段软轴传动效率，ηg为钳子开合用螺纹螺杆机构传动效率；根据式11计算出机械手前端夹持力为： 其中，ηf为软轴与机械手机构摩擦接触的传动效率。

全文数据：

权利要求：

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