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手术机器人力传感器结构奥秘

发布时间：

2024-12-17 17:47

来源：

华力创科学

随着手机器人技术的快速发展，手术机器人应用越来越聚焦于与环境的交互感。而通过增加力觉的感知，手术机器人可以实现更加柔顺的控制。从工业力控发展到医疗力控，力传感器的结构也在变化。

01 工业力传感器

传统工业力传感器为圆柱形，为一体式结构，多应用于工业机器人、协作机器人的末端，进行打磨抛光、焊接等。

应用于工业机器人的力传感器通过法兰连接机器人末端与力传感器，再通过螺丝和螺母的固定连接力传感器与末端执行机构。

02医疗力传感器

手术机器人在手术时，腹腔镜等手术器械通过体表约5~10mm的手术切口进入患者腹腔，手术器械力传感器需控制直径小于10mm。同时由于医疗器械功能需求，因此需要将力传感器、线路、钢丝等集成在医疗器械内，通过中空的结构过线。而适配手术机器人末端的力传感器需为环形的中空结构。

根据手术器械的分类，这里举3个例子帮助大家更好地理解手术机器人末端手术器械的结构。

硬镜器械

手术机器人通常配备有诸如腹腔镜、手术钳等硬质内窥镜手术器械。其中，手术钳作为一种广泛使用的手术工具，其操作机制依赖于医生通过中空管道内的钢丝来控制夹爪，从而实现对人体组织的精准剪切等操作。以下图示展示的是da Vinci5手术机器人所配备的手术钳。为了实现对手术钳施加力量的精确监测，该手术钳在器械末端安装了力传感器。鉴于这一临床需求，力传感器需采用中空的环形结构，以确保与手术钳的功能性完美兼容。

柔性器械

第二种手术机器人常用器械是柔性器械，例如达芬奇的SP手术机器人。该机器人的Patient Cart仅配备了一条机器臂，末端通过一条直径仅为2.5厘米的套管进行操作。这条套管内集成了三个多关节器械以及一个全腕3D高清摄像头，套管内手术器械均采用了蛇骨设计，可增强器械的灵活性和通过性。而为了实现这种灵活的运动控制，器械的中空设计变得至关重要，它不仅允许精确控制软骨动作，还确保了手术过程中的高效与安全。

软镜器械

第三种是软镜类医疗器械例如Flex Robotic。其末端手术器械，是一种高度铰接、多链接的“蛇形”机器人，一方面整个器械采用蛇骨的设计，需要采用中空的结构进行控制。另一方面，其结构具有三个孔，中央孔内置高清摄像头，专为肠道等复杂内部环境提供清晰视野；而两侧孔则预留了空间，以便在手术过程中灵活伸出手术钳等必要器械，这就要求中间与两端均为中空结构设计。