[发明专利]具有手感的血管介入手术机器人操作手柄及其控制方法

权利要求书

1.一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，包括机架、操作装置、力加载机构以及力矩加载机构，其中：操作装置、力加载机构以及力矩加载机构均设置于机架上；操作装置包括手柄；操作装置发出旋转和/或推拉导管导丝的操作命令；力加载机构将推拉导管导丝时受到的推拉阻力反馈到操作装置；力矩加载机构将旋转导管导丝时受到的阻力矩反馈到操作装置；所述推拉阻力是通过力加载机构与所述手柄的一端之间形成的弹力产生；所述阻力矩是通过力矩加载机构的加载轮与所述手柄的侧面形成的摩擦力产生；

还包括补偿控制器，所述补偿控制器执行如下计算对力加载机构产生的力和力矩加载机构产生的力矩进行解耦补偿：

其中：Δx₁为力加载位移，Δx₃为力矩加载位移，

a₁＝k₁,b₁＝(u₂+u₄)k₃，c₁＝2k₂Δx₂-F，

a₂＝k₁u₁R₂,b₂＝(u₂u₁R₃+u₄fR₁)k₃,c₂＝2k₂u₃R₄Δx₂-M

其中：k₁为加载机构的力弹簧弹性系数，k₂为操作装置的复位弹簧弹性系数，k₃为力矩加载机构的力矩弹簧弹性系数，R₁为手柄半径，R₂为力加载机构的力轴承半径，R₃为支撑手柄的直线轴承半径，R₄为复位手柄的复位轴承半径，u₁为力轴承滚阻系数，f为力矩加载机构的加载轮和手柄之间的滑动摩擦系数，u₂为直线轴承滚阻系数，u₃为复位轴承滚阻系数，u₄为力矩加载机构的轮支撑轴承滚阻系数，F为期望的加载阻力，M为期望的加载阻力矩，Δx₂为手柄位移。

2.根据权利要求1所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，所述力加载机构包括力电机、力丝杆、力螺母以及力弹簧；其中：

所述力电机紧固于机架上；

所述力电机的输出轴通过联轴器连接所述力丝杆；

所述力螺母旋和在所述力丝杆上，所述力螺母上设置有用于导向止转的导向杆；

所述力弹簧的一端紧固于所述力螺母，另一端连接手柄的一端。

3.根据权利要求1所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，所述力矩加载机构包括力矩电机、力矩丝杆、力矩螺母、力矩弹簧以及加载轮装置，其中：

所述力矩电机紧固于机架上；

所述力矩电机的输出轴通过联轴器连接所述力矩丝杆；

所述力矩螺母旋和在所述力矩丝杆上，所述力矩螺母上设置有用于导向止转的螺母导杆；

所述力矩弹簧的一端紧固于所述力矩螺母，另一端连接所述加载轮装置；

所述加载轮装置包括轮支撑架和加载轮，所述加载轮通过轮轴连接所述轮支撑架；所述加载轮骑行于所述手柄的侧面。

4.根据权利要求1所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，所述操作装置还包括操作球以及复位弹簧；其中：

所述手柄通过机架上的直线轴承支撑；

所述操作球用于操作手柄的推拉和旋转，所述操作球紧固于所述手柄的另一端；

所述复位弹簧套在手柄的另一端，所述复位弹簧用于手柄的自动复位。