本发明涉及医疗器械，具体是一种微创手术机器人柔性操作钳。
背景技术：
随着中国现阶段社会科技水平的不断发展和人民生活质量的提高，人们愈来愈关注对医疗健康的服务需求。近年来，手术机器人技术，尤其是微创外科手术机器人发展迅猛，更加受到医生和患者的青睐。微创手术，从字面上理解就是在病人体表或体内只造成微小创伤的手术，利用胸腔镜、腹腔镜并辅以相关的手术钳、手术剪，以及成像系统、操作平台等相关设备进行的手术。在美国以davinci为代表的微创外科手术机器人给无数医生和患者带来崭新的希望，同时作为一种造福人民群众的新型产业，也受到学术界和医疗卫生界的重视和研究。
手术机器人技术是集合了医学、机器人学、信息科学、计算机图形学、数字分析处理、智能视觉处理等多学科交叉的研究领域。由于机器人动作平稳、可靠度高、重复定位精度高，能够高效地消除颤振，减少医生因为长时间手术导致的手部颤抖带来的手术误差，而且手术伤口小、术后恢复快，因此微创手术机器人能够在如心脏手术、脑颅手术等精准手术场合发挥巨大的优势。
微创手术机器人系统由于其先进的现代医疗器械和成像系统，因此可以将医生从手术台上解放出来，减少了由于体力消耗过大和手部颤抖带来的操作失误问题，成像系统也可以开拓医生的视野，从而更精细化手术操作。
在微创手术机器人结构中，安装于机械臂中的末端执行器械，是手术机器人的执行机构，是手术过程中与患者的患病部位直接接触的结构，是微创外科手术机器人执行系统的核心设备之一，末端执行器械一般被医生简称为手术器械。在机器人手术系统中虽然手术器械的体积占比例很小，但手术的质量很大程度上取决于手术器械的性能。然而目前关于手术器械的研究成果还尚未成熟，仍然有以下技术难题：一、机器人的多自由度设计和高柔顺性和稳定性统一的目标没有很好的实现；二、末端操作钳部分的腕部自由度会影响其他自由度的运动；三、当多自由度的末端操作钳协同工作时，牵引丝会彼此缠绕和干涉；四、末端操作钳结构设计不够轻量化，整体质量较大。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种微创手术机器人柔性操作钳，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微创手术机器人柔性操作钳，包括传动箱和操作钳，传动箱内具有驱动结构，操作钳和传动箱之间设有固定导杆和柔性臂，柔性臂与操作钳对接，固定导杆和传动箱连接，所述驱动结构包括偏摆传动机构、俯仰传动机构和开合传动机构用于操作钳的驱动转向和夹剪工作，所述操作钳连接有有弹簧四杆机构，保证结构稳定性高的同时降低了驱动结构控制的复杂度，所述柔性臂具有多个v形切口。
作为本发明的优选方案：所述传动箱内设有底板，所述偏摆传动机构、俯仰传动机构和开合传动机构均位于底板顶面，底板底面具有三个分别对应三个传动机构的电机，偏摆传动机构和俯仰传动机构结构相同，均包括与底板转动连接的驱动轴，驱动轴上固定有上驱动轮和下驱动轮，并在上驱动轮和下驱动轮上均设有柔性腱鞘，柔性腱鞘上设有牵引丝，上驱动轮和下驱动轮上牵引丝的绕卷方向相反；所述开合传动机构同样具有驱动轴，驱动轴与电机传动连接，在驱动轴上设有独立驱动轮，独立驱动轮上设有柔性腱鞘并连接牵引丝，五组牵引丝伸入柔性臂内，在柔性臂内设有多个导向盘，导向盘在柔性臂内等距分布，在只与偏摆驱动机构的牵引丝连接的一段关节上的导向盘只沿中心对称两侧开有凹槽，其余的导向盘沿中心方向设有四个凹槽，同时导向盘还有防止牵引丝干涉缠绕的作用，导向盘中心具有通孔，柔性臂内壁具有与导向盘上凹槽数量、位置对应的多个凹槽，操作钳连接开合传动机构的牵引丝，多个导向盘组成柔性脊柱，且偏摆传动机构和俯仰传动机构上的四个牵引丝交错间隔设置在凹槽上并与导向盘固定连接。
作为本发明再进一步的优选方案：在传动箱内还设有与开合传动机构的牵引丝及驱动轴连接的弹簧解耦机构，开合传动机构的牵引丝经过弹簧解耦机构的作用后再连接开合传动机构；弹簧解耦机构由导向轮、弹簧座和弹簧滑轴组成。
作为本发明再进一步的优选方案：所述上驱动轮、下驱动轮和独立驱动轮均通过销轴与对应驱动轴固定连接，同时，所述底板上还设有与偏摆传动机构、俯仰传动机构相对应的两个导向柱和导向轮，偏摆传动机构上侧的牵引丝直线输入传动箱后经左侧的导向轮缠绕后经右测得导向柱连接偏摆传动机构的上驱动轮，偏摆传动机构下侧的牵引丝经过右侧的导向轮缠绕后同样经右侧的导向柱连接偏摆传动机构的下驱动轮，俯仰传动机构上牵引丝与偏摆传动机构上牵引丝线路方向一致。
作为本发明再进一步的优选方案：所述操作钳包括主动钳和被动钳，弹簧四杆机构由两个曲柄滑块机构组成，每个曲柄滑块机构包括操作钳杆端和器械连杆，操作钳杆端和器械连杆通过连杆铆钉连接形成旋转关节，弹簧四杆机构位于保护壳内，保护壳前端设有腕部连接块，主动钳、被动钳分别与两个操作钳杆端一体成型并在连接处通过固定柱转动安装在腕部连接块内侧，器械连杆尾端通过同一连杆柱转动安装在保护壳内尾端形成旋转关节，所述保护壳对接柔性臂前端，在固定柱和连杆柱之间设有复位弹簧；所述主动钳和被动钳均具有钳端和剪端，剪端位于钳端后方，主动钳具有环状突出并位于被动钳的环状凹槽内滑动。
作为本发明再进一步的优选方案：在传动箱内设置张力传感器并连接牵引丝，通过布置在远端的张力传感器对牵引丝张力的检测，间接计算操作钳末端的外力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、弹簧四杆机构采用2个曲柄滑块机构进行复合叠加，结构稳定性提高的同时，降低了驱动电机控制的复杂度。
2、操作钳的设计简化机械结构，同时设计保证当末端钳夹紧时，钳端和剪端能够完全重合，将接触面积最大化，也不会造成局部压强过大。
3、设计v型中空切口式柔性臂，保证刚度的同时，兼顾了机构的柔顺性。
4、导向盘的设计可以固定牵引丝，同时能够防止牵引丝干涉缠绕。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的内部结构示意图。
图3为本发明传动箱的内部结构立体图。
图4为图2的仰视角度示意图。
图5为本发明中俯仰传动机构的放大图。
图6为本发明中操作钳的连接结构放大图。
图7为本发明中操作钳的结构示意图。
图8为本发明中柔性臂的结构示意图。
图9为本发明的控制方案流程图。
图10为3维2节点的timoshenko空间梁自由度图。
图11为v形单元在弯转平面投影的上下两段梁受力分析。
图12为单关节切口式柔性臂的几何参数。
图13、14、15分别为单边载荷为25n时且a＝15°、20°、25°条件下，随着参数w和h的变化，单坐标最大位移和最大应力的仿真变化情况图。
图16为单关节驱动机理模型图。
图中1-传动箱，2-固定导杆，3-柔性臂，4-操作钳，5-底板，6-电机，7-偏摆传动机构，8-俯仰传动机构，9-开合传动机构，10-弹簧解耦机构，11-导向轮，12-导向柱，13-驱动轴，14-上驱动轮，15-下驱动轮，16-销轴，17-柔性腱鞘，18-主动钳，19-被动钳，20-操作钳杆端，21-器械连杆，22-连杆铆钉，23-连杆柱，24-保护壳，25-腕部连接块，26-复位弹簧，27-导向盘，28-v形切口，29-牵引丝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-3、图7，本发明实施例中，一种微创手术机器人柔性操作钳，包括传动箱1和操作钳4，传动箱1内具有驱动结构，操作钳4和传动箱1之间设有固定导杆2和柔性臂3，柔性臂3与操作钳4对接，固定导杆2和传动箱1连接，所述驱动结构包括偏摆传动机构7、俯仰传动机构8和开合传动机构9用于操作钳4的驱动转向和夹剪工作，所述操作钳4连接有有弹簧四杆机构，保证结构稳定性高的同时降低了驱动结构控制的复杂度，参阅图7，所述柔性臂3具有多个v形切口28，保证刚度的同时兼顾了机构的柔顺性。
如图2-5，所述传动箱1内设有底板5，所述偏摆传动机构7、俯仰传动机构8和开合传动机构9均位于底板5顶面，底板5底面具有三个分别对应三个传动机构的电机6，偏摆传动机构7和俯仰传动机构8结构相同，均包括与底板5转动连接的驱动轴13，驱动轴13上固定有上驱动轮14和下驱动轮15，并在上驱动轮14和下驱动轮15上均设有柔性腱鞘17，柔性腱鞘17上设有牵引丝29，上驱动轮14和下驱动轮15上牵引丝29的绕卷方向相反；所述开合传动机构9同样具有驱动轴13，驱动轴13与电机6传动连接，在驱动轴13上设有独立驱动轮，独立驱动轮上设有柔性腱鞘17并连接牵引丝29，五组牵引丝29伸入柔性臂3内，在柔性臂3内设有多个导向盘27，导向盘27在柔性臂3内等距分布，在只与偏摆驱动机构的牵引丝29连接的一段关节上的导向盘27只沿中心对称两侧开有凹槽，其余的导向盘27沿中心方向设有四个凹槽，同时导向盘27还有防止牵引丝29干涉缠绕的作用，导向盘27中心具有通孔，柔性臂3内壁具有与导向盘27上凹槽数量、位置对应的多个凹槽，操作钳4连接开合传动机构9的牵引丝29，多个导向盘27组成柔性脊柱，且偏摆传动机构7和俯仰传动机构8上的四个牵引丝29交错间隔设置在凹槽上并与导向盘27固定连接。
在进行工作时，每个自由度由两个牵引丝29来实现，经过导向机构缠绕在同一电机6的驱动轮上，绕向相反，当驱动电机6转动一个方向时，必定引起一个牵引丝29拉紧，另一个放松，带动导向盘27进行转动，从而实现柔性臂3的转向，进而实现操作钳4的朝向调节。
具体的，在传动箱1内还设计了一种与开合传动机构9的牵引丝29及驱动轴13连接的弹簧解耦机构10，开合传动机构9的牵引丝29经过弹簧解耦机构10的作用后再连接开合传动机构9；耦合运动产生的原因为：与操作钳4连接的牵引丝29需经过柔性臂3和固定导杆2的中心通孔到达传动箱1，而柔性臂3的弯转运动与初始未工作状态的中心轴线长度相比有一定的加长，因此开合传动机构9的牵引丝29长度的变化包含了干扰因素，即产生了耦合运动；弹簧解耦机构10由导向轮11、弹簧座和弹簧滑轴组成，弹簧滑轴被开合牵引丝29和压缩弹簧压紧，牵引丝29不论操作钳4是否工作都能由于压缩弹簧对其的线长补偿而保持张紧状态。
所述上驱动轮14、下驱动轮15和独立驱动轮均通过销轴16与对应驱动轴13固定连接，同时，所述底板5上还设有与偏摆传动机构7、俯仰传动机构8相对应的两个导向柱12和导向轮11，偏摆传动机构7上侧的牵引丝29直线输入传动箱1后经左侧的导向轮11缠绕后经右测得导向柱12连接偏摆传动机构7的上驱动轮14，偏摆传动机构7下侧的牵引丝29经过右侧的导向轮11缠绕后同样经右侧的导向柱12连接偏摆传动机构7的下驱动轮15，俯仰传动机构8上牵引丝29与偏摆传动机构7上牵引丝29线路方向一致。
通过导向盘27的设计，能够对牵引丝29进行固定，并防止牵引丝29之间发生干扰互相缠绕。
参阅图6，所述操作钳4包括主动钳18和被动钳19，弹簧四杆机构由两个曲柄滑块机构组成，每个曲柄滑块机构包括操作钳杆端20和器械连杆21，操作钳杆端20和器械连杆21通过连杆铆钉22连接形成旋转关节，弹簧四杆机构位于保护壳24内，保护壳24前端设有腕部连接块25，主动钳18、被动钳19分别与两个操作钳杆端20一体成型并在连接处通过固定柱转动安装在腕部连接块25内侧，器械连杆21尾端通过同一连杆柱23转动安装在保护壳24内尾端形成旋转关节，所述保护壳24对接柔性臂3前端，在固定柱和连杆柱23之间设有复位弹簧26；具体的，所述主动钳18和被动钳19均具有钳端和剪端，剪端位于钳端后方，主动钳18具有环状突出并位于被动钳19的环状凹槽内滑动，增加结构稳定性；当操作钳4不工作时，由于复位的拉动，钳端保持常闭状态，运动时过程如下：连杆柱23通过牵引丝29克服复位弹簧26的拉力向右拉动，带动器械连杆21，从而带动操作钳杆端20，导致钳端张开；当确认病灶位置，准备实施手术操作时，牵引丝29由电机6反向带动以放松，复位弹簧26拉动连杆柱23，通过连杆柱23带动钳端闭合，与待操作部位紧密接触，以便实施手术操作。
参阅图7，本设计在ansys有限元分析软件中对柔性臂的变形进行了仿真，为得到柔性臂大致的变形情况，柔性臂由于其v形切口的小变形导致发生整体的弯曲变形，其中变形主要集中于v形切口两侧的重叠部分，且该部分刚度较小，每个v形切口圆环重叠部分刚度大，变形较小；因此，本设计忽略柔性臂圆环重叠部分，仅考虑两侧v形切口重叠部分的变形情况。
由对柔性臂变形的仿真情况进行分析得，当柔性臂被牵引丝进行驱动时，只有切口重叠部分，即刚度较低的部分会发生较大的应变，引起位移的变化，该部分也是v形切口主要的变形部分，柔性臂达到受力平衡，对其整体进行受力分析。由于其结构不规则，可先将整体关节分解为小v形单元，再对其中v形切口单元的重叠部位进行受力分析，然后再进行相应的叠加处理；由的仿真分析结果，本设计假设v形切口的重叠部位是柔性臂的主要变形集中点，标注在简化模型中的小矩形框内，接下来对该重叠部位进行讨论，根据简化后柔性臂的结构参数，切口变形部分的长径比为1.5，由文献关于直梁长径比对的应用范围，本设计简化直梁的长径比较小，要按照3维2节点timoshenko空间梁模型建立柔性臂的力学模型。
如图9中o-xyz坐标系定义为重叠部位的全局坐标系，重叠部位由若干个3维2节点的timoshenko空间梁，即微单元组成，为3维2节点的timoshenko空间梁的自由度分配，2个节点分别有6个自由度，(θ1，θ2，θ3)和(u，v，w)分别为转动和移动自由度如下：
{e}12*1＝|u1v1w1θx1θy1θz1u2v2w2θx2θy2θz2|(1)
利用解析积分法可以得到3维2节点timoshenko空间梁的单元刚度矩阵k0，维数为12×12，由于每个微单元的参数完全一样，因此在局部坐标系下的单元刚度矩阵也完全一样；单元刚度矩阵表征单元梁关于受力和变形关系的矩阵；为表示重叠部位在全局坐标系下的单元刚度矩阵，由旋转变换可得单元梁在全局坐标系下的单元刚度矩阵如下：
kg＝ttk0t；(2)
上式中t为timoshenko单元梁坐标系由局部到全局坐标系转换的转换矩阵。
接下来本文将根据前面求得的timoshenko梁单元刚度矩阵，结合三角切口柔性臂的结构特点，建立变形切口和整体柔性臂的力学模型；由于切口式柔性臂可分解为若干个v形单元来分析，故可利用从微观的切口单元到v形单元，再到宏观整体柔性臂的思路进行建模。
针对v形切口单元进行力学建模前现提出如下假设：1、忽略驱动钢丝的拉伸对柔性管壁内壁凹槽的整体作用力；2、柔性臂材料nitinol合金具有各向同性，变形单元无材料特性上的差异，从而保证在局部坐标系下变形部分单元刚度矩阵的一致性；3、管臂的变形主要是由于驱动钢丝对远端固定点垂直端面向下的力导致，且主要是由于中间短梁段的变形，忽略此外的其他微小变形。
在局部坐标系下，3维2节点的timoshenko单元梁由于外部载荷将受到关于x、y、z轴的6个位移分量，即前面提到的节点位移矢量{e}；可由直接刚度模型建立各个梁单元在全局坐标系下节点载荷和节点位移之间的表达式：
pg＝kg·dg(3)
其中pg和dg分别表示全局坐标系下的力向量和位移向量，kg表示全局坐标系下的单元刚度矩阵。
如图10，载荷p作用在点a，上下梁的i-j-k段和d-e-f段是中间短梁段，是变形的主要集中点，可以近似看为timoshenko单元梁的组合，由于载荷p的作用产生转角位移，使整个v形切口段产生弯转。要使载荷作用在发生主要弯转的部分，需要将载荷作用点a、g移动到i、f节点。
由上方公式(3)，已经求得，要求v形切口的转角位移，便需要知道v形单元所受到的驱动载荷向量；v形切口上段梁的节点k和j和下端梁的节点d和e的载荷向量表达为：
式中px——v形切口在x方向所受载荷；
py——v形切口在y方向所受载荷；
m——载荷p平移至i(f)节点后产生的附加转矩
载荷的正方向定义为y轴正方向，力矩的正方向定义为使梁段上翘力矩的方向。上下组合梁段载荷向量中的px和py一样，但转矩分量m不同。由f和式(4)可得到v形单元的位移向量dg，其中节点d和k在弯转平面内的角位移分量θd和θk分别为v形切口在全局坐标系下绕z轴的转角。最后，根据timoshenko组合梁位移向量dg可以求出整个v形切口的转动角度θv
θv＝|θk| |θd|(5)
接下来将根据切口式柔性臂转角从微观到宏观叠加产生的思想建立柔性臂的整体力学模型，是从末端第一个v形切口开始顺序对单个v形切口建模，要注意第i-1个v形切口的变形会影响到第i个切口的初始载荷和力矩；柔性臂在弯转平面内的整体弯曲角度由v形切口的叠加产生，即
当柔性臂受力达到平衡状态时，可以由每个v形切口的相互影响求得的节点a、g的力平衡方程，得到下一个v形切口受到的初始载荷和力矩；
其中，lx、ly分别为v形切口节点a受到的载荷在x轴和y轴上的力臂，表示为
其中α为v形切口未变形时在弯转平面的夹角。
这里归纳一下切口式柔性臂的整体建模过程：1、对最末端v形切口进行力学建模；2、利用式(3)计算各个关键节点的位移向量，包括线位移和角位移；3、利用式(5)计算出每个v形切口的绕z轴转动角度；4、利用式(6)求得切口式柔性臂的整体弯转角度。
通过以上建模过程即可实现切口式柔性臂驱动载荷p和弯曲角度θsum之间的映射关系：
θsum＝f(p)(9)
综上，根据3维2节点的timoshenko空间梁的特性，由单元刚度矩阵k从局部坐标到全局坐标实现转化，据此建立整体柔性臂的力学模型。
通过对柔性臂相关结构参数的优化，使得在同等驱动载荷的作用下，可以让柔性臂实现更大的弯曲变形角度和更大的单元刚度特性，从而使得机构能够在有限的操作条件下实现更大的工作空间，增加机构的灵活性和刚度。优化目标参数可以分别表示为最大弯曲角度ωarm，最大结构刚度ζstiffness。
柔性臂的设计优化主要对切口的几何参数进行优化，角度弯曲性能和柔性臂整体刚度根据下列三种参数的改变进行比较：柔性臂长度，梁段数，三角切口的几何参数；考虑控制变量的要求，每个v形切口的几何尺寸一致。
由图11所示为单关节切口式柔性臂的几何参数，当柔性臂的外径限制为do＝10mm，内径限制为8mm的情况下，v形单元的大小和位置直接影响着柔性臂的单元刚度特性和整体弯曲角度，因此将几何参数w、h和a作为优化的变量，其中w为上下两侧v形切口顶端重合的宽度，h为单侧v形切口之间的距离，a为v形切口的夹角。本设计简化优化模型，认为v形切口的角平分线垂直于柔性臂的轴线，各参数的物理意义及作用如表1所示。
表1优化参数的物理意义及作用
在优化的过程中，超弹性nitinol合金管的材料属性参数合金的相应技术参数应用nitinoldevices&components公司获取的nitinolse508材料，如表2所示。
表2nitinolse508材料技术参数
根据切口式柔性臂在微创手术中的应用条件，人体内实施手术操作的工作空间有限，故限制单关节柔性臂的长度l＝48mm，根据经验以及其他限制条件给出针对切口式柔性臂的约束条件为
基于以上节内容导出的优化目标、参数和约束条件，可得到本设计提出的优化问题可以用数学形式表达为
在对柔性臂v形切口几何参数进行优化设计时，最终结果是想要得到尽可能多的符合式(12)的最优解，此时的最优解也被称为pareto最优解或非支配解，并根据结构设计选取最符合设计要求的最优解。由于求解的优化目标为最大弯曲角度和最大结构强度，因此可利用ansys分析软件进行仿真，对柔性臂进行负载以及固定点的约束，仿真结果中的单坐标系最大位移对应目标的最大弯曲角度，最小应力对应目标的最大结构强度。在一定的约束条件内对v形切口的优化参数进行步长的分割，设置参数w、h、a的步长分别为0.2mm、0.1mm、5°，然后通过控制变量的方式对柔性臂进行静力学仿真，最终生成关于3个优化参数、2个优化目标的结果。
本设计同时考虑柔性臂的变形情况及整体刚度要求，以实现柔性臂更大的弯曲变形角度和更大的单元刚度特性为优化目标，以柔性臂工作空间和v形单元几何参数为优化约束条件，对于本设计的优化模型可以得到多组合适的优化解，优化解的选取还要根据经验或实际应用需求进行甄别。下面给出当单边载荷为25n时且a＝15°、20°、25°条件下，随着参数w和h的变化，单坐标最大位移(mpa)和最大应力(mm)的仿真变化情况，考虑到2倍的安全系数，其中一些最大应力超过500mpa的数据未描绘于内，如图12-14所示。
选取的优化结构参数满足单坐标最大位移和最小应力的要求，和初始加工条件参数的对比如表3所示。
表3优化后的性能指标对比情况
由表3可知，在相同的工作空间和柔性臂尺寸约束的条件下，在满足柔性臂的安全系数的前提下，优化后的结构参数可以大大提高柔性臂的弯曲角度，提高了167％，能够实现更高的灵活性和结构刚度。
针对切口式柔性臂建立了优化设计模型，以实现柔性臂更大的弯曲变形角度和更大的单元刚度特性为优化目标，以柔性臂工作空间和v形单元几何参数为优化约束条件，利用ansys静力学仿真对各种优化几何参数进行了分析，在满足柔性臂安全系数的前提下，提出最优解，提升了柔性臂的柔顺性和结构刚度。
同时，本设计包含3个电机6，分别通过各自的驱动轴13进行驱动，并经牵引丝29的牵引从而控制开合、俯仰和偏摆3个自由度，各个电机彼此相互独立，所以在控制系统的设计中无需考虑电机6之间的同步协作问题，由于电机6的运动取决于手术医生对于视野范围内手术操作的可视以及末端操作钳的力传感装置的反馈，因此需要选择传感器来检测末端操作钳对患者病灶部位的接触程度，受力在一定范围内则判定接触稳定，可以实施接下来的手术操作。
由于操作钳末端空间狭小，通过在末端直接集成力传感器装置会增加装置负重，且由于手术器械的材料和消毒方式，其使用次数不超过10，因此会增加成本，所以本设计采用间接外力估计的方法，在传动箱1内设置张力传感器并连接牵引丝29，通过布置在远端的张力传感器对牵引丝29张力的检测，间接计算操作钳末端的外力，下面给出单关节驱动机理模型。
如图15所示，由于张力传感器处于远端驱动模块，因此中间的路径存在摩擦阻力，由关节柔索驱动单元综合阻力模型可进行操作钳外力的检测，选择蚌埠宇航传感测控工程有限公司的微型单滑轮张力传感器，型号为yhzl-4技术参数如表4所示。
表4yhzl-4型微型单滑轮张力传感器技术参数
参阅图8，具体的工作控制流程如下：将张力传感器固定在传动箱1内，当电机6驱动使得操作钳4到达医生可视范围内，医生便通过主控端调整操作钳的位置，并对病患部位进行接触，当传感器检测到张力值达到一定范围时，表明末端操作钳4与病患部位接触稳定，并可实施接下来的手术操作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
1.一种微创手术机器人柔性操作钳，包括传动箱(1)和操作钳(4)，传动箱(1)内具有驱动结构，其特征在于，操作钳(4)和传动箱(1)之间设有固定导杆(2)和柔性臂(3)，柔性臂(3)与操作钳(4)对接，固定导杆(2)和传动箱(1)连接，所述驱动结构包括偏摆传动机构(7)、俯仰传动机构(8)和开合传动机构(9)用于操作钳(4)的驱动转向和夹剪工作，所述操作钳(4)连接有有弹簧四杆机构，保证结构稳定性高的同时降低了驱动结构控制的复杂度，所述柔性臂(3)具有多个v形切口(28)。
2.根据权利要求1所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，所述传动箱(1)内设有底板(5)，所述偏摆传动机构(7)、俯仰传动机构(8)和开合传动机构(9)均位于底板(5)顶面，底板(5)底面具有三个分别对应三个传动机构的电机(6)，偏摆传动机构(7)和俯仰传动机构(8)结构相同，均包括与底板(5)转动连接的驱动轴(13)，驱动轴(13)上固定有上驱动轮(14)和下驱动轮(15)，并在上驱动轮(14)和下驱动轮(15)上均设有柔性腱鞘(17)，柔性腱鞘(17)上设有牵引丝(29)，上驱动轮(14)和下驱动轮(15)上牵引丝(29)的绕卷方向相反。
3.根据权利要求2所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，所述开合传动机构(9)同样具有驱动轴(13)，驱动轴(13)与电机(6)传动连接，在驱动轴(13)上设有独立驱动轮，独立驱动轮上设有柔性腱鞘(17)并连接牵引丝(29)，五组牵引丝(29)伸入柔性臂(3)内。
4.根据权利要求3所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，在柔性臂(3)内设有多个导向盘(27)，导向盘(27)在柔性臂(3)内等距分布，在只与偏摆驱动机构的牵引丝(29)连接的一段关节上的导向盘(27)只沿中心对称两侧开有凹槽，其余的导向盘(27)沿中心方向设有四个凹槽，同时导向盘(27)还有防止牵引丝(29)干涉缠绕的作用，导向盘(27)中心具有通孔，柔性臂(3)内壁具有与导向盘(27)上凹槽数量、位置对应的多个凹槽，操作钳(4)连接开合传动机构(9)的牵引丝(29)，多个导向盘(27)组成柔性脊柱，且偏摆传动机构(7)和俯仰传动机构(8)上的四个牵引丝(29)交错间隔设置在凹槽上并与导向盘(27)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，在传动箱(1)内还设有与开合传动机构(9)的牵引丝(29)及驱动轴(13)连接的弹簧解耦机构(10)，开合传动机构(9)的牵引丝(29)经过弹簧解耦机构(10)的作用后再连接开合传动机构(9)；弹簧解耦机构(10)由导向轮(11)、弹簧座和弹簧滑轴组成。
6.根据权利要求2所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，所述上驱动轮(14)、下驱动轮(15)和独立驱动轮均通过销轴(16)与对应驱动轴(13)固定连接，所述底板(5)上还设有与偏摆传动机构(7)、俯仰传动机构(8)相对应的两个导向柱(12)和导向轮(11)，偏摆传动机构(7)上侧的牵引丝(29)直线输入传动箱(1)后经左侧的导向轮(11)缠绕后经右测得导向柱(12)连接偏摆传动机构(7)的上驱动轮(14)，偏摆传动机构(7)下侧的牵引丝(29)经过右侧的导向轮(11)缠绕后同样经右侧的导向柱(12)连接偏摆传动机构(7)的下驱动轮(15)，俯仰传动机构(8)上牵引丝(29)与偏摆传动机构(7)上牵引丝(29)线路方向一致。
7.根据权利要求1或2所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，所述操作钳(4)包括主动钳(18)和被动钳(19)，弹簧四杆机构由两个曲柄滑块机构组成，每个曲柄滑块机构包括操作钳杆端(20)和器械连杆(21)，操作钳杆端(20)和器械连杆(21)通过连杆铆钉(22)连接形成旋转关节，弹簧四杆机构位于保护壳(24)内，保护壳(24)前端设有腕部连接块(25)，主动钳(18)、被动钳(19)分别与两个操作钳杆端(20)一体成型并在连接处通过固定柱转动安装在腕部连接块(25)内侧，器械连杆(21)尾端通过同一连杆柱(23)转动安装在保护壳(24)内尾端形成旋转关节，所述保护壳(24)对接柔性臂(3)前端，在固定柱和连杆柱(23)之间设有复位弹簧(26)。
8.根据权利要求7所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，所述主动钳(18)和被动钳(19)均具有钳端和剪端，剪端位于钳端后方，主动钳(18)具有环状突出并位于被动钳(19)的环状凹槽内滑动。
9.根据权利要求3所述的一种微创手术机器人柔性操作钳，其特征在于，在传动箱(1)内设置张力传感器并连接牵引丝(29)，通过布置在远端的张力传感器对牵引丝(29)张力的检测，间接计算操作钳末端的外力。
技术总结