CN101904771B - 微创血管介入手术机器人送管机构的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微创血管介入手术机器人送管机构的控制装置，该装置包括：第一电机和第二电机分别与操作手连接；第一编码器与第一电机连接；第二编码器与第二电机连接；第一驱动器分别连接第一电机、第二编码器和第一编码器；计算机分别与第一驱动器和扭矩传感器连接；第二驱动器与计算机连接；送管机构第一电机和送管机构第二电机分别与第二驱动器连接；扭矩传感器与送管机构第一电机连接，根据操作手向前、后推进角度的大小，将送管机构的导管介入的速度划分，从而方便操作手控制送管机构操作的导管的介入速度。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，公开了一种微创血管介入手术机器人送管机构的控制装置。
背景技术
随着社会的日益进步和人们生活水平的不断提高，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防以及卫生健康给予越来越多的关注。这就要求医生不仅要在传统生理医学上有所突破，还要应用操作灵活、定位精确的医疗器械，这为医疗机器人的研究提供了客观条件，医疗机器人的应用降低了手术的风险，改善了手术的环境。微创外科的出现及其临床应用为医学领域开辟了新的天地，它以手术切口小、出血量小、术后疤痕小、创伤轻、痛苦少、恢复时间快为特点受到人们的普遍关注被应用于临床手术，早期的微创外科手术是以腹腔镜和胸腔镜等内窥镜为基础的一种外科手术，微创血管介入手术是微创外科的一个新方向。然而，在微创血管介入手术过程中，由于操作对象较小(人体血管的直径一般小于2mm)，而且手术工作时间很长，使得医生感觉非常疲惫，可能会出现医生手的颤动、疲劳、肌肉神经的反馈，导致动作的不准确，加大了患者的痛苦，降低了手术的成功率。并且，医生长期在X射线环境下操作对身体伤害很大；专科医生必须经过长期训练才能够进行微创手术操作；现有手术方法技巧性较强，风险性较高，这些缺点限制了血管介入手术的广泛应用。
二十世纪机器人技术进入微创外科手术领域后，利用机器人的高精度、稳定性、灵活性、可控性以及不怕辐射和感染，来完成手术的定位，为医生手术搭建一个稳固的手术操作平台，改善了过去医生只能凭借主观判断和积累的手术经验来完成手术的状况，能够减少人为因素引起的手术误差，提高手术质量。近年来微创手术机器人的研究已经成为机器人应用的新领域，尤其是医疗机器人系统已经成为医疗机器人发展的一个新方向。
医疗机器人的研究和开发受到了越来越多的关注，能够应用于临床的手术机器人越来越多，但微创血管介入手术机器人的末端执行器的控制装置尚未得到全面的研究和推广应用，目前还没有功能相同的控制装置。此类控制装置得满足如下设计要求：
1.由于此装置属于医疗设备，故该装置必须保证操作的安全性。
2.能够实现送管机构导管介入的前进动作；
3.能够实现送管机构导管介入的旋转动作；
4.在操作过程中该装置需给操作者力反馈，模拟操作者在手术过程中的手感。
图1a为现有相似技术的原理框图，图中：控制装置、第一电机、编码器、操作者、第一驱动器、电脑、第二驱动器、电机；
在操作者的操作下，第一电机旋转，与此同时固定于第一电机末端的第一编码器输出第一电机的旋转角度信号至第一驱动器，第一驱动器将该角度信号输入电脑，电脑将角度信号经过转换之后往第二驱动器发送指令，第二驱动器在接受电脑的指令后驱动电机，从而使电机执行操作者施加于控制装置的命令。
这种控制装置还存在不足之处：该装置无法实现力反馈，即操作者在操作过程中没有力觉，如果该装置作为医疗手术机器人的控制装置的话，在没有力反馈的情况下，医生对手术对象没有感觉，仅凭视觉和经验来进行手术，很可能出现用力幅度过大，导致组织血管或器官的损伤。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种实现送管机构导管介入的前进、旋转动作；在控制过程中能够给操作手力反馈，能够模拟医生在手术过程中的手感且安全可靠的微创血管介入手术机器人送管机构的控制装置。
为达成所述目的，本发明提供的一种微创血管介入手术机器人送管机构的控制装置的技术方案是：该装置包括：控制部含有第一电机、第二电机、第一编码器、第二编码器；操作手、第一驱动器、计算机、第二驱动器、送管机构第一电机、送管机构第二电机、扭矩传感器和导管，其中：
第一电机和第二电机分别与操作手连接，由操作手控制第一电机和第二电机转动；第一电机接收第一驱动器发送的第一控制信号并控制第一电机转动而生成对操作手的作用力；
第一编码器与第一电机连接，第一编码器将第一电机的旋转角度信号生成二进制码；
第二编码器与第二电机连接，第二编码器将第二电机的旋转角度信号生成二进制码；
第一驱动器分别连接第一电机、第二编码器和第一编码器，第一驱动器将第二编码器和第一编码器的二进制码生成并输出符合CAN总线通讯协议格式的数据；第一驱动器接收第一驱动信号生成并向第一电机发送第一控制信号；
计算机分别与第一驱动器和扭矩传感器连接，计算机将CAN总线通讯协议格式的数据生成并输出第二驱动信号；计算机根据扭矩传感器输出的扭力数据信号生成并输出第一驱动信号；
第二驱动器与计算机连接，第二驱动器接收第二驱动信号生成并生成第二控制信号；
送管机构第一电机和送管机构第二电机分别与第二驱动器连接，送管机构第一电机接收第二控制信号而转动输出旋转角度信息；送管机构第二电机接收第二控制信号而转动输出旋转角度信息；
扭矩传感器与送管机构第一电机连接，扭矩传感器将旋转角度信息生成并输出扭力数据信号；导管与送管机构第一电机送管机构第二电机带动的送管机构接触使导管做周向旋转。
其中：计算机将该第二电机的旋转角度信号经过比例换算之后，计算机发送指令至第二驱动器，第二驱动器按照指令驱动送管机构第二电机旋转导管，从而实现操作手对导管的周向旋转操作。
其中：计算机将第一电机的旋转角度信号经过换算之后，计算机发送指令至第二驱动器，第二驱动器驱动送管机构第一电机推进导管，从而实现操作手对导管的轴向推进操作。
其中：计算机接收由扭矩传感器发送的送管机构第一电机转轴上的扭矩信号并进行的比例换算，计算机向第一驱动器发送电流指令，第一驱动器按照该电流指令驱动第一电机产生扭矩，该扭矩传递到操作手，操作手受到阻力，则实现对操作手的操作力的反馈控制。
其中：第一电机的固定法兰通过连接板固定在盖板上；第一电机的转动轴与第一减速器的转动轴连接，第一减速器的转动轴通过第一联轴器与第一传动轴相连接，第一外套筒位于盖板上的方孔中，第一外套筒的下端通过螺钉与第一传动轴紧密相连，第一外套筒的上端通过螺钉与第二外套筒紧密连接。
其中：操作手柄置于第二传动轴上方，操作手柄的末端与第二传动轴相连；第二电机的转动轴与第二减速器的转动轴连接，同时第二减速器的转动轴通过第二连轴器与第二传动轴紧密相连；第一传动轴通过轴承座与盖板相连；第二传动轴位于第二外套筒内。
本发明的有益效果：
本发明种实现送管机构的导管介入的前进、旋转动作；在控制过程中本发明能够给操作手力反馈，因而能够模拟医生在手术过程中的手感，这样避免了在血管介入手术过程中，医生仅凭视觉和经验来进行手术从而出现用力幅度过大，导致患者组织血管或器官的损伤的情况发生；在实际操作过程中，根据操作手向前、后推进角度的大小，将送管机构导管介入的速度划分为前进、后退3档，从而方便操作手控制送管机构操作的导管的介入速度。为了避免误操作，在设置速度档位时利用软件，在计算机内设定O速度档，在该档位送管机构停止导管的直线进给运动，保证操作的安全性。这样能有效地避免由于外部干扰造成操作手柄的误操作，保证安全。
附图说明
图1a是现有控制装置原理框图；
图1b是本发明微创血管介入手术机器人送管机构控制装置原理框图；
图2a和图2b是本发明微创血管介入手术机器人送管机构的控制装置结构示意图。
主要元件说明
1 盖板 18 第二编码器
2 操作手柄 a 操作手
3 第一电机 b 第一驱动器
4 第二电机 c 计算机
5 连接板 c1 CAN数据接收单元
6 第一传动轴 c2 CAN数据发送单元
7 第二传动轴 c3 比例运算单元
8 第一联轴器 c4 CAN数据接收单元
9 螺钉 c5 CAN数据发送单元
10 第一外套筒 d 第二驱动器
11 第二外套筒 e 电机
12 第一减速器 e1 送管机构第一电机
13 第二减速器 e2 送管机构第二电机
14 轴承座 f 扭矩传感器
15 第二联轴器 g 导管
16 方孔
17 第一编码器
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的控制装置所操纵的送管机构是应用于微创血管介入手术，关乎人的生命和健康，因此对控制装置的精度，可靠性等性能要求比较高。
图1b为本发明微创血管介入手术机器人送管机构控制装置原理框图，图中：控制部h；操作手a、第一驱动器b、计算机c、第二驱动器d、送管机构第一电机e1、送管机构第二电机e2、扭矩传感器f和导管g。
控制部h包括：第一电机3、第二电机4、第一编码器17、第二编码器18；
计算机c选用主频1.6GHz，内存1GB，并配有PCI-58XX CAN接口卡用于CAN通信，关于计算机的选用不仅限于上述描述，在此不再赘述计算机选用的其他形式。
第一电机3和第二电机4分别与操作手a连接，由操作手a控制第一电机3和第二电机4转动；第一电机3接收第一驱动器b发送的第一控制信号并控制第一电机3转动而生成对操作手a的反作用力；
第一编码器17与第一电机3连接，第一编码器17将第一电机3的旋转角度信号生成二进制码；
第二编码器18与第二电机4连接，第二编码器18将第二电机4的旋转角度信号生成二进制码；
第一驱动器b分别连接第一电机3、第二编码器18和第一编码器17，第一驱动器b将第二编码器18和第一编码器17的二进制码生成并输出符合CAN总线通讯协议格式的数据；第一驱动器b接收第一驱动信号生成并向第一电机3发送第一控制信号；
CAN数据接收单元c1、CAN数据发送单元c2、比例运算单元c3、CAN数据发送单元c4和CAN数据接收单元c5由计算机c实现；其中：CAN数据发送单元c4、CAN数据接收单元c5分别与第一驱动器b和扭矩传感器f连接，比例运算单元c3将CAN数据接收单元c4接收到的扭矩信号乘以一个比例常数得到扭矩值，比例运算单元c3将扭矩值生成第一驱动信号；CAN数据接收单元c1、CAN数据发送单元c2分别于第一驱动器b和第二驱动器d连接，比例运算单元c3将CAN接收单元c1接收到的信号乘以一个比例常数，根据所得到的值生成第二驱动信号；
第二驱动器d与CAN数据发送单元c2连接，第二驱动器接收第二驱动信号生成并生成第二控制信号；
送管机构第一电机e1和送管机构第二电机e2分别与第二驱动器d连接，送管机构第一电机e1接收第二控制信号而转动输出旋转角度信息；送管机构第二电机e2接收第二控制信号而转动输出旋转角度信息；
扭矩传感器f与送管机构第一电机e1连接，扭矩传感器f测量第一电机e1轴上的扭矩大小，并输出该扭力数据信号；导管g与送管机构第一电机e1和送管机构第二电机e2带动的送管机构接触使导管g做周向旋转。
在操作手a的操作下，第二电机4旋转，固定在第二电机4末端的第二编码器18将第二电机4的旋转角度信号经第一驱动器b输入CAN数据接收单元c1，比例运算单元c3将该旋转角度信号经过比例换算单元c3的比例换算之后(第二驱动器d位置指令＝旋转角度信号×比例系数)，通过CAN数据发送单元c2发送导管g的周向旋转角度指令至第二驱动器d，第二驱动器d按照该位置指令驱动送管机构第二电机e2旋转导管g，从而实现操作手a对导管g的周向旋转操作。
在操作手a的操作下，第一电机3旋转，固定在第一电机3末端的第一编码器17将第一电机3的旋转角度信号经第一驱动器b输入CAN数据接收单元c1，经过比例运算单元c3换算之后，通过CAN数据发送单元c2发送导管g的进给长度指令至第二驱动器d，第二驱动器d驱动送管机构第一电机e1推进导管g，从而实现操作手a对导管g的轴向推进操作。在送管机构第一电机e1转动的同时，扭矩传感器f测量送管机构第一电机e1转轴上的扭矩信号，并将该信号输入CAN数据接收单元c4，经过比例运算单元c3的比例换算之后(第一驱动器b电流指令＝扭矩传感器f扭矩信号×比例系数)，通过CAN数据发送单元c5向第一驱动器b发送电流指令，第一驱动器b按照该电流指令驱动第一电机3产生扭矩信号，该扭矩信号传输到操作手a时，操作手a能感觉到一定的阻力，这样实现了操作手a在操作过程中力的反馈，使操作手a在实施手术时能够感觉送管机构所送导管g对组织或血管的作用力。
下面结合本发明的机械结构示意图详细地说明各机械部件的功能。
图2a-图2b示出本发明的微创血管介入手术机器人送管机构结构示意图，其中第一电机3的固定法兰通过连接板5固定在盖板1上；第一电机3的转动轴与第一减速器12的转动轴连接，第一减速器12的转动轴通过第一联轴器8与第一传动轴6相连接，第一外套筒10位于盖板1上的方孔16中，第一外套筒10的下端通过螺钉9与第一传动轴6紧密相连，第一外套筒10的上端通过螺钉9与第二外套筒11紧密连接。
图2b所示第二传动轴7位于第二外套筒11内；操作手柄2置于第二传动轴7上方，操作手柄2的末端与第二传动轴7相连；第二电机4的转动轴与第二减速器13的转动轴连接，同时第二减速器13的转动轴通过第二连轴器15与第二传动轴7紧密相连；第一传动轴6通过轴承座14与盖板1相连。
当操作手a在手术过程中推进操作手柄2时，带动第二外套筒11运动，由于第一外套筒10通过螺钉9与第二外套筒11紧密相连，同时第一外套筒10通过螺钉9与第一传动轴6紧密相连，故第二外套筒11、第一外套筒10同时绕第一转动轴6旋转，并将转动传至第一传动轴6，第一传动轴6将转动通过与之相连的第一联轴器8传至第一减速器12的转动轴，同时带动第一电机3的转轴旋转，而位于第一电机3末端的第一编码器17将该转动信号经过图1b中第一驱动器b输入计算机c中。经过转换之后，计算机c向第二驱动器d发送指令，第二驱动器d按照指令驱动送管机构第一电机e1，送管机构第一电机e1操作导管g作直线轴向进给运动。当导管在血管内触碰到血管壁和血斑受到阻力时，扭矩传感器f会将此时送管机构第一电机e 1转动轴上的扭矩信号传送至计算机c，计算机c将该信号转换成电流指令输入第一驱动器b，第一驱动器b将输入第一电机3电流，由于输入第一电机3上的电流将产生与第一电机3旋转方向相反的作用力，阻碍第一电机3的旋转，这种作用力将反向传导在操作手柄2上进而传递给操作手a，实现操作手a在操作过程中的触觉力反馈，操作手a会做相应的调整，保证了手术过程中的安全性。
当操作手a在手术过程中旋转操作手柄2时，由于操作手柄2通过第二传动轴7、第二轴承连接器15和第二减速器13的转动轴与第二电机4的转动轴相连，而第二电机4末端装有第二编码器18，第二编码器18将第二电机4转轴的旋转角度，通过第一驱动器b输入计算机c，计算机c将操作手a作用于操作手柄2的运动指令发送至第二驱动器d，第二驱动器d按照指令驱动送管机构第二电机e2，操作导管g旋转。从而实现，当操作手a旋转操作手柄2的时候，相应地送管机构第二电机e2操作导管g作周向旋转运动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (6)
1.一种微创血管介入手术机器人送管机构控制装置，其特征在于，该装置包括：控制部含有第一电机、第二电机、第一编码器、第二编码器；操作手、第一驱动器、计算机、第二驱动器、送管机构第一电机、送管机构第二电机、扭矩传感器和导管，其中：
第一电机和第二电机分别与操作手连接，由操作手控制第一电机和第二电机转动；第一电机接收第一驱动器发送的第一控制信号并控制第一电机转动而生成对操作手的反作用力；
第一编码器与第一电机连接，第一编码器将第一电机的旋转角度信号生成二进制码；
第二编码器与第二电机连接，第二编码器将第二电机的旋转角度信号生成二进制码；
第一驱动器分别连接第一电机、第二编码器和第一编码器，第一驱动器将第二编码器和第一编码器的二进制码生成并输出符合CAN总线通讯协议格式的数据；第一驱动器接收第一驱动信号生成并向第一电机发送第一控制信号；
计算机分别与第一驱动器和扭矩传感器连接，计算机将CAN总线通讯协议格式的数据生成并输出第二驱动信号；计算机根据扭矩传感器输出的扭力数据信号生成并输出第一驱动信号；
第二驱动器与计算机连接，第二驱动器接收第二驱动信号生成并生成第二控制信号；
送管机构第一电机和送管机构第二电机分别与第二驱动器连接，送管机构第一电机接收第二控制信号而转动输出旋转角度信息；送管机构第二电机接收第二控制信号而转动输出旋转角度信息；
扭矩传感器与送管机构第一电机连接，扭矩传感器将旋转角度信息生成并输出扭力数据信号；导管与送管机构第一电机和送管机构第二电机带动的送管机构接触使导管做周向旋转。
2.如权利要求1所述的微创血管介入手术机器人送管机构控制装置，其特征在于，计算机将控制部的第二电机的旋转角度信号经过比例换算之后，计算机发送指令至第二驱动器，第二驱动器按照指令驱动送管机构第二电机旋转导管，从而实现操作手对导管的周向旋转操作。
3.如权利要求1所述的微创血管介入手术机器人送管机构控制装置，其特征在于，计算机将控制部的第一电机的旋转角度信号经过换算之后，计算机发送指令至第二驱动器，第二驱动器驱动送管机构第一电机推进导管，从而实现操作手对导管的轴向推进操作。
4.如权利要求1所述的微创血管介入手术机器人送管机构控制装置，其特征在于，计算机接收由扭矩传感器发送的送管机构第一电机转轴上的扭矩信号并进行的比例换算，计算机向第一驱动器发送电流指令，第一驱动器按照该电流指令驱动控制部的第一电机产生扭矩，该扭矩传递到操作手，操作手受到阻力，则实现对操作手的操作力的反馈控制。
5.如权利要求1所述的微创血管介入手术机器人送管机构控制装置，其特征在于：控制部的第一电机的固定法兰通过连接板固定在盖板上；控制部的第一电机的转动轴与第一减速器的转动轴连接，第一减速器的转动轴通过第一联轴器与第一传动轴相连接，第一外套筒位于盖板上的方孔中，第一外套筒的下端通过螺钉与第一传动轴紧密相连，第一外套筒的上端通过螺钉与第二外套筒紧密连接。
6.如权利要求1所述的微创血管介入手术机器人送管机构控制装置，其特征在于：操作手柄置于第二传动轴上方，操作手柄的末端与第二传动轴相连；控制部的第二电机的转动轴与第二减速器的转动轴连接，同时第二减速器的转动轴通过第二连轴器与第二传动轴紧密相连；第一传动轴通过轴承座与盖板相连；第二传动轴位于第二外套筒内。
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