CN101933837A - 微创血管介入手术机器人送管机构 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种微创血管介入手术机器人的送管机构，包括轴向进给部件和周向旋转部件，所述周向旋转部件的力矩传感器通过所述轴向进给部件的力矩传感器支架板固定于底板上，轴向进给部件的力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮连接在力矩传感器轴的两端，将动力传递到力矩传感器输出端齿轮；力矩传感器用于检测力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮两侧受力不同所产生扭矩信号用于反馈控制；本发明中使用导电滑环固定在外罩下固定板上，有效地避免在整体旋转过程中缠线问题。本发明使用弹簧调整机构可以改变凸凹论之间的间隙适用于不同型号的导管。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，公开一种微创血管介入手术机器人送管机构。
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，尤其是多功能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尚未得到全面的研究和推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现对导管轴向进给和周向旋转的微创血管介入手术机器人送管机构。
为达成所述目的，本发明提供一种微创血管介入手术机器人的送管机构，该送管机构包括：轴向进给部件和周向旋转部件；所述轴向进给部件含有底板、第一电机、第一电机支座、第一主传动齿轮、力矩传感器输入端齿轮、力矩传感器支架板、力矩传感器轴、力矩传感器输出端齿轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、调整螺钉、压缩弹簧、压块、固定板、第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮和第二凸轮，其中：由调整螺钉、压缩弹簧、压块和固定板组成弹性调整机构，固定板与底板固定连接，调整螺钉位于压块的上方，压缩弹簧位于压块的下方；第一电机通过第一电机支座固定于底板上；第一电机的输出轴与第一主传动齿轮连接；在底板的另一侧，在第一齿轮轴的两端分别连接第一齿轮和第一凹轮，在第二齿轮轴的两端分别连接第二齿轮和第二凹轮，在第三齿轮轴的两端分别连接第三齿轮和第一凸轮，在第四齿轮轴的两端分别连接第四齿轮和第二凸轮；第一凹轮的凹部与第一凸轮的凸部配合，第二凹轮的凹部与第二凸轮的凸部紧密配合，第一凹轮作主动运动而带动第一凸轮作从动的运动，第二凹轮作主动运动而带动第二凸轮作从动的运动；
所述周向旋转部件含有上固定座、空心齿轮轴、导电滑环、空心轴、下固定座、第二电机、第二电机支座、第二主传动齿轮、旋转齿轮、外罩上固定板、外罩下固定板、外罩移动上盖、外罩固定下盖、盖卡、导管和力矩传感器，其中：旋转齿轮固定在外罩上固定板上，第二电机通过第二电机支座固定在底板，由第二电机驱动的第二主动齿轮固定在底 板上，第二主传动齿轮与旋转齿轮相啮合；空心齿轮轴与外罩上固定板相连，空心轴与外罩下固定板相连；盖卡与外罩移动上盖卡合连接，外罩固定下盖固定不动；上固定座、下固定座与底板相连，导管位于第一凹轮和第一凸轮以及第二凹轮和第二凸轮的表面中间位置且夹持导管；其特征在于：
力矩传感器通过力矩传感器支架板固定于底板上，力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮连接在力矩传感器轴的两端，将动力传递到力矩传感器输出端齿轮；力矩传感器用于检测力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮两侧受力不同所产生扭矩信号用于反馈控制；导电滑环固定在外罩下固定板上。
其中，所述弹性调整机构是使用两个相同的弹性调整机构，两个相同的弹性调整机构分别位于底板与第一凸轮及第二凸轮相连的上端，用于调整第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮、第二凸轮之间的间隙，改变第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮、第二凸轮之间的摩擦力大小，用于配合使用不同型号的导管。
其中，所述导管在送进过程中接触到血管内壁，受到血管内壁阻力时，导管与第一凹轮和第一凸轮以及第二凹轮和第二凸轮与导管之间的摩擦力相应的增大，分别与第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮、第二凸轮相连的第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮在转动过程中也将受到阻力作用；第一主传动齿轮将所述阻力传递到与其相啮合的力矩传感器输出端齿轮上，使得力矩传感器两端的力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮受力不同产生扭矩信号，所述扭矩信号用于控制送管机构的控制装置的电机产生一个与操作方向相反的力矩，使操作手能够感觉到导管受到阻碍，从而操作手可停止导管介入操作或改变导管前进的方向。
本发明的有益效果：本发明的微创血管介入手术机器人送管机构体积小，结构紧凑，操作和维护方便，便于进行消毒，可以对导管进行二次夹持，同时该送管机构还可以实现导管的螺旋式推进。在导管推进过程中，导管与血管内壁会产生摩擦力，过大的力会将血管壁穿破，造成一系列医疗事故，主要原因是医生在导管送进过程中掌握不好对导管末 端力的控制，使得导管末端与血管内壁的作用力过大。本发明采用高精度力矩传感器检测其输入端齿轮和输出端齿轮两侧受力不同所产生扭矩信号并可进行反馈，当导管在送进过程中接触到血管内壁，两者之间会产生相应的阻力，夹持导管的两对凸凹轮与导管之间的摩擦力会相应的增大，与凸凹轮相连的两对主、从齿轮在转动过程中也将受到阻力作用。主齿轮将力传递到与其相啮合的力矩传感器输出端齿轮上，这样力矩传感器两端的齿轮受力不同产生扭矩信号，将扭矩信号对送管机构的控制装置发出指令，使控制装置的电机会产生一个与操作方向相反的力矩，使操作手能够感觉到导管受到阻碍，从而操作手可停止导管介入操作或改变导管前进的方向，避免了导管与血管壁产生过大的力将血管壁穿破。本发明的创新点主要是在周向旋转过程中，电机会跟随一起旋转，容易产生缠线问题，本发明中使用固定在外罩下固定板上的导电滑环，有效地避免在整体旋转过程中缠线问题。本发明使用弹簧调整机构可以改变凸凹论之间的间隙适用于不同型号的导管。本发明实施的整体机构的长度是176mm，宽度是108mm，高度是92mm，总重量介于2-2.5kg之间，体积小，重量轻，结构紧凑，有利于在有限的手术环境中使用。本发明的微创血管介入手术机器人送管机构具有二自由度，有很高的定位精度，运动的直观性强，系统整体刚度大，结构实现容易。
附图说明
图1是本发明微创血管介入手术机器人送管机构总体结构示意图。
图2a和图2b是图1中轴向进给部件结构示意图。
主要元件说明
1 底板 21 第一凹轮
2 第一电机 22 第二凹轮
3 第一电机支座 23 第一凸轮
4 第一主传动齿轮 24 第二凸轮
5 力矩传感器输入端齿轮 25 上固定座
6 力矩传感器支架板 26 空心齿轮轴
7 力矩传感器轴 27 导电滑环
8 力矩传感器输出端齿轮28 空心轴
9 第一齿轮 29 下固定座
10 第二齿轮 30 第二电机
11 第三齿轮 31 第二电机支座
12 第四齿轮 32 第二主传动齿轮
13 第一齿轮轴 33 旋转齿轮
14 第二齿轮轴 34 外罩上固定板
15 第三齿轮轴 35 外罩下固定板
16 第四齿轮轴 36 外罩移动上盖
17 调整螺钉 37 外罩固定下盖
18 压缩弹簧 38 盖卡
19 压块 39 导管
20 固定板 40 力矩传感器
具体实施方式
下面给出本发明实施的优选方案，并结合附图加以说明。
如图1示出本发明的微创血管介入手术机器人送管机构总体结构，用作微创血管介入手术机器人的末端执行器，它包括轴向进给部件和周向旋转部件两部份，其中轴向进给部件用于推进导管39前进，周向旋转部件用于改变导管39的前进方向其中：
如图2a和图2b所示轴向进给部件结构包括：底板1、第一电机2、第一电机支座3、第一主传动齿轮4、力矩传感器输入端齿轮5、力矩传感器支架板6、力矩传感器轴7、力矩传感器输出端齿轮8、第一齿轮9、第二齿轮10、第三齿轮11、第四齿轮12、第一齿轮轴13、第二齿轮轴14、第三齿轮轴15、第四齿轮轴16、调整螺钉17、压缩弹簧18、压块19、固定板20、第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23、第二凸轮24，其中：由调整螺钉17、压缩弹簧18、压块19和固定板20组成弹性调整机构，固定板20与底板1固定连接，调整螺钉17位于压块19的上方，压缩弹簧18位于压块19的下方。第一电机2以及力矩传感器40 分别通过第一电机支座3、力矩传感器支架板6固定于底板1上。第一电机2的输出轴与第一主传动齿轮4连接；在底板1的另一侧，在第一齿轮轴13的两端分别连接第一齿轮9和第一凹轮21，在第二齿轮轴14的两端分别连接第二齿轮10和第二凹轮22，在第三齿轮轴15的两端分别连接第三齿轮11和第一凸轮23，在第四齿轮轴16的两端分别连接第四齿轮12和第二凸轮24。第一凹轮21的凹部与第一凸轮23的凸部配合，第二凹轮22的凹部与第二凸轮24的凸部紧密配合，第一凹轮21作主动运动而带动第一凸轮23作从动的运动，第二凹轮22作主动运动而带动第二凸轮24作从动的运动；力矩传感器输入端齿轮5和力矩传感器输出端齿轮8连接在力矩传感器轴7的两端，将动力传递到力矩传感器输出端齿轮8。
所述弹性调整机构是使用两个相同的弹性调整机构，两个相同的弹性调整机构分别位于底板1与第一凸轮23及第二凸轮24相连的上端，用于调整第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23、第二凸轮24之间的间隙，改变第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23、第二凸轮24之间的摩擦力大小，用于配合使用不同型号的导管39。
力矩传感器40用于检测力矩传感器输入端齿轮5和力矩传感器输出端齿轮8两侧受力不同所产生扭矩信号并可进行反馈，当导管39在送进过程中接触到血管内壁，受到血管内壁阻力时，夹持导管39的两对凹凸部相配合的第一凹轮21和第一凸轮23以及第二凹轮22和第二凸轮24与导管39之间的摩擦力会相应的增大，分别与第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23、第二凸轮24相连的第一齿轮9、第二齿轮10、第三齿轮11、第四齿轮12在转动过程中也将受到阻力作用。第一主传动齿轮4将力传递到与其相啮合的力矩传感器输出端齿轮8上，这样力矩传感器40两端的齿轮受力不同产生扭矩信号，送管机构系统的计算机在接收到信号后，发出相应的指令，使得本发明送管机构的控制装置的电机产生一个与操作方向相反的力矩，使操作手能够感觉到导管39受到阻碍，从而操作手可停止导管39介入操作或改变导管39前进的方向，避免了导管39与血管壁产生过大的力将血管壁穿破。
启动第一电机2，带动第一主传动齿轮4运动，力矩传感器输入端 齿轮5与第一主传动齿轮4相啮合运动，并通过力矩传感器轴7将动力传递到力矩传感器输出端齿轮8；同时，力矩传感器输出端齿轮8带动一对与力矩传感器输出端齿轮8相啮合的第一齿轮9与第二齿轮10同步且反向转动；同时带动第一齿轮9和第二齿轮10相啮合的第三齿轮11和第四齿轮12转动。导管39放置于第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23、第二凸轮24之间，依靠第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23、第二凸轮24之间的摩擦形成对导管39的两次夹持，第一齿轮9、第二齿轮10、第三齿轮11、第四齿轮12通过第一齿轮轴13、第二齿轮轴14、第三齿轮轴15、第四齿轮轴16分别将动力传递到第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23及第二凸轮24，使第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23及第二凸轮24反向旋转，带动放置于第一凹轮21与第一凸轮23中间以及第二凹轮22与第二凸轮23中间的导管39运动实现其轴向进给。
周向旋转部件包括：上固定座25、空心齿轮轴26、导电滑环27、空心轴28、下固定座29、第二电机30、第二电机支座31、第二主传动齿轮32、旋转齿轮33、外罩上固定板34、外罩下固定板35、外罩移动上盖36、外罩固定下盖37、盖卡38、导管39、力矩传感器40。
其中：旋转齿轮33固定在外罩上固定板34上，第二电机30通过第二电机支座31固定在底板1，由第二电机30驱动的第二主动齿轮32固定在底板1上，第二主传动齿轮32与旋转齿轮33相啮合。导电滑环27固定在外罩下固定板35上，导电滑环27可以有效地避免在整体旋转过程中缠线问题。空心齿轮轴26与外罩上固定板相连，空心轴28与外罩下固定板35相连。盖卡38与外罩移动上盖36卡合连接，外罩固定下盖37固定不动，拧开盖卡38，外罩移动上盖36可以打开，便于对里侧部件进行清洁、消毒和维护。力矩传感器40通过力矩传感器支架板固定于底板1上，力矩传感器40用于检测力矩传感器输入端齿轮5和力矩传感器输出端齿轮8两侧受力不同所产生扭矩信号用于反馈控制；上固定座25、下固定座29与底板1相连，导管39位于第一凹轮21和第一凸轮23以及第二凹轮22和第二凸轮24的表面中间位置且夹持导管39。
周向旋转部件的动态工作过程：启动第二电机30，带动第二主传动齿轮32运动，同时第二主传动齿轮32将动力传递给与其啮合的旋转齿轮33，进而带动送管机构整体轴向旋转，改变了导管39的前进方向。导管39从顶部通过上固定座25与底板1相连的空心齿轮轴26(导管39是在医生的操作下插入空心齿轮轴26中)处插入，导管39中间由两对凸凹轮即第一凹轮21、第二凹轮22、第一凸轮23、第二凸轮24夹持，并通过下固定座29与底板1相连的空心轴28处穿出。
本发明的微创血管介入手术机器人的送管机构用作微创血管介入手术机器人的末端执行器，主要是为了将在手术过程中将导管送入到血管之中辅助医生完成血管介入手术，解决了传统血管介入手术的一些弊端(如手术工作时间很长，医生容易疲惫，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，风险性较高等)。本发明实施例的送管机构的整体结构总长度176mm，宽度是108mm，高度是92mm，总重量介于2-2.5kg之间，本发明的实施不局限于上述尺寸，可以根据使用环境设计送管机构的整体结构的尺寸，本发明的体积小，重量轻，结构紧凑，便于消毒和维护，有利于在有限的手术环境中使用。此外，送管机构的弹簧调整机构可以调整两对凸凹部配合的凸凹论之间的间隙，可适用于不同型号的导管。同时本发明应用了力矩传感器用于在手术过程中的力反馈，提高了送管机构的安全性，以及使用了导电滑环，有效地防止了在周向旋转过程中的缠线问题。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，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 (3)
1.一种微创血管介入手术机器人的送管机构，包括轴向进给部件和周向旋转部件，所述轴向进给部件含有底板、第一电机、第一电机支座、第一主传动齿轮、力矩传感器输入端齿轮、力矩传感器支架板、力矩传感器轴、力矩传感器输出端齿轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、调整螺钉、压缩弹簧、压块、固定板、第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮和第二凸轮，其中：由调整螺钉、压缩弹簧、压块和固定板组成弹性调整机构，固定板与底板固定连接，调整螺钉位于压块的上方，压缩弹簧位于压块的下方；第一电机通过第一电机支座固定于底板上；第一电机的输出轴与第一主传动齿轮连接；在底板的另一侧，在第一齿轮轴的两端分别连接第一齿轮和第一凹轮，在第二齿轮轴的两端分别连接第二齿轮和第二凹轮，在第三齿轮轴的两端分别连接第三齿轮和第一凸轮，在第四齿轮轴的两端分别连接第四齿轮和第二凸轮；第一凹轮的凹部与第一凸轮的凸部配合，第二凹轮的凹部与第二凸轮的凸部紧密配合，第一凹轮作主动运动而带动第一凸轮作从动的运动，第二凹轮作主动运动而带动第二凸轮作从动的运动；
所述周向旋转部件含有上固定座、空心齿轮轴、导电滑环、空心轴、下固定座、第二电机、第二电机支座、第二主传动齿轮、旋转齿轮、外罩上固定板、外罩下固定板、外罩移动上盖、外罩固定下盖、盖卡、导管和力矩传感器，其中：旋转齿轮固定在外罩上固定板上，第二电机通过第二电机支座固定在底板，由第二电机驱动的第二主动齿轮固定在底板上，第二主传动齿轮与旋转齿轮相啮合；空心齿轮轴与外罩上固定板相连，空心轴与外罩下固定板相连；盖卡与外罩移动上盖卡合连接，外罩固定下盖固定不动；上固定座、下固定座与底板相连，导管位于第一凹轮和第一凸轮以及第二凹轮和第二凸轮的表面中间位置且夹持导管；其特征在于：
力矩传感器通过力矩传感器支架板固定于底板上，力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮连接在力矩传感器轴的两端，将动力传递到力矩传感器输出端齿轮；力矩传感器用于检测力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮两侧受力不同所产生扭矩信号用于反馈控制；导电滑环固定在外罩下固定板上。
2.如权利要求1所述的微创血管介入手术机器人的送管机构，其特征在于，所述弹性调整机构是使用两个相同的弹性调整机构，两个相同的弹性调整机构分别位于底板与第一凸轮及第二凸轮相连的上端，用于调整第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮、第二凸轮之间的间隙，改变第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮、第二凸轮之间的摩擦力大小，用于配合使用不同型号的导管。
3.如权利要求1所述的微创血管介入手术机器人的送管机构，其特征在于，所述导管在送进过程中接触到血管内壁，受到血管内壁阻力时，导管与第一凹轮和第一凸轮以及第二凹轮和第二凸轮与导管之间的摩擦力相应的增大，分别与第一凹轮、第二凹轮、第一凸轮、第二凸轮相连的第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮在转动过程中也将受到阻力作用；第一主传动齿轮将所述阻力传递到与其相啮合的力矩传感器输出端齿轮上，使得力矩传感器两端的力矩传感器输入端齿轮和力矩传感器输出端齿轮受力不同产生扭矩信号，所述扭矩信号用于控制送管机构的控制装置的电机产生一个与操作方向相反的力矩，使操作手能够感觉到导管受到阻碍，从而操作手可停止导管介入操作或改变导管前进的方向。
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