CN104644270B - 一种基于反向丝杠的导管操纵装置 - Google Patents

一种基于反向丝杠的导管操纵装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反向丝杠的导管操纵装置，其采用一对主、从仿生指模仿手术过程中医生手动操纵导管的动作，该装置包括双指开合部件和双指推拉/捻旋部件，其中双指开合部件用于控制主、从仿生指夹紧或松开导管；双指推拉/捻旋部件用于实现推拉导管沿轴向运动和捻旋导管沿周向旋转以改变导管的前进方向；该装置利用反向丝杠作为双指开合动作与捻旋导管运动的主轴，能够夹持和推进不同型号的导管，还可以方便地取放导管。

Description

一种基于反向丝杠的导管操纵装置
技术领域
本发明涉及一种基于反向丝杠的导管操纵装置，属于机械操纵技术领域。
背景技术
传统的血管介入手术过程中，由于操纵对象比较小(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射线环境下操纵对身体伤害很大，专科医生必须经过长期训练才能够进行微创手术操纵，现有手术法技巧性较强、风险性很高，这些缺点限制了血管介入手术的广泛应用。
近几年，利用机器人技术辅助医生完成血管介入手术，不仅具有稳定、精确的特点，而且还可以实现医生远程操纵手术过程，从而避免医生受到X射线辐射。
现有的导管操纵装置普遍存在以下缺点：
在实际手术过程中为了使导管达到病灶位置，常常需要导管和导丝的配合使用，通常需要更换导管或导丝，而现有的导管操纵装置需要医护人员手动将导管从导管操纵装置的一端穿至另外一端，操纵起来费时费力；另外，导管不仅与执行部件接触，还与驱动部件接触，加大了术前消毒和术后的清洗的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于反向丝杠的导管操纵装置，能够实现对导管的轴向进给和周向旋转。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于反向丝杠的导管操纵装置，用于机器人的末端执行器，包括用于推拉导管和用于改变导管前进方向的双指推拉/捻旋部件以及用于控制夹紧和松开导管的双指开合部件；
所述双指开合部件，主要是控制主、从仿生指的开合动作，主、从仿生指是直接接触导管，并实现捻旋和推拉导管的部件；双指开合部件的张合由开合步进电机控制，电机直接带动一主动伞齿轮转动，主动伞齿轮与两个对称布置的从动伞齿轮相互啮合，故两个从动伞齿轮转动方向相反，而各从动伞齿轮分别与两个直齿轮固连，因此两直齿轮转动方向相反，直齿轮又分别和两个安装了主、从仿生指的齿轮盘相互啮合，进一步实现两齿轮盘以反向丝杠为中心轴相对同步反向旋转，最终实现主、从仿生指的开合动作。
所述双指推拉/捻旋部件在实现推拉导管时动力来自于直流伺服电机，直流伺服电机直接驱动主仿生指，省去传动机构、节省空间；需要推送导管向前运动时，电机正转，带动主仿生指顺时针旋转，主、从仿生指在摩擦力的作用下反向同步转动，从而推送导管向前运动；电机反转，主仿生指逆时针旋转，从而拉动导管后退。
所述双指推拉/捻旋部件在实现捻旋导管时动力来自于捻旋步进电机，通过带传动将动力传至于反向丝杠，两齿轮盘中间分别固定着左旋和右旋螺母，反向丝杠和两齿轮盘构成了反向丝杠螺母机构，反向丝杠旋转时，两齿轮盘以双指开合部件中的两个直齿轮为导轨上下相对直线运动，因此主、从仿生指上下同步相对运动，最终实现捻旋导管的动作。
本发明反向丝杠同时作为双指开合时的转动主轴，也用于构成推拉/捻旋部件实现捻旋导管时的反向丝杠螺母机构，用同一个零件实现双重功能，大大减少了装置零部件数量，实现了装置的小型化
附图说明
图1(a)、图1(b)、图1(c)为本发明的一种基于反向丝杠的导管操纵装置总体结构示意图；
图2为本发明中双指推拉/捻旋部件的结构示意图；
图3为本发明中双指开合部件的结构示意图。
主要元件说明：
1 底座
2 反向丝杠下支承座
3 反向丝杠上支承座
4 第一齿轮盘
5 反向丝杠
6 直流伺服电机座
7 第二齿轮盘
8 从仿生指轴
9 主仿生指
10 从仿生指
11 反向丝杠轴承盖
12 双指开合部件轴承盖
13 双指开合部件支承座
14 第一直齿轮
15 开合步进电机
16 第二直齿轮
17 捻旋步进电机
18 第一从动伞齿轮
19 主动伞齿轮
20 轴
21 第二从动伞齿轮
22 主动皮带轮
23 皮带
24 张紧轮装置
25 从动皮带轮
26 第一限位开关
27 第二限位开关
28 导管
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施方案，并结合附图做进一步说明。
图1(a)、图(1b)、图(1c)示出本发明的一种基于反向丝杠的导管操纵装置总体结构，用于机器人的末端执行器，包括双指推拉/捻旋部件和双指开合部件两部分，其中双指推拉/捻旋部件用于实现推拉导管28沿轴向运动和捻旋导管28沿周向旋转以改变其前进方向，双指开合部件用于控制双指推拉/捻旋部件夹紧或松开导管28；
双指推拉/捻旋部件包括：反向丝杠下支承座2、反向丝杠上支承座3、第一齿轮盘4、反向丝杠5、直流伺服电机座6、第二齿轮盘7、从仿生指轴8、主仿生指9、从仿生指10、反向丝杠轴承盖11、捻旋步进电机17、主动皮带轮22、皮带23、张紧装置24、从动皮带轮25、第一限位开关26、第二限位开关27。
双指推拉/捻旋部件中，直接接触导管的部件是主仿生指9和从仿生指10，并实现推拉和捻旋导管28；
当需要推拉导管28时，启动直流伺服电机，通过联轴器将动力直接传到主仿生指9上，主、从仿生指在摩擦力的作用下反向同步转动，最终通过摩擦传动的方式将主、从仿生指的转动转化为导管28沿轴向的进给运动；
在实际需要调整导管的前进方向时，可以通过捻旋导管以改变导管最前端的弯曲段的朝向，从而实现改变导管的前进方向。此时，启动捻旋步进电机17，通过主动皮带轮22、皮带23、从动皮带轮25将动力传给反向丝杠5，张紧轮装置24用于带传动的定期张紧；反向丝杠5，是一根有两段旋向不同螺纹的丝杠，即一段右旋螺纹，一段左旋螺纹，旋在其上的左、右旋螺母，分别连接着运动机件第一齿轮盘4和第二齿轮盘7，当反向丝杠5旋转时，该两个运动机件第一齿轮盘4和第二齿轮盘7随着螺母趋近或分离，而主仿生指9和从仿生指10分别固定在第一齿轮盘4和第二齿轮盘7上，因此实现了主仿生指9和从仿生指10上下同步反向运动，最终通过摩擦传动的方式将主、从仿生指的运动转化为导管沿周向的旋转运动。反向丝杠5旋转时，第一齿轮盘4和第二齿轮盘7以双指开合部件中的第一直齿轮14和第二直齿轮16为导轨，以反向丝杠为主轴上下同步相对直线运动。由于反向丝杠5的行程有限，所以在反向丝杠5的两端分别设有第一限位开关26和第二限位开关27，当螺母到达极限位置时，双指开合部件控制主仿生指9和从仿生指10松开导管，并空行程返回。
双指开合部件包括开合步进电机15、第一直齿轮14、第二直齿轮16、第一从动伞齿轮18、主动伞齿轮19、轴20、第二从动伞齿轮21。整个双指开合部件通过螺钉固定在底座1上，当需要夹紧导管时，启动开合步进电机15，开合步进电机15带动主动伞齿轮19，把动力传递给对称布置的第一从动伞齿轮18和第二从动伞齿轮21，第一从动伞齿轮18和第二从动伞齿轮21同步反向转动，因此与第一从动伞齿轮18和第二从动伞齿轮21分别固连的第一直齿轮14和第二直齿轮16同步反向转动，由第一直齿轮14和第二直齿轮16将动力传递给双指推拉/捻旋部件中的第一齿轮盘4和第二齿轮盘7，最终实现第一齿轮盘4和第二齿轮盘7以反向丝杠5为中心轴的同步反向转动，主仿生指9、从仿生指10动作，夹紧导管。当需要松开导管28时，开合步进电机15反转，主仿生指9、从仿生指10动作，松开导管28。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于反向丝杠的导管操纵装置，是机器人的末端执行器，其特征在于，采用一对主、从仿生指，该装置包括双指开合部件和双指推拉/捻旋部件，其中双指开合部件用于主、从仿生指夹紧或松开导管；双指推拉/捻旋部件用于实现推拉导管沿轴向运动和捻旋导管沿周向旋转以改变导管的前进方向；所述双指开合部件控制主、从仿生指的开合动作，主、从仿生指直接接触导管，并能够捻旋和推拉导管；双指开合部件的开合由开合步进电机控制，开合步进电机直接带动一主动伞齿轮转动，主动伞齿轮与两个对称布置的从动伞齿轮相互啮合，故能够使得两个从动伞齿轮同步反向转动，两个从动伞齿轮分别与两个直齿轮固连，因此所述两个直齿轮同步反向转动，所述两个直齿轮又分别和两个安装了主、从仿生指的两个齿轮盘相互啮合，进一步实现两齿轮盘以丝杠为中心轴相对同步反向旋转，最终实现主、从仿生指的开合动作。
2.根据权利要求1所述的一种基于反向丝杠的导管操纵装置，其特征在于：所述双指推拉/捻旋部件在实现推拉导管的功能时，采用直流伺服电机直接驱动主仿生指，需要推送导管向前运动时，直流伺服电机电机正转，带动主仿生指顺时针旋转，主、从仿生指在摩擦力的作用下反向同步转动，从而推送导管向前运动；直流伺服电机电机反转，主仿生指逆时针旋转，从而拉动导管后退。
3.根据权利要求2所述的一种基于反向丝杠的导管操纵装置，其特征在于：所述双指推拉/捻旋部件在实现捻旋导管的功能时，动力来自于捻旋步进电机，通过带传动将动力传至于反向丝杠，两齿轮盘中间分别固定着左旋和右旋螺母，反向丝杠轴和两齿轮盘构成了反向丝杠螺母机构，反向丝杠旋转时，两齿轮盘以双指开合部件中的两个直齿轮为导轨、并以反向丝杠为主轴上下同步相对直线运动，进一步实现主、从仿生指上下相对直线运动，通过摩擦方式最终实现捻旋导管的动作。
4.根据权利要求3所述的一种基于反向丝杠的导管操纵装置，其特征在于：双指开合部件通过控制开合步进电机的转动方向，从而控制主、从仿生指夹紧或松开导管，方便地取放导管，通过控制开合步进电机的转动角度以及输出力矩而实现控制夹持不同型号导管以及夹紧导管力度的大小。
5.根据权利要求4所述的一种基于反向丝杠的导管操纵装置，其特征在于：所述双指推拉/捻旋部件在实现捻旋导管的功能时，动力来自于捻旋步进电机，电机通过带传动将电机的转动转化为反向丝杠的转动，再通过反向丝杠螺母机构将反向丝杠的转动转化为左、右旋螺母的上下相对运动，最终实现主、从仿生指的上下相对运动，在摩擦力作用下，转化为导管的周向旋转运动；反向丝杠的行程有限，当螺母到达极限位置时，双指开合部件松开导管，两齿轮盘空行程返回，此时双指开合部件再次夹紧导管，捻旋导管。
6.根据权利要求5所述的一种基于反向丝杠的导管操纵装置，其特征在于：反向丝杠同时作为双指开合时的转动主轴，也用于构成推拉/捻旋部件实现捻旋导管时的反向丝杠螺母机构，用同一个零件实现双重功能。
7.根据权利要求6所述的一种基于反向丝杠的导管操纵装置，其特征在于：在开合部件进行开合动作时，开合部件中的两个直齿轮作为传动元件、将动力传递至齿轮盘；当推拉/捻旋部件进行捻旋导管动作时，两个直齿轮在开合步进电机的静力矩下锁紧不动，两个齿轮盘以两个直齿轮此时与其啮合的齿槽为导轨，上下相对运动，实现捻旋导管的动作。
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