CN104984460B - 一种基于行星轮系的介入导管输送装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一套基于行星轮系的导管推送装置，可以通过行星轮系所提供的自转及公转形式、分别实现导管的推送及旋捻动作，进而完成手术中微创导管的全部操作和功能要求。该装置解决了现有的摩擦轮推送方式下，导管绕轴回转时装置整体也必须随导管一起旋转的问题，因此避免了旋转电刷和导电滑环的使用，从而使整个机构得到简化。
Description
技术领域
本发明属于机器人辅助医疗技术领域，尤其涉及辅助微创外科手术的介入导管操作设备。
背景技术
传统的介入手术需要医生在腔外操纵插入腔内的手术器械，直视监视屏幕进行介入操作，这种方式存在过度依赖医生经验、人为操作误差和医务人员遭受辐射伤害等问题，在一定程度上增加了手术的风险和难度。借助微创外科手术辅助机器人系统，医生可以在操作室内通过导航图像的引导，遥操作导管输送装置进行介入治疗，在避免辐射的同时，还可以提高导管操作精度和手术成功率。
按照导管末端推送方式不同，导管介入装置可分为直线驱动、夹爪夹持、摩擦轮三种推送方式。前两种均属于间歇式推送方式，电机需要频繁地正反转交替动作，影响电机寿命。摩擦轮推送式导管介入装置属于连续式推送方式，导管绕轴回转时装置整体也必须随导管一起旋转，因此需要采用导电滑环或旋转电刷以防止电线缠绕，增加了装置的复杂性。
发明内容
本发明的目的是为了解决摩擦轮推送式导管介入装置中导管绕轴回转时，装置整体随导管一起旋转的问题，提供了一种基于行星轮系的介入导管输送装置。
本发明包括第1步进电机、第2步进电机、第1主动齿轮、第2主动齿轮、第1中间轴、大中心齿轮、第1中间齿轮、小中心齿轮、行星架、行星齿轮、第1锥齿轮轴、第2锥齿轮轴、第2中间齿轮、齿轮轴、主动摩擦轮、从动摩擦轮、摩擦轮支撑架、底座、第1支撑架、第2支撑架、旋转支撑架、第2中间轴和齿轮系支撑盘。第1、2支撑架固定在底座上，齿轮系支撑盘通过第1中间轴安装在第1支撑架上，旋转支撑架通过第2中间轴安装在第2支撑架上，第1主动齿轮设置在第1步进电机输出轴上，第2主动齿轮设置在第2步进电机输出轴上，具有内、外齿的大中心齿轮固连在齿轮系支撑盘上，第1主动齿轮与大中心齿轮外啮合，第2主动齿轮与第1中间齿轮啮合，第1中间齿轮与小中心齿轮同轴固连并安装在第1中间轴上，第1锥齿轮轴安装在行星架的孔内，行星架安装在第1中间轴上，行星齿轮安装在第1锥齿轮轴上，与小中心齿轮外啮合并与大中心齿轮内啮合，第1锥齿轮轴与行星齿轮同轴，第2锥齿轮轴与第1锥齿轮轴啮合，第2锥齿轮轴与第2中间齿轮同轴固连并安装在旋转支撑架上，第2中间齿轮与齿轮轴的齿轮啮合，主动摩擦轮与第3中心齿轮同轴固连并安装在旋转支撑架上，从动摩擦轮安装在摩擦轮支撑架上，依靠两轮间的摩擦力来夹持导管进行操作，摩擦轮支撑架安装在旋转支撑架上。
本发明的有益效果是，由于旋转支撑架带动主、从摩擦轮一起旋转的形式，可以解决导管绕轴回转时介入装置整体旋转带来的电线缠绕问题，从而避免了导电滑环或旋转电刷的使用，简化了装置，并使得机构质量减轻，可相应降低一定能耗。主动及从动摩擦轮的相对位置可调，能够适应于不同直径的导管，增强了装置的应用范围。
附图说明
图1为本发明的正视图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的左视图。
图4为图1的A-A剖视图。
图5为图2的B-B剖视图。
图6为图2的C-C剖视图。
图7为装置传动原理图。
图中各序号分别表示为：1第1步进电机，2第2步进电机，3第1主动齿轮，4第2主动齿轮，5第1中间轴，6大中心齿轮，7第1中间齿轮，8小中心齿轮，9行星架，10行星齿轮，11第1锥齿轮轴，12第2锥齿轮轴，13第2中间齿轮，14齿轮轴，15主动摩擦轮，16从动摩擦轮，17摩擦轮支撑架，18底座，19第1支撑架，20第2支撑架，21旋转支撑架，22第2中间轴，23齿轮系支撑盘。
具体实施方式
如图1～6所示，第1支撑架19和第2支撑架20固定于底座18上，第1支撑架19与第2支撑架20相互平行，两个支撑架都与底座18相互垂直。第1支撑架19上下分布有一个小孔和两个大孔，小孔用于安装第1中间轴5，大孔用于穿过第1步进电机1和第2步进电机2的输出轴。齿轮系支撑盘23安装在第1中间轴5上，可绕第1中间轴5旋转。第2中间轴22安装在第2支撑架20上的孔内，旋转支撑架21与第2中间轴22安装在一起，可绕第2中间轴22旋转。第1中间轴5、第2中间轴22均为中空结构，用于穿入导管。在第1支撑架19的一侧分别安装呈上下布置的第1步进电机1与第2步进电机2，两个步进电机的输出轴分别穿过第1支撑架19上的两个大孔，第1步进电机1的输出轴比第2步进电机2的输出轴长，以留出足够空间来避免机构中齿轮传动时的干涉。第1主动齿轮3通过键连接在第1步进电机1的输出轴末端，第2主动齿轮4通过键连接在第2步进电机2的输出轴末端。第2主动齿轮4与第1中间齿轮7啮合，第1中间齿轮7通过键连接在第1中间轴5上，第1中间轴5安装在第1支撑架19的小孔内，可绕该孔轴线转动。小中心齿轮8通过键连接在第1中间轴5的末端，与第2主动齿轮4同步旋转。大中心齿轮6与齿轮系支撑盘23固定在一起，以进行同步转动，大中心齿轮6与位于其下方的第1主动齿轮3外啮合。行星架9上具有两个安装孔，分别用于安装第1锥齿轮轴11与第1中间轴5。行星架9安装在第1中间轴5上，第1锥齿轮轴11安装在行星架9的孔内，行星齿轮10安装在第1锥齿轮轴11上。行星齿轮10可与第1锥齿轮轴11同步转动或通过行星架9绕第1中间轴5同步转动。第2锥齿轮轴12安装在旋转支撑架21外侧端面上的孔内，可绕该孔轴线转动。第2中间齿轮13通过键连接在第2锥齿轮轴12上，与第2锥齿轮轴12同步转动。齿轮轴14外端安装在旋转支撑架21外侧端面上的孔内，可绕该孔轴线转动，主动摩擦轮15通过键连接在齿轮轴14轴的内端，与齿轮轴14同步转动。从动摩擦轮16的轴安装在摩擦轮支撑架17的孔内，可绕该孔轴线转动，两摩擦轮尺寸相等、轴线平行，处于同一平面上，其外缘中部的半圆形凹槽可用以夹持导管。摩擦轮支撑架17与旋转支撑架21通过螺栓固定在一起，可通过改变螺栓的固定位置来调整两支撑架距离，从而调整主、从动摩擦轮轴距，以适应不同直径的导管。
工作过程如图7所示，调整主动摩擦轮15与从动摩擦轮16轴距，将导管夹紧，驱动第1步进电机1正向转动，带动第1主动齿轮3、大中心齿轮6作正向转动，驱动第2步进电机2反向转动，带动第2主动齿轮4及小中心齿轮8作反向转动，保证大中心齿轮6的内齿与小中心齿轮8线速度大小相同、转向相反，此时行星齿轮10在大中心齿轮6与小中心齿轮8共同带动下发生自转而不发生公转，行星齿轮10带动第1锥齿轮轴11转动，第2锥齿轮轴12随之转动，带动第2中间轮13使齿轮轴14转动，此时带动主动摩擦轮15及从动摩擦轮16驱动导管作直线推送动作。同理，当第1步进电机1反向转动、第2步进电机2正向转动时，同样保证大中心齿轮6的内齿与小中心齿轮8线速度大小相同、转向相反，可实现导管的直线回拉动作。当驱动第1步进电机1和第2步进电机2作同向转动时，保证大中心齿轮6与小中心齿轮8转速大小相同、转向一致，此时行星齿轮10不再与大中心齿轮6及小中心齿轮8发生相对转动，只发生公转而不发生自转，行星齿轮10通过第1锥齿轮轴11将力矩传递到第2锥齿轮轴12上，带动旋转支撑架21绕第2中间轴22转动，从而实现导管的旋转动作。
Claims (3)
1.一种基于行星轮系的介入导管输送装置，包括第1步进电机(1)、第2步进电机(2)、第1主动齿轮(3)、第2主动齿轮(4)、主动摩擦轮(15)、从动摩擦轮(16)，第1主动齿轮(3)设置在第1步进电机(1)的输出轴上，第2主动齿轮(4)设置在第2步进电机(2)的输出轴上，介入导管通过两轴平行的主动摩擦轮(15)和从动摩擦轮(16)进行传动，其特征在于：它还包括第1中间轴(5)、大中心齿轮(6)、第1中间齿轮(7)、小中心齿轮(8)、行星架(9)、行星齿轮(10)、第1锥齿轮轴(11)、第2锥齿轮轴(12)、第2中间齿轮(13)、齿轮轴(14)、摩擦轮支撑架(17)、底座(18)、第1支撑架(19)、第2支撑架(20)、旋转支撑架(21)、第2中间轴(22)、齿轮系支撑盘(23)，第1支撑架(19)和第2支撑架(20)固定在底座(18)上，第1中间轴(5)安装在第1支撑架(19)上，齿轮系支撑盘(23)安装在第1中间轴(5)上，第2中间轴(22)安装在第2支撑架(20)上，旋转支撑架(21)安装在第2中间轴(22)上，具有内、外齿的大中心齿轮(6)固定在齿轮系支撑盘(23)上，第1主动齿轮(3)与大中心齿轮(6)外啮合，第2主动齿轮(4)与第1中间齿轮(7)啮合，第1中间齿轮(7)与小中心齿轮(8)同轴固连并安装在第1中间轴(5)上，行星架(9)安装在第1中间轴(5)上，第1锥齿轮轴(11)安装在行星架(9)的锥齿轮轴安装孔内，行星齿轮(10)安装在第1锥齿轮轴(11)上，小中心齿轮(8)与行星齿轮(10)外啮合，大中心齿轮(6)与行星齿轮(10)内啮合，第1锥齿轮轴(11)与行星齿轮(10)同轴固连，第2锥齿轮轴(12)与第1锥齿轮轴(11)啮合，第2锥齿轮轴(12)与第2中间齿轮(13)同轴固连并安装在旋转支撑架(21)上，第2中间齿轮(13)与齿轮轴(14)的齿轮啮合，齿轮轴(14)与主动摩擦轮(15)同轴固连并安装在旋转支撑架(21)上，从动摩擦轮(16)安装在摩擦轮支撑架(17)上，摩擦轮支撑架(17)安装在旋转支撑架(21)上；
所述第1中间轴(5)、第2中间轴(22)都为中空结构，用于穿入导管，内径尺寸能够保证穿入最大直径的介入导管，两轴同心，第1中间轴(5)安装在第1支撑架(19)的孔上，可自由旋转，第1中间齿轮(7)通过平键固定于第1中间轴(5)近第1支撑架(19)一侧，齿轮系支撑盘(23)的中心孔与第1中间轴(5)相配合，能够发生相对转动，第1中间轴(5)安装在行星架(9)的中间轴安装孔内，小中心齿轮(8)通过平键固定于第1中间轴(5)末端，当第1中间齿轮(7)转动时，小中心齿轮(8)发生同步转动；
所述摩擦轮支撑架(17)与旋转支撑架(21)通过螺栓固定在一起，可通过改变螺栓的固定位置来调整两支撑架距离，从而调整主动摩擦轮(15)和从动摩擦轮(16)间的轴距，以适应不同直径的导管。
2.根据权利要求1所述的一种基于行星轮系的介入导管输送装置，其特征在于：齿轮系支撑盘(23)与大中心齿轮(6)固连，两者轴心重合，大中心齿轮(6)的外齿和内齿分别与第1主动齿轮(3)和行星齿轮(10)啮合，当与第1主动齿轮(3)啮合时，大中心齿轮(6)作为从动齿轮，当与行星齿轮(10)啮合时，大中心齿轮(6)作为主动齿轮，此时行星齿轮(10)不但与大中心齿轮(6)内齿啮合，还与小中心齿轮(8)相啮合，行星齿轮(10)的运动由大中心齿轮(6)和小中心齿轮(8)共同带动；当大中心齿轮(6)与小中心齿轮(8)转速大小相同、转向一致时，行星齿轮(10)只发生公转，当大中心齿轮(6)的内齿与小中心齿轮(8)的线速度大小相同、转向相反时，行星齿轮(10)只发生自转。
3.根据权利要求1所述的一种基于行星轮系的介入导管输送装置，其特征在于：当行星齿轮(10)在大中心齿轮(6)与小中心齿轮(8)共同带动下发生自转时，力矩通过第1锥齿轮轴(11)、第2锥齿轮轴(12)、第2中间齿轮(13)、齿轮轴(14)使主动摩擦轮(15)转动，主动摩擦轮(15)与从动摩擦轮(16)夹持导管实现推送或回拉动作，此时旋转支撑架(21)不发生转动；当行星齿轮(10)不再与大中心齿轮(6)及小中心齿轮(8)发生相对转动，只发生公转时，力矩通过第1锥齿轮轴(11)、第2锥齿轮轴(12)传递到旋转支撑架(21)上，使旋转支撑架(21)整体绕第2中间轴(22)旋转，从而实现导管的旋转动作，此时导管转向与行星齿轮(10)的公转转向一致。
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