CN105413034A - 用于气管插管的柔性机械臂机构及其遥控系统 - Google Patents

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陶元发
陈鹏
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Abstract

一种用于气管插管的柔性机械臂机构及其遥控系统，包括：柔性机械臂机构、遥操作主手模块、内窥镜、后方中央控制模块、图像显示模块、后方网络传输模块、急救现场中央控制模块、气管插管器械模块和急救现场网络传输模块；柔性机械臂机构包括：基座、钢丝绳和弯曲结构，其中：弯曲结构垂直设置于基座上，钢丝绳一端穿过弯曲结构的边缘固定在弯曲结构的顶部，另一端与牵引电机相连；弯曲结构包括两个弯曲单元，每个弯曲单元内包括两个周向相差90°的弯曲件；本发明结构简单，设计合理，可及时响应并忠实于医护人员的动作并反馈操作时的力度变化。

Description

用于气管插管的柔性机械臂机构及其遥控系统
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种用于气管插管的柔性机械臂机构及其遥控系统。
背景技术
近年来随着自然和人为灾害的增多、国际局部战争的频发，凸显专业医务人员在抢救中的重要性。在抢救过程中，气管插管对于挽救生命至关重要，但又要求急救人员具有专业的医疗技能，在医护专家不易到达的现场，如高楼楼顶、灾害现场、航母和核污染现场，更具有现实意义。
无线网络的快速发展为新型急救模式的发展提供了可能性，目前，基于网络的会诊系统已用于平时诊疗和灾害救治，现场救治和远方专家遥操作手术相结合的救治模式是现场救治的理想模式，机器人的临床应用更使其成为可能。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101670138B，公开日2010.3.17，公开了一种气管插管引导器，包括：设有弧形端的导杆和与导杆尾端连接的把柄，导杆为空心杆；把柄上设有可操纵导杆弧形端柔性段弯曲度或弯曲方向调节的操纵件，导杆弧形端连接有一段弯曲度或弯曲方向可微调的柔性段，柔性段由若干中心设有穿孔的梯形圆柱体和牵拉线组成，牵拉线穿梭于梯形圆柱体穿孔，将若干梯形圆柱体连接成一体，牵拉线的一端与把柄上的操纵件连接设置在导杆弧形端的柔性段在牵拉线的牵引下，可操纵导杆远端的柔性段按照设计要求方向弯曲，形成独特的"S"形弯曲。但该技术仅能就S形弯曲进行旋转推进气管导管，操作复杂，增加遥操作的难度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于气管插管的柔性机械臂机构及其遥控系统，通过周向相差90°的弯曲件实现平面内任意角度的弯曲，医护人员根据人体气管内部的弧形通过控制钢丝绳的长度控制弯曲角度，可辅助医护人员建立人工气道，提高抢救成功率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于气管插管的柔性机械臂机构，包括：基座、钢丝绳和弯曲结构，其中：弯曲结构垂直设置于基座上，钢丝绳穿过弯曲结构的边缘，并且钢丝绳同时分别收线和放线。
所述的钢丝绳的一端固定设置于弯曲结构的顶部，另一端通过传动机构固定设置于牵引电机的出力盘上。
所述的基座上设有与所述气管导管相配合的孔。
所述的弯曲结构包括：串联设置的弯曲单元。
所述的弯曲单元包括：沿周向相差90°设置的两个串联的弯曲件。
所述的弯曲件包括：圆柱和设置于圆柱上方的圆板。
所述的圆柱下方边缘为齿形。
所述的圆板中央和圆柱中央设有与所述气管导管相配合的孔。
所述的圆板的外径大于圆柱的外径。
所述的两个弯曲件的圆板的边缘分别对应设置有四个穿绳孔。
所述的四个穿绳孔在圆板的边缘均匀分布。
本发明涉及一种用于气管插管的遥控系统，包括：上述柔性机械臂机构、遥操作主手模块、内窥镜、后方中央控制模块、图像显示模块、后方网络传输模块、急救现场中央控制模块、气管插管器械模块和急救现场网络传输模块，其中：医护人员根据人体内的内窥镜反映在图像显示模块上的信息操作遥操作主手模块，遥操作主手模块采集医护人员手术动作，并将动作信息传送至后方中央控制模块，后方中央控制模块通过后方网络传输模块传送至急救现场中央控制模块，转换成柔性机械臂机构可识别的命令并传送至柔性机械臂机构；柔性机械臂机构接收命令完成气管插管，内窥镜采集图像信息后通过急救现场网络传输模块传送至图像显示模块进行反馈，直至插管到位。
技术效果
与现有技术相比，本发明可在人体口腔内部进行任意方向的弯曲，并保证气管导管末端始终沿着人体气管方向；柔性机械臂机构运转灵活，制作成本低，便于大批量生产；操作由医生全程控制，安全性高，在紧急情况下为后续救护工作赢得条件。
附图说明
图1为柔性机械臂机构示意图；
图2为弯曲单元示意图；
图3为柔性机械臂机构弯曲状态示意图；
图4为柔性机械臂机构弯曲状态俯视图；
图5为遥控系统示意图；
图中：1为基座，2为弯曲单元，3为钢丝绳，4为气管导管，5为弯曲件，6为穿绳孔，7为圆柱，8为圆板。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：气管导管4、钢丝绳3、传动机构、牵引电机和弯曲结构，其中：钢丝绳3通过传动机构与牵引电机相连，钢丝绳3一端穿过弯曲结构的边缘固定在弯曲结构的顶部，另一端与电机的出力盘相连；弯曲结构垂置设置于基座1上，气管导管4穿过基座1和弯曲结构设置。
所述的弯曲结构包括：串联设置的弯曲单元2。
所述的气管导管4为柔性中空塑料导管。
如图2所示，所述的弯曲单元2包括：沿周向相差90°设置的两个串联的弯曲件5。
所述的弯曲件5包括：圆柱7和设置于圆柱7上方的圆板8。
所述的圆柱7的下方边缘为齿形。
所述的圆板8中央和圆柱7中央设有与所述气管导管4相配合的孔。
所述的圆板8的外径大于圆柱7的外径。
所述的两个弯曲件5的圆板8的边缘分别对应设置有四个穿绳孔6。
所述的四个穿绳孔6在圆板8的边缘均匀分布。
所述的两个相对的穿绳孔6用于弯曲单元2的前后弯曲，另外两个相对的穿绳孔6用于弯曲单元2的左右弯曲。
所述的圆柱7的下方边缘为齿形，可保证弯曲件5在钢丝绳3和气管导管4的共同约束下，基于其下方的弯曲件5倾斜。
如图3和图4所示，插管时，气管导管4的末端与弯曲结构重合。医护人员遥操作控制四个钢丝绳3的长度，穿过两个相对的穿绳孔6的两个钢丝绳3在牵引电机的驱动下，分别收线和放线，使得与基座1相接触的弯曲件5倾斜一个角度，可实现前后弯曲；该弯曲件5上方的弯曲件则可相应地实现左右弯曲，向上的弯曲件则依次可实现前后弯曲、左右弯曲，两个垂直方向的弯曲合成一个综合的角度；穿过另外两个穿绳孔6的钢丝绳3与前述钢丝绳3协调动作，使弯曲结构的末端平面的法向方向向左下方弯曲，弯曲角度为theta。
本实施例可在人体口腔内将气管导管4送至支气管前1～3cm。
所述的弯曲结构可实现整个平面内任意角度的弯曲，多个弯曲结构可增大弯曲的角度。
所述的钢丝绳3在收线或放线过程中拉力恒定，若牵引电机的电流明显超出预期值，说明所述的柔性机械臂机构遇到障碍，为后续力反馈提供依据。
如图5所示，本实施例涉及基于上述柔性机械臂机构的遥控系统，还包括：遥操作主手模块、内窥镜、后方中央控制模块、图像显示模块、后方网络传输模块、急救现场中央控制模块、气管插管器械模块和急救现场网络传输模块，其中：医护人员根据人体内的内窥镜反映在图像显示模块上的信息操作遥操作主手模块，遥操作主手模块采集医护人员手术动作，并将动作信息传送至后方中央控制模块，后方中央控制模块通过后方网络传输模块传送至急救现场中央控制模块，转换成柔性机械臂机构可识别的命令并传送至柔性机械臂机构；柔性机械臂机构接收命令完成气管插管，内窥镜采集图像信息后通过急救现场网络传输模块传送至图像显示模块进行反馈，直至插管到位。
所述的动作信息包括但不限于：关节角度。
所述的遥操作主手模块为OMEGA7主手。
所述的柔性机械臂机构通过3D打印技术加工而成。
所述的柔性机械臂机构通过四个钢丝绳3拉动，左右运动与前后运动完全解耦，互不影响。
所述的柔性机械臂机构的直径大小依据患者口腔气管直径大小而定，可大量制备多种参数的弯曲件5，并为一次性使用。
本实施例通过多次实验，测试弯曲结构的各结构参数，改进遥操作主手模块和柔性机械臂机构构成的气管插管手术实验平台装置，并基于其验证手眼协调控制方法，实现力反馈控制，改进控制流程。

Claims (9)

1.一种用于气管插管的柔性机械臂机构，其特征在于，包括：基座、钢丝绳和弯曲结构，其中：弯曲结构垂直设置于基座上，钢丝绳穿过弯曲结构的边缘，并且钢丝绳同时分别收线和放线，钢丝绳的一端固定设置于弯曲结构的顶部，另一端通过牵引电机收线和放线；弯曲结构包括：串联设置的弯曲单元。
2.根据权利要求1所述的柔性机械臂机构，其特征是，所述的基座上设有与所述气管导管相配合的孔。
3.根据权利要求1所述的柔性机械臂机构，其特征是，所述的弯曲单元包括：沿周向相差90°设置的两个串联的弯曲件。
4.根据权利要求3所述的柔性机械臂机构，其特征是，所述的弯曲件包括：圆柱和设置于圆柱上方的圆板。
5.根据权利要求4所述的柔性机械臂机构，其特征是，所述的圆柱下方边缘为齿形。
6.根据权利要求4所述的柔性机械臂机构，其特征是，所述的圆板中央和圆柱中央设有与所述气管导管相配合的孔。
7.根据权利要求6所述的柔性机械臂机构，其特征是，所述的圆板的外径大于圆柱的外径。
8.根据权利要求4所述的柔性机械臂机构，其特征是，所述的两个弯曲件的圆板的边缘分别对应设置有四个均匀分布的穿绳孔。
9.一种用于气管插管的遥控系统，其特征在于，包括：根据权利要求1～8中任一所述的柔性机械臂机构、遥操作主手模块、内窥镜、后方中央控制模块、图像显示模块、后方网络传输模块、急救现场中央控制模块、气管插管器械模块和急救现场网络传输模块，其中：医护人员根据人体内的内窥镜反映在图像显示模块上的信息操作遥操作主手模块，遥操作主手模块采集医护人员手术动作，并将动作信息传送至后方中央控制模块，后方中央控制模块通过后方网络传输模块传送至急救现场中央控制模块，转换成柔性机械臂机构可识别的命令并传送至柔性机械臂机构；柔性机械臂机构接收命令完成气管插管，内窥镜采集图像信息后通过急救现场网络传输模块传送至图像显示模块进行反馈，直至插管到位。
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