CN108158656A - 血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，属于医疗装备制造技术领域，所述扭矩检测装置上设有的用于实现导丝/导管扭转操作的传动齿轮，传动齿轮的内圆周面上固定连接有弹簧圈；所述弹簧圈由同心的外圈和内圈通过四个弹簧片连接组成，四个弹簧片沿弹簧圈周向均匀分布，形成十字形结构，四个电阻应变片分别固定在四个弹簧片上，且四个电阻应变片连接为全桥电路，所述全桥电路通过导电滑环与外部的输出信号电路连接；该装置能够实现从端导丝或导管操作扭矩的在线检测，便于医生感知导管导丝的扭转阻力，进而感知从端手术的操作状态。
Description
技术领域
本发明属于医疗装备制造技术领域，具体涉及一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置。
背景技术
日益高发的心脑血管疾病严重影响国民健康与社会生活，为中国医疗卫生体系带来巨大压力。心脑血管微创介入疗法是针对心脑血管疾病的主要治疗手段，能减少患者创伤及痛苦，术后恢复时间短，可有效提高医疗资源利用率。借助机器人技术进行导管、导丝遥操作的手术方法，可以大幅提高手术操作的精度与稳定性，同时能有效降低放射线对主刀医生的伤害，提高手术安全性。心脑血管介入手术辅助机器人逐渐成为当今各科技强国在医疗机器人领域的重点研发对象。
目前血管介入手术机器人主要采用主从操作结构，以将医生与放射线隔离，因此，医生对从端的手术操作状态的感知，尤其是导管或导丝的推送阻力和扭转阻力感知，对手术能够顺利进行和手术安全至关重要；而现有血管介入手术机器人多集中于推拉、扭转操作动作的高精度实现，以及推送阻力的检测，对从端导丝或导管扭转力矩的在线检测研究不足。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，能够实现从端导丝或导管操作扭矩的在线检测，便于医生感知导管导丝的扭转阻力，进而感知从端手术的操作状态。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，该扭矩检测装置上设有的用于实现导丝/导管扭转操作的传动齿轮，传动齿轮的内圆周面上固定连接有弹簧圈；
所述弹簧圈由同心的外圈和内圈通过四个弹簧片连接组成，四个弹簧片沿弹簧圈周向均匀分布，形成十字形结构，四个电阻应变片分别固定在四个弹簧片上，且四个电阻应变片连接为全桥电路，所述全桥电路通过导电滑环与外部的输出信号电路连接；
当导丝/导管扭转时，导丝/导管的扭转力矩通过扭转传递机构传递至弹簧圈，弹簧圈的四个弹簧片在所述扭转力矩和传动齿轮的驱动力矩作用下产生弯曲变形，弹簧片上的电阻应变片随之产生变形，电阻应变片的变形使得其电阻产生相应变化，进而使得电阻应变片的全桥电路产生随导丝/导管扭转力矩大小变化的输出电压，全桥电路的输出电压信号经导电滑环传输给外部的输出信号电路后，经放大电路放大并通过数据采集卡采集，实现对扭转力矩的检测。
进一步的，所述扭转传递机构包括：外壳、扭转电机、传动齿轮、套筒、夹持器、夹持圆盘、电磁铁及夹紧拉块；
所述外壳的内底面上安装有导轨，导轨上配合有导轨滑块；
所述套筒的一端加工有内螺纹，中部的内圆周面为锥形面；
所述夹持器加工有用于夹持导丝/导管的通孔，其一端加工有豁口，且该端加工有一个圆台面和一个限位台阶面，其中，圆台面用于与套筒中部的锥形内圆周面配合，限位台阶面用于实现夹持器的轴向限位；
所述夹持圆盘由圆盘及与其同轴的圆柱一体成型，所述圆柱上加工有外螺纹，夹持圆盘上加工有轴向通孔；
其连接关系如下：扭转电机固定在外壳内，扭转电机的输出轴与驱动齿轮同轴连接，且驱动齿轮能够沿其轴向移动；
传动齿轮与驱动齿轮啮合，且传动齿轮能够随驱动齿轮进行同步轴向移动；弹簧圈的外圈固定在传动齿轮的内圆周面，其内圈固定有套筒，套筒通过支撑板安装在外壳内的导轨滑块上，其内螺纹端与夹持圆盘的圆柱螺纹连接；电磁铁固定在外壳内，电磁铁的衔铁固定连接有夹紧拉块，夹持圆盘远离电磁铁的一侧通过夹紧拉块进行轴向限位，另一侧由第二轴承座上的挡块进行轴向限位，当电磁铁上电时，其衔铁能够拉动夹紧拉块移动，从而与所述挡块配合来夹紧夹持圆盘；
夹持器与夹持圆盘的轴向通孔间隙配合，夹持器的限位台阶面抵触在夹持圆盘的圆柱端端面上，实现对夹持器的轴向限位，夹持器的圆台面与套筒的内圆锥面相配合；当套筒轴向运动时，其内圆锥面挤压夹持器的圆台面，将夹持器的豁口封闭，夹紧穿过夹持器的导丝。
进一步的，所述驱动齿轮和传动齿轮的齿均为人字型齿。
进一步的，还包括上盖，上盖安装在外壳的顶部。
进一步的，所述扭转电机的输出轴通过联轴器与驱动齿轮连接，且联轴器通过键与驱动齿轮连接。
进一步的，所述导电滑环的转子与套筒固定连接，定子安装在导轨滑块上的支撑板上。
进一步的，所述夹持器的限位台阶面采用圆台状结构。
进一步的，所述扭矩检测装置整体安装在血管腔内介入手术机器人的轴向推送机构上，所述轴向推送机构包括：底板、轴向电机及丝杠；轴向电机和丝杠均固定安装在底板上，且丝杠与轴向电机的输出轴连接，丝杠上安装有与其配合的丝杠滑块；扭转机构固定在所述丝杠滑块上。
有益效果：(1)本发明通过在弹簧圈的四个弹簧片上设置电阻应变片，通过对导丝或导管进行扭转操作，引起的电阻应变片变形，使得电阻应变片的全桥电路产生随导丝扭转力矩大小变化的输出电压，全桥电路输出电压信号经放大电路放大，然后通过数据采集卡采集，实现从端导丝或导管操作扭矩的在线检测，便于医生感知导管导丝的扭转阻力，进而感知从端手术的操作状态。
(2)本发明通过将进行导丝或导管扭转操作的传动齿轮与弹簧圈固定连接为一体，简化装置结构，避免复杂机械结构的传动摩擦和惯性对扭矩检测精度的影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的扭转机构的示意图；
图3为本发明的夹持器的安装爆炸图；
其中，1—导丝，3—轴向推送机构，2-1—外壳，2-3—上盖，2-4—扭转电机，2-5—电机支座，2-6—联轴器，2-7—驱动齿轮，2-8—传动齿轮，2-9—弹簧圈，2-10—套筒，2-11—夹持圆盘，2-12—夹持器，2-13—第一轴承座，2-14—第二轴承座，2-15—导电滑环，2-16—支撑板，2-17—电磁铁，2-18—夹紧拉块，2-19—支撑板，3-1—底板，3-2—轴向电机，3-3—丝杠。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，针对于导丝或导管，本实施例中以导丝1为例，参见附图1，该装置整体安装在血管腔内介入手术机器人的轴向推送机构3上；
所述轴向推送机构3包括：底板3-1、轴向电机3-2及丝杠3-3；轴向电机3-2和丝杠3-3均固定安装在底板3-1上，且丝杠3-3与轴向电机3-2的输出轴连接，丝杠3-3上安装有与其配合的丝杠滑块；轴向电机3-2通过驱动丝杠3-3做旋转运动来使所述丝杠滑块沿丝杠3-3轴向做直线运动；
参见附图2和3，所述扭矩检测装置包括：外壳2-1、上盖2-3、扭转电机2-4、电机支座2-5、联轴器2-6、驱动齿轮2-7、传动齿轮2-8、弹簧圈2-9、套筒2-10、夹持器2-12、夹持圆盘2-11、第一轴承座2-13、第二轴承座2-14、导电滑环2-15、电磁铁2-17及夹紧拉块2-18；
所述外壳2-1的内底面上安装有导轨，导轨上配合有导轨滑块2-16，导轨滑块2-16上固定有支撑板2-19；
所述上盖2-3上设有两个轴承座；
所述驱动齿轮2-7和传动齿轮2-8的齿均为人字型齿；
所述弹簧圈2-9由同心的外圈和内圈通过四个弹簧片连接组成，四个弹簧片沿弹簧圈2-9周向均匀分布，形成十字形结构，四个电阻应变片R1、R2、R3、R4分别粘贴固定在四个弹簧片上；
所述套筒2-10中部的内圆周面为锥形面；
所述夹持器2-12加工有用于夹持导丝1的通孔，其一端加工有豁口，且该端加工有一个圆台面和一个限位台阶面，其中，圆台面用于与套筒2-10中部的锥形内圆周面配合，限位台阶面用于实现夹持器2-12的轴向限位；
所述夹持圆盘2-11由圆盘及与其同轴的圆柱一体成型，所述圆柱上加工有外螺纹，夹持圆盘2-11上加工有轴向通孔；
其连接关系如下：外壳2-1固定在轴向推送机构3的丝杠滑块上；扭转电机2-4通过电机支座2-5固定在外壳2-1内，且扭转电机2-4的输出轴通过联轴器2-6与驱动齿轮2-7同轴连接，其中，联轴器2-6通过键与驱动齿轮2-7连接，驱动齿轮2-7能够沿其轴向移动；
传动齿轮2-8与驱动齿轮2-7啮合；弹簧圈2-9的外圈固定在传动齿轮2-8的内圆周面，其内圈固定有套筒2-10，套筒2-10通过轴承及第一轴承座2-13安装在外壳2-1内的支撑板2-19上，套筒2-10的一端与导电滑环2-15的转子固定连接，导电滑环2-15的定子与第一轴承座2-13固连，从而支撑在支撑板2-19上；弹簧圈2-9上的四个电阻应变片R1、R2、R3、R4组成的全桥电路与导电滑环2-15的转子电路连接，导电滑环2-15的定子线路与外部的输出信号电路连接；
套筒2-10的另一端通过内螺纹与夹持圆盘2-11的圆柱螺纹连接；夹持圆盘2-11通过轴承及第二轴承座2-14安装外壳2-1内；电磁铁2-17固定在第二轴承座2-14上，电磁铁2-17的衔铁固定连接有夹紧拉块2-18，夹持圆盘2-11远离电磁铁2-17的一侧通过夹紧拉块2-18进行轴向限位，另一侧由第二轴承座2-14上的挡块进行轴向限位，当电磁铁2-17上电时，其衔铁能够拉动夹紧拉块2-18移动，从而与所述挡块配合来夹紧夹持圆盘2-11；
夹持器2-12套装在夹持圆盘2-11的轴向通孔内，并与所述轴向通孔间隙配合，夹持器2-12的限位台阶面抵触在夹持圆盘2-11的圆柱端端面上，实现对夹持器2-12的轴向限位，且在本实施例中，限位台阶面采用圆台状结构，能够实现夹持器2-12与夹持圆盘2-11的同轴；夹持器2-12的圆台面与套筒2-10的内圆锥面相配合；当套筒2-10轴向运动时，其内圆锥面挤压夹持器2-12的圆台面，将夹持器2-12的豁口封闭，夹紧穿过夹持器2-12的导丝1；
上盖2-3通过销安装在外壳2-1的顶部，且上盖2-3上的两个轴承座分别与第一轴承座2-13和第二轴承座2-14对接，实现对套筒2-10和夹持圆盘2-11的固定。
工作原理：导丝1依次穿过夹持器2-12和套筒2-10后，对电磁铁2-17通电，其衔铁拉动夹紧拉块2-18夹紧夹持圆盘2-11；然后驱动扭转电机2-4通过驱动齿轮2-7带动传动齿轮2-8转动，进而通过弹簧圈2-9带动套筒2-10旋转，由于套筒2-10与夹持圆盘2-11的圆柱螺纹连接，而夹持圆盘2-11在被夹紧后保持不动，因此，套筒2-10在旋转的同时能够沿其轴向移动，进而带动传动齿轮2-8沿其轴向移动外壳2-1内的导轨移动，带动驱动齿轮2-7沿其键轴向移动；当套筒2-10轴向移动时，挤压夹持器2-12的圆台面，将夹持器2-12的豁口封闭，夹紧导丝1；最后，电磁铁2-17断电，夹持圆盘2-11被松开，继续控制扭转电机2-4工作带动套筒2-10旋转，夹持圆盘2-11与套筒2-10同轴转动，进而带动导丝1旋转，但是由于导丝1通过轴向推送机构3介入治疗对象的肉体中(轴向电机3-2通过驱动丝杠3-3做旋转运动来使所述丝杠滑块沿丝杠3-3轴向做直线运动，进而带动固定在丝杠滑块上的扭矩检测装置进行轴向移动，将导丝1介入治疗对象的肉体中)，治疗对象的肉体对导丝1的旋转提供了阻力，因此，造成了导丝1的扭转；
在导丝1的扭转中，导丝1的扭转力矩作用于夹持器2-12上，通过套筒2-10传递至弹簧圈2-9，弹簧圈2-9的四个弹簧片在所述扭转力矩和传动齿轮2-8的驱动力矩作用下，产生弯曲变形，粘贴在弹簧片上的电阻应变片R1、R2、R3、R4也随之产生变形，电阻应变片的变形导致应变片电阻产生相应变化，使得电阻应变片的全桥电路产生随导丝扭转力矩大小变化的输出电压，全桥电路的输出电压信号经导电滑环2-15传输给外部的输出信号电路后，经放大电路放大并通过数据采集卡采集。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，所述扭矩检测装置上设有的用于实现导丝/导管扭转操作的传动齿轮(2-8)，传动齿轮(2-8)的内圆周面上固定连接有弹簧圈(2-9)；
所述弹簧圈(2-9)由同心的外圈和内圈通过四个弹簧片连接组成，四个弹簧片沿弹簧圈(2-9)周向均匀分布，形成十字形结构，四个电阻应变片分别固定在四个弹簧片上，且四个电阻应变片连接为全桥电路，所述全桥电路通过导电滑环(2-1)5与外部的输出信号电路连接；
当导丝/导管扭转时，导丝/导管的扭转力矩通过扭转传递机构传递至弹簧圈(2-9)，弹簧圈(2-9)的四个弹簧片在所述扭转力矩和传动齿轮(2-8)的驱动力矩作用下产生弯曲变形，弹簧片上的电阻应变片随之产生变形，电阻应变片的变形使得其电阻产生相应变化，进而使得电阻应变片的全桥电路产生随导丝/导管扭转力矩大小变化的输出电压，全桥电路的输出电压信号经导电滑环(2-15)传输给外部的输出信号电路后，经放大电路放大并通过数据采集卡采集，实现对扭转力矩的检测。
2.如权利要求1所述的一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，所述扭转传递机构包括：外壳(2-1)、扭转电机(2-4)、传动齿轮(2-8)、套筒(2-10)、夹持器(2-12)、夹持圆盘(2-11)、电磁铁(2-17)及夹紧拉块(2-18)；
所述外壳(2-1)的内底面上安装有导轨，导轨上配合有导轨滑块(2-16)；
所述套筒(2-10)的一端加工有内螺纹，中部的内圆周面为锥形面；
所述夹持器(2-12)加工有用于夹持导丝/导管的通孔，其一端加工有豁口，且该端加工有一个圆台面和一个限位台阶面，其中，圆台面用于与套筒(2-10)中部的锥形内圆周面配合，限位台阶面用于实现夹持器(2-12)的轴向限位；
所述夹持圆盘(2-11)由圆盘及与其同轴的圆柱一体成型，所述圆柱上加工有外螺纹，夹持圆盘(2-11)上加工有轴向通孔；
其连接关系如下：扭转电机(2-4)固定在外壳(2-1)内，扭转电机(2-4)的输出轴与驱动齿轮(2-7)同轴连接，且驱动齿轮(2-7)能够沿其轴向移动；
传动齿轮(2-8)与驱动齿轮(2-7)啮合，且传动齿轮(2-8)能够随驱动齿轮(2-7)进行同步轴向移动；弹簧圈(2-9)的外圈固定在传动齿轮(2-8)的内圆周面，其内圈固定有套筒(2-10)，套筒(2-10)通过支撑板(2-19)安装在外壳(2-1)内的导轨滑块(2-16)上，其内螺纹端与夹持圆盘(2-11)的圆柱螺纹连接；电磁铁(2-17)固定在外壳(2-1)内，电磁铁(2-17)的衔铁固定连接有夹紧拉块(2-18)，夹持圆盘(2-11)远离电磁铁(2-17)的一侧通过夹紧拉块(2-18)进行轴向限位，另一侧由第二轴承座(2-14)上的挡块进行轴向限位，当电磁铁(2-17)上电时，其衔铁能够拉动夹紧拉块(2-18)移动，从而与所述挡块配合来夹紧夹持圆盘(2-11)；
夹持器(2-12)与夹持圆盘(2-11)的轴向通孔间隙配合，夹持器(2-12)的限位台阶面抵触在夹持圆盘(2-11)的圆柱端端面上，实现对夹持器(2-12)的轴向限位，夹持器(2-12)的圆台面与套筒(2-10)的内圆锥面相配合；当套筒(2-10)轴向运动时，其内圆锥面挤压夹持器(2-12)的圆台面，将夹持器(2-12)的豁口封闭，夹紧穿过夹持器(2-12)的导丝1。
3.如权利要求2所述的一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，所述驱动齿轮(2-7)和传动齿轮(2-8)的齿均为人字型齿。
4.如权利要求2所述的一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，还包括上盖(2-3)，上盖(2-3)安装在外壳(2-1)的顶部。
5.如权利要求2所述的一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，所述扭转电机(2-4)的输出轴通过联轴器(2-6)与驱动齿轮(2-7)连接，且联轴器(2-6)通过键与驱动齿轮(2-7)连接。
6.如权利要求2所述的一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，所述导电滑环(2-15)的转子与套筒(2-10)固定连接，定子安装在导轨滑块(2-16)上的支撑板(2-19)上。
7.如权利要求2所述的一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，所述夹持器(2-12)的限位台阶面采用圆台状结构。
8.如权利要求1所述的一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管操作扭矩检测装置，其特征在于，所述扭矩检测装置整体安装在血管腔内介入手术机器人的轴向推送机构3上，所述轴向推送机构3包括：底板(3-1)、轴向电机(3-2)及丝杠(3-3)；轴向电机(3-2)和丝杠(3-3)均固定安装在底板(3-1)上，且丝杠(3-3)与轴向电机(3-2)的输出轴连接，丝杠(3-3)上安装有与其配合的丝杠滑块；扭转机构2固定在所述丝杠滑块上。
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