CN108888848B - 一种微细丝管精密介入操作的机器人机械系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微细丝管精密介入操作的机器人机械系统，包括主端装置和执行机构，所述主端装置和执行机构采用主从控制的模式，实现导管导丝和工作导管的运动，其中：所述执行机构通过力传感器检测导管的轴向力，通过所述主端装置的轴向反馈电机的电流控制模式输出相应大小的电流，从而在所述主端装置的绳轮上产生相应的阻碍力矩，拉动所述主端装置的传动绳时感受到导管受到的阻力。本发明能平稳精准的实现导管、导丝或工作导管(球囊支架)的进退和旋转运动，可同时满足导管、导丝和工作导管的配合运动，且三者之间的运动相互独立，增加力反馈功能，增大手术的成功率，使得医生能实时感受到手术室中导管导丝受到的阻力。

Description

一种微细丝管精密介入操作的机器人机械系统

技术领域

本发明涉及医疗设备，具体地，涉及一种手术机器人，更进一步地，是一种微细丝管精密介入操作的机器人机械系统。

背景技术

丝管，特别是微细的导丝、导管是医疗或精密工程领域常用的操作对象。在医疗领域，通过操作微细的丝管的旋转和平移运动，可以控制其沿着病人的血管运动，到达指定的器官，从而完成相应的治疗任务。例如针对心血管疾病，导丝导管的应用就非常普遍。

心血管疾病主要包括冠心病、心梗、血管病变、心律失常以及先天性心脏病等，治疗方式主要包括药物缓解以及介入手术等。介入手术指的是在避免大面积开刀的情况下，在皮肤或者血管上切开一个直径为几个毫米，通过介入导管的微通道，在医疗影像设备(例如血管造影机、CT机等)的引导下推进导管、导丝、支架等对病灶进行局部治疗，达到溶解血管血栓、扩张狭窄血管的目的。

由于在手术过程中需不断借助X线造影等手段实时观测导管导丝位置，医生需穿着防辐射的保护衣，但仍无法保护医生的头部和手部等位置受到辐射；沉重的保护衣会加大医生的身体负担，医生的疲劳和人手操作的不稳定等因素会影响手术的质量，因此引入介入手术机器人已经迫在眉睫。

经检索，申请号为201210510169.2、201410206956.7、201110009371.2和201610119761.8的中国发明专利，分别涉及四种机器人。这些机器人主要应用于血管介入手术操作，但具有主端直线位移不连续，从端驱动导管向前运动的电机处于旋转位置，不利于走线，主从端均没有力反馈的缺点。导管向前运动用丝杠滑台实现，行程有限或不具备连续向前的能力。并且结构较复杂，导管前进采用丝杠滑台，行程有限或前进不连续，无扭矩反馈。

发明内容

针对上述的不足之处，本发明面向手术过程的具体使用，研制了能适应更多手术需求的主从介入手术微细丝管精密介入操作的机器人机械系统，并拥有导管轴向的力觉反馈，使手术过程更加直观和安全。

根据本发明的第一目的，提供一种微细丝管精密介入操作的机器人的主端装置，所述主端装置包括：轴向反馈电机、旋转反馈电机、传动绳、张紧部件、旋转部件、齿轮，其中：

所述轴向反馈电机的轴端设置第一绳轮，所述张紧部件位于所述第一绳轮、第二绳轮之间；

所述旋转部件的一端连接所述传动绳，所述旋转部件的另一端通过所述齿轮连接到所述旋转反馈电机的轴端；

所述传动绳的两端分别与所述旋转部件的两端连接，且：所述传动绳的一端从所述旋转部件的一端出发，依次经所述第一绳轮、所述张紧部件、所述第二绳轮后，穿过所述齿轮连接到所述旋转部件的另一端，形成一个封闭的传动路线；

拉动所述传动绳时，所述传动绳带动所述轴向反馈电机轴旋转；

转动所述旋转部件时，所述旋转部件通过所述齿轮带动所述旋转反馈电机旋转。

优选地，所述轴向反馈电机设置有编码器，用于记录拉动所述传动绳的位移，从而计算出执行机构需驱动导管在轴向的位移。

优选地，所述旋转反馈电机设置有编码器，用于记录旋转的角度，从而计算出执行机构需要驱动导管旋转的角度。

优选地，所述旋转反馈电机和所述轴向反馈电机均为直流电机。

本发明上述的主端装置，通过所述张紧部件使所述传动绳张紧，保证所述传动绳在所述绳轮上有足够的摩擦力。

根据本发明的第二目的，提供一种微细丝管精密介入操作的机器人的从动端即执行机构，所述执行机构包括：导管、导管驱动模块、导管末端安装模块、导丝和工作导管、导丝和工作导管驱动模块、直线模组、力传感器、滑块、直线模组驱动电机，其中：

所述力传感器的一端与所述导管驱动模块相连，所述力传感器的另一端和直线模组的前端相连，用于检测所述导管驱动模块轴向受到的外力，即血管对导管的轴向力；

所述直线模组上设置有滑块，所述导丝和工作导管驱动模块安装在所述直线模组的滑块上，所述直线模组的后端设置所述直线模组驱动电机，用于驱动所述滑块运动；所述直线模组用于调节所述导管驱动模块和所述导管末端安装模块之间的距离；

所述导管的前端穿过所述导管驱动模块，所述导管驱动模块能驱动所述导管进行轴向运动或旋转运动；

所述导管的后端穿过所述导管末端安装模块，所述导管末端安装模块能驱动所述导管末端旋转；

所述导管末端安装模块与导丝和工作导管驱动模块相连，所述导丝和工作导管穿过导丝和工作导管驱动模块，所述导丝和工作导管驱动模块用于驱动所述导丝实现轴向运动或旋转运动、驱动所述工作导管沿着所述导丝前后滑动。

优选地，所述导管驱动模块内设有第一驱动电机和第二驱动电机，其中第一驱动电机驱动导管进行轴向运动，第二驱动电机驱动导管进行旋转运动。

优选地，所述导丝和工作导管驱动模块内设有第三～第五驱动电机，其中第三驱动电机驱动所述导丝实现轴向运动，第四驱动电机驱动所述导丝实现旋转运动，第五驱动电机驱动所述工作导管沿着所述导丝前后滑动。

本发明中，本发明所述直线模组的滑块采用的是同步带的驱动方式，整体为铝合金材质，体积小重量轻，安装方便。

优选地，在所述滑块底部安装磁铁，直线模组驱动电机侧安装磁性开关，两者配合可用于标定直线模组的原点。

本发明所述执行机构各部分均采用模块化设计，方便拆装与更换，面向实际使用便利设计，解决了手术过程中快速更换手术器具等细节问题，操作方便快捷，便于消毒，方便走线；小型轻量化设计，整体多采用树脂、尼龙、铝合金等轻质材料，体积小质量轻，比如导管驱动模块、导管末端安装模块、导丝和工作导管驱动模块可以采用树脂、尼龙，滑块采用铝合金等；能满足医用实际使用要求，而非只是功能性验证。

根据本发明的第三目的，提供一种微细丝管精密介入操作的机器人机械系统，包括上述主端装置和执行机构，所述主端装置和执行机构采用主从控制的模式，实现导管导丝和工作导管的运动，其中：

所述执行机构通过力传感器检测导管的轴向力，通过所述主端装置的轴向反馈电机的电流控制模式输出相应大小的电流，从而在所述主端装置的绳轮上产生相应的阻碍力矩，拉动所述主端装置的传动绳时感受到导管受到的阻力。

本发明为增加医生在操控室做手术的临场感和真实感，增大手术的成功率，增加力反馈功能，使得医生能实时感受到手术室中导管导丝受到的阻力。

优选地，为减少医生在介入手术的过程中受到X射线的辐射，所述主端装置通过远程控制所述执行机构。

优选地，所述机器人机械系统进一步包括定位机械臂，用于对所述执行机构进行辅助夹持定位，实现针对不同的病人和手术场景对执行机构位置和姿态进行调整。

与现有技术相比，本发明实施例达到了如下效果：

1)本发明所述主端装置、执行机构、机器人机械系统，能平稳精准的实现导管、导丝或工作导管(球囊支架)的进退和旋转运动，在一些实施例中，最大轴向速度大于15mm/s，最大推力大于5N，最大旋转速度大于180°/s；定位误差小于1mm，周向旋转误差小于5°。

2)本发明所述主端装置、执行机构、机器人机械系统，可同时满足导管、导丝和工作导管的配合运动，且三者之间的运动相互独立。

3)本发明所述主端装置、执行机构、机器人机械系统，与手术器具接触的部件便于消毒或更换，手术过程中手术器具的安装和操作方便快捷，电机、传感器等电器元件不接触血液、水等液体。

4)本发明所述执行机构、机器人机械系统，在满足上述功能的前提下，体积尽可能小，质量尽可能轻，外形美观可靠。

5)本发明所述主端装置、执行机构、机器人机械系统，拥有导管轴向的力觉反馈，使手术过程更加直观和安全，增大手术的成功率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例中执行机构结构示意图；

图2为本发明一较优实施例中主端装置结构示意图；

图3为本发明一较优实施例中机器人机械系统结构框图；

图中：医生1，主端装置2，执行机构3，定位机械臂4，患者5，导管6，导管驱动模块7，导管末端安装模块8，导丝9，工作导管10，导丝和工作导管驱动模块11，直线模组12，力传感器13，滑块14，直线模组驱动电机15，传动绳16，第一、第二绳轮17、18，轴向反馈电机19，张紧轮20，旋转轴21，锥齿轮22，旋转反馈电机23，编码器24。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一较优实施例中的执行机构3结构示意图，该图中显示的执行机构包括导管6、导管驱动模块7、导管末端安装模块8、导丝9和工作导管10、导丝和工作导管驱动模块11、直线模组12、力传感器13、滑块14、直线模组驱动电机15。其中：

导管驱动模块7和力传感器13的一端相连，力传感器13的另一端和直线模组12的前端相连。直线模组12上设有滑块14，导丝和工作导管驱动模块11安装在直线模组12的滑块14上。直线模组驱动电机15安装在直线模组12的后端，驱动滑块14运动。导管末端安装模块8和导丝和工作导管驱动模块11相连。导管6前端穿过导管驱动模块7，导管6后端穿过导管末端安装模块8，导丝9和工作导管10穿过导丝和工作导管驱动模块11。导管驱动模块7通过力传感器13固定在直线模组12的前端，导轨末端安装模块8和导丝和工作导管驱动模块11固连后安装在直线模组12的滑块14上。

所述导管驱动模块7驱动导管6进行轴向运动和旋转运动。

所述导丝和工作导管驱动模块11驱动导丝9实现轴向运动和旋转运动、驱动工作导管10沿着导丝9前后滑动。

所述导管末端安装模块8是导管6和导丝9的过渡模块，可以驱动导管6末端旋转。

所述直线模组12用于调节导管驱动模块7和导管末端安装模块8的距离，确保导管6在两者之间的部分为微松弛状态，尽可能地减小了导管6旋转的阻力，又可防止导管6张太紧而变形。

所述力传感器13安装在直线模组12的前端，可检测导管驱动模块7轴向受到的外力，即血管对导管6的轴向力。

作为优选方式，所述导管驱动模块7内设有第一驱动电机和第二驱动电机，其中第一驱动电机驱动导管6进行轴向运动，第二驱动电机驱动导管6进行旋转运动。进一步的，所述导管驱动模块7设有第一外壳，所述第一驱动电机和第二驱动电机均设置于第一外壳内。

作为优选方式，所述导丝和工作导管驱动模块11内设有第三～第五驱动电机，其中第三驱动电机驱动所述导丝9实现轴向运动，第四驱动电机驱动所述导丝9实现旋转运动，第五驱动电机驱动所述工作导管10沿着所述导丝9前后滑动。参照图1所示，在执行机构的外面(图1部件11的右边)，所述导丝9、所述工作导管10是平行的，在导丝和工作导管驱动模块11的内部，所述导丝9、所述工作导管10是合在一起且所述工作导管10沿着所述导丝9前后滑动。

进一步的，所述导丝和工作导管驱动模块11设有第二外壳，所述第三～第五驱动电机均设置于第二外壳内。

所述直线模组12主要用于调节导管驱动模块7和导管末端安装模块8的距离，确保导管6在两者之间的部分为微松弛状态，故直线模组12传动力不大，需要较大行程，且重量要尽可能轻。常用的滚柱丝杠直线模组虽然精度高，传动力大，但是行程较大时体重较重安装不便。本发明所述的直线模组12的滑块14采用的是同步带的驱动方式，整体为铝合金材质，体积小重量轻，安装方便。直线模组12的有效行程根据需要可在100mm～500mm范围内进行选择，其可承载可达10kg。在滑块14底部安装磁铁，模组的电机侧安装磁性开关，可用于标定直线模组12的原点。

进一步的，在图1所示的优选实施例中，直线模组驱动电机15的输出轴带动同步带轮15-2旋转，同步带轮15-2带动同步带15-1直线运动，同步带15-1带动滑块14实现直线运动，从而实现同步带驱动方式。

参照图2所示，为本发明一较优实施例中的主端装置2结构示意图，该图中显示的实施例，旋转部件采用旋转轴21，张紧部件采用张紧轮20，齿轮采用锥齿轮22。具体的，所述主端装置2包括：传动绳16、轴向反馈电机19、张紧轮20、旋转轴21、锥齿轮22、旋转反馈电机23，其中：

所述轴向反馈电机19的轴端设置第一绳轮18，所述张紧轮20位于所述第一绳轮18、所述第二绳轮17之间；

所述旋转轴21的一端连接所述传动绳16，所述旋转轴21的另一端通过所述锥齿轮22连接到所述旋转反馈电机23的轴端；

所述传动绳16的两端分别与所述旋转轴21的两端连接，且：所述传动绳16的一端从所述旋转轴21的一端出发，依次经所述第一绳轮18、所述张紧轮20、所述第二绳轮17后，穿过所述锥齿轮22连接到所述旋转轴21的另一端，形成一个封闭的传动路线；

拉动所述传动绳16时，所述传动绳16带动所述轴向反馈电机19轴旋转；

转动所述旋转轴21时，所述旋转轴21通过所述锥齿轮22带动所述旋转反馈电机13轴旋转。

所述传动绳16通过第一、第二绳轮17、18连接到轴向反馈电机19，通过一对张紧轮20使传动绳16张紧，保证传动绳16在绳轮17、18上有足够的摩擦力；旋转反馈电机23和轴向反馈电机19均为直流电机。

作为优选方式，所述轴向反馈电机设置有编码器，用于记录拉动所述传动绳的位移，从而计算出执行机构需驱动导管在轴向的位移。

作为优选方式，所述旋转反馈电机设置有编码器24，用于记录旋转的角度即医生旋转所述旋转轴21的角度，从而计算出执行机构需要驱动导管旋转的角度。

上述仅仅是本发明的部分实施例，在其他实施例中，所述张紧部件也可以采用其他形式，只要能使所述传动绳张紧，保证所述传动绳在所述绳轮上有足够的摩擦力即可。同样的，所述旋转部件也可以是其他形式。

参照图3所示，在另一实施例中，为本发明的微细丝管精密介入操作的机器人机械系统的一较优实施例结构框图，该系统整体采用主动控制模式，包括：上述的主端装置2、上述的执行机构3和定位机械臂4，其中：主端装置2用于远程控制执行机构3，主端装置2可以设置于操控室中，所述执行机构3、定位机械臂4位于手术室中。

医生1在手术室外的操控室操作主端装置2，远程控制手术室中的执行机构3，实现导管6、导丝9和工作导管10的运动，从而完成对病人的介入手术。

所述定位机械臂4对执行机构3进行辅助夹持定位，可实现针对不同的患者5和手术场景对执行机构3位置和姿态进行调整。

为增加医生1在操控室做手术的临场感和真实感，增大手术的成功率，医生1能实时感受到手术室中导管6、导丝9受到的阻力，所述主端装置2、执行机构3中具有力反馈功能。

具体的，当采用图1、2所示的主端装置2、执行机构3：所述执行机构3通过力传感器13检测导管6的轴向力，通过所述主端装置2的轴向反馈电机19的电流控制模式输出相应大小的电流，从而在所述主端装置2的第一、第二绳轮17、18上产生相应的阻碍力矩，拉动所述主端装置2的传动绳16时感受到导管6受到的阻力。

当医生1在操控室前后拉动传动绳16时，传动绳16带动轴向反馈电机19轴旋转，轴向反馈电机19编码器24记录医生1拉动传动绳16的位移，从而计算出执行机构3需驱动导管6在轴向的位移；当医生1转动旋转轴21时，旋转反馈电机23后端的编码器24记录主手旋转的角度，从而计算出执行机构3需要驱动导管6旋转的角度。执行机构3通过力传感器13检测导管6的轴向力，然后再通过轴向反馈电机19的电流控制模式输出相应大小的电流，从而在绳轮17、18上产生相应的阻碍力矩，使医生1向前拉动传动绳16时感受到手术室中导管受到的阻力。所述轴向反馈电机19的电流和电机轴所受的力矩成正比，因此在电机的电流控制模式下，得到的电流大小表示了电机轴施加的阻力矩。

所述的定位机械臂4用于辅助执行机构3的夹持和定位，能针对不同的患者5和手术场景调整执行机构3的位置和姿态。定位机械臂4可采用成熟的机械臂。

当然，上述是本发明的优选实施例，在其他实施例中，定位机械臂4也可以省略，同样能实现本发明的目的。

本发明上述实施例所述系统能平稳精准的实现导管6、导丝9或工作导管10(球囊支架)的进退和旋转运动，最大轴向速度大于15mm/s，最大推力大于5N，最大旋转速度大于180°/s；定位误差小于1mm，周向旋转误差小于5°；可同时满足导管6、导丝9和工作导管10的配合运动，且三者之间的运动相互独立。

本发明上述实施例所述系统执行机构3在满足上述功能的前提下，体积尽可能小，质量尽可能轻，外形美观可靠。与手术器具接触的部件便于消毒或更换，手术过程中手术器具的安装和操作方便快捷，电机、传感器等电器元件不接触血液、水等液体。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种微细丝管精密介入操作的机器人的主端装置，其特征在于：包括：轴向反馈电机、旋转反馈电机、传动绳、张紧部件、旋转部件、齿轮，其中：

所述轴向反馈电机的轴端设置第一绳轮，所述旋转反馈电机的轴端处设置第二绳轮，所述张紧部件位于所述第一绳轮、第二绳轮之间；

所述旋转部件的一端连接所述传动绳，所述旋转部件的另一端通过所述齿轮连接到所述旋转反馈电机的轴端；

所述传动绳的两端分别与所述旋转部件的两端连接，且：所述传动绳的一端从所述旋转部件的一端出发，依次经所述第一绳轮、所述张紧部件、所述第二绳轮后，穿过所述齿轮连接到所述旋转部件的另一端，形成一个封闭的传动路线；

拉动所述传动绳时，所述传动绳带动所述轴向反馈电机轴旋转；

转动所述旋转部件时，所述旋转部件通过所述齿轮带动所述旋转反馈电机旋转。

2.根据权利要求1所述的微细丝管精密介入操作的机器人的主端装置，其特征在于：所述轴向反馈电机设置有编码器，用于记录拉动所述传动绳的位移，从而计算出执行机构需驱动导管在轴向的位移。

3.根据权利要求1所述的微细丝管精密介入操作的机器人的主端装置，其特征在于：所述旋转反馈电机设置有编码器，用于记录旋转的角度，从而计算出执行机构需要驱动导管旋转的角度。

4.一种微细丝管精密介入操作的机器人的执行机构，其特征在于：包括：导管、导管驱动模块、导管末端安装模块、导丝和工作导管、导丝和工作导管驱动模块、直线模组、力传感器、滑块、直线模组驱动电机，其中：

所述力传感器的一端与所述导管驱动模块相连，所述力传感器的另一端和直线模组的前端相连，用于检测所述导管驱动模块轴向受到的外力，即血管对导管的轴向力；

所述直线模组上设置有滑块，所述导丝和工作导管驱动模块安装在所述直线模组的滑块上，所述直线模组的后端设置所述直线模组驱动电机，用于驱动所述滑块运动；所述直线模组用于调节所述导管驱动模块和所述导管末端安装模块之间的距离；

所述导管的前端穿过所述导管驱动模块，所述导管驱动模块能驱动所述导管进行轴向运动或旋转运动；

所述导管的后端穿过所述导管末端安装模块，所述导管末端安装模块能驱动所述导管末端旋转；

所述导管末端安装模块与导丝和工作导管驱动模块相连，所述导丝和工作导管穿过导丝和工作导管驱动模块，所述导丝和工作导管驱动模块用于驱动所述导丝实现轴向运动或旋转运动、驱动所述工作导管沿着所述导丝前后滑动。

5.根据权利要求4所述的微细丝管精密介入操作的机器人的执行机构，其特征在于：所述导管驱动模块内设有第一驱动电机和第二驱动电机，其中：第一驱动电机驱动导管进行轴向运动，第二驱动电机驱动导管进行旋转运动。

6.根据权利要求4所述的微细丝管精密介入操作的机器人的执行机构，其特征在于：所述导丝和工作导管驱动模块内设有第三～第五驱动电机，其中：第三驱动电机驱动所述导丝实现轴向运动，第四驱动电机驱动所述导丝实现旋转运动，第五驱动电机驱动所述工作导管沿着所述导丝前后滑动。

7.根据权利要求4所述的微细丝管精密介入操作的机器人的执行机构，其特征在于：在所述滑块底部安装磁铁，直线模组驱动电机侧安装磁性开关，两者配合用于标定直线模组的原点。

8.一种微细丝管精密介入操作的机器人机械系统，包括权利要求1-3任一项所述的主端装置和权利要求4-7任一项所述的执行机构，所述主端装置和执行机构采用主从控制的模式，实现导管导丝和工作导管的运动，其中：

所述执行机构通过力传感器检测导管的轴向力，通过所述主端装置的轴向反馈电机的电流控制模式输出相应大小的电流，从而在所述主端装置的绳轮上产生相应的阻碍力矩，拉动所述主端装置的传动绳时感受到导管受到的阻力。

9.根据权利要求8所述的微细丝管精密介入操作的机器人机械系统，其特征在于：所述主端装置通过远程控制所述执行机构。

10.根据权利要求8或9所述的微细丝管精密介入操作的机器人机械系统，其特征在于：所述机器人机械系统进一步包括定位机械臂，用于对所述执行机构进行辅助夹持定位，实现针对不同的病人和手术场景对执行机构位置和姿态进行调整。

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