CN109730779A - 一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，包括主端子系统和从端子系统，能同时控制导管和导丝进行协同操作；其方法包括：主操作器检测医生的操作信息；导管及导丝的轴向运动信息和旋转距离信息的传递；从操作器执行介入；从操作器的受力检测；操作信息的采集过程；主操作器的力反馈过程；符合医生操作习惯，操作方法容易实现，精度高，且结构简单稳定。

Description

一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统及方法

(一)技术领域：

本发明属于主从微创血管介入手术机器人技术领域，是一种全新的主从操作系统，可以实现从端中导管导丝控制技术以及主端力反馈的实现，特别是一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统及方法。

(二)背景技术：

目前中国已逐步进入老龄化社会，同时伴随着全国城市化的发展，心脑血管疾病危险性越发增加。在每年人类患病死亡总数中，心脑血管疾病占比高达42％，严重威胁居民健康。伴随着心脑血管疾病发病率的升高，也同时使其有治疗效手段血管介入手术的需求增加，相关研究也逐年增长。

血管介入手术是指医生借助血管造影及X光影像导航，将导管/导丝通过血管深入人体病变处，再对血管内病灶处进行诊断与治疗。与传统开刀手术比，具有手术伤口小、恢复快、相关并发症少、安全系数高等优点。但同时，该手术也存在明显的缺点：医生在手术工作中，将处于射线环境下，虽然穿着铅衣，但是长期操作仍会对身体造成很大的伤害。另外，由于手术操作复杂，且手术时间较长，将导致医生疲劳及人手操作不稳定等因素，这将直接影响手术的质量。这些缺点在一定程度造成医院患者多、医生少的局面。

近些年，随着机器人技术迅速发展。国内外已经有很多机构研发了用于辅助医生手术操作的手术机器人，这在临床上有很大的应用前景。血管介入手术机器人一般包括主手和从手，使医生不用在X光的照射下便可完成手术，而且机器人的自身控制稳定性避免了手术时的人手抖动带来的安全隐患。

在众多研究中，介入手术机器人从端方面，大多数研究只实现了导管的推送，而实际手术过程中医生需要同时控制导管及导丝，且基于摩擦滚轮的方式推送导丝容易产生推进误差。因此，从端的导管和导丝在手术过程中受力信息的采集是研究重点之一，很多研究中忽视了对导管或者导丝受力信息的反馈，这很大程度上限制了医生在手术过程中的临场感。介入手术机器人主端方面，很多研究中采用的是目前市面上已有的力反馈装置，但是这类装置不符合医生在手术过程中的操作习惯。综上所述，设计一款符合医生操作习惯且能够实现导管、导丝协同操作的介入手术机器人很有必要。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统及方法，它可以克服现有技术的不足，结构简单易实现，且操作方便，是一种符合医生操作习惯且能够实现导管、导丝协同操作的主从微创血管介入手术机器人，它可以实现导管、导丝的协同介入动作，并且使医生能够像在进行传统手术一样去操作，符合医生的操作习惯，还能将实时的力觉信息和视觉信息直观的反馈给医生，增加医生在手术中的临场感，提高介入手术的安全性和可操作性，且结构简单易实现。

本发明的技术方案：一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于它包括主端子系统和从端子系统，能同时控制导管和导丝进行协同操作；其中，所述主端子系统是由主操作器、主控制器和PC(PersonalComputer，个人计算机)显示屏构成；所述主操作器是由导管操作装置和导丝操作装置构成，用于实现对导管和导丝的操作；所述导管操作装置和导丝操作装置分别由医生的左右手控制操作，其输入端接收医生双手的操作信号和主控制器的控制信号，其输出端连接主控制器，将操作信息发送给主控制器；所述主控制器与主操作器之间呈双向数据连接，用于实现主控制器对导管和导丝的操作控制，将力反馈控制信息实时传递给医生；所述PC显示屏用于显示血管介入手术中的病灶信息和机器人的手术状态；

所述从端子系统是由IP(Internet Protocol，网络之间互连的协议)摄像头、从操作器、从控制器、导管和导丝构成；所述从控制器与主控制器之间呈双向数据连接；所述从操作器用于控制导管和导丝的运动；所述从操作器与从控制器之间呈双向数据连接，所述主控制器能够通过从控制器接收从操作器反馈回来的导管和导丝的受力信息；所述从控制器能够通过主控制器接收主操作器的操作信息；所述IP摄像头用于采集现场从操作器的实时动作图像信息，其输出端与主端子系统的PC显示屏，所述PC显示屏用于呈现IP摄像头所采集的图像信息，对手术医生提供实时的视觉反馈信号。

所述主控制器和从控制器都是采用STM32F103ZE控制器，该控制器有144个引脚。

所述IP摄像头与PC显示屏之间通过Internet连接，所述主控制器和从控制器之间通过CAN总线进行通信连接。

所述主操作器包括导管操作装置和导丝操作装置，所述导管操作装置和导丝操作装置采用相同的结构；所述导管操作装置和导丝操作装置前后水平摆放在主端底座上，其中，所述导管操作装置放在前半部分，所述导丝操作装置放在后半部分，这样摆放的目的是符合医生的操作习惯，医生能够双手同时操作设备。

所述导管操作装置是由力反馈阻尼器单元I、操作信息采集单元I、模拟导管和主端直线导轨I构成；所述力反馈阻尼器单元I由磁棒I、磁棒支撑单元I、线圈I和线圈安装架I构成；其中，所述力反馈阻尼器单元I安装在磁棒支撑座I上，其输入端为通过线圈I与主控制器连接，输入信号为从控制器反馈回来的导管受力信号，根据电磁感应原理，线圈I和磁棒I之间产生阻力，医生操作模拟导管时可以感受到这个力；所述模拟导管的末端和力反馈阻尼器单元I中的磁棒I通过螺纹相连接，二者同步运动；

所述磁棒支撑座I安装在主端底座1上；所述操作信息采集单元I用于采集模拟导管的旋转距离信息和轴向位移信息，其输出端与主控制器连接；所述主端直线导轨I长度为200mm，安装在主端底座上；所述主端直线导轨I上有主端滑块I；所述磁棒支撑单元I安装在主端底座上，用于支撑磁棒I，使磁棒I与模拟导管以及线圈I保持同轴心；所述线圈安装架I安装在磁棒支撑座上；所述磁棒I穿过线圈安装架I；所述线圈I安装在线圈安装架I上，由主控制器输出的电流使线圈I通电，从而产生力反馈。

所述线圈I为空心感应线圈，其内径20mm，外径24mm，厚度10mm，匝数480圈，其安装在线圈安装架I上，其输入端连接主控制器。

所述线圈安装架I和模拟导管均是使用树脂材料3D打印而成；所述模拟导管直径为4mm。

所述磁棒I为导磁性能良好的磁棒，其长度为200mm，磁棒I直径为16mm。

所述磁棒支撑单元I，是由磁棒支架I19-1，尼龙轴承I、滑轮I和尼龙轴承II构成，其中，所述磁棒支架I和滑轮I由树脂材料3D打印而成，不会受磁棒I的磁性影响；所述滑轮I用于支撑磁棒I，使磁棒I保持在一定高度并且保持磁棒I的能动性，因为使用树脂材料较为光滑，不会产生过大的摩擦力；所述尼龙轴承I和尼龙轴承II使用尼龙材料制作而成，不具有导磁性，不会受磁棒I的磁性影响；所述尼龙轴承I和尼龙轴承II分别安装在磁棒支架I两侧的圆形卡槽内；所述滑轮I安装在尼龙轴承I和II之间。

所述操作信息采集单元I，是由传感器支脚I、直线位移传感器I、连接架I、移动磁块I、编码器支撑座I和空心轴光电编码器I构成；其中，所述直线位移传感器I通过传感器支脚I安装在主端底座1上，其输出端与主控制器连接，用于测量医生操作模拟导管时的轴向位移信息；所述连接架I用于连接移动磁块I和编码器支撑座I，使二者保持同步运动；所述移动磁块I为无源移动磁块，安装在连接架I上，既可以悬浮移动，也可以沿导轨移动；所述直线位移传感器I通过检测移动磁块I的运动来测量模拟导管的位移；所述编码器支撑座I安装在主端滑块I上，使其可以轴向移动；所述空心轴光电编码器I安装在编码器支撑座I上，模拟导管穿过其中，用于测量医生操作时模拟导管的旋转距离信息，其输出端与主控制器相连接。

所述直线导轨I行程和直线位移传感器I以及所述力反馈阻尼单元I的量程对应相等，为200mm。

所述导丝操作装置，其由力反馈阻尼器单元II、操作信息采集单元II、模拟导丝和主端直线导轨II构成；所述力反馈阻尼器单元II由磁棒II、磁棒支撑单元II、线圈II和线圈安装架II构成；其中，所述力反馈阻尼器单元II安装在磁棒支撑座II7上，其输入端为通过线圈II与主控制器连接，输入信号为从控制器反馈回来的导丝受力信号，根据电磁感应原理，线圈II和磁棒II之间产生阻力，医生操作模拟导丝时可以感受到这个力，所述模拟导丝和力反馈阻尼器单元II中的磁棒II通过螺纹相连接，二者同步运动；所述磁棒支撑座II安装在主端底座上；所述操作信息采集单元II用于采集模拟导丝的旋转角度的位移量信息和轴向运动的位移量信息，其输出端与主控制器连接；所述模拟导丝穿过空心轴光电编码器II；所述主端直线导轨II长度为200mm安装在主端底座上；所述空心轴光电编码器II安装在编码器支撑座II上；所述主端直线导轨II上有主端滑块II，所述编码器支撑座II安装在主端滑块II上，使其可以轴向移动；所述磁棒支撑单元II安装在主端底座上，用于支撑磁棒II，使磁棒II与模拟导丝以及线圈II保持同轴心；所述线圈安装架II安装在磁棒支撑座上；所述磁棒II穿过线圈安装架II；所述线圈II安装在线圈安装架II上，由主控制器输出的电流使线圈II通电，从而产生力反馈。

所述线圈II为空心感应线圈，其内径20mm，外径24mm，厚度10mm，匝数480圈，其安装在线圈安装架II上，其输入端连接主控制器。

所述线圈安装架II和模拟导丝均是使用树脂材料3D打印而成；所述模拟导丝直径径为3mm。

所述磁棒II为导磁性能良好的磁棒，其长度为200mm，磁棒II直径为16mm。

所述磁棒支撑单元II，是由支架II，尼龙轴承II、滑轮II和尼龙轴承II构成，其中，所述支架II和滑轮II由树脂材料3D打印而成，不会受磁棒II的磁性影响；所述滑轮II用于支撑磁棒II，使磁棒II保持在一定高度，而且因为使用树脂材料较为光滑，不会产生过大的摩擦力；所述尼龙轴承II和尼龙轴承II使用尼龙材料制作而成，不具有导磁性，不会受磁棒II的磁性影响；所述尼龙轴承II和尼龙轴承II分别安装在支架II两侧的圆形卡槽内；所述滑轮II安装在尼龙轴承II和II之间。

所述操作信息采集单元II由传感器支脚II、直线位移传感器II、连接架II、移动磁块II、编码器支撑座II和空心轴光电编码器II构成；其中，所述直线位移传感器II通过传感器支脚II安装在主端底座上，其输出端与主控制器连接，用于测量医生操作模拟导丝时的轴向运动位移信息；所述连接架II用于连接移动磁块II和编码器支撑座II，使二者保持同步运动；所述移动磁块II为无源移动磁块，安装在连接架II上，既可以悬浮移动，也可以沿导轨移动；所述直线位移传感器II通过检测移动磁块II的运动来测量模拟导丝的位移；所述编码器支撑座II安装在主端滑块II上；所述空心轴光电编码器II安装在编码器支撑座II上，模拟导丝穿过其中，用于测量医生操作时模拟导丝的旋转距离信息，其输出端与主控制器相连接。

所述直线导轨II的行程和直线位移传感器II以及所述力反馈阻尼单元II的量程对应相等，为200mm。

所述从操作器包括轴向推送单元、旋转单元、夹取单元、受力检测单元和运行信息采集单元；其中，所述轴向推送单元安装在从端底座上，其输出带动旋转单元、夹取单元、受力检测单元和运动信息采集单元在轴向上运动；所述旋转单元由导管旋转单元和导丝旋转单元构成，分别安装在承重板I和承重板II上；所述夹取单元是由导管夹取单元和导丝夹取单元构成，分别用于夹紧或松开导管和导丝；所述受力检测单元用于检测介入手术过程中的导管和导丝的受力信息；所述运动信息采集单元用于采集导管和导丝的轴向位移信息以及径向旋转距离信息。

所述轴向推送单元，由从端底座、驱动单元、从端直线导轨I、从端直线导轨II、支撑台单元、接近开关I、接近开关II和齿轮齿条单元构成；

所述从端底座，其长度为1120mm，宽度为128mm，总厚度为25mm；所述从端底座为尼龙板，其中间凸起部分为齿条支架，齿条支架厚度为13mm。

所述驱动单元由高精度步进电机I、高精度步进电机II、高精度步进电机III、连接轴I、连接轴II和连接轴III构成；所述支撑台单元是由支撑台I、支撑台II、支撑台III、支撑台IV、支撑台V、支撑台VI及深沟球轴承I、深沟球轴承II及深沟球轴承III构成；所述高精度步进电机I、高精度步进电机II及高精度步进电机III分别固定在支撑台I、支撑台II和支撑台III上，并电机轴分别与连接轴I、连接轴II和连接轴III连接；所述连接轴I、连接轴II和连接轴III分别穿过深沟球轴承I、深沟球轴承II及深沟球轴承III，所述高精度步进电机I、高精度步进电机II及高精度步进电机III的输入端分别与从控制器连接，其输出端与齿轮齿条单元连接，从而带动支撑台单元做轴向运动；所述平键嵌入在连接轴I的凹槽内，作用是径向固定；所述深沟球轴承I、深沟球轴承II88及深沟球轴承III分别嵌入在支撑台IV、支撑台VI及支撑台V内。

所述从端直线导轨I长度为1000mm，其上安装有从端滑块I、从端滑块II及从端滑块III；所述从端滑块I用于固定支撑台IV，从端滑块II用于固定支撑台VI，所述从端滑块III用于固定支撑台V；

所述从端直线导轨II长度为1000mm，其上安装有从端滑块IV、从端滑块V及从端滑块VI；所述从端滑块IV用于固定支撑台I，从端滑块V用于固定支撑台II，从端滑块VI固定有支撑台III；

所述支撑台I和支撑台IV通过连接轴I80相连接；所述支撑台II和支撑台VI通过连接轴II连接在一起；所述支撑台III和支撑台V通过连接轴III连接在一起；所述连接轴I、连接轴II、连接轴III的一端分别与三个高精度步进电机的连接轴I、连接轴II和连接轴III通过平头螺丝固定连接，另一端则分别穿过嵌入在支撑台内的深沟球轴承，当驱动时，所述支撑台I和支撑台IV同步运动，所述支撑台III和支撑台V同步运动，所述支撑台II和支撑台VI同步运动。

所述齿轮齿条单元由斜齿条、斜齿轮I、斜齿轮II及斜齿轮III构成；所述斜齿条、斜齿轮I、斜齿轮II及斜齿轮III均为国标7级的高精度部件，其中，所述斜齿条长度为1000mm，固定安装在齿条支架上；所述斜齿轮I、斜齿轮II及斜齿轮III分别与三个高精度步进电机的连接轴I、连接轴II和连接轴III的中部固定，分别由三个高精度步进电机通过连接轴驱动其转动；

所述连接轴I、连接轴II和连接轴III上各嵌入一个平键，用于保持斜齿轮与连接轴的径向固定；所述接近开关I、接近开关II的输出端连接从控制器，其输入端分别置于支撑台I和支撑台III的一侧，用于保证当支撑台I和支撑台III分别靠近接近开关I及接近开关II且距离小于等于4mm时，接近开关I及接近开关II将发出信号，驱动单元停止驱动。

所述夹取单元，其是由4个夹具构成，分别为导管电动夹具I、手动夹具导丝电动夹具和导丝固定电动夹具II；

所述旋转单元是由导管旋转单元和导丝旋转单元构成；所述导管旋转单元包括导管主动旋转单元和导管被动旋转单元；其中，所述导管主动旋转单元由旋转电机I、旋转电机安装支架I、联轴器I、联轴器II、同步轮I、同步轮II和同步带构成；所述旋转电机I为高精度步进电机，安装在旋转电机安装支架I上，其输入端连接从控制器，输出端通过联轴器I及联轴器II与同步轮II连接；所述旋转电机安装支架I固定在安装承重板I上；所述同步轮I和同步轮II之间通过同步带连接，二者固定在同步轮支架和导管电动夹具I之间，在旋转电机I的驱动下进行同步旋转；所述导管电动夹具I用于加紧和松开导管，与同步轮I和同步轮II固定安装在一起，当同步轮I旋转时会带动导管电动夹具I旋转，从而带动导管旋转；

所述导丝电动夹具用于加紧或松开导丝，其前端有齿轮结构，所述导丝穿过导丝电动夹具，当导丝被夹紧时将在齿轮的转动下一起旋转；

所述导管被动旋转单元由轴承和手动夹具组成；其中，所述手动夹具支架上有凹槽，轴承固定在手动夹具支架的凹槽中；所述手动夹具支架固定在承重板III上，用于使导管末端和导管前端保持在同一水平面上；所述手动夹具上有两个手拧螺丝，用于固定导管末端；所述手动夹具与轴承的内圈固定在一起，当导管的前端旋转时，导管末端将跟随一起旋转。

所述导丝旋转单元由旋转电机II、旋转电机安装支架II、齿轮、直线轴承I和直线轴承II构成；其中，所述直线轴承I和直线轴承II分别安装在直线轴承支架I和直线轴承支架II的圆形通孔中；所述旋转电机II为带有编码器和减速箱的直流无刷电机，固定安装在旋转电机安装支架II上，其输入端于从控制器连接，输出端与齿轮相连，从而驱动齿轮旋转；所述直线轴承I及直线轴承II用于支撑导丝电动夹具，并使导丝电动夹具能做轴向和径向运动；所述旋转电机安装板II固定在旋转电机支撑板上。

所述导管电动夹具I由微型步进电机I、安装板I、夹子I、弹簧安装板I、夹子固定板I和转子I构成，所述导管电动夹具I与同步轮I和同步轮II固定安装在一起，其后端通过中空连接管连接一个环形盘所述环形盘作用是将导管受力传递给载荷传感器；所述弹簧安装板I内固定有弹簧；当所述转子I处于垂直状态下时，所述夹子I在弹簧作用下夹紧导管，当微型步进电机I驱动转子I旋转90°至水平状态时，夹子I松开导管；所述手动夹具固定导管末端，使导管末端和导管前端保持在同一水平线上，在导丝介入时，可以保持导管末端的稳定，有助于导管和导丝的介入。

所述导丝电动夹具由外壳、外壳盖、空心轴微型步进电机、推块、弹簧I、弹簧II、夹具块I和夹具块II构成；所述导丝电动夹具靠直线轴承I和直线轴承II支撑，用于实现导丝电动夹具的轴向和径向运动；所述导丝从导丝电动夹具中间穿过，依次穿过导丝电动夹具的前端、空心轴微型步进电机、推块、夹具块I、夹具块II和导丝电动夹具的末端；所述夹具块I和夹具块II分别放置在外壳盖的上下两个框内，使其只能做松开或者夹紧动作；所述弹簧I和弹簧II安装于夹具块I和夹具块II之间；所述空心轴微型步进电机的轴上有外螺纹，所述推块上嵌入一个六角螺母，与空心轴微型步进电机的轴上有外螺纹连接，用于在空心轴微型步进电机旋转时，推块在螺母的带动下进行轴向运动，当推块向前运动时，夹具块I和夹具块II被挤压，导丝穿过其中，从而使夹具块I和夹具块II夹紧导丝，而当推块向后运动时，夹具块I和夹具块II分别在弹簧I、弹簧II的作用下相互远离，从而使夹具块I和夹具块II松开导丝。

所述导丝固定电动夹具II由微型步进电机II、安装板II、夹子II、弹簧安装板II、固定板II和转子II构成；当所述转子II处于垂直状态下时，所述夹子II在弹簧作用下夹紧导丝，当微型步进电机II驱动转子II旋转90°至水平状态时，夹子II松开导丝；所述导丝固定夹具II通过圆盘嵌入在末端支架圆孔中。

所述受力检测单元，由导管受力检测单元和导丝受力检测单元组成，其中，所述导管受力检测单元，由环形盘、环形套、载荷传感器构成；所述载荷传感器安装在载荷传感器支架上，其重复性为0.01％RO，其输出端与从控制器相连；所述环形盘安装在载荷传感器支架和导管电动夹具I之间，其左末端和导管电动夹具I固定；所述环形套安装在载荷传感器上，与环形盘接触连接，当导管在介入手术过程中受到阻力时，该力将传导到导管电动夹具I，再传导至环形盘，再传至环形套，最终载荷传感器可以测得阻力信号；所述导丝受力检测单元，包括触力传感器；所述触力传感器重复性为0.2％，其灵敏度为7.2mV/V/N，固定安装在触力传感器安装板上，导丝电动夹具与触力传感器无限接近，当导丝在介入手术过程中受到阻力时，导丝电动夹具可将这个力传给触力传感器；所述触力传感器输出端连接从控制器。

所述运动信息采集单元，其用于测量导管的轴向位移、导丝的轴向位移和导丝的旋转距离，其由空心轴光电编码器III、空心轴光电编码器IV、空心轴光电编码器V、编码器支架I、编码器支架II和树脂连接件构成；

所述空心轴光电编码器III用于测量导管的轴向位移距离，所述空心轴光电编码器III固定连接在支撑台IV内；所述连接轴I穿过深沟球轴承I，其一端固定于高精度步进电机I的电机轴，一端固定于空心轴光电编码器III的空心轴内；所述空心轴光电编码器IV用于测量导丝的轴向位移距离，所述空心轴光电编码器IV固定连接在支撑台V内，与连接轴III连接；所述连接轴III过深沟球轴承III，其一端固定于高精度步进电机III的电机轴，一端固定于空心轴光电编码器IV的空心轴；所述空心轴光电编码器V用于测量导丝的旋转距离，固定安装在编码器支架I和编码器支架II上；所述树脂连接件固定在空心轴光电编码器V的空心轴中，由于导丝电动夹具需要保持能够轴向运动的特性，所以空心轴光电编码器V不能直接与导丝电动夹具末端固定，需要依靠树脂连接件连接来保持径向同步，导丝可从其中穿过。

一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)主操作器检测医生的操作信息：

在微创血管介入手术过程中，医生需要向病人体内介入导管和导丝；医生根据主端子系统的PC显示屏提供的视觉反馈和主操作器提供给双手的力反馈来直接操作安装在主操作器上的模拟导管和模拟导丝；

医生操作模拟导管和模拟导丝进行手术，操作二者原理相同，所述模拟导管、编码器支撑座I、空心轴光电编码器I三者固定在一起，编码器支撑座I固定在主端滑块I上，当医生移动模拟导管时，将带动主端滑块I在主端直线导轨I上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导管；所述模拟导丝、编码器支撑座II、空心轴光电编码器II三者固定在一起，编码器支撑座II固定在主端滑块II上，当医生移动模拟导丝时，将带动主端滑块II在主端直线导轨II上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导丝；

I、对于轴向运动信息的采集：

所述编码器支撑座I和移动磁块I用连接架I连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导管时，移动磁块I同步运动，直线位移传感器I将检测移动磁块I的位移信息，从而得到模拟导管的轴向位移量；所述编码器支撑座II和移动磁块II依连接架II连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导丝时，移动磁块II同步运动，直线位移传感器II将检测移动磁块II的位移信息，从而得到模拟导丝的轴向位移量；

II、对于旋转距离信息的采集：

所述模拟导管空心轴光电编码器I的内环固定在一起，当医生旋转模拟导管时，空心轴光电编码器I可测得其旋转距离；所述模拟导丝和空心轴光电编码器II的内环固定在一起，当医生旋转模拟导丝时，空心轴光电编码器II可测得其旋转距离；

(2)导管及导丝的轴向运动信息和旋转距离信息的传递：

考虑到耐用性，模拟导管和模拟导丝设计比真实导管和导丝略粗，二者均使用树脂材料3D打印而成，模拟导管直径为4mm，模拟导丝直径为3mm；

主操作器将检测到的模拟导管及模拟导丝的轴向位移信息和旋转距离信息传输到主控制器，主控制器为STM32F103ZE控制器，随后主控制器通过CAN总线通信方式将数据传递给从控制器；

(3)从操作器执行介入过程：

从操作器可以被看作由四个模块构成，模拟传统手术中医生们的两双手，其中3个模块为可运动模块，分别为导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块，分别能实现加紧或者松开导管前半部分、导管末端和导丝，还有1个为固定模块，为导丝末端模块，用于夹紧或者松开导丝；所述导管前端模块包括支撑台IV和支撑台I上的所有零件；所述导管末端模块包括支撑台II和VI上的所有零件；所述导丝推送模块包括支撑台III和支撑台V上的所有零件；所述导丝末端模块包括末端支架和导丝固定电动夹具II；

IV、导丝单独介入过程：

导丝的单独介入动作由导丝推送模块完成，此时导管电动夹具I和手动夹具用于夹紧导管，避免在导丝推送过程中，导管发生位移，同时，导丝固定电动夹具II处于松开导丝状态；

导丝的轴向推送动作由高精度步进电机III转动斜齿轮III在斜齿条上做轴向运动完成，整个导管前端模块将夹紧导丝，在斜齿条上做直线运动；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，将控制旋转电机II旋转齿轮，从而实现旋转动作；

当导丝推送模块运动到行程极限时，导丝电动夹具将松开导丝，由导丝固定电动夹具II夹紧导丝，避免导丝发生位移，然后导丝推送模块向后撤，再进行新一轮推送；

V、导管单独介入过程：

导管的单独介入动作由导管前端模块和导管末端模块共同完成，二者需要进行同步运动；导管单独介入过程中，导丝电动夹具需要夹紧导丝，避免导丝发生位移；导管电动夹具I夹紧导管，手动夹具夹紧导管的末端；导管前端模块和导丝末端模块在从控制器的控制下，进行同步运动，从而实现导管的轴向推送过程；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，控制旋转电机I旋转同步轮I和同步轮II，通过同步带实现导管的旋转动作；

当导管前端模块运动到行程极限时，导管电动夹具I将松开导管，手动夹具在这个过程中始终保持夹紧导管末端状态，然后导管前端模块向后撤，导管末端模块保持不变，再进行新一轮推送；

VI、导管和导丝的同步介入过程：

导管和导丝的同步介入动作需要导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块同步运动来完成，此时导管电动夹具I处于夹紧导管状态，手动夹具夹紧导管的末端，导丝电动夹具夹紧导丝，导丝固定电动夹具II处于送开导丝的状态。

(4)从操作器的受力检测：

从操作器的受力检测包括对导管的受力检测和导丝的受力检测：

I、导管的受力检测过程：

导管的受力检测由载荷传感器实现；导管受力检测单元由环形盘、环形套、载荷传感器构成；所述载荷传感器安装在载荷传感器支架上，其输出端与从控制器相连；所述环形套安装在载荷传感器上，与环形盘接触连接，当导管在介入手术过程中受到阻力时，该力将传导到导管电动夹具I，再传导至环形盘，再传至环形套，最终载荷传感器可以测得阻力信号；

II、导丝的受力检测过程：

导丝的受力检测由触力传感器实现，触力传感器固定在触力传感器安装板上；所述导丝电动夹具靠直线轴承I和II支撑，其可以进行轴向和径向运动，其无限靠近与触力传感器，当导丝在介入过程中受到阻力时，导丝电动夹具可将这个力传给触力传感器，触力传感器便可以测量并且输出力信号；

所述触力传感器重复性为0.2％，其灵敏度为7.2mV/V/N，固定安装在触力传感器安装板上；当导丝电动夹具进行轴向和径向运动时可与触力传感器无限接近，当导丝在介入手术过程中受到阻力时，导丝电动夹具可将这个力传给触力传感器，触力传感器便可以测量并且输出力信号；所述触力传感器输出端连接从控制器；进而从控制器和主控制器均能得到导丝的受力信息；

(5)操作信息的采集过程：

从操作器的运动信息可以由运动信息采集单元采集并传输给主端子系统的主控制器，其中，导管的轴向位移由空心轴光电编码器III采集，导丝的轴向位移由空心轴光电编码器IV采集，导丝的径向旋转位移由空心轴光电编码器V采集；

(6)主操作器的力反馈过程：

从端传递回来的手术导管的受力信息和导丝的受力信息经过常规放大器模块和电压转换电流模块后，传递到主操作器；主操作器的导管操作装置和导丝操作装置分别通过力反馈阻尼单元I、II将导管和导丝的受力真实地反馈给医生；力反馈阻尼器单元I由磁棒I、磁棒支撑座I、线圈I和线圈安装架I构成；其中，所述磁棒I穿过线圈安装架I，其末端有外螺纹与模拟导管的末端依靠螺纹相连接，二者同步运动；力反馈阻尼器单元II由磁棒II、磁棒支撑座II、线圈II和线圈安装架II构成；其中，所述磁棒II穿过线圈安装架II，其末端有外螺纹与模拟导丝的末端依靠螺纹相连接，二者同步运动。医生推动或者旋转模拟导管和模拟导丝时，会带动磁棒I和II做同步运动。通过主控制器输出的电流，使线圈I和II通电，根据电磁感应定律，使线圈I和II分别与磁棒I和II之间产生阻力，阻力的大小根据电流的变化而变化，从而使医生操作时便可以感受到真实的力反馈，可以增加医生在手术过程中的临场感，提高手术的安全性。

本发明的优越性如下：

1、本发明主操作器采用符合医生操作习惯的人体工学设计。主操作器中的导管操作装置和导丝操作装置前后摆放，这种摆放方式完全符合医生实际操作方式。医生操作本平台时，双手接触的是模拟导管22和模拟导丝13，使手术更具真实性，符合实际手术中的操作需求。考虑到耐用性，模拟导管22和模拟导丝13设计比真实导管和导丝略粗，二者均使用树脂材料3D打印而成，模拟导管22直径为4mm，模拟导丝13直径为3mm。

2、医生操作主操作器时所传递的实时、准确的力反馈让医生有亲临现场操作的感觉，医生根据力觉反馈和视觉反馈执行手术决策，手术的安全性能够有效地提高。

3、控制器对异常操作和系统故障实时检测，过滤掉不正常的操作，发现系统故障时立刻锁死介入操作机构，从而有效地保障系统的安全。

4、从操作器设计模仿医生的抓送方式，设计符合仿生学的要求，同时能够有效降低推进误差。

5、本发明主操作器力反馈形式在以往基础上进行改进，采用新型电磁感应力反馈单元。从端传来的力信号通过电磁感应的方式直接反馈到医生的双手上，反馈直观，符合手术安全性。

6、本发明的从操作器能够完成导管、导丝的协同操作，可以完成导管单独介入、导丝单独介入、导管和导丝同时介入动作，符合手术的各种需求。

7、本发明从操作器的轴向推送单元采用导轨与斜齿条配合方式，结构简单且稳定，可推送距离长，而且各模块之间相互独立，互不干涉，可独自运动，也可在控制器控制下进行配合运动，符合实际手术中的操作需求。

8、本发明从操作器的导丝电动夹具，采用空心轴电机驱动的方式夹紧导丝，夹持力稳定。其大部分零件采用树脂材料3D打印而成，结构轻便简单，夹持可靠。

9、本发明从操作器的测力单元可以提高手术安全性，采用力传感器进行实时反馈。测力组件结构紧凑，采用与夹具直接连接的方式，中间连接件少，测力精确度高。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的整体结构示意图。

图2为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的主操作器的结构示意图。

图3为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的主操作器中力反馈阻尼单元I的结构示意图。

图4为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的主操作器中导管操作装置I的结构示意图。

图5为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的主操作器中磁棒支撑单元I的结构示意图。

图6为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的主操作器中磁棒支撑单元I的具体内部结构示意图。

图7为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的主操作器中导丝操作装置II的结构示意图。

图8为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器的结构示意图。

图9为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中轴向推送单元的结构示意图。

图10为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中轴向推送单元的结构分解示意图。

图11为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中从端底座及导轨、齿条结构示意图。

图12为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导管前端模块结构示意图。

图13为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导管末端模块和导丝推送模块的结构示意图。

图14为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导管电动夹具I的结构示意图。

图15为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导丝电动夹具的结构示意图。

图16为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导丝电动夹具的具体内部结构示意图。

图17为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导丝电动夹具的剖视图。

图19为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导丝受力检测单元的结构侧示图。

图20为本发明所涉一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的从操作器中导丝受力检测单元的结构示意图。

其中，1为主端底座，2为直线位移传感器I，3为连接架I，4为移动磁块I，5为传感器支脚I，6为磁棒II，7为磁棒支撑座II，8为线圈II，9为线圈安装架II，10为磁棒支撑单元II，10-1为磁棒支架II，10-2为尼龙轴承III，10-3为滑轮II，10-4为尼龙轴承IV，11为空心轴光电编码器II，12为编码器支撑座II，13为模拟导丝，14为主端直线导轨II，14-1为主端滑块，15为磁棒I，16为磁棒支撑座I，17为线圈I，18为线圈安装架I，19为磁棒支撑单元I，19-1为磁棒支架I，19-2为尼龙轴承I，19-3为滑轮I，19-4为尼龙轴承II，20为编码器支撑座I，21为空心轴光电编码器I，22为模拟导管，23为主端直线导轨I，23-1为主端滑块I，24为直线位移传感器II，25为移动磁块II，26为连接架II，27为传感器支脚II，28为同步轮支架，29为同步带，30为导管电动夹具I，30-1为微型步进电机I，30-2为电动夹具安装板I，30-3为夹子I，30-4为弹簧安装板I，30-5为转子I，30-6为夹子固定板I，31为中空连接管，32为环形盘，33为环形套，34为载荷传感器，35为载荷传感器支架，36为导管，36-1为导管末端，37为轴承，38为手动夹具支架，39为手动夹具，40为直线轴承I，41为直线轴承支架I，42为导丝电动夹具，42-1为外壳，42-2为外壳盖，42-3为导丝电动夹具II的前端，42-4为导丝电动夹具的末端，42-5为空心轴微型步进电机，42-6为推块，42-7为弹簧I，42-8为弹簧II，42-9为夹具块I，42-10为夹具块II，43为触力传感器，44为空心轴光电编码器V，45为导丝固定电动夹具II，45-1为微型步进电机II，45-2为电动夹具安装板II，45-3弹簧安装板II，45-4圆盘，45-5为夹子固定板II，45-6为夹子II，45-7为转子II，46为末端支架，47为导丝，48为旋转电机II，49为承重板II，50为接近开关II，51为支撑台V，52为从端滑块III，53为齿轮，54为旋转电机安装支架II，55为支撑台III，56为从端滑块II，57为支撑台VI，58为支撑台II，59为旋转电机I，60为斜齿条，61为支撑台IV，62为从端直线导轨I，63为直线轴承支架II，64为支撑台I，65为接近开关I，66为承重板I，67为联轴器II，68为承重板III，69为旋转电机安装支架I，70为联轴器I，71为从端底座，71-1为齿条支架，72为高精度步进电机I，73为斜齿轮I，74为从端直线导轨II，75为高精度步进电机II，、76为高精度步进电机III，77为斜齿轮II，78为斜齿轮III，79为平键，80为连接轴I，81为从端滑块I，82为深沟球轴承I，83为空心轴光电编码器III，84为滑从端块VI，85为从端滑块IV，86为连接轴II，87为从端滑块V，88为深沟球轴承II，89为深沟球轴承III，90为空心轴光电编码器IV，91为连接轴III，92为同步轮I，93为同步轮II，94为直线轴承II，95为旋转电机支撑板，96为触力传感器安装板，97为编码器支架I，98为编码器支架II，99为树脂连接件。

(五)具体实施方式：

实施例：一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，如图1所示，其特征在于它包括主端子系统和从端子系统，能同时控制导管和导丝进行协同操作；其中，所述主端子系统是由主操作器、主控制器和PC显示屏构成；所述主操作器是由导管操作装置和导丝操作装置构成，用于实现对导管和导丝的操作；所述导管操作装置和导丝操作装置分别由医生的左右手控制操作，其输入端接收医生双手的操作信号和主控制器的控制信号，其输出端连接主控制器，将操作信息发送给主控制器；所述主控制器与主操作器之间呈双向数据连接，用于实现主控制器对导管和导丝的操作控制，将力反馈控制信息实时传递给医生；所述PC显示屏用于显示血管介入手术中的病灶信息和机器人的手术状态；

如图1所示，所述从端子系统是由IP摄像头、从操作器、从控制器、导管和导丝构成；所述从控制器与主控制器之间呈双向数据连接；所述从操作器用于控制导管和导丝的运动；所述从操作器与从控制器之间呈双向数据连接，所述主控制器能够通过从控制器接收从操作器反馈回来的导管和导丝的受力信息；所述从控制器能够通过主控制器接收主操作器的操作信息；所述IP摄像头用于采集现场从操作器的实时动作图像信息，其输出端与主端子系统的PC显示屏，所述PC显示屏用于呈现IP摄像头所采集的图像信息，对手术医生提供实时的视觉反馈信号。

所述主控制器和从控制器都是采用STM32F103ZE控制器，该控制器有144个引脚。

所述IP摄像头与PC显示屏之间通过Internet连接，所述主控制器和从控制器之间通过CAN总线进行通信连接，如图1所示。

所述主操作器包括导管操作装置和导丝操作装置，所述导管操作装置和导丝操作装置采用相同的结构，如图2所示；所述导管操作装置和导丝操作装置前后水平摆放在主端底座1上，其中，所述导管操作装置放在前半部分，所述导丝操作装置放在后半部分，这样摆放的目的是符合医生的操作习惯，医生能够双手同时操作设备。

如图2所示，所述导管操作装置是由力反馈阻尼器单元I、操作信息采集单元I、模拟导管22和主端直线导轨I23构成；如图3所示，所述力反馈阻尼器单元I由磁棒I15、磁棒支撑单元I19、线圈I17和线圈安装架I18构成；其中，所述力反馈阻尼器单元I安装在磁棒支撑座I16上，其输入端为通过线圈I17与主控制器连接，输入信号为从控制器反馈回来的导管受力信号，根据电磁感应原理，线圈I17和磁棒I15之间产生阻力，医生操作模拟导管22时可以感受到这个力；所述模拟导管末端22-1和力反馈阻尼器单元I中的磁棒I15通过螺纹相连接，二者同步运动；

所述磁棒支撑座I16安装在主端底座1上；所述操作信息采集单元I用于采集模拟导管22的旋转距离信息和轴向位移信息，其输出端与主控制器连接；所述主端直线导轨I23长度为200mm，安装在主端底座1上；所述主端直线导轨I23上有主端滑块I23-1，如图4所示；所述磁棒支撑单元I19安装在主端底座1上，用于支撑磁棒I15，使磁棒I15与模拟导管22以及线圈I17保持同轴心；所述线圈安装架I18安装在磁棒支撑座16上；所述磁棒I15穿过线圈安装架I18；所述线圈I17安装在线圈安装架I18上，由主控制器输出的电流使线圈I17通电，从而产生力反馈。

如图3所示，所述线圈I17为空心感应线圈，其内径20mm，外径24mm，厚度10mm，匝数480圈，其安装在线圈安装架I18上，其输入端连接主控制器。

所述线圈安装架I18和模拟导管22均是使用树脂材料3D打印而成；所述模拟导管22直径为4mm。

所述磁棒I15为导磁性能良好的磁棒，其长度为200mm，磁棒I15直径为16mm。

所述磁棒支撑单元I19，如图5、图6所示，是由磁棒支架I19-1，尼龙轴承I19-2、滑轮I19-3和尼龙轴承II19-4构成，其中，所述磁棒支架I19-1和滑轮I19-3由树脂材料3D打印而成，不会受磁棒I15的磁性影响；所述滑轮I19-3用于支撑磁棒I15，使磁棒I15保持在一定高度并且保持磁棒I15的能动性，因为使用树脂材料较为光滑，不会产生过大的摩擦力；所述尼龙轴承I19-2和尼龙轴承II19-4使用尼龙材料制作而成，不具有导磁性，不会受磁棒I15的磁性影响；所述尼龙轴承I19-2和尼龙轴承II19-4分别安装在磁棒支架I19-1两侧的圆形卡槽内；所述滑轮I19-3安装在尼龙轴承I19-2和II19-4之间。

所述操作信息采集单元I，如图4所示，是由传感器支脚I5、直线位移传感器I2、连接架I3、移动磁块I4、编码器支撑座I20和空心轴光电编码器I21构成；其中，所述直线位移传感器I2通过传感器支脚I5安装在主端底座1上，其输出端与主控制器连接，用于测量医生操作模拟导管22时的轴向位移信息；所述连接架I3用于连接移动磁块I4和编码器支撑座I20，使二者保持同步运动；所述移动磁块I4为无源移动磁块，安装在连接架I3上，既可以悬浮移动，也可以沿导轨移动；所述直线位移传感器I2通过检测移动磁块I4的运动来测量模拟导管22的位移；所述编码器支撑座I20安装在主端滑块I23-1上，使其可以轴向移动，如图4所示；所述空心轴光电编码器I21安装在编码器支撑座I20上，模拟导管22穿过其中，用于测量医生操作时模拟导管22的旋转距离信息，其输出端与主控制器相连接。

所述直线导轨I23行程和直线位移传感器I2以及所述力反馈阻尼单元I的量程对应相等，为200mm。

所述导丝操作装置，如图7所示，其由力反馈阻尼器单元II、操作信息采集单元II、模拟导丝13和主端直线导轨II14构成；所述力反馈阻尼器单元II由磁棒II6、磁棒支撑单元II10、线圈II8和线圈安装架II9构成；其中，所述力反馈阻尼器单元II安装在磁棒支撑座II7上，其输入端为通过线圈II8与主控制器连接，输入信号为从控制器反馈回来的导丝受力信号，根据电磁感应原理，线圈II8和磁棒II6之间产生阻力，医生操作模拟导丝13时可以感受到这个力，所述模拟导丝13和力反馈阻尼器单元II中的磁棒II6通过螺纹相连接，二者同步运动；所述磁棒支撑座II7安装在主端底座1上；所述操作信息采集单元II用于采集模拟导丝13的旋转角度的位移量信息和轴向运动的位移量信息，其输出端与主控制器连接；所述模拟导丝13穿过空心轴光电编码器II11；所述主端直线导轨II14长度为200mm安装在主端底座1上；所述空心轴光电编码器II11安装在编码器支撑座II12上；所述主端直线导轨II14上有主端滑块II14-1，所述编码器支撑座II12安装在主端滑块II14-1上，使其可以轴向移动；所述磁棒支撑单元II10安装在主端底座1上，用于支撑磁棒II6，使磁棒II6与模拟导丝13以及线圈II8保持同轴心；所述线圈安装架II9安装在磁棒支撑座16上；所述磁棒II6穿过线圈安装架II9；所述线圈II8安装在线圈安装架II9上，由主控制器输出的电流使线圈II8通电，从而产生力反馈。

所述线圈II8为空心感应线圈，其内径20mm，外径24mm，厚度10mm，匝数480圈，其安装在线圈安装架II9上，其输入端连接主控制器。

所述线圈安装架II9和模拟导丝13均是使用树脂材料3D打印而成；所述模拟导丝13直径径为3mm。

所述磁棒II6为导磁性能良好的磁棒，其长度为200mm，磁棒II6直径为16mm。

如图7所示，所述磁棒支撑单元II10，是由支架II10-1，尼龙轴承II10-2、滑轮II10-3和尼龙轴承II10-4构成，其中，所述支架II10-1和滑轮II10-3由树脂材料3D打印而成，不会受磁棒II6的磁性影响；所述滑轮II10-3用于支撑磁棒II6，使磁棒II6保持在一定高度，而且因为使用树脂材料较为光滑，不会产生过大的摩擦力；所述尼龙轴承II10-2和尼龙轴承II10-4使用尼龙材料制作而成，不具有导磁性，不会受磁棒II6的磁性影响；所述尼龙轴承II10-2和尼龙轴承II10-4分别安装在支架II10-1两侧的圆形卡槽内；所述滑轮II10-3安装在尼龙轴承II10-2和II10-4之间。

如图7所示，所述操作信息采集单元II由传感器支脚II27、直线位移传感器II24、连接架II26、移动磁块II25、编码器支撑座II12和空心轴光电编码器II11构成；其中，所述直线位移传感器II24通过传感器支脚II27安装在主端底座1上，其输出端与主控制器连接，用于测量医生操作模拟导丝13时的轴向运动位移信息；所述连接架II26用于连接移动磁块II25和编码器支撑座II12，使二者保持同步运动；所述移动磁块II25为无源移动磁块，安装在连接架II26上，既可以悬浮移动，也可以沿导轨移动；所述直线位移传感器II24通过检测移动磁块II25的运动来测量模拟导丝13的位移；所述编码器支撑座II12安装在主端滑块II14-1上；所述空心轴光电编码器II11安装在编码器支撑座II12上，模拟导丝13穿过其中，用于测量医生操作时模拟导丝13的旋转距离信息，其输出端与主控制器相连接。

所述直线导轨II14的行程和直线位移传感器II24以及所述力反馈阻尼单元II的量程对应相等，为200mm。

所述从操作器，如图8所示，包括轴向推送单元、旋转单元、夹取单元、受力检测单元和运行信息采集单元；其中，所述轴向推送单元安装在从端底座71上，其输出带动旋转单元、夹取单元、受力检测单元和运动信息采集单元在轴向上运动；所述旋转单元由导管旋转单元和导丝旋转单元构成，分别安装在承重板I66和承重板II49上；所述夹取单元是由导管夹取单元和导丝夹取单元构成，分别用于夹紧或松开导管36和导丝47；所述受力检测单元用于检测介入手术过程中的导管36和导丝47的受力信息；所述运动信息采集单元用于采集导管36和导丝47的轴向位移信息以及径向旋转距离信息。

所述轴向推送单元，如图9，图10所示，由从端底座71、驱动单元、从端直线导轨I62、从端直线导轨II74、支撑台单元、接近开关I65、接近开关II50和齿轮齿条单元构成；

所述从端底座71，如图11所示，其长度为1120mm，宽度为128mm，总厚度为25mm；所述从端底座71为尼龙板，其中间凸起部分为齿条支架71-1，齿条支架71-1厚度为13mm。

如图9、图10所示，所述驱动单元由高精度步进电机I72、高精度步进电机II75、高精度步进电机III76、连接轴I80、连接轴II86和连接轴III91构成；所述支撑台单元是由支撑台I64、支撑台II58、支撑台III55、支撑台IV61、支撑台V51、支撑台VI57及深沟球轴承I82、深沟球轴承II88及深沟球轴承III89构成；所述高精度步进电机I72、高精度步进电机II75及高精度步进电机III76分别固定在支撑台I64、支撑台II58和支撑台III55上，并电机轴分别与连接轴I80、连接轴II86和连接轴III91连接；所述连接轴I80、连接轴II86和连接轴III91分别穿过深沟球轴承I82、深沟球轴承II88及深沟球轴承III89，所述高精度步进电机I72、高精度步进电机II75及高精度步进电机III76的输入端分别与从控制器连接，其输出端与齿轮齿条单元连接，从而带动支撑台单元做轴向运动；所述平键79嵌入在连接轴I80的凹槽内，作用是径向固定；所述深沟球轴承I82、深沟球轴承II88及深沟球轴承III89分别嵌入在支撑台IV61、支撑台VI57及支撑台V51内。

如图11所示，所述从端直线导轨I62长度为1000mm，其上安装有从端滑块I81、从端滑块II56及从端滑块III52；所述从端滑块I81用于固定支撑台IV61，从端滑块II56用于固定支撑台VI57，所述从端滑块III52用于固定支撑台V51；

如图11所示，所述从端直线导轨II74长度为1000mm，其上安装有从端滑块IV85、从端滑块V87及从端滑块VI84；所述从端滑块IV85用于固定支撑台I64，从端滑块V87用于固定支撑台II58，从端滑块VI84固定有支撑台III55；

如图10所示，所述支撑台I64和支撑台IV61通过连接轴I80相连接；所述支撑台II58和支撑台VI57通过连接轴II86连接在一起；所述支撑台III55和支撑台V51通过连接轴III91连接在一起；所述连接轴I80、连接轴II86、连接轴III91的一端分别与三个高精度步进电机的连接轴I80、连接轴II86和连接轴III91通过平头螺丝固定连接，另一端则分别穿过嵌入在支撑台内的深沟球轴承，当驱动时，所述支撑台I64和支撑台IV61同步运动，所述支撑台III55和支撑台V51同步运动，所述支撑台II58和支撑台VI57同步运动。

如图10所示，所述齿轮齿条单元由斜齿条60、斜齿轮I73、斜齿轮II77及斜齿轮III78构成；所述斜齿条60、斜齿轮I73、斜齿轮II77及斜齿轮III78均为国标7级的高精度部件，其中，所述斜齿条60长度为1000mm，固定安装在齿条支架71-1上；所述斜齿轮I73、斜齿轮II77及斜齿轮III78分别与三个高精度步进电机的连接轴I80、连接轴II86和连接轴III91的中部固定，分别由三个高精度步进电机通过连接轴驱动其转动；

如图10所示，所述连接轴I80、连接轴II86和连接轴III91上各嵌入一个平键，用于保持斜齿轮与连接轴的径向固定；所述接近开关I65、接近开关II50的输出端连接从控制器，其输入端分别置于支撑台I64和支撑台III55的一侧，用于保证当支撑台I64和支撑台III55分别靠近接近开关I65及接近开关II50且距离小于等于4mm时，接近开关I65及接近开关II50将发出信号，驱动单元停止驱动。

所述夹取单元，如图13，图14、图15、图16、图17、图18所示，其是由4个夹具构成，分别为导管电动夹具I30(见图14)、手动夹具39(见图13)、导丝电动夹具42(见图15、图16、图17)和导丝固定电动夹具II45(见图18)；

所述旋转单元，如图12，图13所示，是由导管旋转单元和导丝旋转单元构成；所述导管旋转单元包括导管主动旋转单元和导管被动旋转单元；其中，所述导管主动旋转单元由旋转电机I59、旋转电机安装支架I69、联轴器I70、联轴器II67、同步轮I92、同步轮II93和同步带29构成；所述旋转电机I59为高精度步进电机，安装在旋转电机安装支架I69上，其输入端连接从控制器，输出端通过联轴器I70及联轴器II67与同步轮II93连接；所述旋转电机安装支架I69固定在安装承重板I66上；所述同步轮I92和同步轮II93之间通过同步带29连接，二者固定在同步轮支架28和导管电动夹具I30之间，在旋转电机I59的驱动下进行同步旋转；所述导管电动夹具I30用于加紧和松开导管36，与同步轮I92和同步轮II93固定安装在一起，当同步轮I92旋转时会带动导管电动夹具I30旋转，从而带动导管36旋转；

所述导丝电动夹具42用于加紧或松开导丝47，其前端有齿轮结构，所述导丝47穿过导丝电动夹具42，当导丝47被夹紧时将在齿轮的转动下一起旋转，如图13所示；

所述导管被动旋转单元，如图13所示，其由轴承37和手动夹具39组成；其中，所述手动夹具支架38上有凹槽，轴承37固定在手动夹具支架38的凹槽中；所述手动夹具支架38固定在承重板III68上，用于使导管末端36-1和导管36前端保持在同一水平面上；所述手动夹具39上有两个手拧螺丝，用于固定导管末端36-1；所述手动夹具39与轴承37的内圈固定在一起，当导管36的前端旋转时，导管末端36-1将跟随一起旋转。

如图13所示，所述导丝旋转单元由旋转电机II48、旋转电机安装支架II54、齿轮53、直线轴承I40和直线轴承II94构成；其中，所述直线轴承I40和直线轴承II94分别安装在直线轴承支架I41和直线轴承支架II63的圆形通孔中；所述旋转电机II48为带有编码器和减速箱的直流无刷电机，固定安装在旋转电机安装支架II54上，其输入端于从控制器连接，输出端与齿轮53相连，从而驱动齿轮53旋转；所述直线轴承I40及直线轴承II94用于支撑导丝电动夹具42，并使导丝电动夹具42具能做轴向和径向运动；所述旋转电机安装板II54固定在旋转电机支撑板95上。

如图14所示，所述导管电动夹具I30由微型步进电机I30-1、安装板I30-2、夹子I30-3、弹簧安装板I30-4、夹子固定板I30-6和转子I30-5构成，所述导管电动夹具I30与同步轮I92和同步轮II93固定安装在一起，其后端通过中空连接管31连接一个环形盘32，所述环形盘32作用是将导管36受力传递给载荷传感器34；所述弹簧安装板I30-4内固定有弹簧；当所述转子I30-5处于垂直状态下时，所述夹子I30-3在弹簧作用下夹紧导管36，当微型步进电机I30-1驱动转子I30-5旋转90°至水平状态时，夹子I30-3松开导管36；所述手动夹具39固定导管末端，使导管末端和导管前端保持在同一水平线上，在导丝47介入时，可以保持导管末端的稳定，有助于导管36和导丝47的介入。

所述导丝电动夹具42由外壳42-1、外壳盖42-2、空心轴微型步进电机42-5、推块42-6、弹簧I42-7、弹簧II42-8、夹具块I42-9和夹具块II 42-10构成，如图15，图16，图17所示；所述导丝电动夹具42靠直线轴承I40和直线轴承II94支撑，用于实现导丝电动夹具42的轴向和径向运动，如图15、图16、图17所示；所述导丝47从导丝电动夹具42中间穿过，依次穿过导丝电动夹具42的前端42-3、空心轴微型步进电机42-5、推块42-6、夹具块I42-9、夹具块II 42-10和导丝电动夹具42的末端42-4；所述夹具块I42-9和夹具块II 42-10分别放置在外壳盖42-2的上下两个框内，使其只能做松开或者夹紧动作；所述弹簧I42-7和弹簧II42-8安装于夹具块I42-9和夹具块II 42-10之间；所述空心轴微型步进电机42-5的轴上有外螺纹，所述推块42-6上嵌入一个六角螺母，与空心轴微型步进电机42-5的轴上有外螺纹连接，用于在空心轴微型步进电机42-5旋转时，推块42-6在螺母的带动下进行轴向运动，当推块42-6向前运动时，夹具块I42-9和夹具块II42-10被挤压，导丝47穿过其中，从而使夹具块I42-9和夹具块II42-10夹紧导丝，而当推块42-6向后运动时，夹具块I42-9和夹具块II 42-10分别在弹簧I42-7、弹簧II42-8的作用下相互远离，从而使夹具块I42-9和夹具块II42-10松开导丝47。

如图18所示，所述导丝固定电动夹具II45由微型步进电机II45-1、安装板II45-2、夹子II45-6、弹簧安装板II45-3、固定板II45-5和转子II45-7构成；当所述转子II45-7处于垂直状态下时，所述夹子II30-3在弹簧作用下夹紧导丝47，当微型步进电机II30-1驱动转子II45-7旋转90°至水平状态时，夹子II30-3松开导丝47；所述导丝固定夹具II45通过圆盘45-4嵌入在末端支架46中圆孔中。

所述受力检测单元，如图12、图19所示，由导管受力检测单元和导丝受力检测单元组成，其中，所述导管受力检测单元，如图12所示，由环形盘32、环形套33、载荷传感器34构成；所述载荷传感器34安装在载荷传感器支架35上，其重复性为0.01％RO，其输出端与从控制器相连；所述环形盘32安装在载荷传感器支架35和导管电动夹具I30之间，其左末端和导管电动夹具I30固定；所述环形套33安装在载荷传感器34上，与环形盘32接触连接，当导管36在介入手术过程中受到阻力时，该力将传导到导管电动夹具I30，再传导至环形盘32，再传至环形套33，最终载荷传感器34可以测得阻力信号；所述导丝受力检测单元，如图19所示，包括触力传感器43；所述触力传感器43重复性为0.2％，其灵敏度为7.2mV/V/N，固定安装在触力传感器安装板96上，导丝电动夹具42与触力传感器43无限接近，当导丝47在介入手术过程中受到阻力时，导丝电动夹具42可将这个力传给触力传感器43；所述触力传感器43输出端连接从控制器。

所述运动信息采集单元，如图10，图19所示，其用于测量导管36的轴向位移、导丝47的轴向位移和导丝47的旋转距离，其由空心轴光电编码器III83、空心轴光电编码器IV90、空心轴光电编码器V44、编码器支架I97、编码器支架II98和树脂连接件99构成；

所述空心轴光电编码器III83用于测量导管36的轴向位移距离，所述空心轴光电编码器III83固定连接在支撑台IV61内；所述连接轴I80穿过深沟球轴承I82，其一端固定于高精度步进电机I72的电机轴，一端固定于空心轴光电编码器III83的空心轴内；所述空心轴光电编码器IV90用于测量导丝47的轴向位移距离，所述空心轴光电编码器IV90固定连接在支撑台V51内，与连接轴III91连接；所述连接轴III91穿过深沟球轴承III89，其一端固定于高精度步进电机III76的电机轴，一端固定于空心轴光电编码器IV90的空心轴；所述空心轴光电编码器V44用于测量导丝47的旋转距离，固定安装在编码器支架I97和编码器支架II98上，如图20所示；所述树脂连接件99固定在空心轴光电编码器V44的空心轴中，由于导丝电动夹具42需要保持能够轴向运动的特性，所以空心轴光电编码器V44不能直接与导丝电动夹具42末端固定，需要依靠树脂连接件99连接来保持径向同步，导丝47可从其中穿过，如图17、图20所示。

一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)主操作器检测医生的操作信息：

在微创血管介入手术过程中，医生需要向病人体内介入导管36和导丝47；医生根据主端子系统的PC显示屏提供的视觉反馈和主操作器提供给双手的力反馈来直接操作安装在主操作器上的模拟导管22和模拟导丝13；

医生操作模拟导管22和模拟导丝13进行手术，操作二者原理相同，所述模拟导管22、编码器支撑座I20、空心轴光电编码器I21三者固定在一起，编码器支撑座I20固定在主端滑块I23-1上，当医生移动模拟导管22时，将带动主端滑块I23-1在主端直线导轨I23上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导管22；所述模拟导丝13、编码器支撑座II12、空心轴光电编码器II11三者固定在一起，编码器支撑座II12固定在主端滑块II14-1上，当医生移动模拟导丝13时，将带动主端滑块II14-1在主端直线导轨II14上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导丝13；

I、对于轴向运动信息的采集：

所述编码器支撑座I20和移动磁块I4用连接架I3连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导管22时，移动磁块I4同步运动，直线位移传感器I2将检测移动磁块I4的位移信息，从而得到模拟导管22的轴向位移量；所述编码器支撑座II12和移动磁块II25依连接架II26连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导丝13时，移动磁块II25同步运动，直线位移传感器II24将检测移动磁块II25的位移信息，从而得到模拟导丝13的轴向位移量；

II、对于旋转距离信息的采集：

所述模拟导管22和空心轴光电编码器I21的内环固定在一起，当医生旋转模拟导管22时，空心轴光电编码器I21可测得其旋转距离；所述模拟导丝13和空心轴光电编码器II11的内环固定在一起，当医生旋转模拟导丝13时，空心轴光电编码器II11可测得其旋转距离；

(2)导管及导丝的轴向运动信息和旋转距离信息的传递：

考虑到耐用性，模拟导管22和模拟导丝13设计比真实导管和导丝略粗，二者均使用树脂材料3D打印而成，模拟导管22直径为4mm，模拟导丝13直径为3mm；

主操作器将检测到的模拟导管22及模拟导丝13的轴向位移信息和旋转距离信息传输到主控制器，主控制器为STM32F103ZE控制器，随后主控制器通过CAN总线通信方式将数据传递给从控制器；

(3)从操作器执行介入过程：

从操作器可以被看作由四个模块构成，模拟传统手术中医生们的两双手，其中3个模块为可运动模块，分别为导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块，分别能实现加紧或者松开导管前半部分、导管末端和导丝，还有1个为固定模块，为导丝末端模块，用于夹紧或者松开导丝；所述导管前端模块包括支撑台IV61和支撑台I64上的所有零件；所述导管末端模块包括支撑台II58和VI57上的所有零件；所述导丝推送模块包括支撑台III55和支撑台V51上的所有零件；所述导丝末端模块包括末端支架46和导丝固定电动夹具II45；

VII、导丝单独介入过程：

导丝47的单独介入动作由导丝推送模块完成，此时导管电动夹具I30和手动夹具39用于夹紧导管36，避免在导丝推送过程中，导管发生位移，同时，导丝固定电动夹具II45处于松开导丝状态；

导丝47的轴向推送动作由高精度步进电机III76转动斜齿轮III78在斜齿条60上做轴向运动完成，整个导管前端模块将夹紧导丝，在斜齿条60上做直线运动；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，将控制旋转电机II48旋转齿轮53，从而实现旋转动作；

当导丝推送模块运动到行程极限时，导丝电动夹具42将松开导丝47，由导丝固定电动夹具II45夹紧导丝47，避免导丝发生位移，然后导丝推送模块向后撤，再进行新一轮推送；

VIII、导管单独介入过程：

导管36的单独介入动作由导管前端模块和导管末端模块共同完成，二者需要进行同步运动；导管单独介入过程中，导丝电动夹具42需要夹紧导丝47，避免导丝47发生位移；导管电动夹具I30夹紧导管36，手动夹具39夹紧导管36的末端；导管前端模块和导丝末端模块在从控制器的控制下，进行同步运动，从而实现导管36的轴向推送过程；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，控制旋转电机I59旋转同步轮I92和同步轮II93，通过同步带29实现导管的旋转动作；

当导管前端模块运动到行程极限时，导管电动夹具I30将松开导管36，手动夹具39在这个过程中始终保持夹紧导管末端状态，然后导管前端模块向后撤，导管末端模块保持不变，再进行新一轮推送；

IX、导管和导丝的同步介入过程：

导管36和导丝47的同步介入动作需要导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块同步运动来完成，此时导管电动夹具I30处于夹紧导管36状态，手动夹具39夹紧导管36的末端，导丝电动夹具42夹紧导丝47，导丝固定电动夹具II45处于送开导丝47的状态。

(4)从操作器的受力检测：

从操作器的受力检测包括对导管的受力检测和导丝的受力检测：

I、导管的受力检测过程：

导管36的受力检测由载荷传感器34实现；导管受力检测单元由环形盘32、环形套33、载荷传感器34构成；所述载荷传感器34安装在载荷传感器支架35上，其输出端与从控制器相连；所述环形套33安装在载荷传感器34上，与环形盘32接触连接，当导管36在介入手术过程中受到阻力时，该力将传导到导管电动夹具I30，再传导至环形盘32，再传至环形套33，最终载荷传感器34可以测得阻力信号；

II、导丝的受力检测过程：

导丝47的受力检测由触力传感器43实现，触力传感器固定在触力传感器安装板96上；所述导丝电动夹具42靠直线轴承I40和II94支撑，其可以进行轴向和径向运动，其无限靠近与触力传感器43，当导丝47在介入过程中受到阻力时，导丝电动夹具42可将这个力传给触力传感器43，触力传感器43便可以测量并且输出力信号；

所述触力传感器43重复性为0.2％，其灵敏度为7.2mV/V/N，固定安装在触力传感器安装板96上，如图19所示；当导丝电动夹具42进行轴向和径向运动时可与触力传感器43无限接近，当导丝47在介入手术过程中受到阻力时，导丝电动夹具42可将这个力传给触力传感器43，触力传感器43便可以测量并且输出力信号；所述触力传感器43输出端连接从控制器；进而从控制器和主控制器均能得到导丝的受力信息；

(5)操作信息的采集过程：

从操作器的运动信息可以由运动信息采集单元采集并传输给主端子系统的主控制器，其中，导管36的轴向位移由空心轴光电编码器III83采集，导丝47的轴向位移由空心轴光电编码器IV90采集，导丝47的径向旋转位移由空心轴光电编码器V44采集；

(6)主操作器的力反馈过程：

从端传递回来的手术导管36的受力信息和导丝47的受力信息经过常规放大器模块和电压转换电流模块后，传递到主操作器。主操作器的导管操作装置和导丝操作装置分别通过力反馈阻尼单元I、II将导管和导丝的受力真实地反馈给医生。力反馈阻尼器单元I由磁棒I15、磁棒支撑座I16、线圈I17和线圈安装架I18构成；其中，所述磁棒I15穿过线圈安装架I18，末端有外螺纹与模拟导管末端22-1依靠螺纹相连接，磁棒支撑单元I19支撑磁棒I15，使磁棒I15保持一定高度；所述磁棒支撑座I16安装在主端底座1上；所述线圈I17为空心感应线圈，安装在线圈安装架I18上。力反馈阻尼器单元II由磁棒II6、磁棒支撑座II7、线圈II8和线圈安装架II9构成；其中，所述磁棒II6穿过线圈安装架II9，磁棒支撑单元II10支撑磁棒II6，使磁棒II6保持一定高度；所述磁棒支撑座II7安装在主端底座1上；所述线圈II8为空心感应线圈，安装在线圈安装架II9上。通过主控制器输出的电流，使线圈I17和II8通电，根据电磁感应定律，使其与磁棒之间产生阻力，阻力的大小根据电流的变化而变化，医生操作时便可以感受到真实的力反馈，可以增加医生在手术过程中的临场感，提高手术的安全性。

所述模拟导管22直径为4mm，模拟导丝13直径为3mm。

所述直线导轨I23行程和直线位移传感器I2以及所述力反馈阻尼单元I的量程对应相等，为200mm。

所述直线导轨II14的行程和直线位移传感器II24以及所述力反馈阻尼单元II的量程对应相等，为200mm。

所述线圈I17、线圈II8均为空心感应线圈，其内径20mm，外径24mm，厚度10mm，匝数480圈。

所述磁棒I15、磁棒II6均为导磁性能良好的磁棒，其长度为200mm，直径为16mm。

所述载荷传感器34重复性为0.01％RO，触力传感器43重复性为0.2％，其灵敏度为7.2mV/V/N。

所述从端底座71长度为1120mm，宽度为128mm，总厚度为25mm。

所述从端直线导轨I62、从端直线导轨II74、斜齿条60长度均为1000mm。

下面对导管、导丝协同操作实现装置的工作方法进一步描述。

本实施例的工作过程，其特征在于其包括以下步骤：

1、主操作器检测医生的操作信息：

在微创血管介入手术过程中，医生需要向病人体内介入导管36和导丝47；医生根据主端子系统的PC显示屏提供的视觉反馈和主操作器提供给双手的力反馈来直接操作安装在主操作器上的模拟导管22和模拟导丝13；

医生操作模拟导管22和模拟导丝13进行手术，操作二者原理相同，所述模拟导管22、编码器支撑座I20、空心轴光电编码器I21三者固定在一起，编码器支撑座I20固定在主端滑块I23-1上，当医生移动模拟导管22时，将带动主端滑块I23-1在主端直线导轨I23上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导管22；所述模拟导丝13、编码器支撑座II12、空心轴光电编码器II11三者固定在一起，编码器支撑座II12固定在主端滑块II14-1上，当医生移动模拟导丝13时，将带动主端滑块II14-1在主端直线导轨II14上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导丝13。

I、对于轴向运动信息的采集：

所述编码器支撑座I20和移动磁块I4用连接架I3连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导管22时，移动磁块I4同步运动，直线位移传感器I2将检测移动磁块I4的位移信息，从而得到模拟导管22的轴向位移量。所述编码器支撑座II12和移动磁块II25依连接架II26连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导丝13时，移动磁块II25同步运动，直线位移传感器II24将检测移动磁块II25的位移信息，从而得到模拟导丝13的轴向位移量。

II、对于旋转距离信息的采集：

所述模拟导管22和空心轴光电编码器I21的内环固定在一起，当医生旋转模拟导管22时，空心轴光电编码器I21可测得其旋转距离。所述模拟导丝13和空心轴光电编码器II11的内环固定在一起，当医生旋转模拟导丝13时，空心轴光电编码器II11可测得其旋转距离。

2、导管及导丝的轴向运动信息和旋转距离信息的传递：

考虑到耐用性，模拟导管22和模拟导丝13设计比真实导管和导丝略粗，二者均使用树脂材料3D打印而成，模拟导管22直径为4mm，模拟导丝13直径为3mm。

主操作器将检测到的模拟导管22及模拟导丝13的轴向位移信息和旋转距离信息传输到主控制器，主控制器为STM32F103ZE控制器，随后主控制器通过CAN总线通信方式将数据传递给从控制器；

3、从操作器执行介入过程：

从操作器可以被看作由四个模块构成，模拟传统手术中医生们的两双手，其中3个模块为可运动模块，分别为导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块，分别能实现加紧或者松开导管前半部分、导管末端和导丝，还有1个为固定模块，为导丝末端模块，用于夹紧或者松开导丝；所述导管前端模块包括支撑台IV61和支撑台I64上的所有零件；所述导管末端模块包括支撑台II58和VI57上的所有零件；所述导丝推送模块包括支撑台III55和支撑台V51上的所有零件；所述导丝末端模块包括末端支架46和导丝固定电动夹具II45。

I、导丝单独介入过程：

导丝47的单独介入动作由导丝推送模块完成，此时导管电动夹具I30和手动夹具39用于夹紧导管36，避免在导丝推送过程中，导管发生位移，同时，导丝固定电动夹具II45处于松开导丝状态；

导丝47的轴向推送动作由高精度步进电机III76转动斜齿轮III78在斜齿条60上做轴向运动完成，整个导管前端模块将夹紧导丝，在斜齿条60上做直线运动；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，将控制旋转电机II48旋转齿轮53，从而实现旋转动作；

当导丝推送模块运动到行程极限时，导丝电动夹具42将松开导丝47，由导丝固定电动夹具II45夹紧导丝47，避免导丝发生位移，然后导丝推送模块向后撤，再进行新一轮推送；

II、导管单独介入过程：

导管36的单独介入动作由导管前端模块和导管末端模块共同完成，二者需要进行同步运动；导管单独介入过程中，导丝电动夹具42需要夹紧导丝47，避免导丝47发生位移；导管电动夹具I30夹紧导管36，手动夹具39夹紧导管36的末端；导管前端模块和导丝末端模块在从控制器的控制下，进行同步运动，从而实现导管36的轴向推送过程；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，控制旋转电机I59旋转同步轮I92和同步轮II93，通过同步带29实现导管的旋转动作；

当导管前端模块运动到行程极限时，导管电动夹具I30将松开导管36，手动夹具39在这个过程中始终保持夹紧导管末端状态，然后导管前端模块向后撤，导管末端模块保持不变，再进行新一轮推送；

III、导管和导丝的同步介入过程：

导管36和导丝47的同步介入动作需要导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块同步运动来完成，此时导管电动夹具I30处于夹紧导管36状态，手动夹具39夹紧导管36的末端，导丝电动夹具42夹紧导丝47，导丝固定电动夹具II45处于送开导丝47的状态。

4、从操作器的受力检测：

从操作器的受力检测包括对导管的受力检测和导丝的受力检测：

I、导管的受力检测过程：

导管36的受力检测由载荷传感器34实现；导管受力检测单元由环形盘32、环形套33、载荷传感器34构成；所述载荷传感器34安装在载荷传感器支架35上，其输出端与从控制器相连；所述环形套33安装在载荷传感器34上，与环形盘32接触连接，当导管36在介入手术过程中受到阻力时，该力将传导到导管电动夹具I30，再传导至环形盘32，再传至环形套33，最终载荷传感器34可以测得阻力信号；

II、导丝的受力检测过程：

导丝47的受力检测由触力传感器43实现，触力传感器固定在触力传感器安装板96上；所述导丝电动夹具42靠直线轴承I40和II94支撑，其可以进行轴向和径向运动，其无限靠近与触力传感器43，当导丝47在介入过程中受到阻力时，导丝电动夹具42可将这个力传给触力传感器43，触力传感器43便可以测量并且输出力信号；

所述触力传感器43重复性为0.2％，其灵敏度为7.2mV/V/N，固定安装在触力传感器安装板96上，如图19所示；当导丝电动夹具42进行轴向和径向运动时可与触力传感器43无限接近，当导丝47在介入手术过程中受到阻力时，导丝电动夹具42可将这个力传给触力传感器43，触力传感器43便可以测量并且输出力信号；所述触力传感器43输出端连接从控制器；进而从控制器和主控制器均能得到导丝的受力信息；

5、操作信息的采集过程：

从操作器的运动信息可以由运动信息采集单元采集并传输给主端子系统的主控制器，其中，导管36的轴向位移由空心轴光电编码器III83采集，导丝47的轴向位移由空心轴光电编码器IV90采集，导丝47的径向旋转位移由空心轴光电编码器V44采集；

6、主操作器的力反馈过程：

从端传递回来的手术导管36的受力信息和导丝47的受力信息经过常规放大器模块和电压转换电流模块后，传递到主操作器。主操作器的导管操作装置和导丝操作装置分别通过力反馈阻尼单元I、II将导管和导丝的受力真实地反馈给医生。力反馈阻尼器单元I由磁棒I15、磁棒支撑座I16、线圈I17和线圈安装架I18构成；其中，所述磁棒I15穿过线圈安装架I18，末端有外螺纹与模拟导管末端22-1依靠螺纹相连接，磁棒支撑单元I19支撑磁棒I15，使磁棒I15保持一定高度；所述磁棒支撑座I16安装在主端底座1上；所述线圈I17为空心感应线圈，安装在线圈安装架I18上。力反馈阻尼器单元II由磁棒II6、磁棒支撑座II7、线圈II8和线圈安装架II9构成；其中，所述磁棒II6穿过线圈安装架II9，磁棒支撑单元II10支撑磁棒II6，使磁棒II6保持一定高度；所述磁棒支撑座II7安装在主端底座1上；所述线圈II8为空心感应线圈，安装在线圈安装架II9上。通过主控制器输出的电流，使线圈I17和II8通电，根据电磁感应定律，使其与磁棒之间产生阻力，阻力的大小根据电流的变化而变化，医生操作时便可以感受到真实的力反馈，可以增加医生在手术过程中的临场感，提高手术的安全性。

Claims (10)

1.一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于它包括主端子系统和从端子系统，能同时控制导管和导丝进行协同操作；其中，所述主端子系统是由主操作器、主控制器和PC显示屏构成；所述主操作器是由导管操作装置和导丝操作装置构成，用于实现对导管和导丝的操作；所述导管操作装置和导丝操作装置分别由医生的左右手控制操作，其输入端接收医生双手的操作信号和主控制器的控制信号，其输出端连接主控制器，将操作信息发送给主控制器；所述主控制器与主操作器之间呈双向数据连接，用于实现主控制器对导管和导丝的操作控制，并将力反馈控制信息实时传递给医生；所述PC显示屏用于显示血管介入手术中的病灶信息和机器人的手术状态；

所述从端子系统是由IP摄像头、从操作器、从控制器、导管和导丝构成；所述从控制器与主控制器之间呈双向数据连接；所述从操作器用于控制导管和导丝的运动；所述从操作器与从控制器之间呈双向数据连接，所述主控制器能够通过从控制器接收从操作器反馈回来的导管和导丝的受力信息；所述从控制器能够通过主控制器接收主操作器的操作信息；所述IP摄像头用于采集现场从操作器的实时动作图像信息，其输出端与主端子系统的PC显示屏，所述PC显示屏用于呈现IP摄像头所采集的图像信息，对手术医生提供实时的视觉反馈信号。

2.根据权利要求1所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述主控制器和从控制器都是采用STM32F103ZE控制器，该控制器有144个引脚；所述IP摄像头与PC显示屏之间通过Internet连接，所述主控制器和从控制器之间通过CAN总线进行通信连接。

3.根据权利要求1所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述主操作器包括导管操作装置和导丝操作装置，所述导管操作装置和导丝操作装置采用相同的结构；所述导管操作装置和导丝操作装置前后水平摆放在主端底座上，其中，所述导管操作装置放在前半部分，所述导丝操作装置放在后半部分，这样摆放的目的是符合医生的操作习惯，医生能够双手同时操作设备；

所述导管操作装置是由力反馈阻尼器单元I、操作信息采集单元I、模拟导管和主端直线导轨I构成；所述力反馈阻尼器单元I由磁棒I、磁棒支撑单元I、线圈I和线圈安装架I构成；其中，所述力反馈阻尼器单元I安装在磁棒支撑座I上，其输入端为通过线圈I与主控制器连接，输入信号为从控制器反馈回来的导管受力信号，根据电磁感应原理，线圈I和磁棒I之间产生阻力，医生操作模拟导管时可以感受到这个力；所述模拟导管的末端和力反馈阻尼器单元I中的磁棒I通过螺纹相连接，二者同步运动；

所述磁棒支撑座I安装在主端底座上；所述操作信息采集单元I用于采集模拟导管的旋转距离信息和轴向位移信息，其输出端与主控制器连接；所述主端直线导轨I长度为200mm，安装在主端底座上；所述主端直线导轨I上有主端滑块I；所述磁棒支撑单元I安装在主端底座上，用于支撑磁棒I，使磁棒I与模拟导管以及线圈I保持同轴心；所述线圈安装架I安装在磁棒支撑座上；所述磁棒I穿过线圈安装架I；所述线圈I安装在线圈安装架I上，由主控制器输出的电流使线圈I通电，从而产生力反馈；

所述磁棒支撑单元I，是由磁棒支架I19-1，尼龙轴承I、滑轮I和尼龙轴承II构成，其中，所述磁棒支架I和滑轮I由树脂材料3D打印而成，不会受磁棒I的磁性影响；所述滑轮I用于支撑磁棒I，使磁棒I保持在一定高度并且保持磁棒I的能动性，因为使用树脂材料较为光滑，不会产生过大的摩擦力；所述尼龙轴承I和尼龙轴承II使用尼龙材料制作而成，不具有导磁性，不会受磁棒I的磁性影响；所述尼龙轴承I和尼龙轴承II分别安装在磁棒支架I两侧的圆形卡槽内；所述滑轮I安装在尼龙轴承I和II之间；

所述操作信息采集单元I，是由传感器支脚I、直线位移传感器I、连接架I、移动磁块I、编码器支撑座I和空心轴光电编码器I构成；其中，所述直线位移传感器I通过传感器支脚I安装在主端底座1上，其输出端与主控制器连接，用于测量医生操作模拟导管时的轴向位移信息；所述连接架I用于连接移动磁块I和编码器支撑座I，使二者保持同步运动；所述移动磁块I为无源移动磁块，安装在连接架I上，既可以悬浮移动，也可以沿导轨移动；所述直线位移传感器I通过检测移动磁块I的运动来测量模拟导管的位移；所述编码器支撑座I安装在主端滑块I上，使其可以轴向移动；所述空心轴光电编码器I安装在编码器支撑座I上，模拟导管穿过其中，用于测量医生操作时模拟导管的旋转距离信息，其输出端与主控制器相连接。

4.根据权利要求3所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述导丝操作装置，其由力反馈阻尼器单元II、操作信息采集单元II、模拟导丝和主端直线导轨II构成；所述力反馈阻尼器单元II由磁棒II、磁棒支撑单元II、线圈II和线圈安装架II构成；其中，所述力反馈阻尼器单元II安装在磁棒支撑座II上，其输入端为通过线圈II与主控制器连接，输入信号为从控制器反馈回来的导丝受力信号，根据电磁感应原理，线圈II和磁棒II之间产生阻力，医生操作模拟导丝时可以感受到这个力，所述模拟导丝和力反馈阻尼器单元II中的磁棒II通过螺纹相连接，二者同步运动；所述磁棒支撑座II安装在主端底座上；所述操作信息采集单元II用于采集模拟导丝的旋转距离信息和轴向位移信息，其输出端与主控制器连接；所述模拟导丝穿过空心轴光电编码器II；所述主端直线导轨II长度为200mm安装在主端底座上；所述空心轴光电编码器II安装在编码器支撑座II上；所述主端直线导轨II上有主端滑块II，所述编码器支撑座II安装在主端滑块II上，使其可以轴向移动；所述磁棒支撑单元II安装在主端底座上，用于支撑磁棒II，使磁棒II与模拟导丝以及线圈II保持同轴心；所述线圈安装架II安装在磁棒支撑座II上；所述磁棒II穿过线圈安装架II；所述线圈II安装在线圈安装架II上，由主控制器输出的电流使线圈II通电，从而产生力反馈；

所述磁棒支撑单元II，是由支架II，尼龙轴承II、滑轮II和尼龙轴承II构成，其中，所述支架II和滑轮II由树脂材料3D打印而成，不会受磁棒II的磁性影响；所述滑轮II用于支撑磁棒II，使磁棒II保持在一定高度，而且因为使用树脂材料较为光滑，不会产生过大的摩擦力；所述尼龙轴承II和尼龙轴承II使用尼龙材料制作而成，不具有导磁性，不会受磁棒II的磁性影响；所述尼龙轴承II和尼龙轴承II分别安装在支架II两侧的圆形卡槽内；所述滑轮II安装在尼龙轴承II和II之间；

所述操作信息采集单元II由传感器支脚II、直线位移传感器II、连接架II、移动磁块II、编码器支撑座II和空心轴光电编码器II构成；其中，所述直线位移传感器II通过传感器支脚II安装在主端底座上，其输出端与主控制器连接，用于测量医生操作模拟导丝时的轴向运动位移信息；所述连接架II用于连接移动磁块II和编码器支撑座II，使二者保持同步运动；所述移动磁块II为无源移动磁块，安装在连接架II上，既可以悬浮移动，也可以沿导轨移动；所述直线位移传感器II通过检测移动磁块II的运动来测量模拟导丝的位移；所述编码器支撑座II安装在主端滑块II上；所述空心轴光电编码器II安装在编码器支撑座II上，模拟导丝穿过其中，用于测量医生操作时模拟导丝的旋转距离信息，其输出端与主控制器相连接。

5.根据权利要求4所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述线圈I为空心感应线圈，其内径20mm，外径24mm，厚度10mm，匝数480圈，其安装在线圈安装架I上，其输入端连接主控制器；

所述线圈安装架I和模拟导管均是使用树脂材料3D打印而成；所述模拟导管直径为4mm；

所述磁棒I为导磁性能良好的磁棒，其长度为200mm，磁棒I直径为16mm；

所述直线导轨I行程和直线位移传感器I以及所述力反馈阻尼单元I的量程对应相等，为200mm；

所述线圈II为空心感应线圈，其内径20mm，外径24mm，厚度10mm，匝数480圈，其安装在线圈安装架II上，其输入端连接主控制器；

所述线圈安装架II和模拟导丝均是使用树脂材料3D打印而成；所述模拟导丝直径径为3mm；

所述磁棒II为导磁性能良好的磁棒，其长度为200mm，磁棒II直径为16mm；

所述直线导轨II的行程和直线位移传感器II以及所述力反馈阻尼单元II的量程对应相等，为200mm。

6.根据权利要求1所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述从操作器包括轴向推送单元、旋转单元、夹取单元、受力检测单元和运行信息采集单元；其中，所述轴向推送单元安装在从端底座上，其输出带动旋转单元、夹取单元、受力检测单元和运动信息采集单元在轴向上运动；所述旋转单元由导管旋转单元和导丝旋转单元构成，分别安装在承重板I和承重板II上；所述夹取单元是由导管夹取单元和导丝夹取单元构成，分别用于夹紧或松开导管和导丝；所述受力检测单元用于检测介入手术过程中的导管和导丝的受力信息；所述运动信息采集单元用于采集导管和导丝的轴向位移信息以及旋转距离信息。

7.根据权利要求6所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述轴向推送单元，由从端底座、驱动单元、从端直线导轨I、从端直线导轨II、支撑台单元、接近开关I、接近开关II和齿轮齿条单元构成；

所述从端底座，其长度为1120mm，宽度为128mm，总厚度为25mm；所述从端底座为尼龙板，其中间凸起部分为齿条支架，齿条支架厚度为13mm；

所述驱动单元由高精度步进电机I、高精度步进电机II、高精度步进电机III、连接轴I、连接轴II和连接轴III构成；所述支撑台单元是由支撑台I、支撑台II、支撑台III、支撑台IV、支撑台V、支撑台VI及深沟球轴承I、深沟球轴承II及深沟球轴承III构成；所述高精度步进电机I、高精度步进电机II及高精度步进电机III分别固定在支撑台I、支撑台II和支撑台III上，并电机轴分别与连接轴I、连接轴II和连接轴III连接；所述连接轴I、连接轴II和连接轴III分别穿过深沟球轴承I、深沟球轴承II及深沟球轴承III，所述高精度步进电机I、高精度步进电机II及高精度步进电机III的输入端分别与从控制器连接，其输出端与齿轮齿条单元连接，从而带动支撑台单元做轴向运动；所述平键嵌入在连接轴I的凹槽内，作用是径向固定；所述深沟球轴承I、深沟球轴承II88及深沟球轴承III分别嵌入在支撑台IV、支撑台VI及支撑台V内；

所述从端直线导轨I长度为1000mm，其上安装有从端滑块I、从端滑块II及从端滑块III；所述从端滑块I用于固定支撑台IV，从端滑块II用于固定支撑台VI，所述从端滑块III用于固定支撑台V；

所述从端直线导轨II长度为1000mm，其上安装有从端滑块IV、从端滑块V及从端滑块VI；所述从端滑块IV用于固定支撑台I，从端滑块V用于固定支撑台II，从端滑块VI固定有支撑台III；

所述支撑台I和支撑台IV通过连接轴I相连接；所述支撑台II和支撑台VI通过连接轴II连接在一起；所述支撑台III和支撑台V通过连接轴III连接在一起；所述连接轴I、连接轴II、连接轴III的一端分别与三个高精度步进电机的连接轴I、连接轴II和连接轴III通过平头螺丝固定连接，另一端则分别穿过嵌入在支撑台内的深沟球轴承，当驱动时，所述支撑台I和支撑台IV同步运动，所述支撑台III和支撑台V同步运动，所述支撑台II和支撑台VI同步运动；

所述齿轮齿条单元由斜齿条、斜齿轮I、斜齿轮II及斜齿轮III构成；所述斜齿条、斜齿轮I、斜齿轮II及斜齿轮III均为国标7级的高精度部件，其中，所述斜齿条长度为1000mm，固定安装在齿条支架上；所述斜齿轮I、斜齿轮II及斜齿轮III分别与三个高精度步进电机的连接轴I、连接轴II和连接轴III的中部固定，分别由三个高精度步进电机通过连接轴驱动其转动；

所述连接轴I、连接轴II和连接轴III上各嵌入一个平键，用于保持斜齿轮与连接轴的径向固定；所述接近开关I、接近开关II的输出端连接从控制器，其输入端分别置于支撑台I和支撑台III的一侧，用于保证当支撑台I和支撑台III分别靠近接近开关I及接近开关II且距离小于等于4mm时，接近开关I及接近开关II将发出信号，驱动单元停止驱动。

8.根据权利要求6所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述夹取单元，其是由4个夹具构成，分别为导管电动夹具I、手动夹具、导丝电动夹具和导丝固定电动夹具II；

所述旋转单元是由导管旋转单元和导丝旋转单元构成；所述导管旋转单元包括导管主动旋转单元和导管被动旋转单元；其中，所述导管主动旋转单元由旋转电机I、旋转电机安装支架I、联轴器I、联轴器II、同步轮I、同步轮II和同步带构成；所述旋转电机I为高精度步进电机，安装在旋转电机安装支架I上，其输入端连接从控制器，输出端通过联轴器I及联轴器II与同步轮II连接；所述旋转电机安装支架I固定在安装承重板I上；所述同步轮I和同步轮II之间通过同步带连接，二者固定在同步轮支架和导管电动夹具I之间，在旋转电机I的驱动下进行同步旋转；所述导管电动夹具I用于加紧和松开导管，与同步轮I和同步轮II固定安装在一起，当同步轮I旋转时会带动导管电动夹具I旋转，从而带动导管旋转；

所述导丝电动夹具用于加紧或松开导丝，其前端有齿轮结构，所述导丝穿过导丝电动夹具，当导丝被夹紧时将在齿轮的转动下一起旋转；

所述导管被动旋转单元由轴承和手动夹具组成；其中，所述手动夹具支架上有凹槽，轴承固定在手动夹具支架的凹槽中；所述手动夹具支架固定在承重板III上，用于使导管末端和导管前端保持在同一水平面上；所述手动夹具上有两个手拧螺丝，用于固定导管末端；所述手动夹具与轴承的内圈固定在一起，当导管的前端旋转时，导管末端将跟随一起旋转；

所述导丝旋转单元由旋转电机II、旋转电机安装支架II、齿轮、直线轴承I和直线轴承II构成；其中，所述直线轴承I和直线轴承II分别安装在直线轴承支架I和直线轴承支架II的圆形通孔中；所述旋转电机II为带有编码器和减速箱的直流无刷电机，固定安装在旋转电机安装支架II上，其输入端于从控制器连接，输出端与齿轮相连，从而驱动齿轮旋转；所述直线轴承I及直线轴承II用于支撑导丝电动夹具，并使导丝电动夹具能做轴向和径向运动；所述旋转电机安装板II固定在旋转电机支撑板上；

所述导管电动夹具I由微型步进电机I、安装板I、夹子I、弹簧安装板I、夹子固定板I和转子I构成，所述导管电动夹具I与同步轮I和同步轮II固定安装在一起，其后端通过中空连接管连接一个环形盘所述环形盘作用是将导管受力传递给载荷传感器；所述弹簧安装板I内固定有弹簧；当所述转子I处于垂直状态下时，所述夹子I在弹簧作用下夹紧导管，当微型步进电机I驱动转子I旋转90°至水平状态时，夹子I松开导管；所述手动夹具固定导管末端，使导管末端和导管前端保持在同一水平线上，在导丝介入时，可以保持导管末端的稳定，有助于导管和导丝的介入；

所述导丝电动夹具由外壳、外壳盖、空心轴微型步进电机、推块、弹簧I、弹簧II、夹具块I和夹具块II构成；所述导丝电动夹具靠直线轴承I和直线轴承II支撑，用于实现导丝电动夹具的轴向和径向运动；所述导丝从导丝电动夹具中间穿过，依次穿过导丝电动夹具的前端、空心轴微型步进电机、推块、夹具块I、夹具块II和导丝电动夹具的末端；所述夹具块I和夹具块II分别放置在外壳盖的上下两个框内，使其只能做松开或者夹紧动作；所述弹簧I和弹簧II安装于夹具块I和夹具块II之间；所述空心轴微型步进电机的轴上有外螺纹，所述推块上嵌入一个六角螺母，与空心轴微型步进电机的轴上有外螺纹连接，用于在空心轴微型步进电机旋转时，推块在螺母的带动下进行轴向运动，当推块向前运动时，夹具块I和夹具块II被挤压，导丝穿过其中，从而使夹具块I和夹具块II夹紧导丝，而当推块向后运动时，夹具块I和夹具块II分别在弹簧I、弹簧II的作用下相互远离，从而使夹具块I和夹具块II松开导丝；

所述导丝固定电动夹具II由微型步进电机II、安装板II、夹子II、弹簧安装板II、固定板II和转子II构成；当所述转子II处于垂直状态下时，所述夹子II在弹簧作用下夹紧导丝，当微型步进电机II驱动转子II旋转90°至水平状态时，夹子II松开导丝；所述导丝固定夹具II通过圆盘嵌入在末端支架圆孔中。

9.根据权利要求6所述一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统，其特征在于所述受力检测单元，由导管受力检测单元和导丝受力检测单元组成，其中，所述导管受力检测单元，由环形盘、环形套、载荷传感器构成；所述载荷传感器安装在载荷传感器支架上，其重复性为0.01%RO，其输出端与从控制器相连；所述环形盘安装在载荷传感器支架和导管电动夹具I之间，其左末端和导管电动夹具I固定；所述环形套安装在载荷传感器上，与环形盘接触连接，当导管在介入手术过程中受到阻力时，该力将传导到导管电动夹具I，再传导至环形盘，再传至环形套，最终载荷传感器可以测得阻力信号；所述导丝受力检测单元，包括触力传感器；所述触力传感器重复性为0.2%，其灵敏度为7.2mV/V/N，固定安装在触力传感器安装板上，导丝电动夹具与触力传感器无限接近，当导丝在介入手术过程中受到阻力时，导丝电动夹具可将这个力传给触力传感器；所述触力传感器输出端连接从控制器；

所述运动信息采集单元，其用于测量导管的轴向位移、导丝的轴向位移和导丝的旋转距离，其由空心轴光电编码器III、空心轴光电编码器IV、空心轴光电编码器V、编码器支架I、编码器支架II和树脂连接件构成；

所述空心轴光电编码器III用于测量导管的轴向位移距离，所述空心轴光电编码器III固定连接在支撑台IV内；所述连接轴I穿过深沟球轴承I，其一端固定于高精度步进电机I的电机轴，一端固定于空心轴光电编码器III的空心轴内；所述空心轴光电编码器IV用于测量导丝的轴向位移距离，所述空心轴光电编码器IV固定连接在支撑台V内，与连接轴III连接；所述连接轴III过深沟球轴承III，其一端固定于高精度步进电机III的电机轴，一端固定于空心轴光电编码器IV的空心轴；所述空心轴光电编码器V用于测量导丝的旋转距离，固定安装在编码器支架I和编码器支架II上；所述树脂连接件固定在空心轴光电编码器V的空心轴中，由于导丝电动夹具需要保持能够轴向运动的特性，所以空心轴光电编码器V不能直接与导丝电动夹具末端固定，需要依靠树脂连接件连接来保持径向同步，导丝可从其中穿过。

10.一种血管介入手术机器人导管导丝协同控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）主操作器检测医生的操作信息：

在微创血管介入手术过程中，医生需要向病人体内介入导管和导丝；医生根据主端子系统的PC显示屏提供的视觉反馈和主操作器提供给双手的力反馈来直接操作安装在主操作器上的模拟导管和模拟导丝；

医生操作模拟导管和模拟导丝进行手术，操作二者原理相同，所述模拟导管、编码器支撑座I、空心轴光电编码器I三者固定在一起，编码器支撑座I固定在主端滑块I上，当医生移动模拟导管时，将带动主端滑块I在主端直线导轨I上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导管；所述模拟导丝、编码器支撑座II、空心轴光电编码器II三者固定在一起，编码器支撑座II固定在主端滑块II上，当医生移动模拟导丝时，将带动主端滑块II在主端直线导轨II上做轴向运动，需要进行旋转动作时，医生可直接旋转模拟导丝；

I、对于轴向运动信息的采集：

所述编码器支撑座I和移动磁块I用连接架I连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导管时，移动磁块I同步运动，直线位移传感器I将检测移动磁块I的位移信息，从而得到模拟导管的轴向位移量；所述编码器支撑座II和移动磁块II依连接架II连接在一起，二者同步运动；当医生移动模拟导丝时，移动磁块II同步运动，直线位移传感器II将检测移动磁块II的位移信息，从而得到模拟导丝的轴向位移量；

II、对于旋转距离信息的采集：

所述模拟导管空心轴光电编码器I的内环固定在一起，当医生旋转模拟导管时，空心轴光电编码器I可测得其旋转距离；所述模拟导丝和空心轴光电编码器II的内环固定在一起，当医生旋转模拟导丝时，空心轴光电编码器II可测得其旋转距离；

（2）导管及导丝的轴向运动信息和旋转距离信息的传递：

考虑到耐用性，模拟导管和模拟导丝设计比真实导管和导丝略粗，二者均使用树脂材料3D打印而成，模拟导管直径为4mm，模拟导丝直径为3mm；

主操作器将检测到的模拟导管及模拟导丝的轴向位移信息和旋转距离信息传输到主控制器，主控制器为STM32F103ZE控制器，随后主控制器通过CAN总线通信方式将数据传递给从控制器；

（3）从操作器执行介入过程：

从操作器可以被看作由四个模块构成，模拟传统手术中医生们的两双手，其中3个模块为可运动模块，分别为导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块，分别能实现加紧或者松开导管前半部分、导管末端和导丝，还有1个为固定模块，为导丝末端模块，用于夹紧或者松开导丝；所述导管前端模块包括支撑台IV和支撑台I上的所有零件；所述导管末端模块包括支撑台II和VI上的所有零件；所述导丝推送模块包括支撑台III和支撑台V上的所有零件；所述导丝末端模块包括末端支架和导丝固定电动夹具II；

导丝单独介入过程：

导丝的单独介入动作由导丝推送模块完成，此时导管电动夹具I和手动夹具用于夹紧导管，避免在导丝推送过程中，导管发生位移，同时，导丝固定电动夹具II处于松开导丝状态；

导丝的轴向推送动作由高精度步进电机III转动斜齿轮III在斜齿条上做轴向运动完成，整个导管前端模块将夹紧导丝，在斜齿条上做直线运动；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，将控制旋转电机II旋转齿轮，从而实现旋转动作；

当导丝推送模块运动到行程极限时，导丝电动夹具将松开导丝，由导丝固定电动夹具II夹紧导丝，避免导丝发生位移，然后导丝推送模块向后撤，再进行新一轮推送；

导管单独介入过程：

导管的单独介入动作由导管前端模块和导管末端模块共同完成，二者需要进行同步运动；导管单独介入过程中，导丝电动夹具需要夹紧导丝，避免导丝发生位移；导管电动夹具I夹紧导管，手动夹具夹紧导管的末端；导管前端模块和导丝末端模块在从控制器的控制下，进行同步运动，从而实现导管的轴向推送过程；

当从控制器接收到主端子系统发送的旋转动作信息时，控制旋转电机I旋转同步轮I和同步轮II，通过同步带实现导管的旋转动作；

当导管前端模块运动到行程极限时，导管电动夹具I将松开导管，手动夹具在这个过程中始终保持夹紧导管末端状态，然后导管前端模块向后撤，导管末端模块保持不变，再进行新一轮推送；

导管和导丝的同步介入过程：

导管和导丝的同步介入动作需要导管前端模块、导管末端模块和导丝推送模块同步运动来完成，此时导管电动夹具I处于夹紧导管状态，手动夹具夹紧导管的末端，导丝电动夹具夹紧导丝，导丝固定电动夹具II处于送开导丝的状态；

（4）从操作器的受力检测：

从操作器的受力检测包括对导管的受力检测和导丝的受力检测：

I、导管的受力检测过程：

导管的受力检测由载荷传感器实现；导管受力检测单元由环形盘、环形套、载荷传感器构成；所述载荷传感器安装在载荷传感器支架上，其输出端与从控制器相连；所述环形套安装在载荷传感器上，与环形盘接触连接，当导管在介入手术过程中受到阻力时，该力将传导到导管电动夹具I，再传导至环形盘，再传至环形套，最终载荷传感器可以测得阻力信号；

II、导丝的受力检测过程：

导丝的受力检测由触力传感器实现，触力传感器固定在触力传感器安装板上；所述导丝电动夹具靠直线轴承I和II支撑，其可以进行轴向和径向运动，其无限靠近与触力传感器，当导丝在介入过程中受到阻力时，导丝电动夹具可将这个力传给触力传感器，触力传感器便可以测量并且输出力信号；

所述触力传感器重复性为0.2%，其灵敏度为7.2mV/V/N，固定安装在触力传感器安装板上；当导丝电动夹具进行轴向和径向运动时可与触力传感器无限接近，当导丝在介入手术过程中受到阻力时，导丝电动夹具可将这个力传给触力传感器，触力传感器便可以测量并且输出力信号；所述触力传感器输出端连接从控制器；进而从控制器和主控制器均能得到导丝的受力信息；

（5）操作信息的采集过程：

从操作器的运动信息可以由运动信息采集单元采集并传输给主端子系统的主控制器，其中，导管的轴向位移由空心轴光电编码器III采集，导丝的轴向位移由空心轴光电编码器IV采集，导丝的径向旋转位移由空心轴光电编码器V采集；

（6）主操作器的力反馈过程：

从端传递回来的手术导管的受力信息和导丝的受力信息经过常规放大器模块和电压转换电流模块后，传递到主操作器；主操作器的导管操作装置和导丝操作装置分别通过力反馈阻尼单元I、II将导管和导丝的受力真实地反馈给医生；力反馈阻尼器单元I由磁棒I、磁棒支撑座I、线圈I和线圈安装架I构成；其中，所述磁棒I穿过线圈安装架I，其末端有外螺纹与模拟导管的末端依靠螺纹相连接，二者同步运动；力反馈阻尼器单元II由磁棒II、磁棒支撑座II、线圈II和线圈安装架II构成；其中，所述磁棒II穿过线圈安装架II，其末端有外螺纹与模拟导丝的末端依靠螺纹相连接，二者同步运动；

医生推动或者旋转模拟导管和模拟导丝时，会带动磁棒I和II做同步运动；通过主控制器输出的电流，使线圈I和II通电，根据电磁感应定律，使线圈I和II分别与磁棒I和II之间产生阻力，阻力的大小根据电流的变化而变化，从而使医生操作时便可以感受到真实的力反馈，可以增加医生在手术过程中的临场感，提高手术的安全性。