CN110169826B - 一种柔性减振手术机器人导丝递送装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性减振手术机器人导丝递送装置及方法，包括轴向进给机构、周向旋转机构、弹性调整机构、中间板、外壳，轴向进给机构安装在中间板上，弹性调整机构也安装在中间板上，弹性调整机构的滑块与中间板滑动连接，轴向进给机构的活动滚轮通过轴承安装在弹性调节机构的滑块上，周向旋转机构驱动中间板转动。本发明对实现轴向进给运动的零件进行了合理的布局减少了机构的复杂性同时也减轻了机构的重量；实现了过载保护的性能防止了运动过程中对血管壁造成伤害；增加了运动的平稳性同时也对零件起到了一定的保护作用；电动弹性调整机构实现了全自动的机械要求，减少了人为造成的误差使设备更加满足医疗设备的高精度要求。

Description

一种柔性减振手术机器人导丝递送装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，尤其涉及一种柔性减振手术机器人导丝递送装置及方法。

背景技术

当今社会介入手术机器人以其各种显著的优势备受现代人们的青睐，它给人们带来了更加友好的治疗方式，已成为了21世纪重要的一项研究。根据相关统计资料显示，我国血管介入治疗手术的手术量已经达到了几十万例，而且每年还以不同的速度在增长。在这种严峻的形式下，开发微创血管介入手术机器人是十分必要的。其中微创心血管介入手术机器人中送管机构是该系统中的一个重要的机构，因此对手术机器人递送机构的研究是具有一定的意义和价值。

授权公开号为CN102210610B的中国专利公开了一种“微创血管手术机器人推进机构”，该机构轴向进给运动利用导轨丝杠机构来实现，此机构在实现进给运动过程中缺乏过载保护的作用，运动过程中遇到血管壁容易给人体造成危害。授权公告号为CN101933837A的中国专利公开了一种“微创血管介入手术机器人送管机构”，利用齿轮组和滚轮组合实现轴向进给运动，同时也利用齿轮传动实现周向旋转运动。但轴向运动的实现运用了过多的齿轮结构，加大了结构的复杂性。周向旋转运动利用齿轮机构来实现缺乏一定的防护作用；调节机构采用人为调节必然存在一些人为造成的调节误差；而且此机构还缺乏一些柔性缓振元件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性减振手术机器人导丝递送装置及方法，对实现轴向进给运动的零件进行了合理的布局减少了机构的复杂性同时也减轻了机构的重量；实现了过载保护的性能防止了运动过程中对血管壁造成伤害；柔性减振材料和磁力传动联轴器的加入增加了运动的平稳性同时也对零件起到了一定的保护作用；电动弹性调整机构实现了全自动的机械要求，减少了人为造成的误差使设备更加满足医疗设备的高精度要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种柔性减振手术机器人导丝递送装置，包括轴向进给机构、周向旋转机构、弹性调整机构、中间板、外壳，所述轴向进给机构安装在中间板上，所述弹性调整机构也安装在中间板上，弹性调整机构的滑块与中间板滑动连接，所述轴向进给机构的活动滚轮通过轴承安装在弹性调节机构的滑块上，所述周向旋转机构驱动中间板转动。

所述轴向进给机构包括电机I、大齿轮、小齿轮I、小齿轮II、小齿轮III、小齿轮IV、活动滚轮I、固定滚轮I、活动滚轮II、固定滚轮II、扭矩传感器轴、传动轴I、传动轴II、传动轴III，所述电机I固定在中间板上，电机I的输出轴与大齿轮传动连接，大齿轮的两侧分别与小齿轮I、小齿轮III啮合，小齿轮I与小齿轮II啮合，小齿轮III与小齿轮IV啮合；所述扭矩传感器轴安装在中间板上，扭矩传感器轴的一端连接小齿轮I，另一端连接固定滚轮II；传动轴II通过滚动轴承安装在中间板上，一端连接小齿轮III，另一端固定连接固定滚轮I；传动轴I和传动轴III通过滚动轴承安装在弹性调整机构的滑块I和滑块II上，传动轴I的一端连接小齿轮II另一端连接活动滚轮II，传动轴III的一端连接小齿轮IV，另一端连接活动滚轮I。

所述活动滚轮I和活动滚轮II为凸轮，固定滚轮I和固定滚轮II为凹轮；或者活动滚轮I和活动滚轮II为凹轮，固定滚轮I和固定滚轮II为凸轮。

所述周向旋转机构包括柔性减振复合材料、L板支架、电机II、磁力传动联轴器I、动带轮、柔性皮带、定带轮、支座I、支座II、导电滑环、支撑轴I、支撑轴II，电机II固定在L板支架上，L板支架通过螺栓固定在中间板上，在L板支架与中间板之间设有柔性减振复合材料1，电机II通过磁力传动联轴器I与动带轮传动联接，定带轮固定在外壳的一个侧面上，动带轮与定带轮通过柔性皮带传动连接，所述支撑轴I固定在定带轮中，支撑轴I的另一端通过滚动轴承安装在支座I中，支撑轴I中设有轴向中心通孔；导电滑环通过螺钉固定在外壳的另一个侧面上，支撑轴II通过滚动轴承安装在支座II中，支撑轴II的另一端穿过导电滑环与外壳固定连接，支撑轴II中也设有轴向中心通孔。

所述弹性调整机构包括电机III、齿条I、磁力传动联轴器II、小齿轮V、滑块I、传动轴IV、小齿轮VI、齿条II、滑块II、弹簧，所述电机III固定在中间板上，传动轴IV通过磁力传动联轴器II与电机III传动连接，传动轴IV通过滚动轴承及轴承架安装在中间板上，传动轴IV的两端分别小齿轮VI和小齿轮V固定连接，齿条I和齿条II分别固定在滑块I块和滑块II上，小齿轮VI和小齿轮V分别与齿条II和齿条I啮合，滑块I块和滑块II分别与中间板滑动连接，弹簧的一端连接滑块I块或滑块II，弹簧的另一端连接中间板。

一种柔性减振手术机器人导丝递送装置的使用方法，包括：将导管从支撑轴I的中心通孔中穿进，并依次从固定滚轮I和活动滚轮I、固定滚轮II和活动滚轮II之间穿过，然后从支撑轴II的中心通孔中穿出，通过弹簧调整机构调整固定滚轮与活动滚轮之间的距离，使导管夹紧在固定滚轮I和活动滚轮I、固定滚轮II和活动滚轮II之间；

电机I驱动大齿轮转动，大齿轮转动时带动与其相啮合的小齿轮I和小齿轮III同步转动，与小齿轮I和小齿轮III相啮合的小齿轮II和小齿轮IV在其带动下转动，并通扭矩传感器轴、传动轴I、传动轴II和传动轴III将力传递到固定滚轮II、活动滚轮II、固定滚轮I和活动滚轮I，两对主从滚轮相反转动利用摩擦力带动导管实现轴向的进给运动；

力矩传感器轴用于检测力矩传感器轴输入端小齿轮I和输出端固定滚轮II两侧受力不同所产生的扭矩信号并进行反馈，当导管在送进过程中接触到血管内壁受阻时，夹持导管的固定滚轮II和活动滚轮II与导管之间的摩擦力会相应的增大，固定滚轮II端受到的反作用力变大，因此固定滚轮II端和小齿轮I端受力不同，力矩传感器轴产生扭矩信号，送管机构系统计算机在接收到信号后发出指令，停止导管的进给并通过周向旋转机构改变送管方向，避免了导管与血管内壁产生过大的力将血管内壁穿破，保证了血管介入手术的安全性；

使用不同直径导管时，调节弹簧调整机构，电机III通过磁力传动联轴器II带动传动轴IV转动，传动轴IV带动小齿轮V转动和小齿轮VI转动，小齿轮V转动和小齿轮VI同时带动齿条I和齿条II运动从而实现滑块I块和滑块II的上下移动，进而带动传动轴III和传动轴I的微小调整，实现固定滚轮与活动滚轮之间中心距的调整；

通过固定滚轮和活动滚轮对导管进行夹紧，电机II驱动动带轮转动，动带轮通过柔性传送带绕固定在外壳上的定带轮转动，由于动带轮间接的与中间板为一体结构，所以当动带轮转动时会带动中间板整体旋转从而改变导管前进的方向。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中加入了柔性减振复合材料具有较大的位移补偿能力和良好的柔性减振作用，抗冲击和抗疲劳性能突出，并且隔振降幅作用更明显，不仅使此机构的运动更加平稳而且对零件也起到了保护作用。

(2)本发明在调整机构方面由以往的手动调节改为了电动调节，由电机输出轴通过联轴器带动齿轮轴运动，齿轮再通过于固定在滑块上的齿条相啮合从而带动滑块的移动来实现调节的要求，同时在调整机构中还加入了传动轴以实现两个调整机构的同步性，此设计不仅实现了全自动的机械要求而且也减少了人为造成的误差使设备更加满足医疗设备的高精度要求。

(3)本发明对轴向进给零件结构进行了合理布局，减少的机构的复杂性同时也减轻了机构的重量。

(4)本发明利用力矩传感器轴检测过载力矩，并通过皮带传动机构实现周向旋转运动，起到了过载保护的性能有效地防止了运动过程中对血管壁造成伤害保证了手术的安全性。

(5)本发明中应用了磁力传动联轴器，此联轴器是由两个磁体构成的非接触式联轴器，其自身采用全新的磁力耦合原理不但具有弹性联轴器的缓冲吸振的功能外，还能实现主动轴与从动轴之间非接触便能进行力与力矩的传递，将动密封化为静密封，有效地防止了泄露问题给手术环境造成危害。

附图说明

图1是本发明手术机器人导丝递送机构的总体结构示意图。

图2是本发明的滚轮结构示意图。

图3是本发明的齿轮传动结构示意图。

图4是本发明的弹性调整机构部件图。

图5是本发明的滑块结构示意图。

图6是本发明的轴向进给机构的凹滚轮示意图。

图7是本发明的轴向进给机构的凸滚轮示意图。

图中：1-柔性减振复合材料、2-L支架板、3-电机II、4-磁力传动联轴器I、5-动带轮、6-柔性皮带、7-定带轮、8-支座I、9-支撑轴I、10-导管、11-支座II、12-导电滑环、13-支撑轴II、14-中间板、15-外壳、16-电机III、17-固定滚轮I、18-活动滚轮I、19-电机I、20-固定滚轮II、21-活动滚轮II、22-小齿轮I、23-扭矩传感器轴、24-小齿轮II、25-传动轴I、26-大齿轮、27-小齿轮IV、28-传动轴III、29-传动轴II、30-小齿轮III、31-齿条I、32-磁力传动联轴器II、33-小齿轮V、34-滑块I、35-传动轴IV、36-小齿轮VI、37-齿条II、38-滑块II、39-孔用挡圈、40-圆柱滚子轴承、41-弹簧、42-导轨。

具体实施方式

下面对本发明做详细说明，但本发明的实施范围不仅仅限于下述的实施方式。

如图1-图7所示，一种柔性减振手术机器人导丝递送装置，包括轴向进给机构、周向旋转机构、弹性调整机构、中间板14、外壳15，所述轴向进给机构安装在中间板14上，所述弹性调整机构也安装在中间板14上，弹性调整机构的滑块与中间板14滑动连接，所述轴向进给机构的活动滚轮通过轴承安装在弹性调节机构的滑块上，所述周向旋转机构驱动中间板14转动。

见图2、图3，所述轴向进给机构包括电机I19、大齿轮26、小齿轮I22、小齿轮II24、小齿轮III30、小齿轮IV27、活动滚轮I18、固定滚轮I17、活动滚轮II21、固定滚轮II20、扭矩传感器轴23、传动轴I25、传动轴II29、传动轴III28，所述电机I19通过支架固定在中间板14上，电机I19的输出轴通过联轴器轴与大齿轮26传动连接，大齿轮26的两侧分别与小齿轮I22、小齿轮III30啮合，小齿轮I22与小齿轮II24啮合，小齿轮III30与小齿轮IV27啮合；所述扭矩传感器轴23通过滚动轴承安装在中间板14上，扭矩传感器轴23的一端连接小齿轮I22，另一端连接固定滚轮II20；传动轴II29通过滚动轴承安装在中间板14上，一端连接小齿轮III30，另一端用螺钉固定连接固定滚轮I17；传动轴I25和传动轴III28通过滚动轴承安装在弹性调整机构的滑块I34和滑块II38上，传动轴I25的一端连接小齿轮II24另一端用螺钉固定连接活动滚轮II21，传动轴III28的一端连接小齿轮IV27，另一端用螺钉固定连接活动滚轮I18。扭矩传感器轴23上安装有扭矩传感器。

见图6、图7，所述活动滚轮I18和活动滚轮II21为凸轮，固定滚轮I17和固定滚轮II20为凹轮；或者活动滚轮I18和活动滚轮II21为凹轮，固定滚轮I17和固定滚轮II20为凸轮。相对设置的固定滚轮和活动滚轮为一组经研磨处理的凹凸滚轮。

轴向进给运动通过电机I19输出轴带动齿轮组运动，齿轮组再通过传动轴和力矩传感器轴23带动滚轮组同步运动，两组滚轮通过夹紧导管10利用摩擦来实现导管10的轴向进给运动。

见图1，所述周向旋转机构包括柔性减振复合材料1、L板支架2、电机II3、磁力传动联轴器I4、动带轮5、柔性皮带6、定带轮7、支座I8、支座II11、导电滑环12、支撑轴I9、支撑轴II13，电机II3固定在L板支架2上，L板支架2通过螺栓固定在中间板14上，在L板支架2与中间板14之间设有柔性减振复合材料1，电机II3通过磁力传动联轴器I4与动带轮5传动联接，定带轮7固定在外壳15的一个侧面上，动带轮与定带轮通过柔性皮带6传动连接，所述支撑轴I9固定在定带轮中，支撑轴I9的另一端通过滚动轴承安装在支座I8中，支撑轴I9中设有轴向中心通孔；导电滑环12通过螺钉固定在外壳15的另一个侧面上，支撑轴II13通过滚动轴承安装在支座II11中，支撑轴II13的另一端穿过导电滑环12与外壳15固定连接，支撑轴II13中也设有轴向中心通孔。

周向旋转运动通过电机II3输出轴带动动带轮5转动，动带轮5通过柔性传送带6绕定带轮7转动从而带动中间板14的整体转动，其中导电滑环12的设置在周向旋转运动中有效的防止了导管10的缠绕问题。柔性传送带6采用Y型V带。

柔性减振复合材料1采用玻璃纤维增强网/橡胶复合材料，此材料是由玻璃纤维(GF)、金属铅(Pb)和橡胶(R)构成的三元体系。在电机II3的L板支架2与中间板14之间加入柔性减振复合材料1，有较大的位移补偿能力和良好的消振能力，抗冲击和抗疲劳性能突出，并且隔振降幅作用更明显，不仅使此机构的运动更加平稳而且对零件也起到了保护作用。

见图4、图5，所述弹性调整机构包括电机III16、齿条I31、磁力传动联轴器II32、小齿轮V33、滑块I34、传动轴IV35、小齿轮VI36、齿条II37、滑块II38、弹簧，所述电机III16通过支架固定在中间板14上，传动轴IV35通过磁力传动联轴器II32与电机III16传动连接，传动轴IV35通过滚动轴承及轴承架安装在中间板14上，传动轴IV35的两端分别用螺钉与小齿轮VI36和小齿轮V33固定连接，齿条I31和齿条II37分别通过螺钉固定在滑块I34块和滑块II38上，小齿轮VI36和小齿轮V33分别与齿条II37和齿条I31啮合，滑块I34块和滑块II38分别与中间板14滑动连接，弹簧的一端连接滑块I34块或滑块II38，弹簧的另一端连接中间板14。滑块I34块和滑块II38的两侧设有导轨42，在中间板14上设有滑槽。

弹性调整机构的作用用于微调固定滚轮和活动滚轮之间的中心距以实现对不同直径的导管10的夹紧。

一种柔性减振手术机器人导丝递送装置的使用方法，包括：将导管10从支撑轴I9的中心通孔中穿进，并依次从固定滚轮I17和活动滚轮I18、固定滚轮II20和活动滚轮II21之间穿过，然后从支撑轴II13的中心通孔中穿出，通过弹簧调整机构调整固定滚轮与活动滚轮之间的距离，使导管10夹紧在固定滚轮I17和活动滚轮I18、固定滚轮II20和活动滚轮II21之间；

首先电机I19驱动大齿轮26转动，大齿轮26转动时带动与其相啮合的小齿轮I22和小齿轮III30同步转动，与小齿轮I22和小齿轮III30相啮合的小齿轮II24和小齿轮IV27在其带动下转动，并通扭矩传感器轴23、传动轴I25、传动轴II29和传动轴III28将力传递到固定滚轮II20、活动滚轮II21、固定滚轮I17和活动滚轮I18，两对主从滚轮相反转动利用摩擦力带动导管10实现轴向的进给运动；

力矩传感器轴23用于检测力矩传感器轴输入端小齿轮I22和输出端固定滚轮II20两侧受力不同所产生的扭矩信号并进行反馈，当导管10在送进过程中接触到血管内壁受阻时，夹持导管10的固定滚轮II20和活动滚轮II21与导管10之间的摩擦力会相应的增大，固定滚轮II20端受到的反作用力变大，因此固定滚轮II20端和小齿轮I22端受力不同，力矩传感器轴23产生扭矩信号，送管机构系统计算机在接收到信号后发出指令，停止导管10的进给并通过周向旋转机构改变送管方向，避免了导管10与血管内壁产生过大的力将血管内壁穿破，保证了血管介入手术的安全性；

使用不同直径导管10时，需要对导管10进行重新夹紧，这时需要重新调节弹簧调整机构，首先由弹性调整机构的电机III16通过磁力传动联轴器II32带动传动轴IV35转动，传动轴IV35带动小齿轮V33转动和小齿轮VI36转动，小齿轮V33转动和小齿轮VI36同时带动齿条I31和齿条II37运动从而实现滑块I34块和滑块II38的上下移动，进而带动传动轴III28和传动轴I25的微小调整，实现固定滚轮与活动滚轮之间中心距的调整；

通过固定滚轮和活动滚轮对导管10进行夹紧，电机II3驱动动带轮5转动，动带轮5通过柔性传送带6绕固定在外壳15上的定带轮7转动，由于动带轮5间接的与中间板14为一体结构，所以当动带轮5转动时会带动中间板14整体旋转从而改变导管10前进的方向。

电机I19、电机II3和电机III16均为低振无刷直流电机。电机I19和电机II3的输出轴均采用有磁力传动联轴器，磁力传动联轴器除了具有缓振的功能外，其特点还在于将动密封化为静密封，实现零泄露。

外壳为封闭的箱体。弹簧组41为4对并联弹簧的组合。

本发明的工作原理如下：

在轴向进给运动开始时，合理设置和启动电机III16，带动小齿轮V33和小齿轮VI36开始转动，小齿轮V33和小齿轮VI36通过与滑块I34和滑块II38上的齿条相啮合来带动滑块上下移动，进而滑块带动其上的传动轴上下移动实现对滚轮中心距的调整来夹紧导管10，夹紧导管10后将外壳15的盖子闭住。(根据设计要求，对滚轮中心距的调整只是微调节。)合理设置和启动电机I19，带动大齿轮26转动，小齿轮I22和小齿轮III30与大齿轮26相啮合并跟随其同步转动，小齿轮II24和小齿轮IV27又分别与小齿轮I22和小齿轮III30相啮合并跟随其同步反向转动，固定滚轮II20、活动滚轮II21、固定滚轮I17、活动滚轮I18通过扭矩传感器轴23、传动轴I25、传动轴II29、传动轴III28分别与小齿轮I22、小齿轮II24、小齿轮III30、小齿轮IV27相连并在其带动下转动，固定滚轮II20与活动滚轮II21、固定滚轮I17与活动滚轮I18的同步反向转动利用摩擦带动导管10实现了轴向进给运动。

在遇到血管壁要完成周向旋转运动时，通过两组凹凸滚轮夹紧导管10。合理设置和启动电机II3，动带轮5开始转动，动带轮5通过柔性皮带6绕定带轮7转动，定带轮7固定在外壳15侧壁上，动带轮5通过磁力传动联轴器I4与通过L板支架2固定在中间板14上的电机II3联接，因此动带轮5和中间板14是同步运动。中间板14的转动随即带动其上的凹凸滚轮也一起转动，导管10在凹凸滚轮的夹紧力下随之转动，从而完成了导管10的周向旋转运动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种柔性减振手术机器人导丝递送装置，其特征在于，包括轴向进给机构、周向旋转机构、弹性调整机构、中间板、外壳，所述轴向进给机构安装在中间板上，所述弹性调整机构也安装在中间板上，弹性调整机构的滑块与中间板滑动连接，所述轴向进给机构的活动滚轮通过轴承安装在弹性调节机构的滑块上，所述周向旋转机构驱动中间板转动；

所述弹性调整机构包括电机III、齿条I、磁力传动联轴器II、小齿轮V、滑块I、传动轴IV、小齿轮VI、齿条II、滑块II、弹簧，所述电机III固定在中间板上，传动轴IV通过磁力传动联轴器II与电机III传动连接，传动轴IV通过滚动轴承及轴承架安装在中间板上，传动轴IV的两端分别小齿轮VI和小齿轮V固定连接，齿条I和齿条II分别固定在滑块I和滑块II上，小齿轮VI和小齿轮V分别与齿条II和齿条I啮合，滑块I和滑块II分别与中间板滑动连接，弹簧的一端连接滑块I或滑块II，弹簧的另一端连接中间板；

所述周向旋转机构包括柔性减振复合材料、L板支架、电机II，电机II固定在L板支架上，L板支架通过螺栓固定在中间板上，在L板支架与中间板之间设有柔性减振复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种柔性减振手术机器人导丝递送装置，其特征在于，所述轴向进给机构包括电机I、大齿轮、小齿轮I、小齿轮II、小齿轮III、小齿轮IV、活动滚轮I、固定滚轮I、活动滚轮II、固定滚轮II、扭矩传感器轴、传动轴I、传动轴II、传动轴III，所述电机I固定在中间板上，电机I的输出轴与大齿轮传动连接，大齿轮的两侧分别与小齿轮I、小齿轮III啮合，小齿轮I与小齿轮II啮合，小齿轮III与小齿轮IV啮合；所述扭矩传感器轴安装在中间板上，扭矩传感器轴的一端连接小齿轮I，另一端连接固定滚轮II；传动轴II通过滚动轴承安装在中间板上，一端连接小齿轮III，另一端固定连接固定滚轮I；传动轴I和传动轴III通过滚动轴承安装在弹性调整机构的滑块I和滑块II上，传动轴I的一端连接小齿轮II另一端连接活动滚轮II，传动轴III的一端连接小齿轮IV，另一端连接活动滚轮I。

3.根据权利要求2所述的一种柔性减振手术机器人导丝递送装置，其特征在于，所述活动滚轮I和活动滚轮II为凸轮，固定滚轮I和固定滚轮II为凹轮；或者活动滚轮I和活动滚轮II为凹轮，固定滚轮I和固定滚轮II为凸轮。

4.根据权利要求1所述的一种柔性减振手术机器人导丝递送装置，其特征在于，所述周向旋转机构还包括柔性减振复合材料、L板支架、电机II、磁力传动联轴器I、动带轮、柔性皮带、定带轮、支座I、支座II、导电滑环、支撑轴I、支撑轴II，电机II固定在L板支架上，L板支架通过螺栓固定在中间板上，在L板支架与中间板之间设有柔性减振复合材料，电机II通过磁力传动联轴器I与动带轮传动联接，定带轮固定在外壳的一个侧面上，动带轮与定带轮通过柔性皮带传动连接，所述支撑轴I固定在定带轮中，支撑轴I的另一端通过滚动轴承安装在支座I中，支撑轴I中设有轴向中心通孔；导电滑环通过螺钉固定在外壳的另一个侧面上，支撑轴II通过滚动轴承安装在支座II中，支撑轴II的另一端穿过导电滑环与外壳固定连接，支撑轴II中也设有轴向中心通孔。

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