CN112729645B

CN112729645B - 一种内窥镜偏转的扭矩测量装置

Info

Publication number: CN112729645B
Application number: CN202011586335.8A
Authority: CN
Inventors: 李建民; 赵建厂; 王树新; 崔亮
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: CN112729645A

Abstract

本公开提供一种内窥镜偏转的扭矩测量装置，包括：驱动控制单元，设置有一主动轮；内窥镜驱动单元，设置有一从动轮，所述从动轮固接有一连接内窥镜操作手柄的控制杆；所述主动轮通过柔性连接单元带动从动轮旋转，进而实现实时测量所述内窥镜偏转的扭矩。可以实现内窥镜操纵杆上的扭矩测量，并且不借助任何传统力/力矩测量设备，提高了机器人辅助医用内窥镜手术操作安全。

Description

一种内窥镜偏转的扭矩测量装置

技术领域

本公开涉及医疗机器人技术领域，尤其涉及一种内窥镜偏转的扭矩测量装置。

背景技术

柔性内窥镜是一种重要的医疗手术器械，是开展经自然腔道内镜手术的入路载体。通过将柔性内窥镜介入人体，病在人体内运动，可为其他手术工具，如：光纤、活检钳、网篮等，提供进入人体的通道，并为医生提供体内清晰的视野，辅助手术过程的开展。

柔性内窥镜的主要操作是在手柄处控制内窥镜末端可弯曲部分的偏转。由于内窥镜的视野范围主要处于摄像头的前端，发生在视野范围外的内窥镜与组织的交互往往是不可见的。在手动操作内窥镜的临床实践中，医生可以通过感知手柄处的控制旋钮上的扭矩，并结合丰富的临床经验，判断末端与组织的交互情况。随着微创手术的机器人化，机器人辅助内窥镜技术也逐渐浮现。为了保证手术的安全，内窥镜偏转的扭矩测量与控制是不得不考虑的问题。

现有的扭矩传感器可以较好的实现扭矩的测量，但其在机器人系统集成的过程中需要进行电荷放大、模数转换等多个技术环节，并配备多种附件，增加了系统的集成难度，容易引入系统延迟，从另外的层面影响手术安全。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种内窥镜偏转的扭矩测量装置，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

本公开提供一种内窥镜偏转的扭矩测量装置，包括：

驱动控制单元，设置有一主动轮；

内窥镜驱动单元，设置有一从动轮，所述从动轮固接有一连接内窥镜操作手柄的控制杆；

所述主动轮通过柔性连接单元带动从动轮旋转，进而实现实时测量所述内窥镜偏转的扭矩。

在本公开实施例中，所述柔性连接单元包括：

第一弹性部件和第二弹性部件；

所述第一弹性部件的两端分别通过钢丝绕过所述主动轮和从动轮后连接至所述第二弹性部件两端，形成主、从动轮传动结构。

进一步地，所述第一弹性部件与所述第二弹性部件在同一平面内，且使所述两弹性部件具有设定伸长量。

在本公开实施例中，所述主动轮轴接于伺服电机，在伺服电机的驱动下旋转，进而通过所述第一弹性部件和第二弹性部件带动从动轮旋转一定角度，获得可计算的内窥镜偏转的扭矩M₁，如下式表示：

M₁＝(K₁+K₂)(R₂θ₂-R₁θ₁)R₁；

其中，K₁，K₂分别为第一弹性部件和第二弹性部件的弹性系数，R₁为从动轮半径，θ₁为从动轮的旋转角度；R₂为主动轮半径，θ₂为主动轮的旋转角度。

在本公开实施例中，所述钢丝的抗拉强度在800MPa以上。

在本公开实施例中，其中，所述弹性部件为弹簧。

在本公开实施例中，所述从动轮轴接有角度传感器，用于测量从动轮的旋转角度。

在本公开实施例中，所述角度传感器为光栅编码器。

在本公开实施例中，所述主动轮与所述从动轮为塑料材料制成。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种内窥镜偏转的扭矩测量装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)可以实现内窥镜操纵杆上的扭矩测量，并且不借助任何传统力/力矩测量设备；以及

(2)提高了机器人辅助医用内窥镜手术操作安全。

附图说明

图1为本公开实施例内窥镜偏转的扭矩测量装置的示意图；以及

图2为本公开实施例内窥镜偏转的扭矩测量装置的工作原理图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1 从动轮；

2 主动轮；

3 第一钢丝端；

4 第二钢丝端；

5 第三钢丝端；

6 第四钢丝端；

7 第一弹性部件；

8 第二弹性部件；

9 前端支座；

10 后端支座；

11 编码器；

12 伺服电机；

13 控制杆

100 内窥镜支架；

200 内窥镜

201 内窥镜操纵柄

具体实施方式

本公开提供了一种内窥镜偏转的扭矩测量装置，所述扭矩测量装置可以实现内窥镜操纵杆上的扭矩测量，并且不借助任何力/力矩测量设备，对机器人辅助医用内窥镜手术操作安全具有有益效果。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种内窥镜偏转的扭矩测量装置，如图1所示，所述扭矩测量装置，包括：具有第一旋转轴，用于控制内窥镜200的移动的内窥镜驱动单元；具有第二旋转轴，能够控制所述第二旋转轴转动设定角度的驱动控制单元；以及柔性连接单元。

所述柔性连接单元，包括：两钢丝，分别为第一钢丝与第二钢丝；绕所述第一钢丝的从动轮1，其所述第一钢丝两端分别为第一钢丝端3与第二钢丝端4；绕有所述第二钢丝的主动轮2，其所述第二钢丝两端分别为第三钢丝端5与第四钢丝端6；两弹性部件，分别为第一弹性部件7与第二弹性部件8，所述第一弹性部件7两端分别与所述第一钢丝端3和所述第三钢丝端连接5，所述第二弹性部件8两端分别与所述第二钢丝端4和所述第四钢丝端6连接；

所述主动轮2与所述第二旋转轴相连接并随其同步旋转，所述从动轮1与所述第一旋转轴相连接并随其同步旋转，使所述第一弹性部件7与所述第二弹性部件8在同一平面内，且使所述两弹簧具有设定伸长量；

所述主动轮2能够转动并形成主动轮转角，通过所述两钢丝与所述两弹性部件对从动轮1的控制，及所述内窥镜对所述第一旋转轴的负载作用，能够使所述从动轮1形成从动轮转角，进而可以计算出内窥镜200偏转的扭矩。

在本公开实施例中，所述内窥镜驱动单元包括：前端支座9，其具有第一轴孔，所述第一旋转轴通过所述第一轴孔配合与所述前端支座9连接；编码器11，其与所述第一旋转轴一端连接，用于测量从动轮转角的角度值；控制杆，其与所述第一旋转轴的所述编码器11相对的另一端连接，并与内窥镜操纵柄201扣合，用于控制所述内窥镜操纵柄201移动。

在本公开实施例中，驱动控制单元包括：后端支座10，其具有第二轴孔，所述第二旋转轴通过所述第一轴孔配合与所述后端支座10连接；伺服电机12，其与所述第二旋转轴一端连接，用于使主动轮2旋转一设定角度。

在本公开实施例中，所述钢丝的抗拉强度在800MPa以上。

在本公开实施例中，所述弹性部件为弹簧。

在本公开实施例中，所述主动轮2与所述从动轮1为塑料材料制成。

在本公开实施例中，所述编码器11为光栅编码器。

具体地，结合图2解释本机构测量扭矩的基本原理：从动轮位于左侧，半径为R₁，主动轮位于右侧，半径为R₂。第一弹簧和第二弹簧的初始长度与弹性系数分别为L₁₀，L₂₀和K₁，K₂。四根弹簧的长度分别为L₁，L₂，L₃，L₄初始状态下，通过调节前端支座和后端支座的距离，对机构进行张紧，使得弹簧上的张力为T₀，同时伸长量为Δ₁和Δ₂。

在所述的从动轮上施加恒定的扭矩M₁，使内窥镜操纵杆的扭转角度为θ₁。该轮的运动由主动轮驱动，其旋转角度为θ₂，电机输出的扭矩为M₂。此状态下，两弹簧的伸长量变为Δ₁₁和Δ₂₁，弹簧上的张力分别为T₁和T₂。

根据上述描述，弹簧的伸长量与张力之间的关系为：

同时，根据张力计算出的扭矩M1和M2之间的关系为：

考虑两侧钢丝与弹簧的总长度不变，同时忽略钢丝伸长量的细微变化，该关系可以表述为：

因此，两轮上的力矩与转角的关系可以表示为：

由于弹簧系数和两轮半径已知，同时两转角和分别由编码器和伺服电机获得，扭矩可以通过公式(4)计算获得。

将上述原理通过设计后，应用于医用内窥镜的控制，如图1所示。该机构可在精准位置控制的条件下实现扭矩的测量，保证内窥镜操作时的手术安全。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种内窥镜偏转的扭矩测量装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种内窥镜偏转的扭矩测量装置，该扭矩测量装置可以实现内窥镜操纵杆上的扭矩测量，并且不借助任何力/力矩测量设备，对机器人辅助医用内窥镜手术操作安全具有有益效果。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种内窥镜偏转的扭矩测量装置，包括：

驱动控制单元，设置有一主动轮；以及

所述主动轮通过柔性连接单元带动从动轮旋转，进而实现实时测量所述内窥镜偏转的扭矩；

所述柔性连接单元包括：第一弹性部件和第二弹性部件，所述第一弹性部件的两端分别通过钢丝绕过所述主动轮和从动轮后连接至所述第二弹性部件两端，形成主、从动轮传动结构；

所述主动轮轴接于伺服电机，在伺服电机的驱动下旋转，进而通过所述第一弹性部件和第二弹性部件带动从动轮旋转一定角度，获得可计算的内窥镜偏转的扭矩M₁，如下式表示：

M₁＝(K₁+K₂)(R₂θ₂-R₁θ₁)R₁；

2.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，所述第一弹性部件与所述第二弹性部件在同一平面内，且使所述两弹性部件具有设定伸长量。

3.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其中，所述钢丝的抗拉强度在800MPa以上。

4.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其中，所述弹性部件为弹簧。

5.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其中，所述从动轮轴接有角度传感器，用于测量从动轮的旋转角度。

6.根据权利要求5所述的扭矩测量装置，其中，所述角度传感器为光栅编码器。

7.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其中，所述主动轮与所述从动轮为塑料材料制成。