CN113662672A - 遥操作支气管镜机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及遥操作支气管镜机器人系统，属于机器人技术领域。本发明的遥操作支气管镜机器人系统，包括：电磁导航层、从操作层、主操作层以及网络层；电磁导航层实现支气管镜的定位与导航，采用主从式的控制方式，医生通过主操作层的力反馈遥杆输入动作，从操作层复现医生手部动作完成气管插管操作，主操作层与从操作层通过网络层进行连接，实现医生的远程操作功能。本发明的遥操作支气管镜机器人系统实现多种功能手术器械的有效集成，提高操作支气管镜的高度智能化和自动化，提升手术的精准性和稳定性，通过主从控制的方式，使医生与患者实现空间上的分离，减小感染的风险，使医生在远离射线的环境中进行操作，避免射线累积损伤。

Description

遥操作支气管镜机器人系统
技术领域
本发明涉及遥操作支气管镜机器人系统，属于机器人技术领域。
背景技术
近年来，世界爆发多起呼吸道传染性疾病，如非典型肺炎、埃博拉病毒、新冠肺炎，对 患者造成极大影响，重创多国经济。
对于病灶形态不典型，体积小，且位于肺第6-7级支气管水平或肺外部区域，气管直径小，气管分叉角度大，常规电子支气管镜穿刺适用于中央型肿瘤的取材，难以达到肺周边病灶部位。经皮穿刺和开胸取材创伤大，因此，近年陆续出现导航系统引导下的细支气管镜术。导航系统引导下的细支气管镜术以电磁定位技术为基础，结合计算机虚拟支气管镜与高分辨率螺旋CT，支气管镜通过气管腔道准确快速到达常规支气管镜无法到达的肺外周病灶(尤其是微小结节、磨玻璃结节)或深部纵隔淋巴结，实现全肺到达；通过多样化的活检工具进行采样、灌洗，多点、多次采样进行病理检查，提高新冠肺炎诊断率；并进一步放置形状标记合金定位利于后续精准治疗，规避气胸、误入血管风险，减少有创手术的各种并发症。
支气管镜介入手术在世界范围内已经广泛的应用，但传统支气管镜插管操作过程中，医生位于手术现场实施手工操作的方式增加了医生遭受疾病传染的风险；传统的CT图像引导支气管镜插管对医生产生大量的辐射。
基于上述两方面的问题，开发呼吸道疾病的介入手术机器人，对提高呼吸道疾病诊断救治率，降低操作医护人员传染率具有重要意义。
发明内容
为了解决传统导航系统引导下的细支气管镜术存在的问题，本发明的目的是提出遥操作支气管镜机器人系统，采用电磁导航层实现支气管镜的定位与导航，采用主从式的控制方式，医生通过主操作层的力反馈遥杆输入动作，从操作层复现医生手部动作完成气管插管操作，主操作层与从操作层通过网络层进行连接，实现医生的远程操作功能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
遥操作支气管镜机器人系统，包括：电磁导航层、从操作层、主操作层以及网络层；
所述电磁导航层，包括：电磁导航层计算机、电磁导航层医学成像系统、电磁定位板、导航探头、三联体传感器以及CT机；
所述电磁导航层计算机装有导航软件，在术前生成导航路线图，完成术前和术中CT配准，引导所述金属导丝插管路径；
所述电磁导航层计算机与所述电磁导航层医学成像系统相连，接收所述电磁导航层医学成像系统的影像信息；
所述电磁导航层医学成像系统与所述支气管镜相连，显示所述支气管镜前方影像信息；
所述电磁定位板释放低频均匀电磁波，检查时患者平卧于所述电磁定位板上方；
所述导航探头，包括：探头本体、金属导丝以及引导管；
所述探头本体位于所述引导管的尖端，并包含一段柔性的金属线缆；
所述金属导丝对所述引导管起引导及支持作用，帮助所述引导管进入患者腔隙，引导所述引导管顺利到达病变处；
所述引导管用于置入所述支气管镜、所述探头本体以及所述金属导丝；
进一步的，所述引导管的尖端能够360°旋转，并且在所述电磁定位板形成的电磁场中，通过所述探头本体，所述引导管的运动能够被捕获并传送至所述电磁导航层计算机；
更进一步的，所述引导管能够插入所述从操作层的工作通道，按照导航路线到达靶区；
所述三联体传感器，放置于患者体表，用于基本定位；
所述CT机实现术前和术中CT图像叠加校正，综合生成导航计划图；
所述从操作层，包括：支气管镜、机架、推进装置、推进装置机械臂、旋转夹持装置、旋转夹持装置机械臂、压舌推进装置、压舌推进装置机械臂、手术钳装置、驱动器以及无线接收装置；
所述支气管镜是一套数字成像系统，用以采集患者腔内图像信息；
所述机架固定于地面或支撑平台上；
所述推进装置机械臂、所述旋转夹持装置机械臂以及所述压舌推进装置机械臂均为空间六自由度关节机械臂；
进一步的，所述推进装置机械臂、所述旋转夹持装置机械臂以及所述压舌推进装置机械臂分别通过推进装置机械臂底座、旋转夹持装置机械臂底座以及压舌推进装置机械臂底座固定于所述机架上；
进一步的，所述推进装置机械臂末端固定连接所述推进装置，所述旋转夹持装置机械臂末端固定连接所述旋转夹持装置，所述压舌推进装置机械臂末端固定连接所述压舌推进装置；
所述推进装置，包括：推进装置外壳、传送通道直径调节电机、传送通道直径调节肋板、主传动电机、主传动齿轮、从传动齿轮群、支气管镜入口以及支气管镜出口；
所述推进装置外壳固定连接在所述推进装置机械臂末端，用于支撑和安装所述推进装置中的其他零件；
所述传送通道直径调节电机与所述传送通道直径调节肋板相连，用于调节传送通道直径，以适应不同直径的所述支气管镜；
所述主传动电机与所述主传动齿轮相连，所述主传动齿轮通过摩擦力输送所述支气管镜；
所述从传动齿轮群用以夹持并辅助所述主传动齿轮输送所述支气管镜，能够调节所述支气管镜传送路线；
所述支气管镜入口略大于所述支气管镜，用于确定所述支气管镜的入口位置，帮助所述支气管镜顺利通过所述推进装置；
所述支气管镜出口略大于所述支气管镜，用于确定所述支气管镜的出口位置，帮助所述支气管镜顺利通过所述推进装置；
进一步的，在工作时，所述支气管镜穿过所述推进装置，所述推进装置将所述支气管镜向前递送，所述推进装置机械臂实现将所述支气管镜从各个角度向前递送；
所述旋转夹持装置，包括：旋转夹持外壳、旋转夹持主轴、换向减速机、伞形旋转驱动齿轮、锥形旋转齿轮、结构支撑轴承、锥形套筒、弹性顶撑元件、夹紧卡盘、夹紧套筒、夹紧推杆以及旋转驱动电机；
所述旋转夹持外壳固定连接在所述旋转夹持装置机械臂末端，用于支撑和安装所述旋转夹持装置中的其他零件；
所述旋转夹持主轴与所述旋转夹持外壳旋转连接，用于连接以及支撑所述旋转夹持装置中的其他零件；
所述换向减速机用于调节动力输出比以及改变动力输出方向；
所述换向减速机固定在所述旋转夹持外壳上，所述换向减速机的动力输出末端与所述伞形旋转驱动齿轮传动连接；
所述伞形旋转驱动齿轮安装在所述旋转夹持外壳上，所述伞形旋转驱动齿轮的上端与所述换向减速机传动连接，所述伞形旋转驱动齿轮的下端与所述锥形旋转齿轮传动连接；
所述伞形旋转驱动齿轮起到过渡作用，通过齿轮啮合带动所述锥形旋转齿轮旋转；
所述锥形旋转齿轮固定在所述旋转夹持主轴上，处在传动链的末端，当所述支气管镜被所述夹紧卡盘夹紧时，在所述旋转驱动电机的作用下，驱动所述支气管镜旋转；
作为优选，所述结构支撑轴承为两个，分别放置在所述旋转夹持主轴内侧靠近两端的位置，起到结构支撑和减小摩擦的作用；
所述锥形套筒，纵抛切面为锥形,从两端到内侧直径逐渐减小，所述锥形套筒与所述旋转夹持主轴弹性连接，在所述夹紧套筒的推动下压缩所述夹紧卡盘之间空隙，实现夹紧所述支气管镜的作用；
所述弹性顶撑元件为弹性元件，安装在所述夹紧套筒上，所述弹性顶撑元件的顶端与所述锥形套筒外侧接触，具有缓冲作用，避免所述支气管镜受到直接挤压而破损；
作为优选，所述夹紧卡盘为三块，沿圆周均匀分布，相互之间留有空隙；
所述夹紧卡盘与所述旋转夹持主轴弹性连接，所述夹紧卡盘在所述锥形套筒的推动下会进行收缩，夹紧所述支气管镜；
所述夹紧套筒，一端与所述夹紧推杆铰接，一端与所述旋转夹持主轴滑动连接，由所述夹紧推杆驱动，在所述旋转夹持主轴上滑动；
所述夹紧推杆，一端与所述旋转夹持外壳铰接，一端与所述夹紧套筒铰接，能够伸缩，负责驱动所述夹紧套筒的运动；
所述旋转驱动电机固定在所述旋转夹持外壳上，输出端与所述换向减速机连接，实现所述旋转夹持主轴的动力输出；
进一步的，在工作时，所述支气管镜穿过所述旋转夹持装置，所述旋转夹持装置将所述支气管镜夹紧转动，使所述支气管镜末端转向不同的角度，所述旋转夹持装置机械臂配合所述旋转夹持支装置将所述支气管镜指向不同的方向；
所述压舌推进装置，包括：压舌推进外壳、支气管镜导管、支气管镜导向块、挤压滚轮、推进挤压电机、滚轮调节螺母、铜片、伸缩推杆、压舌板、导轨、压舌板位置调节块、压舌板前后调节丝杠、压舌板上下调节丝杠、压舌板前后调节电机以及压舌板上下调节电机；
所述压舌推进外壳固定在所述压舌推进装置机械臂末端，用于支撑和安装所述压舌推进装置中的其他零件；
所述支气管镜导管从上部横贯所述压舌推进装置；
所述支气管镜导管与所述支气管镜导向块滑动连接；
所述挤压滚轮通过所述推进挤压电机驱动，在摩擦力作用下驱动所述支气管镜导管移动；
进一步的，通过所述推进挤压电机的正反向转动，驱动所述支气管镜导管的前进或后退；
所述滚轮调节螺母固定在所述压舌推进外壳上，所述滚轮调节螺母末端与所述挤压滚轮连接，用以调节所述挤压滚轮之间的中心距，进而调节所述挤压滚轮之间形成的通道的尺寸，以适用不同直径的所述支气管镜导管；
所述铜片分布在所述支气管镜导管传输方向上的两侧，控制所述压舌推进装置相对于患者的相对运动；
所述支气管镜导向块在所述铜片的中间位置，与所述铜片铰接，用于穿过所述支气管镜导管；
所述伸缩推杆分布在所述支气管镜导管传输方向上的两侧；
进一步的，所述铜片与所述伸缩推杆配合使用，通过所述伸缩推杆自身的伸缩特性来控制所述铜片的角度，进而调节所述支气管镜导管进入口腔时的方向，便于找到合适的插管位置；
所述压舌板为直接作用部件，从口部插入患者体内一定部位，挑起会厌、暴露声门，替代原本利用喉镜的方式完成，为所述支气管镜导管末端姿态调节提供保证；
所述导轨，固定在所述压舌推进外壳上，与所述压舌板位置调节块滑动连接，用于支撑所述压舌板位置调节块；
所述压舌板位置调节块，与所述压舌板前后调节丝杠以及所述压舌板上下调节丝杠旋转连接，与所述压舌板铰接，用于调整所述压舌板位置；
所述压舌板前后调节丝杠，一端与所述压舌板位置调节块旋转连接，一端与所述压舌板前后调节电机固定连接；
所述压舌板前后调节电机固定在所述压舌推进外壳上，与所述压舌板前后调节丝杠一端铰接，驱动所述压舌板前后运动，调节所述压舌板与患者的前后位置；
所述压舌板上下调节丝杠，一端与所述压舌板位置调节块旋转连接，一端与所述压舌板上下调节电机固定连接；
所述压舌板上下调节电机固定在所述压舌推进外壳上，与所述压舌板上下调节丝杠一端铰接，驱动所述压舌板上下运动，调节所述压舌板与患者的上下位置；
进一步的，在工作时，所述支气管镜穿过所述压舌推进装置，所述压舌推进装置上的所述压舌板将患者舌头下压使得患者咽部露出，通过所述推进挤压电机驱动所述挤压滚轮，通过摩擦力将所述支气管镜向前递送，所述压舌推进装置机械臂实现从不同的角度将患者舌头下压以及将所述支气管镜向不同的方向递送；
所述手术钳装置，包括：上钳夹、上钳夹驱动绳、上钳夹扭转电机、下钳夹、下钳夹驱动绳、下钳夹扭转电机、腕部扭转关节、腕部扭转驱动绳、腕部扭转电机、导向柱、柔性收纳管；
所述上钳夹通过所述上钳夹驱动绳与所述上钳夹扭转电机输出轴相连，所述上钳夹扭转电机的转动通过所述上钳夹驱动绳带动所述上钳夹的开合；
所述下钳夹通过所述下钳夹驱动绳与所述下钳夹扭转电机输出轴相连，所述下钳夹扭转电机的转动通过所述下钳夹驱动绳带动所述下钳夹的开合；
所述腕部扭转关节通过所述腕部扭转驱动绳与所述腕部扭转电机输出轴相连，所述腕部扭转电机的转动通过所述腕部扭转驱动绳带动所述腕部扭转关节的转动；
所述上钳夹驱动绳、所述下钳夹驱动绳以及所述腕部扭转驱动绳绕过所述导向柱，实现导向；
所述柔性收纳管将所述上钳夹与所述上钳夹扭转电机、所述下钳夹与所述下钳夹扭转电机以及所述腕部扭转关节与所述腕部扭转电机分别相连；
所述柔性收纳管内部还包含有能使所述上钳夹驱动绳、所述下钳夹驱动绳和所述腕部扭转驱动绳放置及通过的小通道；
所述驱动器，驱动所述传送通道直径调节电机、所述主传动电机、所述旋转驱动电机、所述推进挤压电机、所述压舌板前后调节电机、所述压舌板上下调节电机、所述上钳夹扭转电机、所述下钳夹扭转电机以及所述腕部扭转电机转动；
所述无线接收装置，实现所述驱动器与所述主操作层的无线通讯；
所述主操作层，包括：力反馈摇杆、主控机、主操作层计算机以及主操作层医学成像系统；
所述力反馈摇杆，由医生进行操作，采集医生推拉和旋转操作所述力反馈摇杆产生的运动缩放动作信息，发送给所述主控机，并接受所述主控机发出的控制信号，产生阻力矩使得医生感受到力；
所述主控机，包括：主控机芯片、力传感器、去耦合电路、复位电路、启动选择电路、启动晶振电路、时钟晶振电路、CAN总线电路、RS232串口电路、RS485串口电路、无线接收电路、CH340串口电路、CH340启动晶振电路、供电电路、稳压电路以及漏电保护电路；
所述主控机芯片是所述主控机的核心，与所述主控机的所述力传感器、所述去耦合电路、所述复位电路、所述启动选择电路、所述启动晶振电路、所述时钟晶振电路、所述CAN总线电路、所述RS232串口电路、所述RS485串口电路、所述无线接收电路、所述CH340串口电路以及所述CH340启动晶振电路相连；
所述力传感器安装在所述支气管镜先端起始部、侧壁部，实时测出插管过程中阻力的大小，并发送给所述主控机芯片；
所述去耦合电路用以滤除外界辐射的高频干扰以及所述主控机自身产生的脉冲干扰；
所述复位电路用以将所述主控机恢复到起始状态；
所述启动选择电路用以控制所述主控机的启动模式；
所述启动晶振电路用以为主控机芯片提供基本震荡源；
所述时钟晶振电路用于实时时钟源；
所述CAN总线电路、所述RS232串口电路、所述RS485串口电路以及所述CH340串口电路用于实现串口通讯功能；
所述无线接收电路用于实现短距离无线通信功能；
所述CH340启动晶振电路用于实现所述CH340串口电路工作时需要时钟脉冲信号，提供精确的波特率；
所述供电电路经过所述漏电保护电路，并通过所述稳压电路，为所述主控机的各部分进行供电；
所述稳压电路实现电压转换，并为所述主控芯片提供稳定的电压输入；
所述漏电保护电路用于电路在突然断电或其他因素引起电路异常时及时存储保护数据，便于再次启动时使用。
所述网络层，用于实现所述电磁导航层、所述从操作层、所述主操作层以及各层子一级装置间的通讯以及数据传输；
所述主操作层计算机通过有线方式与所述主控机相连，接收以及调取所述主控机的信息及指令；
所述主操作层计算机，通过有线和无线两种方式与所述电磁导航层计算机相连，同步接收所述电磁导航层计算机的视频数据；
所述主操作层医学成像系统，通过有线串口方式与所述主操作层计算机相连，通过所述主操作层计算机接收所述电磁导航层医学成像系统的所述支气管镜的视频数据，并在所述主操作层医学成像系统显示，由医生观察并地控制所述支气管镜的移动；
进一步的，由医生通过所述力反馈摇杆运动方向，所述主控机收到所述力反馈摇杆运动信息后，通过所述无线接收装置，将转动指令下发所述驱动器，控制所述从操作层的相应装置进行相应的操作。
有益效果：
1、本发明的遥操作支气管镜机器人系统实现多种功能手术器械的有效集成，针对支气管介入的实际环境，结合气管流程、支气管构造特点、导丝形态、力反馈、实时反馈支气管三维构型以及介入阻力的触觉还原，动态的再现介入部位的三维支气管造型，提高操作支气管镜的高度智能化和自动化，系统操作过程安全、有效、可靠；
2、本发明的遥操作支气管镜机器人系统通过机电装备的高精密运动检测与控制、动作执行的高度稳定性克服人手的缺陷，提升手术的精准性和稳定性；
3、本发明的遥操作支气管镜机器人系统通过主从控制的方式减小整个控制系统的复杂程度，提高遥操作支气管镜系统的安全稳定性能；
4、本发明的遥操作支气管镜机器人系统使医生与患者实现空间上的分离，进一步减小感染的风险，同时使医生在远离射线的环境中进行操作，避免射线累积损伤。
附图说明
图1是本发明的遥操作支气管镜机器人系统整体框架图；
图2是本发明的遥操作支气管镜机器人系统推进装置安装于推进装置机械臂示意图；
其中，1.1-推进装置机械臂、1.2-推进装置、1.1.1-推进装置机械臂底座、1.1.2-推进装置机械臂第一旋转关节、1.1.3-推进装置机械臂第二旋转关节、1.1.4-推进装置机械臂第三旋转关节、1.1.5-推进装置机械臂第四旋转关节、1.1.6-推进装置机械臂第五旋转关节、 1.1.7-推进装置机械臂第六旋转关节、1.1.8-推进装置机械臂末端；
图3是本发明的遥操作支气管镜机器人系统旋转夹持装置安装于旋转夹持装置机械臂示意图；
其中，2.1-旋转夹持装置机械臂、2.2-旋转夹持装置、2.1.1-旋转夹持装置机械臂底座、 2.1.2-旋转夹持装置机械臂第一旋转关节、2.1.3-旋转夹持装置机械臂第二旋转关节、2.1.4- 旋转夹持装置机械臂第三旋转关节、2.1.5-旋转夹持装置机械臂第四旋转关节、2.1.6-旋转夹持装置机械臂第五旋转关节、2.1.7-旋转夹持装置机械臂第六旋转关节、2.1.8-旋转夹持装置机械臂末端；
图4是本发明的遥操作支气管镜机器人系统压舌推进装置安装于压舌推进装置机械臂示意图；
其中，3.1-压舌推进装置机械臂、3.2-压舌推进装置、3.1.1-压舌推进装置机械臂底座、 3.1.2-压舌推进装置机械臂第一旋转关节、3.1.3-压舌推进装置机械臂第二旋转关节、3.1.4- 压舌推进装置机械臂第三旋转关节、3.1.5-压舌推进装置机械臂第四旋转关节、3.1.6-压舌推进装置机械臂第五旋转关节、3.1.7-压舌推进装置机械臂第六旋转关节、3.1.8-压舌推进装置机械臂末端；
图5本发明的遥操作支气管镜机器人系统推进装置机械臂、旋转夹持装置机械臂以及压舌推进装置机械臂安装于机架的示意图；
其中，1.1-推进装置机械臂、1.1.1-推进装置机械臂底座、2.1-旋转夹持装置机械臂、 2.1.1-旋转夹持装置机械臂底座、3.1-压舌推进装置机械臂、3.1.1-压舌推进装置机械臂底座、5-机架；
图6是本发明的遥操作支气管镜机器人系统推进装置示意图；
其中，1.2.8-推进装置外壳；
图7是本发明的遥操作支气管镜机器人系统推进装置去掉推进装置外壳示意图；
其中，1.2.1-传送通道直径调节电机、1.2.2-传送通道直径调节肋板、1.2.3-主传动电机、1.2.4-主传动齿轮、1.2.5-从传动齿轮群、1.2.6-支气管镜入口、1.2.7-支气管镜出口；
图8是本发明的遥操作支气管镜机器人系统旋转夹持装置示意图；
其中，2.2.1-旋转夹持外壳；
图9是本发明的遥操作支气管镜机器人系统旋转夹持装置去掉旋转夹持外壳的示意图；
其中，2.2.2-旋转夹持主轴、2.2.3-换向减速机、2.2.4-伞形旋转驱动齿轮、2.2.5-锥形旋转齿轮、2.2.6-结构支撑轴承、2.2.7-锥形套筒、2.2.8-弹性顶撑元件、2.2.9-夹紧卡盘、2.2.10-夹紧套筒、2.2.11-夹紧推杆、2.2.12-旋转驱动电机；
图10是本发明的遥操作支气管镜机器人系统压舌推进装置示意图；
其中，3.2.1-压舌推进外壳；
图11是本发明的遥操作支气管镜机器人系统压舌推进装置去掉压舌推进外壳的示意图；
其中，3.2.2-支气管镜导管、3.2.3-支气管镜导向块、3.2.4-挤压滚轮、3.2.5-推进挤压电机、3.2.6-滚轮调节螺母、3.2.7-铜片、3.2.8-伸缩推杆、3.2.9-压舌板、3.2.10-导轨、 3.2.11-压舌板位置调节块、3.2.12-压舌板前后调节丝杠、3.2.13-压舌板上下调节丝杠、 3.2.14-压舌板前后调节电机、3.2.15-压舌板上下调节电机；
图12是本发明的遥操作支气管镜机器人系统手术钳装置示意图；
其中，4.1-上钳夹、4.2-上钳夹驱动绳、4.3-上钳夹扭转电机、4.4-下钳夹、4.5-下钳夹驱动绳、4.6-下钳夹扭转电机、4.7-腕部扭转关节、4.8-腕部扭转驱动绳、4.9-腕部扭转电机、4.10-导向柱、4.11-柔性收纳管；
图13是本发明的遥操作支气管镜机器人系统主控机框架图；
图14是本发明的遥操作支气管镜机器人系统主控机芯片图；
图15是本发明的遥操作支气管镜机器人系统力传感器电路图；
图16是本发明的遥操作支气管镜机器人系统去耦合电路图；
图17是本发明的遥操作支气管镜机器人系统复位电路图；
图18是本发明的遥操作支气管镜机器人系统启动选择电路图；
图19是本发明的遥操作支气管镜机器人系统启动晶振电路图；
图20是本发明的遥操作支气管镜机器人系统时钟晶振电路图；
图21是本发明的遥操作支气管镜机器人系统CAN总线电路图；
图22是本发明的遥操作支气管镜机器人系统RS232串口电路图；
图23是本发明的遥操作支气管镜机器人系统RS485串口电路图；
图24是本发明的遥操作支气管镜机器人系统CH340串口电路图；
图25是本发明的遥操作支气管镜机器人系统无线接收电路图；
图26是本发明的遥操作支气管镜机器人系统CH340启动晶振电路图；
图27是本发明的遥操作支气管镜机器人系统供电电路图；
图28是本发明的遥操作支气管镜机器人系统稳压电路图；
图29是本发明的遥操作支气管镜机器人系统漏电保护电路图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本发明的遥操作支气管镜机器人系统，包括：电磁导航层、从操作层、主操作层以及网络层；
进一步的，如图1所示，电磁导航层，包括：电磁导航层计算机、电磁导航层医学成像系统、电磁定位板、金属导丝、导航探头、传感器以及CT机；
电磁导航层计算机装有导航软件，在术前生成导航路线图，完成术前和术中CT配准，引导金属导丝插管路径；
电磁导航层医学成像系统直接与支气管镜相连，显示支气管镜前方影像信息；
电磁定位板释放低频均匀电磁波，检查时患者平卧于电磁定位板上方；
导航探头，包括：探头本体、金属导丝以及引导管；
实施例中，探头本体头部直径1mm，长8mm，并包含一段柔性的金属线缆；
金属导丝对引导管起引导及支持作用，帮助引导管进入患者腔隙，引导引导管顺利到达病变处；
引导管用于置入支气管镜、探头本体以及金属导丝；
进一步的，引导管的尖端能够360°旋转，并且在电磁定位板形成的电磁场中，通过探头本体，引导管的运动能够被捕获并传送至电磁导航层计算机；
更进一步的，引导管能够插入从操作层的工作通道，按照导航路线到达靶区；
三联体传感器，放置于患者体表，用于基本定位；
CT机实现术前和术中CT图像叠加校正，综合生成导航计划图；
如图1所示，从操作层，包括：支气管镜、机架5、推进装置1.2、推进装置机械臂1.1、旋转夹持装置2.2、旋转夹持装置机械臂2.1、压舌推进装置3.2、压舌推进装置机械臂3.1、手术钳装置4.1、驱动器以及无线接收装置；
支气管镜是一套数字成像系统，用以采集患者腔内图像信息；
实施例中，支气管镜为奥林巴斯特制造BF-1TQ 290电子支气管镜，BF-1TQ 290电子支气管镜光学系统视野方向0o，视野角度120o，景深2-100mm，插入部先端部外径6.1mm，弯曲部外径5.7mm，旋转左120°/右120°，弯曲度上210°/下130°，有效长度600mm，全长1500mm，钳道内径3.0mm，BF-1TQ 290电子支气管镜采用VGA传感器，拍摄高达130万像素的快照， BF-1TQ 290电子支气管镜具有窄带成像，增强黏膜表层血管的可视性，BF-1TQ 290电子支气管镜拥有宽广的弯曲角度，有助于顺畅地插入肺上叶支气管，并在插入内镜诊疗附件的情况下实现更大的弯曲角度，BF-1TQ 290电子支气管镜工作态度直径增大至3.0m，提高使用大钳杯活检钳等各种诊疗附件的能力，同时提高吸引量，BF-1TQ 290电子支气管镜防水一触式接头优化病例检査前和检査过程中的设置步骤；
推进装置机械臂1.1、旋转夹持装置机械臂2.1以及压舌推进装置机械臂3.1均为空间六自由度关节机械臂；
实施例中，推进装置机械臂1.1、旋转夹持装置机械臂2.1.以及压舌推进装置机械臂3.1 从下至上对应有六个旋转关节，每个旋转关节分别连接两段机械臂，每个旋转关节分别由六个伺服电机驱动旋转；
进一步的，如图2所示，推进装置机械臂1.1，包括：推进装置机械臂底座1.1.1、推进装置机械臂第一旋转关节1.1.2、推进装置机械臂第二旋转关节1.1.3、推进装置机械臂第三旋转关节1.1.4、推进装置机械臂第四旋转关节1.1.5、推进装置机械臂第五旋转关节1.1.6、推进装置机械臂第六旋转关节1.1.7以及推进装置机械臂末端1.1.8；
进一步的，如图3所示，旋转夹持装置机械臂2.1，包括：旋转夹持装置机械臂底座2.1.1、旋转夹持装置机械臂第一旋转关节2.1.2、旋转夹持装置机械臂第二旋转关节2.1.3、旋转夹持装置机械臂第三旋转关节2.1.4、旋转夹持装置机械臂第四旋转关节2.1.5、旋转夹持装置机械臂第五旋转关节2.1.6、旋转夹持装置机械臂第六旋转关节2.1.7以及旋转夹持装置机械臂末端2.1.8；
进一步的，如图4所示，压舌推进装置机械臂3.1，包括：压舌推进装置机械臂底座3.1.1、压舌推进装置机械臂第一旋转关节3.1.2、压舌推进装置机械臂第二旋转关节3.1.3、压舌推进装置机械臂第三旋转关节3.1.4、压舌推进装置机械臂第四旋转关节3.1.5、压舌推进装置机械臂第五旋转关节3.1.6、压舌推进装置机械臂第六旋转关节3.1.7以及压舌推进装置机械臂末端3.1.8；
进一步的，如图2、图3以及图4所示，推进装置机械臂末端1.1.8固定连接推进装置1.2，旋转夹持装置机械臂末端2.1.8固定连接旋转夹持装置2.2，压舌推进装置机械臂末端3.1.8固定连接压舌推进装置3.2；
进一步的，如图5所示，推进装置机械臂1.1、旋转夹持装置机械臂2.1以及压舌推进装置机械臂3.1分别通过推进装置机械臂底座1.1.1、旋转夹持装置机械臂底座2.1.1以及压舌推进装置机械臂底座3.1.1固定安装在机架5上；
实施例中，机架5固定于地面上；
如图6以及图7所示，推进装置1.2，包括：推进装置外壳1.2.8、传送通道直径调节电机1.2.1、传送通道直径调节肋板1.2.2、主传动电机1.2.3、主传动齿轮1.2.4、从传动齿轮群1.2.5、支气管镜入口1.2.6以及支气管镜出口1.2.7；
推进装置外壳1.2.8固定连接在所述推进装置机械臂末端1.1.8，用于支撑和安装推进装置1.2中的其他零件；
进一步的，传送通道直径调节电机1.2.1与传送通道直径调节肋板1.2.2相连，用于调节传送通道直径，以适应不同直径的支气管镜；
主传动电机1.2.3与主传动齿轮1.2.4相连，主传动齿轮1.2.4通过摩擦力输送支气管镜；
从传动齿轮群1.2.5用以夹持并辅助主传动齿轮1.2.4输送支气管镜，能够调节支气管镜传送路线；
支气管镜入口1.2.6略大于支气管镜，用于确定支气管镜的入口位置，帮助支气管镜顺利通过推进装置1.2；
支气管镜出口1.2.7略大于支气管镜，用于确定支气管镜的出口位置，帮助支气管镜顺利通过推进装置1.2；
进一步的，在工作时，支气管镜穿过所述推进装置1.2，推进装置1.2将支气管镜向前递送，推进装置机械臂1.1实现将支气管镜从各个角度向前递送；
如图8以及图9所示，旋转夹持装置2.2，包括：旋转夹持外壳2.2.1、旋转夹持主轴2.2.2、换向减速机2.2.3、伞形旋转驱动齿轮2.2.4、锥形旋转齿轮2.2.5、结构支撑轴承2.2.6、锥形套筒2.2.7、弹性顶撑元件2.2.8、夹紧卡盘2.2.9、夹紧套筒2.2.10、夹紧推杆2.2.11以及旋转驱动电机2.2.12；
旋转夹持外壳2.2.1固定连接在旋转夹持装置机械臂末端2.1.8，用于支撑和安装旋转夹持装置2.2中的其他零件；
旋转夹持主轴2.2.2与旋转夹持外壳2.2.1旋转连接，用于连接以及支撑除旋转夹持外壳2.2.1外旋转夹持装置2.2中的其他零件；
换向减速机2.2.3用于调节动力输出比以及改变动力输出方向；
换向减速机2.2.3固定在旋转夹持外壳2.2.1上，换向减速机2.2.3动力输出的末端与伞形旋转驱动齿轮2.2.4传动连接；
伞形旋转驱动齿轮2.2.4安装在旋转夹持外壳2.2.1上，伞形旋转驱动齿轮2.2.4的上端与换向减速机2.2.3传动连接，伞形旋转驱动齿轮2.2.4的下端与锥形旋转齿轮2.2.5传动连接；
伞形旋转驱动齿轮2.2.4起到过渡作用，通过齿轮啮合带动锥形旋转齿轮2.2.5旋转；
锥形旋转齿轮2.2.5固定在旋转夹持主轴2.2.2上，处在传动链的末端，当支气管镜被夹紧卡盘2.2.9夹紧时，在旋转驱动电机2.2.12的作用下，驱动支气管镜旋转；
实施例中，结构支撑轴承2.2.6为两个，分别放置在旋转夹持主轴2.2.2内侧靠近两端的位置，起到结构支撑和减小摩擦的作用；
锥形套筒2.2.7，纵抛切面为锥形,从两端到内侧直径逐渐减小，锥形套筒2.2.7与旋转夹持主轴2.2.2弹性连接，在夹紧套筒2.2.10的推动下压缩夹紧卡盘2.2.9之间空隙，实现夹紧支气管镜的作用；
弹性顶撑元件2.2.8为弹性元件，安装在夹紧套筒2.2.10上，弹性顶撑元件2.2.8的顶端与锥形套筒2.2.7外侧接触，具有缓冲作用，避免支气管镜受到直接挤压而破损；
实施例中，夹紧卡盘2.2.9为三块，沿圆周均匀分布，相互之间留有空隙；
夹紧卡盘2.2.9与旋转夹持主轴2.2.2弹性连接，夹紧卡盘2.2.9在锥形套筒2.2.7的推动下会进行收缩，夹紧支气管镜；
夹紧套筒2.2.10，一端与夹紧推杆2.2.11铰接，一端与旋转夹持主轴2.2.2滑动连接，由夹紧推杆2.2.11驱动，在旋转夹持主轴2.2.2上滑动；
夹紧推杆2.2.11，一端与旋转夹持外壳2.2.1铰接，一端与夹紧套筒2.2.10铰接，能够伸缩，负责驱动夹紧套筒2.2.10的运动；
旋转驱动电机2.2.12固定在旋转夹持外壳2.2.12上，旋转驱动电机2.2.12输出端与换向减速机2.2.3连接，实现旋转夹持主轴2.2.2的动力输出；
进一步的，在工作时，支气管镜穿过旋转夹持装置2.2，旋转夹持装置2.2将支气管镜夹紧转动，使支气管镜末端转向不同的角度，旋转夹持装置机械臂2.1配合旋转夹持支装置 2.2将支气管镜指向不同的方向；
如图10以及图11所示，压舌推进装置3.2，包括：压舌推进外壳3.2.1、支气管镜导管 3.2.2、支气管镜导向块3.2.3、挤压滚轮3.2.4、推进挤压电机3.2.5、滚轮调节螺母3.2.6、铜片3.2.7、伸缩推杆3.2.8、压舌板3.2.9、导轨3.2.10、压舌板位置调节块3.2.11、压舌板前后调节丝杠3.2.12、压舌板上下调节丝杠3.2.13、压舌板前后调节电机3.2.14以及压舌板上下调节电机3.2.15；
压舌推进外壳3.2.1固定在压舌推进装置机械臂末端3.1.2，用于支撑和安装压舌推进装置3.2中的其他零件；
支气管镜导管3.2.2从上部横贯压舌推进装置3.2；
支气管镜导管3.2.2与支气管镜导向块3.2.3滑动连接；
挤压滚轮3.2.4通过推进挤压电机3.2.5驱动，在摩擦力作用下驱动支气管镜导管3.2.2 移动；
进一步的，通过推进挤压电机3.2.5的正反向转动，驱动支气管镜导管3.2.2的前进或后退；
滚轮调节螺母3.2.6固定在压舌推进外壳3.2.1上，滚轮调节螺母3.2.6末端与挤压滚轮3.2.4连接，用以调节挤压滚轮3.2.4之间的中心距，进而调节挤压滚轮3.2.4之间形成的通道的尺寸，以适用不同直径的支气管镜导管3.2.2；
铜片3.2.7分布在支气管镜导管3.2.2传输方向上的两侧，控制压舌推进装置3.2相对于患者的相对运动；
支气管镜导向块3.2.3在铜片3.2.7的中间位置，与铜片3.2.7铰接，用于穿过支气管镜导管3.2.2；
伸缩推杆3.2.8分布在支气管镜导管3.2.2传输方向上的两侧；
进一步的，铜片3.2.7与伸缩推杆3.2.8配合使用，通过伸缩推杆3.2.8自身的伸缩特性来控制铜片3.2.7的角度，进而调节支气管镜导管3.2.2进入口腔时的方向，便于找到合适的插管位置；
压舌板3.2.9为直接作用部件，从口部插入患者体内一定部位，挑起会厌、暴露声门，替代原本利用喉镜的方式完成，为支气管镜导管3.2.2末端姿态调节提供保证；
导轨3.2.10固定在压舌推进外壳3.2.1上，与压舌板位置调节块3.2.11滑动连接，用于支撑压舌板位置调节块3.2.11；
压舌板位置调节块3.2.11与压舌板前后调节丝杠3.2.12以及压舌板上下调节丝杠 3.2.13旋转连接，与压舌板3.2.9铰接，用于调整压舌板3.2.9位置。
压舌板前后调节丝杠3.2.12，一端与压舌板位置调节块3.2.11旋转连接，一端与压舌板前后调节电机3.2.14固定连接；
压舌板前后调节电机3.2.14固定在压舌推进外壳3.2.1上，与压舌板前后调节丝杠3.2.12一端铰接，驱动压舌板3.2.9前后运动，调节压舌板3.2.9与患者的前后位置；
压舌板上下调节丝杠3.2.13，一端与压舌板位置调节块3.2.11旋转连接，一端与压舌板上下调节电机3.2.15固定连接；
压舌板上下调节电机3.2.15固定在压舌推进外壳3.2.1上，与压舌板上下调节丝杠 3.2.13一端铰接，驱动压舌板3.2.9上下运动，调节压舌板3.2.9与患者的上下位置；
进一步的，在工作时，支气管镜穿过压舌推进装置3.2，压舌推进装置3.2上的压舌板 3.2.9将患者舌头下压使得患者咽部露出，通过推进挤压电机3.2.5驱动挤压滚轮3.2.4，通过摩擦力将支气管镜向前递送，压舌推进装置机械臂3.1实现从不同的角度将患者舌头下压和将支气管镜向不同的方向递送；
如图12所示，手术钳装置，包括：上钳夹4.1、上钳夹驱动绳4.2、上钳夹扭转电机4.3、下钳夹4.4、下钳夹驱动绳4.5、下钳夹扭转电机4.6、腕部扭转关节4.7、腕部扭转驱动绳 4.8、腕部扭转电机4.9、导向柱4.10、柔性收纳管4.11；
上钳夹4.1通过上钳夹驱动绳4.2与上钳夹扭转电机4.3输出轴相连，上钳夹扭转电机 4.3的转动通过上钳夹驱动绳4.2带动上钳夹4.1的开合；
下钳夹4.4通过下钳夹驱动绳4.5与下钳夹扭转电机4.6输出轴相连，下钳夹扭转电机 4.6的转动通过下钳夹驱动绳4.5带动下钳夹4.4的开合；
腕部扭转关节4.7通过腕部扭转驱动绳4.8与腕部扭转电机4.9输出轴相连，腕部扭转电机4.9的转动通过腕部扭转驱动绳4.8带动腕部扭转关节4.7的转动；
上钳夹驱动绳4.2、下钳夹驱动绳4.5以及腕部扭转驱动绳4.8绕过导向柱4.10，实现导向；
柔性收纳管4.11将上钳夹4.1与上钳夹扭转电机4.3、下钳夹4.4与下钳夹扭转电机4.6 以及腕部扭转关节4.7与腕部扭转电机4.9分别相连；
柔性收纳管4.11内部还包含有能使上钳夹驱动绳4.2、下钳夹驱动绳4.5和腕部扭转驱动绳4.8放置及通过的小通道；
驱动器，驱动传送通道直径调节电机1.2.1、主传动电机1.2.3、旋转驱动电机2.2.12、推进挤压电机3.2.5、压舌板前后调节电机3.2.14、压舌板上下调节电机3.2.15、上钳夹扭转电机4.3、下钳夹扭转电机4.6以及腕部扭转电机4.9转动；
无线接收装置，实现驱动器与主操作层的无线通讯；
如图1所示，主操作层，包括：力反馈摇杆、主控机、主操作层计算机以及主操作层医学成像系统；
力反馈摇杆，由医生进行操作，采集医生推拉和旋转操作所述力反馈摇杆产生的运动缩放动作信息，发送给主控机，并接受主控机发出的控制信号，产生阻力矩使得医生感受到力；
实施例中，采用微软的SideWinder Force Feedback 2力反馈摇杆，SideWinderForce Feedback 2是微软公司继SideWinder Force Feedback Pro推出的一款新力反馈摇杆，具有 8个可编程按钮、1个节流阀以及1个切换控制帽，实现在Ⅹ轴方向移动、Y轴方向移动以及绕Z轴旋转，具有力反馈，并且利用力反馈功能控制前进、后退以及旋转功能；
如图13所示，主控机包括：主控机芯片、力传感器、去耦合电路、复位电路、启动选择电路、启动晶振电路、时钟晶振电路、CAN总线电路、RS232串口电路、RS485串口电路、无线接收电路、CH340串口电路、CH340启动晶振电路、供电电路、稳压电路以及漏电保护电路；
主控机芯片是主控机的核心，与主控机的力传感器、去耦合电路、复位电路、启动选择电路、启动晶振电路、时钟晶振电路、CAN总线电路、RS232串口电路、RS485串口电路、无线接收电路、CH340串口电路以及CH340启动晶振电路相连；
如图14所示，实施例中，主控机芯片采用嵌入式STM32F103VET6，STM32F103VET6具有 ARM CortexTM-M3 32位的CPU内核，工作频率72MHz，内置高速存储器，4-16MHz的晶振，内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路，内部40kHz的RC振荡电路，带校准用于RTC的32kHz 的晶振，3个12位1us级的A/D转换器，2个12位的D/A转换器，112个的快速I/O端口，包括51、80和112的I/O端口，所有的端口映射到16个外部中断向量，并接受5V以内的输入，11个定时器，4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器和正交编码器输入，2个16位的电机控制PWM定时器具有死区时间生成和紧急停止，2个看门狗定时器，1个Systick定时器，24位倒计数器，2个16位基本定时器用于驱动DAC，3个通用16 位定时器和1个PWM定时器，2个I2C接口，5个USART接口，3个SPI接口，1个CAN接口， 1个USB 2.0全速接口，1个SDIO接口，ECOPACK封装；
进一步的，主控机芯片通过引脚NRST与复位电路相连，通过引脚BOOT0和引脚PB2与启动选择电路相连，通过IIC通线总线接口PB6以及引脚PB7与漏电保护电路相连，通过引脚 12、引脚13、引脚8以及引脚9与时钟晶振电路相连，通过引脚PA9以及引脚PA10与CH340串口电路相连，通过引脚PA2以及引脚PA3与RS232串口电路相连，通过引脚47以及引脚 48与无线接收电路相连，通过引脚PA11以及引脚PA12与CAN总线电路相连，通过引脚PA6 以及引脚PA5与力传感器相连；
力传感器安装在支气管镜先端起始部、侧壁部，实时测出插管过程中阻力的大小，并发送给主控机芯片；
如图15所示，实施例中，采用Honeywell的FSS1500NST，FSS1500NST使用专门的压阻式微机械硅传感元件，具有高阻抗电桥，极低挠度，高ESD电阻的特点，低功耗，未放大，未补偿惠斯通电桥电路设计提供了稳定的mV输出力范围，使用低偏转，约30μm，减少测量误差，驱动球与传感元件的直接机械耦合减少了耦合误差，始终提供一致的输出，小尺寸使印刷电路板上的空间最小化，在不影响信号完整性的情况下提供增强的灵敏度，降低系统噪声和测量误差，比例电输出适应电源电压变化，实现低比例误差，高阻抗电桥，极低挠度，高ESD电阻；
去耦合电路用以滤除外界辐射的高频干扰以及主控机自身产生的脉冲干扰；
如图16所示，实施例中，去耦合电路采用在每个供电引脚输入口放置一个或者多个电容，降低电源产生脉冲抖动，并具有去耦作用；
复位电路用以将主控机恢复到起始状态；
如图17所示，实施例中，复位电路由一个104电容串联10K电阻构成，同时在电容处并联一个复位开关，因为电容的电压不能突变的，当系统上电时，主控机芯片的RST脚将会出现一个持续的高电平，通过复位开关的开合，实现对电容的短接，从而实现对主控机的复位功能；
启动选择电路用以控制主控机的启动模式；
如图18所示，实施例中，采用BOOT0/BOOT1这两个引脚控制主控机的启动模式：
1.BOOT0＝X，BOOT1＝0：主闪存存储器启动；
2.BOOT0＝0，BOOT1＝1：系统存储器启动；
3.BOOT0＝1，BOOT1＝1：内置SRAM启动；
进一步的，采用BOOT0＝0，BOOT1＝0，主控机为默认启动模式；
启动晶振电路用以为主控机芯片提供基本震荡源；
如图19所示，实施例中，启动晶振电路主要由外部晶振、电容、电阻构成的；
主控机芯片内部振荡器在外部晶振、电容的作用下产生自激振荡，为主控机芯片提供8MHz 的正弦信号；
时钟晶振电路用于实时时钟源；
如图20所示，实施例中，时钟晶振电路用32.768KHz的外部晶振，外部晶振连接在OSC3 以及OSC4之间而且获得稳定的频率必须外加两个带外部电阻的电容以构成振荡电路；
32.768KHz的时钟晶振产生的振荡信号经过石英钟内部分频器进行15次分频后得到1Hz 秒信号，32.768K＝32768＝215，即秒针每秒钟走一下，数据转换比较方便、精确；
CAN总线电路、RS232串口电路、RS485串口电路以及CH340串口电路用于实现串口通讯功能；
如图21所示，实施例中，CAN总线电路采用SN65HVD230，SN65HVD230由3.3V单电源供电运行，PCA封装的低功耗替代产品，总线引脚静电放电保护超过±16kV人体模型，高输入阻抗，允许一条总线上连接120个节点，能够调节的驱动器转换时间，能改善辐射性能，低电流待机模式370μA，1Mbps的数据速率，热关断保护，开路故障安全，针对热插拔应用的无毛刺脉冲上电和掉电保护；
如图22所示，实施例中，RS232串口电路采用SP3232E，SP3232E是带卷包装的收发器，驱动器/接收器数为2/2，接收器滞后为300mV，数据速率为235Kbps，电压电源为3-5.5V，表面贴装，16-SOIC封装；
如图23所示，实施例中，RS485串口电路采用SP3485，SP3485是RS-485和RS-422收发器，工作电压为3.3V，与+0.5V的逻辑电路共同工作，驱动器/接收器使能，低功耗关断模式，-7V～+12V的共模输入电压范围，在同一串行总线上连接32个收发器，与工业标准75176管脚配置兼容，具有驱动器输出短路保护功能；
如图24所示，实施例中，CH340串口电路采用340R，340R实现USB转串口，提供常用的MODEM联络信号，支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS，通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422接口，支持5V和3.3V电源电压，SSOP-20和SOP-16 无铅封装；
无线接收电路用于实现短距离无线通信功能；
如图25所示，实施例中，无线接收电路采用RF-BM-4044B4--陶瓷蓝牙，RF-BM-4044B4-- 陶瓷蓝牙基于CC2640R2FRSM蓝牙智能BLE4.2或BT5.0片上系统，完全支持单模蓝牙低能耗操作，包含一个32位ARM CortexTM-M3处理器，工作频率为48.0MHz，2.4GHz射频收发器，兼容蓝牙低能耗4.2及规范，接收机灵敏度-97dBm BLE，可编程输出功率+2dBm，信号端或差分射频接口，
Figure BDA0003214035440000171
-M3处理器，48MHz时钟速度，275KB的非易失性存储器，2针cJTAG 和JTAG调试，支持无线升级，超低功耗传感器控制器，16位体系结构，2KB超低泄漏功耗 SRAM，外设有12位ADC，200k采样/s，8通道模拟，多路复用器，连续时间比较器，超低功耗模拟比较器，可编程电流源，通用异步收发器，2个同步串行接口，I2C，I2S，实时时钟， AES-128安全模块，真随机数发生器等，宽电源电压范围1.8－3.8V，主动模式RX时为5.9mA，0dBm时的主动模式TX为6.1mA，主动模式MCU为61μA/MHz，主动模式MCU为48.5CoreMark/mA，主动模式传感器控制器为0.4mA+8.2μA/MHz，待机时为1.1μA，关机时为100nA，0.8×0.8大小；
CH340启动晶振电路用于实现CH340串口电路工作时需要时钟脉冲信号，提供精确的波特率；
如图26所示，实施例中，CH340启动晶振电路选择12MHz的石英晶体，旁路电容选择22pF 独石或高频瓷片电容；
供电电路经过漏电保护电路，并通过稳压电路，为主控机的各部分进行供电；
如图27所示，实施例中，供电电路包括充电电池以及充电适配器，当外部交流电源接入时，充电适配器提供电压，为主控机的各部分进行供电，并为充电电池充电，当外部交流电源断开时，充电电池为主控机的各部分进行供电；
稳压电路实现电压转换，并为主控芯片提供稳定的电压输入；
如图28所示，实施例中，稳压电路选用ASM1117-1.2C475600，ASM1117-1.2C475600是低压差三端稳压器，在1A负载电流下压降为1.3V，最大输出电流为1.4A，工作输入电压范围最大30V，线路调节0.03％/V，2mA待机电流，0.2％/A负载调节，固定输出版本Vout＝1.5V、 1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V，1％精度，Vout＝1.2V，2％精度，可调版本在两个外部电阻器作用下提供1.25到12V的输出电压，提供过热切断、限流功能，保证芯片和电源系统的稳定性，SOT-223包装；
所述漏电保护电路用于电路在突然断电或其他因素引起电路异常时及时存储保护数据，便于再次启动时使用。
如图29所示，实施例中，漏电保护电路采用24C02C-E/P，24C02C-E/P为单电源供电，工作电压为4.5-5.5V，低功耗CMOS技术，做功电流为1mA，5.5V时备用电流10μA，单个字块256字节，上半阵列硬件写保护，2线串行接口总线，I2C兼容，100kHz和400kHz兼容， 16字节页面写入缓冲区，自定时写周期，字节或页面模式的快速1ms写入周期，总线上最多 8个设备，8针PDIP、SOIC或TSSOP封装；
主操作层医学成像系统与电磁导航层医学成像系统相连，接收电磁导航层医学成像系统传来的支气管镜的视频数据，由医生观察并更好地控制支气管镜的移动；
实施例中，采用EPK-1000电子影像处理机，100W短弧疝气灯，色调调整Red-5级以及Blue-5级，视频输出RGB*2、Y/C*2、Video*1以及Computer*1，外围设备控制接口RS-232C*1，外设遥控*2，数字影像输出SERIAL端口*1；
如图1所示，网络层，用于实现电磁导航层、从操作层、主操作层以及各层子一级装置间的通讯以及数据传输；
主操作层计算机通过有线方式与主控机相连，接收以及调取主控机的信息及指令；
主操作层计算机，通过有线和无线两种方式与电磁导航层计算机相连，同步接收电磁导航层计算机的视频数据；
主操作层医学成像系统，通过有线串口方式与主操作层计算机相连，通过主操作层计算机接收电磁导航层医学成像系统的支气管镜的视频数据，并在主操作层医学成像系统显示，由医生观察并地控制支气管镜的移动；
进一步的，由医生通过力反馈摇杆运动方向，主控机收到力反馈摇杆运动信息后，通过无线接收装置，将转动指令下发驱动器，控制从操作层的相应装置进行相应的操作。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.遥操作支气管镜机器人系统，其特征在于，采用电磁导航层实现支气管镜的定位与导航，采用主从式的控制方式，医生通过主操作层的力反馈遥杆输入动作，从操作层复现医生手部动作完成气管插管操作，主操作层与从操作层通过网络层进行连接，实现医生的远程操作功能。
2.根据权利要求1所述的遥操作支气管镜机器人系统，其特征在于，包括：电磁导航层、从操作层、主操作层以及网络层；
所述电磁导航层，包括：电磁导航层计算机、电磁导航层医学成像系统、电磁定位板、导航探头、三联体传感器以及CT机；
所述电磁导航层计算机装有导航软件，在术前生成导航路线图，完成术前和术中CT配准，引导所述金属导丝插管路径；
所述电磁导航层计算机与所述电磁导航层医学成像系统相连，接收所述电磁导航层医学成像系统的影像信息；
所述电磁导航层医学成像系统与所述支气管镜相连，显示所述支气管镜前方影像信息；
所述电磁定位板释放低频均匀电磁波，检查时患者平卧于所述电磁定位板上方；
所述导航探头，包括：探头本体、金属导丝以及引导管；
所述探头本体位于所述引导管的尖端，并包含一段柔性的金属线缆；
所述金属导丝对所述引导管起引导及支持作用，帮助所述引导管进入患者腔隙，引导所述引导管顺利到达病变处；
所述引导管用于置入所述支气管镜、所述探头本体以及所述金属导丝；
进一步的，所述引导管的尖端能够360°旋转，并且在所述电磁定位板形成的电磁场中，通过所述探头本体，所述引导管的运动能够被捕获并传送至所述电磁导航层计算机；
更进一步的，所述引导管能够插入所述从操作层的工作通道，按照导航路线到达靶区；
所述三联体传感器，放置于患者体表，用于基本定位；
所述CT机实现术前和术中CT图像叠加校正，综合生成导航计划图；
所述从操作层，包括：支气管镜、机架(5)、推进装置(1.2)、推进装置机械臂(1.1)、旋转夹持装置(2.2)、旋转夹持装置机械臂(2.1)、压舌推进装置(3.2)、压舌推进装置机械臂(3.1)、手术钳装置(4)、驱动器以及无线接收装置；
所述支气管镜是一套数字成像系统，用以采集患者腔内图像信息；
所述机架(5)固定于地面或支撑平台上；
所述推进装置机械臂(1.1)、所述旋转夹持装置机械臂(2.1)以及所述压舌推进装置机械臂(3.1)均为空间六自由度关节机械臂；
进一步的，所述推进装置机械臂(1.1)、所述旋转夹持装置机械臂(2.1)以及所述压舌推进装置机械臂(3.1)分别通过推进装置机械臂底座(1.1.1)、旋转夹持装置机械臂底座(2.1.1)以及压舌推进装置机械臂底座(3.1.1)固定于所述机架(5)上；
进一步的，所述推进装置机械臂末端(1.1.8)固定连接所述推进装置(1.2)，所述旋转夹持装置机械臂末端(2.1.8)固定连接所述旋转夹持装置(2.2)，所述压舌推进装置机械臂末端(3.1.8)固定连接所述压舌推进装置(3.2)；
所述推进装置(1.2)，包括：推进装置外壳(1.2.8)、传送通道直径调节电机(1.2.1)、传送通道直径调节肋板(1.2.2)、主传动电机(1.2.3)、主传动齿轮(1.2.4)、从传动齿轮群(1.2.5)、支气管镜入口(1.2.6)以及支气管镜出口(1.2.7)；
所述推进装置外壳(1.2.8)固定连接在所述推进装置机械臂末端(1.1.8)，用于支撑和安装所述推进装置(1.2)中的其他零件；
所述传送通道直径调节电机(1.2.1)与所述传送通道直径调节肋板(1.2.2)相连，用于调节传送通道直径，以适应不同直径的所述支气管镜；
所述主传动电机(1.2.3)与所述主传动齿轮(1.2.4)相连，所述主传动齿轮(1.2.4)通过摩擦力输送所述支气管镜；
所述从传动齿轮群(1.2.5)用以夹持并辅助所述主传动齿轮(1.2.4)输送所述支气管镜，能够调节所述支气管镜传送路线；
所述支气管镜入口(1.2.6)略大于所述支气管镜，用于确定所述支气管镜的入口位置，帮助所述支气管镜顺利通过所述推进装置(1.2)；
所述支气管镜出口(1.2.7)略大于所述支气管镜，用于确定所述支气管镜的出口位置，帮助所述支气管镜顺利通过所述推进装置(1.2)；
进一步的，在工作时，所述支气管镜穿过所述推进装置(1.2)，所述推进装置(1.2)将所述支气管镜向前递送，所述推进装置机械臂(1.1)实现将所述支气管镜从各个角度向前递送；
所述旋转夹持装置(2.2)，包括：旋转夹持外壳(2.2.1)、旋转夹持主轴(2.2.2)、换向减速机(2.2.3)、伞形旋转驱动齿轮(2.2.4)、锥形旋转齿轮(2.2.5)、结构支撑轴承(2.2.6)、锥形套筒(2.2.7)、弹性顶撑元件(2.2.8)、夹紧卡盘(2.2.9)、夹紧套筒(2.2.10)、夹紧推杆(2.2.11)以及旋转驱动电机(2.2.12)；
所述旋转夹持外壳(2.2.1)固定连接在所述旋转夹持装置机械臂末端(2.1.8)，用于支撑和安装所述旋转夹持装置(2.2)中的其他零件；
所述旋转夹持主轴(2.2.2)与所述旋转夹持外壳(2.2.1)旋转连接，用于连接以及支撑所述旋转夹持装置(2.2)中的其他零件；
所述换向减速机(2.2.3)用于调节动力输出比以及改变动力输出方向；
所述换向减速机(2.2.3)固定在所述旋转夹持外壳(2.2.1)上，所述换向减速机(2.2.3)的动力输出末端与所述伞形旋转驱动齿轮(2.2.4)传动连接；
所述伞形旋转驱动齿轮(2.2.4)安装在所述旋转夹持外壳(2.2.1)上，所述伞形旋转驱动齿轮(2.2.4)的上端与所述换向减速机(2.2.3)传动连接，所述伞形旋转驱动齿轮(2.2.4)的下端与所述锥形旋转齿轮(2.2.5)传动连接；
所述伞形旋转驱动齿轮(2.2.4)起到过渡作用，通过齿轮啮合带动所述锥形旋转齿轮(2.2.5)旋转；
所述锥形旋转齿轮(2.2.5)固定在所述旋转夹持主轴(2.2.2)上，处在传动链的末端，当所述支气管镜被所述夹紧卡盘(2.2.9)夹紧时，在所述旋转驱动电机(2.2.12)的作用下，驱动所述支气管镜旋转；
所述结构支撑轴承(2.2.6)放置在所述旋转夹持主轴(2.2.2)内侧靠近两端的位置，起到结构支撑和减小摩擦的作用；
所述锥形套筒(2.2.7)，纵抛切面为锥形,从两端到内侧直径逐渐减小，所述锥形套筒(2.2.7)与所述旋转夹持主轴(2.2.2)弹性连接，在所述夹紧套筒(2.2.10)的推动下压缩所述夹紧卡盘(2.2.9)之间空隙，实现夹紧所述支气管镜的作用；
所述弹性顶撑元件(2.2.8)为弹性元件，安装在所述夹紧套筒(2.2.10)上，所述弹性顶撑元件(2.2.8)的顶端与所述锥形套筒(2.2.7)外侧接触，具有缓冲作用，避免所述支气管镜受到直接挤压而破损；
所述夹紧卡盘(2.2.9)沿圆周均匀分布，相互之间留有空隙；
所述夹紧卡盘(2.2.9)与所述旋转夹持主轴(2.2.2)弹性连接，所述夹紧卡盘(2.2.9)在所述锥形套筒(2.2.7)的推动下会进行收缩，夹紧所述支气管镜；
所述夹紧套筒(2.2.10)，一端与所述夹紧推杆(2.2.11)铰接，一端与所述旋转夹持主轴(2.2.2)滑动连接，由所述夹紧推杆(2.2.11)驱动，在所述旋转夹持主轴(2.2.2)上滑动；
所述夹紧推杆(2.2.11)，一端与所述旋转夹持外壳(2.2.1)铰接，一端与所述夹紧套筒(2.2.10)铰接，能够伸缩，负责驱动所述夹紧套筒(2.2.10)的运动；
所述旋转驱动电机(2.2.12)固定在所述旋转夹持外壳(2.2.1)上，输出端与所述换向减速机(2.2.3)连接，实现所述旋转夹持主轴(2.2.2)的动力输出；
进一步的，在工作时，所述支气管镜穿过所述旋转夹持装置(2.2)，所述旋转夹持装置(2.2)将所述支气管镜夹紧转动，使所述支气管镜的末端转向不同的角度，所述旋转夹持装置机械臂(2.1)配合所述旋转夹持支装置(2.2)将所述支气管镜指向不同的方向；
所述压舌推进装置(3.2)，包括：压舌推进外壳(3.2.1)、支气管镜导管(3.2.2)、支气管镜导向块(3.2.3)、挤压滚轮(3.2.4)、推进挤压电机(3.2.5)、滚轮调节螺母(3.2.6)、铜片(3.2.7)、伸缩推杆(3.2.8)、压舌板(3.2.9)、导轨(3.2.10)、压舌板位置调节块(3.2.11)、压舌板前后调节丝杠(3.2.12)、压舌板上下调节丝杠(3.2.13)、压舌板前后调节电机(3.2.14)以及压舌板上下调节电机(3.2.15)；
所述压舌推进外壳(3.2.1)固定在所述压舌推进装置机械臂末端(3.1.8)，用于支撑和安装所述压舌推进装置(3.2)中的其他零件；
所述支气管镜导管(3.2.2)从上部横贯所述压舌推进装置(3.2)；
所述支气管镜导管(3.2.2)与所述支气管镜导向块(3.2.3)滑动连接；
所述挤压滚轮(3.2.4)通过所述推进挤压电机(3.2.5)驱动，在摩擦力作用下驱动所述支气管镜导管(3.2.2)移动；
进一步的，通过所述推进挤压电机(3.2.5)的正反向转动，驱动所述支气管镜导管(3.2.2)的前进或后退；
所述滚轮调节螺母(3.2.6)固定在所述压舌推进外壳(3.2.1)上，所述滚轮调节螺母(3.2.6)末端与所述挤压滚轮(3.2.4)连接，用以调节所述挤压滚轮(3.2.4)之间的中心距，进而调节所述挤压滚轮(3.2.4)之间形成的通道的尺寸，以适用不同直径的所述支气管镜导管(3.2.2)；
所述铜片(3.2.7)分布在所述支气管镜导管(3.2.2)传输方向上的两侧，控制所述压舌推进装置(3.2)相对于患者的相对运动；
所述支气管镜导向块(3.2.3)在所述铜片(3.2.7)的中间位置，与所述铜片(3.2.7)铰接，用于穿过所述支气管镜导管(3.2.2)；
所述伸缩推杆(3.2.8)分布在所述支气管镜导管(3.2.2)传输方向上的两侧；
进一步的，所述铜片(3.2.7)与所述伸缩推杆(3.2.8)配合使用，通过所述伸缩推杆(3.2.8)自身的伸缩特性来控制所述铜片(3.2.7)的角度，进而调节所述支气管镜导管(3.2.2)进入口腔时的方向，便于找到合适的插管位置；
所述压舌板(3.2.9)为直接作用部件，从口部插入患者体内一定部位，挑起会厌、暴露声门，替代原本利用喉镜的方式完成，为所述支气管镜导管(3.2.2)末端姿态调节提供保证；
所述导轨(3.2.10)，固定在所述压舌推进外壳(3.2.1)上，与所述压舌板位置调节块(3.2.11)滑动连接，用于支撑所述压舌板位置调节块(3.2.11)；
所述压舌板位置调节块(3.2.11)，与所述压舌板前后调节丝杠(3.2.12)以及所述压舌板上下调节丝杠(3.2.13)旋转连接，与所述压舌板(3.2.9)铰接，用于调整所述压舌板(3.2.9)位置；
所述压舌板前后调节丝杠(3.2.12)，一端与所述压舌板位置调节块(3.2.11)旋转连接，一端与所述压舌板前后调节电机(3.2.14)固定连接；
所述压舌板前后调节电机(3.2.14)固定在所述压舌推进外壳(3.2.1)上，与所述压舌板前后调节丝杠(3.2.12)一端铰接，驱动所述压舌板(3.2.9)前后运动，调节所述压舌板(3.2.9)与患者的前后位置；
所述压舌板上下调节丝杠(3.2.13)，一端与所述压舌板位置调节块(3.2.11)旋转连接，一端与所述压舌板上下调节电机(3.2.15)固定连接；
所述压舌板上下调节电机(3.2.15)固定在所述压舌推进外壳(3.2.1)上，与所述压舌板上下调节丝杠(3.2.13)一端铰接，驱动所述压舌板(3.2.9)上下运动，调节所述压舌板(3.2.9)与患者的上下位置；
进一步的，在工作时，所述支气管镜穿过所述压舌推进装置(3.2)，所述压舌推进装置(3.2)上的所述压舌板(3.2.9)将患者舌头下压使得患者咽部露出，通过所述推进挤压电机(3.2.5)驱动所述挤压滚轮(3.2.4)，通过摩擦力将所述支气管镜向前递送，所述压舌推进装置机械臂(3.1)实现从不同的角度将患者舌头下压以及将所述支气管镜向不同的方向递送；
所述手术钳装置，包括：上钳夹(4.1)、上钳夹驱动绳(4.2)、上钳夹扭转电机(4.3)、下钳夹(4.4)、下钳夹驱动绳(4.5)、下钳夹扭转电机(4.6)、腕部扭转关节(4.7)、腕部扭转驱动绳(4.8)、腕部扭转电机(4.9)、导向柱(4.10)、柔性收纳管(4.11)；
所述上钳夹(4.1)通过所述上钳夹驱动绳(4.2)与所述上钳夹扭转电机(4.3)输出轴相连，所述上钳夹扭转电机(4.3)的转动通过所述上钳夹驱动绳(4.2)带动所述上钳夹(4.1)的开合；
所述下钳夹(4.4)通过所述下钳夹驱动绳(4.5)与所述下钳夹扭转电机(4.6)输出轴相连，所述下钳夹扭转电机(4.6)的转动通过所述下钳夹驱动绳(4.5)带动所述下钳夹(4.4)的开合；
所述腕部扭转关节(4.7)通过所述腕部扭转驱动绳(4.8)与所述腕部扭转电机(4.9)输出轴相连，所述腕部扭转电机(4.9)的转动通过所述腕部扭转驱动绳(4.8)带动所述腕部扭转关节(4.7)的转动；
所述上钳夹驱动绳(4.2)、所述下钳夹驱动绳(4.5)以及所述腕部扭转驱动绳(4.8)绕过所述导向柱(4.10)，实现导向；
所述柔性收纳管(4.11)将所述上钳夹(4.1)与所述上钳夹扭转电机(4.3)、所述下钳夹(4.4)与所述下钳夹扭转电机(4.6)以及所述腕部扭转关节(4.7)与所述腕部扭转电机(4.9)分别相连；
所述柔性收纳管(4.11)内部还包含有能使所述上钳夹驱动绳(4.2)、所述下钳夹驱动绳(4.5)和所述腕部扭转驱动绳(4.8)放置及通过的小通道；
所述驱动器，驱动所述传送通道直径调节电机(1.2.1)、所述主传动电机(1.2.3)、所述旋转驱动电机(2.2.12)、所述推进挤压电机(3.2.5)、所述压舌板前后调节电机(3.2.14)、所述压舌板上下调节电机(3.2.15)、所述上钳夹扭转电机(4.3)、所述下钳夹扭转电机(4.6)以及所述腕部扭转电机(4.9)转动；
所述无线接收装置，实现所述驱动器与所述主操作层的无线通讯；
所述主操作层，包括：力反馈摇杆、主控机、主操作层计算机以及主操作层医学成像系统；
所述力反馈摇杆，由医生进行操作，采集医生推拉和旋转操作所述力反馈摇杆产生的运动缩放动作信息，发送给所述主控机，并接受所述主控机发出的控制信号，产生阻力矩使得医生感受到力；
所述主控机，包括：主控机芯片、力传感器、去耦合电路、复位电路、启动选择电路、启动晶振电路、时钟晶振电路、CAN总线电路、RS232串口电路、RS485串口电路、无线接收电路、CH340串口电路、CH340启动晶振电路、供电电路、稳压电路以及漏电保护电路；
所述主控机芯片是所述主控机的核心，与所述主控机的所述力传感器、所述去耦合电路、所述复位电路、所述启动选择电路、所述启动晶振电路、所述时钟晶振电路、所述CAN总线电路、所述RS232串口电路、所述RS485串口电路、所述无线接收电路、所述CH340串口电路以及所述CH340启动晶振电路相连；
所述力传感器安装在所述支气管镜先端起始部、侧壁部，实时测出插管过程中阻力的大小，并发送给所述主控机芯片；
所述去耦合电路用以滤除外界辐射的高频干扰以及所述主控机自身产生的脉冲干扰；
所述复位电路用以将所述主控机恢复到起始状态；
所述启动选择电路用以控制所述主控机的启动模式；
所述启动晶振电路用以用以为主控机提供基本震荡源；
所述时钟晶振电路用于实时时钟源；
所述CAN总线电路、所述RS232串口电路、所述RS485串口电路以及所述CH340串口电路用于实现串口通讯功能；
所述无线接收电路用于实现短距离无线通信功能；
所述CH340启动晶振电路用于实现所述CH340串口电路工作时需要时钟脉冲信号，提供精确的波特率；
所述供电电路经过所述漏电保护电路，并通过所述稳压电路，为所述主控机的各部分进行供电；
所述稳压电路实现电压转换，并为所述主控芯片提供稳定的电压输入；
所述漏电保护电路用于电路在突然断电或其他因素引起电路异常时及时存储保护数据，便于再次启动时使用；
所述网络层，用于实现所述电磁导航层、所述从操作层、所述主操作层以及各层子一级装置间的通讯以及数据传输；
所述主操作层计算机通过有线方式与所述主控机相连，接收以及调取所述主控机的信息及指令；
所述主操作层计算机，通过有线和无线两种方式与所述电磁导航层计算机相连，同步接收所述电磁导航层计算机的视频数据；
所述主操作层医学成像系统，通过有线串口方式与所述主操作层计算机相连，通过所述主操作层计算机接收所述电磁导航层医学成像系统的所述支气管镜的视频数据，并在所述主操作层医学成像系统显示，由医生观察并地控制所述支气管镜的移动；
进一步的，由医生通过所述力反馈摇杆运动方向，所述主控机收到所述力反馈摇杆运动信息后，通过所述无线接收装置，将转动指令下发所述驱动器，控制所述从操作层的相应装置进行相应的操作。
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