CN113827343A - 一种微创血管介入手术机器人操作装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗手术机器人技术领域，具体涉及一种微创血管介入手术机器人操作装置。本发明包括底板、阻力反馈组件和递送旋捻控制组件；阻力反馈组件包括：伺服电机、扭矩传感器、主动带轮、同步带、从动带轮以及第一位移编码器；递送旋捻控制组件包括：中心转轴、U形转轴固定架、手部操作组件以及第二位移编码器；手部操作组件包括：滑套套筒、圆柱形框架、三角盘、第一销轴、活动连杆、扭簧、弧形按键以及薄片式压力传感器；本发明通过将递送控制机构和旋捻控制机构集成于一体，方便医生同时对导丝进行推进和旋捻动作，并且中心转轴在进行周向旋转运动时并不影响手部操作组件的轴向推进运动，从而将导丝的递送/旋捻动作进行解耦。

Description

一种微创血管介入手术机器人操作装置
技术领域
本发明属于医疗手术机器人技术领域，具体涉及一种微创血管介入手术机器人操作装置。
背景技术
我国居民因疾病死亡的40％左右源于心脑血管疾病，远比肿瘤等疾病致死率高。心血管疾病患病致死导致的负担逐步加重，对心血管疾病的防治成为严重的公共卫生问题。目前对于心血管疾病的治疗手段之一是微创血管介入手术，介入治疗包含血管内、外两种方式，历经30余年的发展，介入治疗可称支柱性学科，与外科和内科齐名。通俗讲，介入治疗不需要大面积的开刀，仅需要在皮肤上作出大小仅几毫米的导丝通道，在如血管造影机、B超、透视机、MR和CT等的机器的帮助下检诊疗，其创伤很小而且术后几天就可以出院。微创血管介入手术以其创口小、创伤轻、痛苦少和恢复快的特点被越来越多的病人所接受。在医学影像设备的辅助下利用导管/导丝进行介入手术操作，介入手术过程相对于普通外科手术较为简单，但传统的微创血管介入手术需要在X射线的辅助下来完成整个手术操作，此过程存在过量辐射，医生为避免辐射往往需要穿上铅衣进行手术，而铅衣的重量会影响手术过程的操作精度和安全性。
随着计算机、通信领域、人工智能等学科的发展，为了提高手术精度，降低手术风险，并尽可能地将医生从含有辐射的手术现场解脱出来，将机器人技术引入到心脑血管介入手术中，心血管疾病发病快，有些心血管疾病又无征兆，病人发病需立即治疗，但由于交通条件和天气等原因可能无法送到医院耽误治疗的最佳时机，因此可以通过主从操作的形式，借助主端操作装置，医生可以远程操控主端操作装置，而病人选择就近治疗，从而不受上述条件的制约，使偏远地区的人民同样享有共同的医疗资源，提高基层的医疗水平。
现有的主端操作装置还存在以下缺陷：无法实现较为精准的力觉信息反馈与信息传递，现有的单向力觉反馈信息不能使医生真实的感受到实际手术过程中导丝在动脉血管中所受的力觉信息。同时，现有的具有力觉信息获取的操作装置并不符合医生在传统微创血管介入手术的操作习惯，不利于医生临床操作经验的发挥。因此，需要设计一种能够解决上述现有技术不足的微创血管介入手术机器人操作装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的无法精准的获取力觉信息、不符合医生的操作习惯、手术精度低以及对医生身体危害大等缺陷，提供一种能够有效获取从端的力反馈、能够同时控制递送和旋捻以及操作难度小的微创血管介入手术机器人操作装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：包括底板以及安装在所述底板上的阻力反馈组件和递送旋捻控制组件；所述阻力反馈组件包括：通过安装座固定在所述底板上的伺服电机、与所述伺服电机的输出轴同轴连接的扭矩传感器、与所述扭矩传感器同轴连接的主动带轮、通过同步带与所述主动带轮传动连接的从动带轮以及与所述从动带轮同轴连接的第一位移编码器；所述递送旋捻控制组件包括：通过转轴支撑架固定在所述底板上的中心转轴、套设在所述中心转轴上的U形转轴固定架和手部操作组件以及与所述中心转轴的末端同轴连接的第二位移编码器；所述U形转轴固定架的底端与所述同步带固定连接，所述手部操作组件位于所述U形转轴固定架的两开口端之间，所述手部操作组件包括：套设在所述中心转轴上的滑套套筒、套设在所述滑套套筒上的圆柱形框架和三角盘、一端通过第一销轴与所述三角盘同轴连接的活动连杆、一端套设在所述第一销轴上的扭簧、设置在所述圆柱形框架侧面上的至少一个弧形按键以及设置在所述弧形按键侧边的薄片式压力传感器；所述弧形按键的内壁上设置有套环，所述活动连杆的另一端通过第二销轴与所述套环同轴连接，所述扭簧的另一端抵靠在所述弧形按键上，所述三角盘设置在所述圆柱形框架的中心处，所述三角盘与所述中心转轴垂直设置，所述圆柱形框架与所述滑套套筒固定连接，所述滑套套筒的内壁上周向设置有多个花键，所述中心转轴上周向设置有多个与所述花键配合的凹槽。
进一步地，所述滑套套筒的两端均固定有滑套轴向固定套，所述滑套轴向固定套通过轴承与所述U形转轴固定架转动连接。
进一步地，所述递送旋捻控制组件还包括固定在所述底板上的支撑架、平行固定在所述支撑架上的两个导轨、沿所述导轨滑动的滑块以及固定在两个所述滑块上的连接件；所述连接件通过固定块固定在所述同步带上，所述U形转轴固定架与所述连接件固定连接。
进一步地，所述滑套套筒上套设有用来固定所述圆柱形框架的弹性挡圈。
进一步地，所述弧形按键与所述薄片式压力传感器接触的一侧上设置有多个凸点。
进一步地，所述第一销轴的第二销轴的端部均设置有销轴端盖。
进一步地，所述主动带轮和所述从动带轮均通过带轮固定架固定在所述底板上，所述主动带轮和所述从动带轮与所述带轮固定架转动连接。
更进一步地，所述阻力反馈组件外固定有保护壳。
本发明的一种微创血管介入手术机器人操作装置的有益效果是：
1、本发明通过将递送控制机构和旋捻控制机构集成于一体，方便医生同时对导丝进行推进和旋捻动作，并且中心转轴在进行周向旋转运动时并不影响手部操作组件的轴向推进运动，从而将导丝的递送/旋捻动作进行解耦。
2、本发明收到来自从端检测到导丝的阻力信息时，伺服电机降低转速，从而使主动带轮和从动带轮转速降低，使同步带移动速度降低，人手在操作递送旋捻控制组件时感受到同步带的速度变化，进而调整对导丝进行递送时的推进力，同时扭矩传感器可以获取人手在操作递送旋捻控制组件时的推进力信息，进而将接收到的信号传递给控制系统，降低从端导丝的推进速度，伺服电机和扭矩传感器的组合使用为医生提供了力觉临场感，通过阻力反馈组件能够有效获取从端的力反馈。
3、本发明通过同步带传动的方式，在一定程度上起到了缓冲减震的作用，减小了反馈力矩对于人手的冲击作用，避免了手术过程中医生的抖颤现象。
4、本发明只需通过人手捏住手部操作组件在中心转轴上滑动或旋捻即可实现对导丝的递送和旋捻的控制，符合医生平时手术中捏住导丝进行递送和旋捻的操作习惯，降低了医生的操作难度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的整体结构图；
图2是本发明实施例的部分结构图；
图3是本发明实施例的阻力反馈组件结构图；
图4是本发明实施例的递送旋捻控制组件结构图；
图5是本发明实施例的手部操作组件结构图；
图6是本发明实施例的手部操作组件爆炸图；
图7是本发明实施例的手部操作组件与U形转轴固定架连接图。
图中:1、底板，2、阻力反馈组件，20、安装座，21、伺服电机，22、扭矩传感器，23、主动带轮，24、同步带，25、从动带轮，26、第一位移编码器，27、带轮固定架，3、递送旋捻控制组件，30、转轴支撑架，31、中心转轴，32、U形转轴固定架，33、手部操作组件，330、滑套套筒，331、圆柱形框架、332、三角盘，333、第一销轴，334、活动连杆，335、扭簧，336、弧形按键，337、薄片式压力传感器，338、套环，339、第二销轴，3310、花键，3311、凹槽，3312、滑套轴向固定套，3313、弹性挡圈，3314、凸点，3315、销轴端盖，3316、框架盖板，34、第二位移编码器，35、支撑架，36、导轨，37、滑块，38、连接件，39、固定块，4、保护壳。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明为一种微创血管介入手术机器人操作装置，本发明的操作装置是微创血管介入手术机器人中主从结构的“主”端。主端将医生对导丝的夹持、旋捻和递送的控制指令传输到控制系统，控制系统对从端发出指令。从端根据控制系统的指令将主端编码器采集到的位置信息转换为对从端相应电机的动作信号，从而对导丝进行夹持、旋捻和递送动作，并将从端的力和位置信息反馈给控制系统，从而使反馈力可以某一映射比例反馈导丝阻力给人手，医生再通过调整推进力和夹持力的大小反馈给从端以完成主从端的双向力反馈。
如图1-图7所示的本发明的一种微创血管介入手术机器人操作装置的具体实施例，包括底板1以及安装在底板1上的阻力反馈组件2和递送旋捻控制组件3；阻力反馈组件2包括：通过安装座20固定在底板1上的伺服电机21、与伺服电机21的输出轴同轴连接的扭矩传感器22、与扭矩传感器22同轴连接的主动带轮23、通过同步带24与主动带轮23传动连接的从动带轮25以及与从动带轮25同轴连接的第一位移编码器26，手部操作组件33进行轴向递进运动后的位置信息转化为同步带24轮组的旋转角度信息，第一位移传感器用来采集同步带24轮组的旋转角度信息；扭矩传感器22通过传感器固定架固定在底板1上，主动带轮23和从动带轮25均通过带轮固定架27固定在底板1上，主动带轮23和从动带轮25与带轮固定架27转动连接。
医生在操作递送旋捻控制组件3时的作用力与伺服电机21的转速成正比，当手术机器人从端检测到导丝的阻力信息时，通过CAN通信传递给伺服电机21，伺服电机21收到来自从端的速度抑制信号降低转速，从而使主动带轮23和从动带轮25转速降低，使同步带24移动速度降低，人手在操作递送旋捻控制组件3时感受到同步带24的速度变化，进而调整对导丝进行递送时的推进力，同时扭矩传感器22可以获取人手在操作递送旋捻控制组件3时的推进力信息，进而将接收到的信号传递给控制系统，降低从端导丝的推进速度，伺服电机21和扭矩传感器22的组合使用为医生提供了力觉临场感，通过阻力反馈组件2能够有效获取从端的力反馈。
参见图2和图4，递送旋捻控制组件3包括：分别固定在两个带轮固定架27上的转轴支撑架30、两端固定在转轴支撑架30上的中心转轴31、套设在中心转轴31上的U形转轴固定架32和手部操作组件33以及与中心转轴31的末端同轴连接的第二位移编码器34，第二位移编码器34用来采集人手通过手部操作组件33进行周向旋捻运动带动中心转轴31转动的旋转角度信息；递送旋捻控制组件3还包括固定在底板1上的支撑架35、平行固定在支撑架35上的两个导轨36、沿导轨36滑动的滑块37以及固定在两个滑块37上的连接件38；连接件38通过固定块39固定在同步带24上，U形转轴固定架32与连接件38固定连接，U形转轴固定架32的两个U形开口端的外侧固定有轴承端盖，U形转轴固定架32的底端与同步带24固定连接，U形转轴固定架32沿导轨36滑动，手部操作组件33位于U形转轴固定架32的两个开口端之间；在进行推进运动时，滑块37在导轨36上滑动，由于连接件38中间部分需要与同步带24接触，因此在连接件38与同步带24接触处下方设置有固定块39，以保证U形转轴固定架32可正常进行推进动作，若需要对导丝执行递送命令时，医生用中指与拇指夹持手部操作组件33，在中心转轴31上做轴向推进动作，带动U形转轴固定架32在导轨36上直线滑动，同时给扭矩传感器22提供推进力信息，扭矩传感器22获取推进力信息后，传递给伺服电机21推进动作信号，进而伺服电机21带动主动带轮23和从动带轮25运动，使同步带24以一定的速度运动，第一位移编码器26获取到来自同步带24轮组的旋转角度信息，进而获取医生对手部操作组件33的轴向推进信息，传递给手术机器人从端使导丝进行轴向递送，从而实现导丝的推进速度与医生的推进力信息成正比。通过手部操作组件33带动同步带24传动，在一定程度上起到了缓冲减震的作用，减小了反馈力矩对于人手的冲击作用，避免了手术过程中医生的抖颤现象。
若需要对导丝执行旋捻动作，则医生用两指夹持手部操作组件33，在中心转轴31上做周向旋捻动作，带动中心转轴31在转轴支撑架30上周向旋转，连接在中心转轴31末端的第二位移编码器34获取到来自中心转轴31的旋转角度信息，进而获取医生对手部操作组件33的周向旋捻信息，传递给手术机器人从端使导丝进行周向旋捻，由于两端的转轴支撑架30限制了中心转轴31其余方向的运动，使得中心转轴31只能通过花键3310进行周向旋转，并且由于U形转轴固定架32和导轨36的组合设计，使得中心转轴31在进行周向旋转运动时并不影响手部操作组件33的轴向推进运动，从而将导丝的递送/旋捻动作进行解耦。
如图4-图7所示，手部操作组件33包括：套设在中心转轴31上的滑套套筒330、套设在滑套套筒330上的圆柱形框架331和三角盘332、一端分别通过第一销轴333与三角盘332三个角同轴转动连接的活动连杆334、一端套设在第一销轴333上的且位于三角盘332上方的扭簧335、呈圆周阵列设置在圆柱形框架331侧面上的三个弧形按键336以及设置在弧形按键336侧边的薄片式压力传感器337，弧形按键336与薄片式压力传感器337接触的一侧上设置有多个凸点3314，以使薄片式压力传感器337能更好地感知人手端的接触压力；弧形按键336的内壁上设置有两个套环338，两个套环338上下设置，两个套环338分别贴附在活动连杆334的上表面和下表面上，活动连杆334的另一端通过第二销轴339与两个套环338同轴连接，扭簧335的另一端抵靠在弧形按键336上，扭簧335在人手触摸弧形按键336完成指令后可使弧形按键336复位，第一销轴333和第二销轴339的端部均设置有销轴端盖3315，圆柱形框架331为中空结构，三角盘332设置在圆柱形框架331的中心处，三角盘332与中心转轴31垂直设置，圆柱形框架331与滑套套筒330固定连接，滑套套筒330的内壁上设置有多个花键3310，中心转轴31上周向设置有多个与花键3310配合的凹槽3311，滑套套筒330与中心转轴31之间采用适合经常滑移的花键3310连接，滑套套筒330限制在U形转轴固定架32的两个开口端之间。滑套套筒330的两端均固定有滑套轴向固定套3312，滑套轴向固定套3312通过轴承与U形转轴固定架32转动连接，能够有效减小手部操作组件33周向旋转的动摩擦。中心转轴31两端的转轴支撑架30限制中心转轴31其余方向的运动，使中心转轴31只能通过花键3310进行绕轴旋转，滑套轴向固定套3312通过深沟球轴承与U形转轴固定架32固定连接，使U形转轴固定架32、滑套轴向固定套3312、滑套套筒330和手部操作组件33形成一整体进行推进运动，弹性挡圈3313对手部操作组件33进行轴向固定，深沟球轴承能够有效地减少手部操作组件33周向旋转的动摩擦，使医生在进行旋捻动作时提高了旋捻精度。
若需要对导丝执行夹持命令，则医生用两指按压弧形按键336，弧形按键336经人手按压后可触压到薄片式压力传感器337，薄片式压力传感器337可以检测人手对其施加的压力，获取到医生的夹持力信息，进而控制手术机器人从端对导丝的夹持。由于第一销轴333和第二销轴339的组合作用，使弧形按键336、活动连杆334和三角盘332连接在一起，当医生按压弧形按键336时，带动活动连杆334运动，由于第一销轴333和第二销轴339的组合作用，从而使弧形按键336处于凹陷状态，由于扭簧335一端与弧形按键336接触，当医生完成操作松开弧形按键336时，由于扭簧335的作用使弧形按键336复位，同时医生若感受到导丝末端的阻力超过期望的阈值时，调整按压弧形按键336的夹持力大小，避免导丝戳破血管壁。
如图6-图7所示，圆柱形框架331的端部固定有框架盖板3316，滑套套筒330上套设有用来固定圆柱形框架331和框架盖板3316的弹性挡圈3313，以用来对手部操作组件33进行轴向固定。
参见图1，为了使整个操作装置更加安全和美观，阻力反馈组件2外固定有保护壳4。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：包括底板(1)以及安装在所述底板(1)上的阻力反馈组件(2)和递送旋捻控制组件(3)；所述阻力反馈组件(2)包括：通过安装座(20)固定在所述底板(1)上的伺服电机(21)、与所述伺服电机(21)的输出轴同轴连接的扭矩传感器(22)、与所述扭矩传感器(22)同轴连接的主动带轮(23)、通过同步带(24)与所述主动带轮(23)传动连接的从动带轮(25)以及与所述从动带轮(25)同轴连接的第一位移编码器(26)；所述递送旋捻控制组件(3)包括：通过转轴支撑架(30)固定在所述底板(1)上的中心转轴(31)、套设在所述中心转轴(31)上的U形转轴固定架(32)和手部操作组件(33)以及与所述中心转轴(31)的末端同轴连接的第二位移编码器(34)；所述U形转轴固定架(32)的底端与所述同步带(24)固定连接，所述手部操作组件(33)位于所述U形转轴固定架(32)的两开口端之间，所述手部操作组件(33)包括：套设在所述中心转轴(31)上的滑套套筒(330)、套设在所述滑套套筒(330)上的圆柱形框架(331)和三角盘(332)、一端通过第一销轴(333)与所述三角盘(332)同轴连接的活动连杆(334)、一端套设在所述第一销轴(333)上的扭簧(335)、设置在所述圆柱形框架(331)侧面上的至少一个弧形按键(336)以及设置在所述弧形按键(336)侧边的薄片式压力传感器(337)；所述弧形按键(336)的内壁上设置有套环(338)，所述活动连杆(334)的另一端通过第二销轴(339)与所述套环(338)同轴连接，所述扭簧(335)的另一端抵靠在所述弧形按键(336)上，所述三角盘(332)设置在所述圆柱形框架(331)的中心处，所述三角盘(332)与所述中心转轴(31)垂直设置，所述圆柱形框架(331)与所述滑套套筒(330)固定连接，所述滑套套筒(330)的内壁上周向设置有多个花键(3310)，所述中心转轴(31)上周向设置有多个与所述花键(3310)配合的凹槽(3311)。
2.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述滑套套筒(330)的两端均固定有滑套轴向固定套(3312)，所述滑套轴向固定套(3312)通过轴承与所述U形转轴固定架(32)转动连接。
3.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述递送旋捻控制组件(3)还包括固定在所述底板(1)上的支撑架(35)、平行固定在所述支撑架(35)上的两个导轨(36)、沿所述导轨(36)滑动的滑块(37)以及固定在两个所述滑块(37)上的连接件(38)；所述连接件(38)通过固定块(39)固定在所述同步带(24)上，所述U形转轴固定架(32)与所述连接件(38)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述滑套套筒(330)上套设有用来固定所述圆柱形框架(331)的弹性挡圈(3313)。
5.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述弧形按键(336)与所述薄片式压力传感器(337)接触的一侧上设置有多个凸点(3314)。
6.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述第一销轴(333)和第二销轴(339)的端部均设置有销轴端盖(3315)。
7.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述主动带轮(23)和所述从动带轮(25)均通过带轮固定架(27)固定在所述底板(1)上，所述主动带轮(23)和所述从动带轮(25)与所述带轮固定架(27)转动连接。
8.根据权利要求1所述的一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述阻力反馈组件(2)外固定有保护壳(4)。
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