CN114569249B - 一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，该装置包括安装在机械臂末端的推进机构、安装在推进机构上的旋转机构、安装在旋转机构上的扭转机构以及与扭转机构连接的软镜模组。与现有技术相比，本发明具有适用于复杂气道插管的主从控制、实现软镜末端的推进、旋转和弯曲三个自由度高精度控制、符合人体工程学设计、能更好应对口腔无法大幅度开合的情况等优点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置。
背景技术
在气管插管机器人系统中，软镜递送装置作为气管插管机器人的从端，是气管插管机器人系统中的关键机构，现有插管机器人的递送机构只能实现单一的气管插管或软镜的推送运动，不能控制末端的弯曲角度，因此不能很好的重现医护人员的实际手术操作，更无法实现在复杂气道情况下的使用，目前急需提供能够灵活控制软镜末端、主从控制引导的气管插管机器人递送装置，用于复杂气道等临床情况，以减轻医护人员的工作难度，解决因医务人员缺乏相关手术经验导致的救治成功率低的问题。
在现有技术中，中国专利CN107997825A公开了一种便携式遥操作气管插管机器人，该发明结构紧凑、体积小，便于搭载在救护车上，但是该发明只能进行简单的气管插管操作，包括推送插管和调节插管入口角度，不能适用于复杂气道环境下的气管插管操作，实用性有限。
中国专利CN113520604A公开了一种模拟医生操作的气管插管机器人，该发明基于机器人系统的自动与摇控插管操作，将视觉与力信息用于自主插管控制，模拟医生操作，但是该发明通过整合多功能喉镜设备以实现气管插管操作，只能进行简单的气管插管操作，即推送喉镜，不能适用于复杂气道环境下的气管插管操作，应用范围有限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，该装置包括安装在机械臂末端的推进机构、安装在推进机构上的旋转机构、安装在旋转机构上的扭转机构以及与扭转机构连接的软镜模组。
所述的推进机构包括推进机构外壳、设置在推进机构外壳内用以固定和支撑的支架以及分别设置在支架上的主动推进模组和被动推进模组。
所述的主动推进模组包括固定在支架左侧部的直线滑轨、安装在直线滑轨上方的丝杠推杆、安装在支架左端部且通过减速器和联轴器驱动连接丝杠推杆的步进电机以及与丝杠推杆螺纹配合且在直线滑轨上滑动的直线滑台，所述的旋转机构安装在直线滑台上；
在需要控制软镜末端进行推送运动时，启动步进电机驱动丝杠推杆进而带动直线滑台沿直线滑轨运动，进而带动旋转机构、扭转机构和软镜模组共同推进运动。
所述的被动推进模组包括安装在支架右侧部的直线导轨、从左至右依次设置在直线导轨上的一个第一固定支撑件和多个第二固定支撑件以及固定设置在支架右端部的第三固定支撑件，所述的第一固定支撑件和第二固定支撑件和第三固定支撑件之间通过柔性线绳连接，用以支撑、限制和引导软镜模组的软镜柔性段。
当步进电机驱动向前推进时，第一固定支撑件和第二固定支撑件相互碰撞堆叠后一同向前平移；当步进电机驱动向后推进时，第一固定支撑件和第二固定支撑件的支撑件基座之间通过定长的柔性线绳连接，随着直线滑台不断后退，支撑件基座在柔性线绳的限制下均匀分散，为软镜模组的软镜柔性段提供支撑。
所述的第一固定支撑件由与直线导轨滑动连接的第一直线滑块、固定在第一直线滑块上的第一支撑件基座以及开设在第一支撑件基座顶部用以穿过软镜柔性段的圆孔构成，所述的第二固定支撑件由与直线导轨滑动连接的第二直线滑块、固定在第二直线滑块上的第二支撑件基座以及设置在第二支撑件基座顶部的引导卡扣构成，所述的引导卡扣通过与之铰接的卡扣开关与软镜柔性段卡接，所述的第三固定支撑件由底部固定在支架上的第三支撑件基座以及设置在第三支撑件基座顶部带有卡扣开关的引导卡扣构成。
所述的旋转机构包括两个相对平行设置在直线滑台上的固定支架、可转动的安装在两个固定支架之间的第一支撑轴和第二支撑轴、分别套设在第一支撑轴和第二支撑轴上且相互啮合的第一传动齿轮和第二传动齿轮以及与第一支撑轴通过联轴器传动连接的伺服电机，所述的第一支撑轴通过角接触球轴承与固定支架连接，所述的第二支撑轴通过深沟球轴承与固定支架连接，并且通过旋扭中间件与扭转机构传动连接；
当需要控制软镜末端进行旋转运动时，启动伺服电机，依次通过第一支撑轴、第一传动齿轮、第二传动齿轮和第二支撑轴传动至旋扭中间件进而带动扭转机构旋转，实现软镜末端旋转运动。
所述的第二支撑轴表面通过多个螺纹固定的螺母实现轴向定位。
所述的扭转机构包括左端与旋扭中间件传动连接的软镜固定板、通过舵机连接件固定在软镜固定板下表面上的舵机、与舵机输出轴连接的舵盘以及设置在软镜固定板开设的圆孔内且与舵盘连接的扭转盘，所述的扭转盘上设有与软镜模组旋钮卡紧安装的卡槽；
当需要控制软镜末端进行弯曲运动时，启动舵机，通过舵盘带动连接扭转盘共同旋转，进而带动软镜模组的旋钮一同旋转，实现软镜末端的弯曲运动。
所述的软镜固定板在上表面的滑轨上设有多个软镜卡扣，所述的软镜卡扣的引导槽内与软镜模组形状匹配，并且在软镜卡扣内侧粘贴用于改善贴合效果的海绵；
当软镜模组的末端在医生控制下，到达气道内后，通过按压卡扣开关打开并取下气管插管，并沿着软镜模组插入患者气道内，随后推进机构在控制下向后退出，完成整个气管插管手术流程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明的软镜递送装置作为气管插管手术机器人的执行端，安装在手术机器人系统手术台车的六自由度协作机械臂末端，当需要进行气管插管手术时，医护人员仅通过控制端就可以远程控制软镜递送装置的舵机、步进电机和伺服电机，实现控制软镜末端的推进、旋转和弯曲三个自由度。
二、本发明的软镜递送装置能够有效减小推进机构轴向进给误差和旋转角度误差，提高末端控制精度，控制方式相较传统人工流程来说，更符合人体工程学设计。
附图说明
图1为用于复杂气道的多模态导航插管机器人系统的使用场景示意图。
图2为用于复杂气道的多模态导航插管机器人系统的外形示意图。
图3为本发明软镜递送装置(去外壳)的整体结构示意图。
图4为推进机构的结构示意图。
图5为固定支撑件的结构示意图。
图6为旋转机构的结构示意图。
图7为扭转机构的结构示意图。
图8为软镜卡扣的结构示意图。
图中标记说明：
1000、控制台车，2000、呼吸机，3000、手术台，4000、软镜递送装置，4100、六自由度协作机械臂，4200、推进机构，4300、旋转机构，4400、扭转机构，4201、步进电机，4202、减速器和联轴器，4203、直线滑台，4204、直线滑轨，4205、丝杠推杆，4206、直线导轨，4207、直线滑块，4208、固定支撑件，4209、支撑件基座，4210、卡扣开关，4211、引导卡扣，4301、固定支架，4302、伺服电机，4303、联轴器，4304、第一传动齿轮，4305、第一支撑轴，4306、角接触球轴承和端盖， 4307、螺母，4308、第二支撑轴，4309、第二传动齿轮，4310、螺母，4311、轴套，4312、旋扭中间件，4313、螺母，4401、舵机，4402、舵机连接件，4403、舵盘， 4404、软镜固定板，4405、扭转盘，4500、软镜模组，4600、软镜卡扣。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1-8所示，本发明提供一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，该装置包括推进机构4200、旋转机构4300、扭转机构4400、外壳、软镜卡扣4600、气管插管以及软镜模组4500等。
外壳包括推进机构外壳、旋转机构外壳和扭转机构外壳，主要用于减少整体结构的暴露面积以简化消毒流程，预留合适空间以方便内部走线，防止杂物掉入以提高系统的安全性和可靠性。
推进机构4200安装在六自由度协作机械臂4100的末端，包括支架、主动推进模组和被动推进模组，主要用于完成机器人系统的推进运动，支架外侧与推进机构外壳相连，内侧与其他组件相固连，起到固定和支撑的作用，主动推进模组包括丝杠推杆4205、直线滑轨4204、直线滑台4203、步进电机4201以及减速器和联轴器4202，丝杠推杆4205、直线滑轨4204、直线滑台4203相互连接，起到控制和引导推进运动的作用，直线滑轨4204通过螺栓与支架固连，步进电机4201通过螺纹与支架固连，起到提供动力和控制精度等作用，减速器和联轴器4202一端与步进电机4201的输出轴相连，另一端与丝杠推杆4205相连，起到补偿两轴之间误差偏移、缓和冲击等作用，被动推进模组主要包括有直线导轨4206、导轨滑块4207和多个固定支撑件4208，直线导轨4206与主动推进模组的直线滑轨4204平行设置，用于提高整体运动的平稳性，每个固定支撑件4208包括支撑件基座4209、引导卡扣4211和卡扣开关4210，支撑件基座4209下侧和导轨滑块4207固连，上侧放置有软镜的柔性段，起到工作时限制和引导软镜柔性段移动的作用，相邻的支撑件基座4209之间通过柔性线绳连接，用以在工作时将各个支撑件基座4209均匀分布在直线导轨4206上，引导卡扣4211与支撑件基座4209上端铰接，与支撑件基座4209一起限制和引导软镜柔性段移动，卡扣开关4210与引导卡扣4211铰接，其中铰接处安装有扭转弹簧，自然状态下，卡扣开关4210在弹簧作用下卡紧在支撑件基座4209上形成固定，控制开关时，按压卡扣开关4210的上侧，可以快速打开卡扣，并快速取下软镜。
在需要控制软镜末端进行推送运动时，启动步进电机4201，步进电机4201转动，通过减速器和联轴器4202带动丝杠推杆4205旋转，进而带动直线滑台4203 在直线滑轨4204进行平移运动。在此过程中，固定支撑件4208在旋转机构4300 和扭转机构4400的外壳的传动下被动前后平移移动，当推进装置向前推进时，多个支撑件基座4209相互碰撞堆叠后一同向前平移；当推进装置向后推进时，支撑件基座4209之间通过定长的线绳连接，随着装置不断后退，支撑件基座4209在线绳的限制下均匀分散，为软镜模组4500提供支撑。
旋转机构4300安装在直线滑台4203的上部，包括固定支架4301、伺服电机 4302、第一传动齿轮4304、第二传动齿轮4309、第一支撑轴4305、第二支撑轴4308、深沟球轴承、角接触球轴承和旋扭中间件4312，固定支架4301外侧和旋转机构外壳相固连，内侧连接固定其他构件，起到减少整体结构的暴露面积以简化消毒流程，预留合适空间以方便内部走线，防止杂物掉入以提高系统的安全性和可靠性的作用，固定支架4301上平行设置有第一支撑轴4305和第二支撑轴4308，第一支撑轴4305 的一端通过联轴器4303与伺服电机4302传动连接，另一端与通过角接触球轴承与固定支架4301相连，第一支撑轴4305中间安装有第一传动齿轮4304，第一支撑轴4305与第一传动齿轮4304通过键连接传递转矩，伺服电机4302上配合安装有编码器、联轴器4303和减速器，能持续、平稳、有效的输出力矩，以实现软镜的旋转，第二支撑轴4308中间安装有第二传动齿轮4309，第二支撑轴4308与第二传动齿轮4309通过键连接传递转矩，第一传动齿轮4304和第二传动齿轮4309之间相互啮合，第二支撑轴4308与固定支架4301相连处安装有深沟球轴承，用于避免齿轮承受径向力，第二支撑轴4308一段与旋扭中间件4312相连，用于传递力矩。
在需要控制软镜末端进行旋转运动时，启动伺服电机4302，伺服电机4302转动后通过联轴器4303连接第一支撑轴4305的一端旋转，进而带动第一传动齿轮 4304一同旋转，同时第一支撑轴4305另一端通过角接触球轴承和端盖4306与固定支架4301相连，避免第一传动齿轮4304承受径向力，随后第一传动齿轮4304 与第二传动齿轮4309啮合，通过键传动带动第二支撑轴4308旋转，进而带动旋扭中间件4312一同旋转，其中第二支撑轴4308上设置有多处螺纹，通过与螺母4307，螺母4310和螺母4313相连，进行各零件的轴向定位。
扭转机构4400安装在软镜固定板4404的上侧，包括舵机4401、舵机连接件 4402、舵盘4403、扭转盘4405、软镜固定板4404、角件和扭转机构外壳，软镜固定板4404通过角件和旋扭中间件4312相连，舵机4401通过舵机连接件4402与软镜固定板4404相固定，舵机4401的输出轴上安装有舵盘4403，扭转盘4405一面与舵盘4403相连，另一面设有结构形状与软镜模组的旋钮卡紧安装的卡槽。
在需要控制软镜末端进行弯曲运动时，启动舵机4401，舵机4401转动后通过舵盘4403和连接扭转盘4405一同旋转，进而带动软镜模组4500的旋钮一同旋转，控制软镜末端的弯曲运动。
软镜卡扣4600通过螺栓连接到软镜固定板4404的引导槽内，软镜卡扣4600 内侧粘贴有海绵用于改善贴合效果。
气管插管安装在固定支撑件4208的末端位置，靠近固定支撑件4208的一端通过支撑件基座4209和卡扣开关4210卡紧固定。
当软镜模组4500末端在医生控制下，到达气道内后，通过按压卡扣开关4210 打开固定支撑件4208并取下气管插管4700，并沿着软镜模组4500插入患者气道内，随后推进机构4200在控制下向后退出，完成整个手术流程。
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)
1.一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，其特征在于，该装置包括安装在机械臂末端的推进机构(4200)、安装在推进机构(4200)上的旋转机构(4300)、安装在旋转机构(4300)上的扭转机构(4400)以及与扭转机构(4400)连接的软镜模组(4500)；
所述的推进机构(4200)包括推进机构外壳、设置在推进机构外壳内用以固定和支撑的支架以及分别设置在支架上的主动推进模组和被动推进模组；
所述的被动推进模组包括安装在支架右侧部的直线导轨(4206)、从左至右依次设置在直线导轨(4206)上的一个第一固定支撑件和多个第二固定支撑件以及固定设置在支架右端部的第三固定支撑件，所述的第一固定支撑件和第二固定支撑件和第三固定支撑件之间通过柔性线绳连接，用以支撑、限制和引导软镜模组(4500)的软镜柔性段；
所述的第一固定支撑件由与直线导轨(4206)滑动连接的第一直线滑块、固定在第一直线滑块上的第一支撑件基座以及开设在第一支撑件基座顶部用以穿过软镜柔性段的圆孔构成，所述的第二固定支撑件由与直线导轨(4206)滑动连接的第二直线滑块、固定在第二直线滑块上的第二支撑件基座以及设置在第二支撑件基座顶部的引导卡扣(4211)构成，所述的引导卡扣(4211)通过与之铰接的卡扣开关(4210)与软镜柔性段卡接，所述的第三固定支撑件由底部固定在支架上的第三支撑件基座以及设置在第三支撑件基座顶部带有卡扣开关(4210)的引导卡扣(4211)构成；
所述的旋转机构(4300)包括两个相对平行设置在直线滑台(4203)上的固定支架(4301)、可转动的安装在两个固定支架(4301)之间的第一支撑轴(4305)和第二支撑轴(4308)、分别套设在第一支撑轴(4305)和第二支撑轴(4308)上且相互啮合的第一传动齿轮(4304)和第二传动齿轮(4309)以及与第一支撑轴(4305)通过联轴器(4303)传动连接的伺服电机(4302)，所述的第一支撑轴(4305)通过角接触球轴承与固定支架(4301)连接，所述的第二支撑轴(4308)通过深沟球轴承与固定支架(4301)连接，并且通过旋扭中间件(4312)与扭转机构(4400)传动连接；
当需要控制软镜末端进行旋转运动时，启动伺服电机(4302)，依次通过第一支撑轴(4305)、第一传动齿轮(4304)、第二传动齿轮(4309)和第二支撑轴(4308)传动至旋扭中间件(4312)进而带动扭转机构(4400)旋转，实现软镜末端旋转运动；
所述的扭转机构(4400)包括左端与旋扭中间件(4312)传动连接的软镜固定板(4404)、通过舵机连接件(4402)固定在软镜固定板(4404)下表面上的舵机(4401)、与舵机(4401)输出轴连接的舵盘(4403)以及设置在软镜固定板(4404)开设的圆孔内且与舵盘(4403)连接的扭转盘(4405)，所述的扭转盘(4405)上设有与软镜模组(4500)旋钮卡紧安装的卡槽；
当需要控制软镜末端进行弯曲运动时，启动舵机(4401)，通过舵盘(4403)带动连接扭转盘(4405)共同旋转，进而带动软镜模组(4500)的旋钮一同旋转，实现软镜末端的弯曲运动；
所述的软镜固定板(4404)在上表面的滑轨上设有多个软镜卡扣(4600)，所述的软镜卡扣(4600)的引导槽内与软镜模组(4500)形状匹配，并且在软镜卡扣(4600)内侧粘贴用于改善贴合效果的海绵；
当软镜模组(4500)的末端在医生控制下，到达气道内后，通过按压卡扣开关(4210)打开并取下气管插管，并沿着软镜模组(4500)插入患者气道内，随后推进机构(4200)在控制下向后退出，完成整个气管插管手术流程。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，其特征在于，所述的主动推进模组包括固定在支架左侧部的直线滑轨(4204)、安装在直线滑轨(4204)上方的丝杠推杆(4205)、安装在支架左端部且通过减速器和联轴器(4202)驱动连接丝杠推杆(4205)的步进电机(4201)以及与丝杠推杆(4205)螺纹配合且在直线滑轨(4204)上滑动的直线滑台(4203)，所述的旋转机构(4300)安装在直线滑台(4203)上；
在需要控制软镜末端进行推送运动时，启动步进电机(4201)驱动丝杠推杆(4205)进而带动直线滑台(4203)沿直线滑轨(4204)运动，进而带动旋转机构(4300)、扭转机构(4400)和软镜模组(4500)共同推进运动。
3.根据权利要求1所述的一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，其特征在于，当步进电机(4201)驱动向前推进时，第一固定支撑件和第二固定支撑件相互碰撞堆叠后一同向前平移；当步进电机(4201)驱动向后推进时，第一固定支撑件和第二固定支撑件的支撑件基座之间通过定长的柔性线绳连接，随着直线滑台(4203)不断后退，支撑件基座在柔性线绳的限制下均匀分散，为软镜模组(4500)的软镜柔性段提供支撑。
4.根据权利要求1所述的一种用于复杂气道插管机器人的软镜递送装置，其特征在于，所述的第二支撑轴(4308)表面通过多个螺纹固定的螺母实现轴向定位。
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