CN115363774A - 融合力形感知的介入式导管手术机器人、控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合力形感知的介入式导管手术机器人、控制系统及方法，本发明提供的导管手术机器人包括从手与主手两部分；从手包括驱动装置与气路模块，主手包括硬件模块、上位机与控制手柄；气路模块包括气源与气路元件盒两部分，为驱动装置供气；驱动装置通过设置在导管内形状传感器、轴向运动模块内近端力传感器与夹爪内夹持力传感器将力‑形多参数反馈信号传输至硬件模块，并通过网络传输至上位机进行处理；上位机和控制手柄发送控制指令至从手，实现手术机器人的自动控制、手动控制两种控制模式。本发明机器人具有体积小结构简单、采用柔性装置夹持导管、抗电磁干扰、导管力‑形多参数感知的优点，因而具备较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于医疗机器人技术领域，涉及一种融合导管力形感知功能的介入式手术机器人，具体涉及一种介入式导管手术机器人驱动装置新构型、光纤力-形感知方法与多参数融合下的机器人主从控制系统。
背景技术
微创血管介入手术是治疗心血管疾病的有效手段，具备创伤小、并发症少、术后恢复快等多项优势。随着手术的推广与应用，这种治疗方法也存在一些问题，具体表现在：
(1)手术机器人结构臃肿复杂的问题。复杂的结构会导致机器人拆卸和清洗的不便。此外，较大的体积与重量也会对导管位置姿态的调整带来较大困难。
(2)机器人夹持机构易损坏导管的问题。当前手术机器人多采用刚性夹爪输送导管，当夹持力较大时会导致导管表面产生毛刺或裂纹，在导管进入血管后给病人带来二次伤害。
(3)介入式导管手术机器人导管力-形反馈信号缺失问题。导管力-形信号对于提升手术安全性及降低手术难度至关重要。例如：导管夹持力过大会可能损坏导管结构，极易刺穿脆弱的血管壁；夹持力过小则易发生导管滑移，影响治疗效果甚至伤害患者。导管近端力反映了导管在血管中运动所受阻力，导管形状感知有助于医生实时了解导管位姿信息，对手术的顺利进行和手术安全至关重要。传统导管介入式手术机器人缺乏精准力-形感知，因此不仅对医生提出了严格的要求，又增大了手术风险。
(4)介入式手术机器人力感知传感器易受电磁干扰的问题。基于电类传感器的力反馈装置在ICU病房、手术室等多仪器设备的环境中易受电磁干扰，系统稳定性较差。
上述缺点限制了介入式手术的发展，为提升老龄化社会居民的医疗水平，亟需研发一种具有精准感知-反馈-控制功能的介入式导管手术机器人，提升心血管疾病治疗的智能化、精准化。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种新型的融合光纤感知的介入式导管手术机器人、控制系统及方法。
本发明的导管手术机器人所采用的技术方案是：一种融合力形感知的介入式导管手术机器人，包括从手与主手两部分；所述从手包括驱动装置与气路模块，所述主手包括硬件模块、上位机与控制手柄；所述气路模块包括气源与气路元件盒两部分，为所述驱动装置供气；所述驱动装置通过设置在导管内形状传感器、轴向运动模块内近端力传感器与夹爪内夹持力传感器将力-形多参数反馈信号传输至所述硬件模块，并通过网络传输至所述上位机进行处理；所述上位机和控制手柄发送控制指令至所述从手，实现手术机器人的自动控制、手动控制两种控制模式；
所述驱动装置包括旋转运动模块、旋转电机、导管、轴向运动模块、底座、直线导轨、滑块和直线电机；
所述旋转运动模块固定设置在所述底座上，通过所述旋转运动电机进行驱动；所述轴向运动模块固定设置在所述滑块上，在所述直线电机的驱动下沿所述直线导轨进行运动；所述直线导轨固定设置在所述底座上；各机构均通过螺栓螺母进行连接与固定；
所述旋转运动模块包括滚动轴承、第一夹爪、固定夹具左、主动齿轮、从动齿轮、固定夹具右；所述第一夹爪与所述从动齿轮通过楔块配合，所述从动齿轮与所述主动齿轮互相啮合；所述第一夹爪与所述滚动轴承进行过盈配合，所述滚动轴承与所述固定夹具左和固定夹具右进行过盈配合；
所述导管设置有导管形状传感器，包括明热缩管、第三光纤、医用导管；所述第三光纤上刻有若干初始中心波长各异的光纤布拉格光栅，间隔分布式集成于医用导管外表面，最外层通过所述透明热缩管包裹进行固定并起到保护功能；所述第三光纤与导管圆心平行；
所述轴向运动模块包括第二夹爪、固定夹具、底板、近端力传感器和活动夹具；所述固定夹具设置在所述底板上，通过螺栓配合；所述活动夹具与所述固定夹具通过楔块配合，只能进行单自由度运动；所述第二夹爪与所述固定夹具和所述活动夹具进行过盈配合，用以将所述导管近端力传递给夹具；所述近端力传感器设置在所述固定夹具和活动夹具之间，并通过螺栓配合，用以测量固定夹具和活动夹具间作用力。
本发明的系统所采用的技术方案是：一种融合力形感知的介入式导管手术机器人控制系统，包括主手控制系统与从手控制系统两部分；所述主手控制系统由操作手柄控制子系统和上位机控制子系统组成，所述操作手柄控制子系统包含Joystick摇杆、Arduino和蓝牙；所述从手控制系统包含Arduino硬件模块、驱动器与光电耦合器、解调仪；
所述上位机控制子系统是数据处理显示中心和控制命令中转站，与各硬件设备建立通讯后实现控制命令收发、解析、显示、发送四种功能；实现导管手术机器人自动与手动控制模式的自由切换，以及远端接触力超过阈值时的急停功能；
所述Arduino硬件模块接收来自主手控制系统的指令包，将其解析后产生运动命令和力信息，然后将运动命令通过驱动器发送脉冲信号去控制电机运动，使得导管产生推/拉或旋转运动；
所述解调仪可以将传感器所测导管力-形感知信号转换为光谱信号，并通过 ETH网口发送至上位机控制软件。
所述Arduino硬件模块通过内置的模糊PID控制程序分析夹持力信息，得到进气电磁阀和出气电磁阀需要开启的时间，进而通过驱动光电耦合模块来控制进气电磁阀和出气电磁阀的开闭，实现柔性夹爪的充/放气，以稳定夹持导管，防止夹持力过大或过小。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种融合力形感知的介入式导管手术机器人控制方法，包括以下步骤：
步骤1：上位机将把操作手柄信息和解调仪的力信息处理后发送给从手；其中主手的X 轴遥感用于获取操纵员的推拉导管指令，Y轴遥感用于获取操纵员的顺时针旋转与逆时针旋转导管指令；
步骤2：从手接收和解析命令之后，首先通过夹持力反馈控制完成对导管的稳定夹持，随后将响应运动指令进入前进模式输送导管。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)所设计介入式手术机器人新构型结构简单，便于拆装和清洗。体积小重量轻，便于集成至机械臂末端，实现导管的位姿调整。
(2)所设计介入式手术机器人所采用夹爪基于气路与气囊实现导管的夹持功能，相比于刚性夹持机构更加稳定与安全，不易导致导管变形和破裂，有助于提升手术安全性。
(3)本发明介入式手术机器人基于自制的光纤传感器进行力-形传感，具有体积小、抗电磁干扰、耐潮湿的优点，其中体积小增强了传感器的可集成性，抗电磁干扰增加了系统在手术环境中的稳定性，耐潮湿能力增强了机器人沾有血液导管的适应性。
(4)本发明所采用的光纤力-形感知方法推导了传感器灵敏度，对于类似结构传感器的设计具有指导意义。通过调整所设计传感器尺寸，可以实现传感器灵敏度调整，以使系统更加符合手术需求。
(5)本发明介入式手术机器人具有导管夹持力、导管近端力与导管形状反馈及重构功能，降低了介入式手术的操作难度与操作门槛，大大提升了手术安全性，对于促进介入式微创手术推广具有积极意义。
(6)本发明所设计的多参数融合下的机器人主从控制系统开发出上位机自动控制与手柄控制两种模式，还具备急停功能以保护血管，可以应对复杂的血管环境，提升手术效率与安全性。
(7)基于QT架构搭建了上位机软件，该软件界面简洁美观，与各硬件设备建立通讯后可实现控制命令收发、解析、显示、发送四种功能，提升了机器人的操作效率。
(8)本发明设计的融合光纤感知的介入式导管手术机器人结构简单、功能完善、性价比高且实用性较强，在介入式手术领域具有良好的发展前景。
附图说明
图1是本发明实施例的介入式导管手术机器人工作原理图；
图2是本发明实施例的介入式导管手术机器人驱动装置结构示意图；
图3是本发明实施例的介入式导管手术机器人气动模块结构示意图；
图4是本发明实施例的介入式导管手术机器人夹持力传感器结构示意图；
图5是本发明实施例的介入式导管手术机器人夹持力传感器尺寸图及受力分析图；
图6是本发明实施例的介入式导管手术机器人近端力传感器结构示意图；
图7是本发明实施例的介入式导管手术机器人近端力传感器尺寸图及受力分析图；
图8是本发明实施例的介入式导管手术机器人导管形状传感器结构示意图；
图9是本发明实施例的介入式导管手术机器人控制系统结构示意图；
图10是本发明实施例的介入式导管手术机器人控制方法流程图；
图中：
图2：1－旋转运动模块，2－旋转电机，3－导管，4－轴向运动模块，5－底座，6－直线导轨，7－滑块，8－直线电机；1.1－滚动轴承，1.2－第一夹爪，1.3－固定夹具左，1.4－主动齿轮，1.5－从动齿轮，1.6－固定夹具右；4.1－第二夹爪，4.2－固定夹具，4.3－底板，4.4－近端力传感器，4.5－活动夹具；4.1.1－夹持体上，4.1.2－夹持力传感器，4.1.3－气管， 4.1.4－夹持体下，4.1.5－气囊；
图4：4.1.2.1－运动斜杆，4.1.2.2－第一粘结剂，4.1.2.3－固定直杆，4.1.2.4－基底，4.1.2.5 －半圆弧形铰链，4.1.2.6－第一光纤，4.1.2.7－第二粘结剂；
图6：4.4.1－第一粘结剂，4.4.2－第二粘结剂，4.4.3－第二光纤，4.4.4－弹性体；
图8：3.1－热缩管，3.2－第三光纤，3.3－导管。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本实施例的一种融合力形感知的介入式导管手术机器人，包括从手与主手两部分；从手包括驱动装置与气路模块，主手包括硬件模块、上位机与控制手柄；气路模块包括气源与气路元件盒两部分，为驱动装置供气；驱动装置通过设置在导管内形状传感器、轴向运动模块内近端力传感器与夹爪内夹持力传感器将力-形多参数反馈信号传输至硬件模块，并通过网络传输至上位机进行处理；上位机和控制手柄发送控制指令至从手，实现手术机器人的自动控制、手动控制两种控制模式。
请见图2，本实施例的驱动装置包括旋转运动模块1、旋转电机2、导管3、轴向运动模块4、底座5、直线导轨6、滑块7和直线电机8；
旋转运动模块1固定设置在底座5上，通过旋转运动电机2进行驱动；轴向运动模块4 固定设置在滑块7上，在直线电机8的驱动下沿直线导轨6进行运动；直线导轨6固定设置在底座5上；各机构均通过螺栓螺母进行连接与固定。
旋转运动模块包括滚动轴承1.1、第一夹爪1.2、固定夹具左1.3、主动齿轮1.4、从动齿轮1.5、固定夹具右1.6；第一夹爪1.2与从动齿轮1.5通过楔块配合，从动齿轮1.5与主动齿轮1.4互相啮合；第一夹爪1.2与滚动轴承1.1进行过盈配合，滚动轴承1.1与固定夹具左1.3 和固定夹具右1.6进行过盈配合。
请见图8，本实施例的导管3设置有导管形状传感器，包括明热缩管3.1、第三光纤3.2、医用导管3.3；第三光纤3.2上刻有十个初始中心波长各异的光纤布拉格光栅，间隔120°的分布式集成于医用导管3.3外表面，最外层通过透明热缩管3.1包裹进行固定并起到保护功能；第三光纤3.2与导管圆心平行；
请见图2，本实施例的轴向运动模块包括第二夹爪4.1、固定夹具4.2、底板4.3、近端力传感器4.4和活动夹具4.5；固定夹具4.2设置在底板4.3上，通过螺栓配合；活动夹具4.5 与固定夹具4.2通过楔块配合，只能进行单自由度运动；第二夹爪4.1与固定夹具4.2和活动夹具4.5进行过盈配合，用以将导管3近端力传递给夹具；近端力传感器4.4设置在固定夹具4.2和活动夹具4.5之间，并通过螺栓配合，用以测量固定夹具4.2和活动夹具4.5间作用力。
请见图2，本实施例的第二夹爪4.1包括夹持体上4.1.1、夹持力传感器4.1.2、气管4.1.3、夹持体下4.1.4和气囊4.1.5；夹持体上4.1.1与夹持体下4.1.4通过螺栓固定，夹持体上4.1.1 与夹持力传感器4.1.2通过螺栓连接；气囊4.1.5与气管4.1.3连接，置于夹持体下4.1.1内部空腔内；气管4.1.3进气时气囊4.1.5上表面膨胀，与夹持力传感器4.1.2配合实现夹持导管3 的目的。
请见图4，本实施例的夹持力传感器4.1.2包括运动斜杆4.1.2.1、第一粘结剂4.1.2.2、固定直杆4.1.2.3、基底4.1.2.4、半圆弧形铰链4.1.2.5、第一光纤4.1.2.6和第二粘结剂4.1.2.7；运动斜杆4.1.2.1、固定直杆4.1.2.3均固定设置在基底4.1.2.4上；第一光纤4.1.2.6左侧通过第一粘结剂4.1.2.2与运动斜杆4.1.2.1连接，第一光纤4.1.2.6右侧通过第二粘结剂4.1.2.7与固定直杆4.1.2.3连接；第一光纤4.1.2.6与基底4.1.2.4保持平行。
请见图6，本实施例的近端力传感器4.4包括第一粘结剂4.4.1、第二粘结剂4.4.2、第二光纤4.4.3、弹性体4.4.4；第二光纤4.4.3两端分别通过第一粘结剂4.4.1和第二粘结剂4.4.2 与弹性体4.4.4粘结，其中第二光纤4.4.3与弹性体4.4.4需保持平行。
请见图3，本实施例的气路模块中，气源通过气管连接气路元件盒；气路元件盒分为两个区域，两个区域的气路元件数目与连接顺序一致；区域内进气气路中设置有顺序连接的进气电磁阀、减压阀、节流阀和缓冲气囊，出气气路中设置有出气电磁阀和节流阀。
请见图9，本实施例的一种融合力形感知的介入式导管手术机器人控制系统，包括主手控制系统与从手控制系统两部分；主手控制系统由操作手柄控制子系统和上位机控制子系统组成，操作手柄控制子系统包含Joystick摇杆、Arduino和蓝牙；从手控制系统包含Arduino 硬件模块、驱动器与光电耦合器、解调仪；
本实施例的上位机控制子系统是本系统的数据处理显示中心和控制命令中转站，与各硬件设备建立通讯后实现控制命令收发、解析、显示、发送四种功能；实现导管手术机器人自动与手动控制模式的自由切换，以及远端接触力超过阈值时的急停功能；
本实施例的Arduino硬件模块接收来自主手控制系统的指令包，将其解析后产生运动命令和力信息，然后将运动命令通过驱动器发送脉冲信号去控制电机运动，使得导管产生推 /拉或旋转运动；
本实施例的所述解调仪将近端力传感器、夹持力传感器和导管形状传感器所测导管力-形感知信号转换为光谱信号，并通过ETH网口发送至上位机控制系统。
本实施例的Arduino硬件模块通过内置的模糊PID控制程序分析夹持力信息，得到进气电磁阀和出气电磁阀需要开启的时间，进而通过驱动光电耦合模块来控制进气电磁阀和出气电磁阀的开闭，实现柔性夹爪(第一夹爪和第二夹爪)的充/放气，以稳定夹持导管，防止夹持力过大或过小。
本实施例的主手中上位机控制软件是基于QT架构的GUI控制程序，该软件为本系统的数据处理显示中心和控制命令中转站，与各硬件设备建立通讯后可实现控制命令收发、解析、显示、发送四种功能。接收部分使用蓝牙接收来自主手的运动控制指令，使用UdpSocket 网络通讯接收来自解调仪的多通道16进制组合信息；解析部分负责统一来自主手与解调仪的两种数据的时序并将解调仪的信息解析为可识别的力-形信息；显示部分使用QChart模块将传感器的力-形信息以曲线和三维重构模型的形式呈现在界面上供医生观察；发送部分负责将运动信息和解析后的力信息以特定格式封装后使用蓝牙发送给从端的运动控制器；
考虑血管路径复杂程度不同，本实施例的上位机控制软件实现了导管手术机器人自动与手动控制模式的自由切换，以及远端接触力超过阈值时的急停功能，以增强手术安全性与效率。
请见图10，本实施例的一种融合力形感知的介入式导管手术机器人控制方法，包括以下步骤：
步骤1：上位机将把操作手柄信息和解调仪的力信息处理后发送给从手；其中主手的X 轴遥感用于获取操纵员的推拉导管指令，Y轴遥感用于获取操纵员的顺时针旋转与逆时针旋转导管指令；
请见图5，本实施例的步骤2中，通过夹持力传感器4.1.2感知导管夹持力；
通过对运动斜杆4.1.2.1、半圆弧形铰链4.1.2.5与第一光纤4.1.2.6进行受力分析，计算夹持力传感器4.1.2的灵敏度S1，构建夹持力F1与波长漂移量ΔλB的映射模型；
首先基于力平衡条件知：
f1cosθ1＝f2sinθ1；
其中f1为夹持力F1分力，f2为光纤拉伸力分力，θ1为运动斜杆4.1.2.1与基底4.1.2.4夹角；
此时半圆弧形铰链4.1.2.5所受弯矩M为：
M＝F1cosθ1(L1+L2)-F2sinθ1L2＝F1cosθ1L1；
其中L1为运动斜杆4.1.2.1中点至下端点的距离，L2为运动斜杆4.1.2.1中点至半圆弧形铰链4.1.2.5中点的距离；
力矩M作用下半圆弧形铰链4.1.2.5产生角变形β，其表达式为：
其中k为转动刚度，E为材料弹性模量，b为半圆弧形铰链4.1.2.5宽度，R为切割半径， a2为中间变量其表达式为：
其中s＝R/t，t为半圆弧形铰链4.1.2.5最小厚度，θ2为半圆弧形铰链4.1.2.5圆心角；
第一光纤4.1.2.6与运动斜杆4.1.2.1连接处A绕C点转动，CA与基底4.1.2.4夹角θ3为：
其中L5为CA长度，
h为运动斜杆4.1.2.1厚度
假设运动斜杆4.1.2.1静力平衡后A变为A’，此时A与A’间水平距离Δx及垂直距离Δy表达式如下：
Δx＝[cos(θ3-β)-cosθ3]L5；
Δy＝[sinθ3-sin(θ3-β)]L5；
以o点为原点，以第一光纤4.1.2.6轴向为x轴建立直角坐标系，此时各点坐标为：A-L1cosθ1，L1sinθ1，A’-L1cosθ1-Δx，L1sinθ1+Δy，BL4，L1sinθ1；其中B为第一光纤 4.1.2.6与固定直杆4.1.2.3连接点，L4为AB两点间距；
故而第一光纤4.1.2.6应变为：
结合光纤传感原理知第一光纤4.1.2.6应变ε与波长漂移ΔλB的关系如下：ΔλB＝0.784* 1.54*ε；
综上，导管夹持力传感器4.1.2灵敏度
请见图7，本实施例的步骤2中，通过近端力传感器4.4感知导管近端力；
通过对弹性体4.4.4、第二光纤4.4.3进行受力分析，计算近端力传感器4.4的灵敏度S2，构建近端力F2与波长漂移量ΔλB的映射模型；
基于材料力学可知弹性体4.4.4在近端力F2与作用下，其刚度K1计算公式为：
其中E1为弹性体所用材料弹性模量，杆i长度为Li，宽度为b，厚度为d，截面积为A＝bd，极惯性矩为I＝db3，i＝1-3；
此时第二光纤4.4.3发生拉伸变形，所对应的刚度K2如下：
其中Afiber＝πr2为第二光纤4.4.3截面积，r为第二光纤4.4.3半径，L为第二光纤4.4.3悬空长度；
载荷F作用下第二光纤4.4.3应变量如下：
结合光纤传感原理可知第二光纤4.4.3应变ε与波长漂移ΔλB的关系如下：ΔλB＝0.784* 1.54*ε；
综上，导管近端力传感器4.4灵敏度
本实施例的步骤2中，通过导管形状传感器进行导管形状重构，第三光纤3.2上刻有十个初始中心波长各异的光纤布拉格光栅FBG，导管同一横截面上的三个FBG组成一个传感单元，整个导管上共存在10个传感单元；
其中r为光纤中心轴到导管中心轴的距离，εi1、εi2、εi3为第i个传感单元上第1，2，3根光纤上所受应变，κi为该处的曲率，
为该处的弯曲方向角，ε0为应变偏置(常量)，i＝1，2.......10；对κi与
两者的离散数据进行插值处理得两者关于导管长度s的函数关系式κ(s)与
为计算扭转向量，根据Frenet-Serret公式知：
其中
T导管形状曲线C的切向量，N为法线向量，B为曲线的副法线向量；κ为导管任一截面的曲率；
通过对T积分矢量产生C，如下式所示：
其中L为导管总长度。
步骤2：从手接收和解析命令之后，首先通过夹持力反馈控制完成对导管的稳定夹持，随后将响应运动指令进入前进模式输送导管。
当丝杆滑台位移小于100mm时，第二夹爪夹紧导管并随滑台前进，第一夹爪为松弛状态。当滑台行至100mm处时系统进入后退模式，第二夹爪放松后退，第一夹爪夹紧导管不动。当第二夹爪回到原位置后，进入前进模式并重复上述过程，这样即可实现导管任意长度的输送。
当导管遇到复杂情况需要旋转时，第二夹爪松弛，第一夹爪夹紧导管并旋转180°。完成后第二夹爪夹紧导管，第一夹爪放松并回旋。当第一夹爪回旋到原位置之后重复上述过程，即可实现导管任意角度的旋转。
本发明提供的导管手术机器人具有体积小结构简单、采用柔性装置夹持导管、抗电磁干扰、导管力-形多参数感知的优点，因而具备较好的应用前景。本发明提供的导管手术机器人主从控制系统包含电脑自动控制与操作手柄精细控制两种模式，以应对手术中复杂的血管环境，可提高手术效率与安全性。本发明提供的导管手术机器人主从控制系统中Arduino硬件模块可实现机器人的无线控制、有利于降低传染病或辐射对医生的伤害。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种融合力形感知的介入式导管手术机器人，其特征在于：包括从手与主手两部分；所述从手包括驱动装置与气路模块，所述主手包括硬件模块、上位机与控制手柄；所述气路模块包括气源与气路元件盒两部分，为所述驱动装置供气；所述驱动装置通过设置在导管内形状传感器、轴向运动模块内近端力传感器与夹爪内夹持力传感器将力-形多参数反馈信号传输至所述硬件模块，并通过网络传输至所述上位机进行处理；所述上位机和控制手柄发送控制指令至所述从手，实现手术机器人的自动控制、手动控制两种控制模式；
所述驱动装置包括旋转运动模块(1)、旋转电机(2)、导管(3)、轴向运动模块(4)、底座(5)、直线导轨(6)、滑块(7)和直线电机(8)；
所述旋转运动模块(1)固定设置在所述底座(5)上，通过所述旋转运动电机(2)进行驱动；所述轴向运动模块(4)固定设置在所述滑块(7)上，在所述直线电机(8)的驱动下沿所述直线导轨(6)进行运动；所述直线导轨(6)固定设置在所述底座(5)上；
所述旋转运动模块包括滚动轴承(1.1)、第一夹爪(1.2)、固定夹具左(1.3)、主动齿轮(1.4)、从动齿轮(1.5)、固定夹具右(1.6)；所述第一夹爪(1.2)与所述从动齿轮(1.5)通过楔块配合，所述从动齿轮(1.5)与所述主动齿轮(1.4)互相啮合；所述第一夹爪(1.2)与所述滚动轴承(1.1)进行过盈配合，所述滚动轴承(1.1)与所述固定夹具左(1.3)和固定夹具右(1.6)进行过盈配合；
所述导管(3)设置有导管形状传感器，包括明热缩管(3.1)、第三光纤(3.2)、医用导管(3.3)；所述第三光纤(3.2)上刻有若干初始中心波长各异的光纤布拉格光栅，间隔分布式集成于医用导管(3.3)外表面，最外层通过所述透明热缩管(3.1)包裹进行固定并起到保护功能；所述第三光纤(3.2)与导管圆心平行；
所述轴向运动模块包括第二夹爪(4.1)、固定夹具(4.2)、底板(4.3)、近端力传感器(4.4)和活动夹具(4.5)；所述固定夹具(4.2)设置在所述底板(4.3)上；所述活动夹具(4.5)与所述固定夹具(4.2)通过楔块配合，只能进行单自由度运动；所述第二夹爪(4.1)与所述固定夹具(4.2)和所述活动夹具(4.5)进行过盈配合，用以将所述导管(3)近端力传递给夹具；所述近端力传感器(4.4)设置在所述固定夹具(4.2)和活动夹具(4.5)之间，用以测量固定夹具(4.2)和活动夹具(4.5)间作用力。
2.根据权利要求1所述的融合力形感知的介入式导管手术机器人，其特征在于：所述第二夹爪(4.1)包括夹持体上(4.1.1)、夹持力传感器(4.1.2)、气管(4.1.3)、夹持体下(4.1.4)和气囊(4.1.5)；所述夹持体上(4.1.1)与所述夹持体下(4.1.4)通过螺栓固定，所述夹持体上(4.1.1)与所述夹持力传感器(4.1.2)通过螺栓连接；所述气囊(4.1.5)与所述气管(4.1.3)连接，置于所述夹持体下(4.1.1)内部空腔内；所述气管(4.1.3)进气时所述气囊(4.1.5)上表面膨胀，与所述夹持力传感器(4.1.2)配合实现夹持所述导管(3)的目的。
3.根据权利要求2所述的融合力形感知的介入式导管手术机器人，其特征在于：所述夹持力传感器(4.1.2)包括运动斜杆(4.1.2.1)、第一粘结剂(4.1.2.2)、固定直杆(4.1.2.3)、基底(4.1.2.4)、半圆弧形铰链(4.1.2.5)、第一光纤(4.1.2.6)和第二粘结剂(4.1.2.7)；所述运动斜杆(4.1.2.1)、固定直杆(4.1.2.3)均固定设置在所述基底(4.1.2.4)上；所述第一光纤(4.1.2.6)左侧通过所述第一粘结剂(4.1.2.2)与所述运动斜杆(4.1.2.1)连接，所述第一光纤(4.1.2.6)右侧通过所述第二粘结剂(4.1.2.7)与所述固定直杆(4.1.2.3)连接；所述第一光纤(4.1.2.6)与所述基底(4.1.2.4)保持平行。
4.根据权利要求1所述的融合力形感知的介入式导管手术机器人，其特征在于：所述近端力传感器(4.4)包括第一粘结剂(4.4.1)、第二粘结剂(4.4.2)、第二光纤(4.4.3)、弹性体(4.4.4)；
所述第二光纤(4.4.3)两端分别通过所述第一粘结剂(4.4.1)和所述第二粘结剂(4.4.2)与所述弹性体(4.4.4)粘结，其中所述第二光纤(4.4.3)与所述弹性体(4.4.4)需保持平行。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的融合力形感知的介入式导管手术机器人，其特征在于：所述气路模块中，所述气源通过气管连接所述气路元件盒；所述气路元件盒分为两个区域，两个区域的气路元件数目与连接顺序一致；所述区域内进气气路中设置有顺序连接的进气电磁阀、减压阀、节流阀和缓冲气囊，出气气路中设置有出气电磁阀和节流阀。
6.一种融合力形感知的介入式导管手术机器人控制系统，其特征在于：包括主手控制系统与从手控制系统两部分；所述主手控制系统由操作手柄控制子系统和上位机控制子系统组成，所述操作手柄控制子系统包含Joystick摇杆、Arduino和蓝牙；所述从手控制系统包含Arduino硬件模块、驱动器与光电耦合器、解调仪；
所述上位机控制子系统是数据处理显示中心和控制命令中转站，与各硬件设备建立通讯后实现控制命令收发、解析、显示、发送四种功能；实现导管手术机器人自动与手动控制模式的自由切换，以及远端接触力超过阈值时的急停功能；
所述Arduino硬件模块接收来自主手控制系统的指令包，将其解析后产生运动命令和力信息，然后将运动命令通过驱动器发送脉冲信号去控制电机运动，使得导管产生推/拉或旋转运动；
所述解调仪，将近端力传感器(4.4)、夹持力传感器(4.1.2)和导管形状传感器所测导管力-形感知信号转换为光谱信号，并通过ETH网口发送至上位机控制系统；
所述Arduino硬件模块分析夹持力信息，得到进气电磁阀和出气电磁阀需要开启的时间，进而通过驱动光电耦合模块来控制进气电磁阀和出气电磁阀的开闭，实现柔性夹爪的充/放气，以稳定夹持导管，防止夹持力过大或过小。
7.一种融合力形感知的介入式导管手术机器人控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：上位机将把操作手柄信息和解调仪的力信息处理后发送给从手；其中主手的X轴遥感用于获取操纵员的推拉导管指令，Y轴遥感用于获取操纵员的顺时针旋转与逆时针旋转导管指令；
步骤2：从手接收和解析命令之后，首先通过夹持力反馈控制完成对导管的稳定夹持，随后将响应运动指令进入前进模式输送导管。
8.根据权利要求7所述的融合力形感知的介入式导管手术机器人控制方法，其特征在于：步骤2中，通过夹持力传感器(4.1.2)感知导管夹持力；
通过对运动斜杆(4.1.2.1)、半圆弧形铰链(4.1.2.5)与第一光纤(4.1.2.6)进行受力分析，计算夹持力传感器(4.1.2)的灵敏度S1，构建夹持力F1与波长漂移量ΔλB的映射模型；
首先基于力平衡条件知：
f1cosθ1＝f2sinθ1；
其中f1为夹持力F1分力，f2为光纤拉伸力分力，θ1为运动斜杆(4.1.2.1)与基底(4.1.2.4)夹角；
此时半圆弧形铰链(4.1.2.5)所受弯矩M为：
M＝F1cosθ1(L1+L2)-F2sinθ1L2＝F1cosθ1L1；
其中L1为运动斜杆(4.1.2.1)中点至下端点的距离，L2为运动斜杆(4.1.2.1)中点至半圆弧形铰链(4.1.2.5)中点的距离；
力矩M作用下半圆弧形铰链4.1.2.5产生角变形β，其表达式为：
其中k为转动刚度，E为材料弹性模量，b为半圆弧形铰链(4.1.2.5)宽度，R为切割半径，a2为中间变量其表达式为：
其中s＝R/t，t为半圆弧形铰链(4.1.2.5)最小厚度，θ2为半圆弧形铰链(4.1.2.5)圆心角；
第一光纤(4.1.2.6)与运动斜杆(4.1.2.1)连接处A绕C点转动，CA与基底(4.1.2.4)夹角θ3为：
其中L5为CA长度，
h为运动斜杆(4.1.2.1)厚度
假设运动斜杆(4.1.2.1)静力平衡后A变为A’，此时A与A’间水平距离Δx及垂直距离Δy表达式如下：
Δx＝[cos(θ3-β)-cosθ3]L5；
Δy＝[sinθ3-sin(θ3-β)]L5；
以o点为原点，以第一光纤(4.1.2.6)轴向为x轴建立直角坐标系，此时各点坐标为：A(-L1cosθ1，L1sinθ1)，A’(-L1cosθ1-Δx，L1sinθ1+Δy)，B(L4，L1sinθ1)；其中B为第一光纤(4.1.2.6)与固定直杆(4.1.2.3)连接点，L4为AB两点间距；
故而第一光纤(4.1.2.6)应变为：
第一光纤(4.1.2.6)应变ε与波长漂移ΔλB的关系如下：ΔλB＝0.784*1.54*ε；
综上，导管夹持力传感器(4.1.2)灵敏度
9.根据权利要求7所述的融合力形感知的介入式导管手术机器人控制方法，其特征在于：步骤2中，通过近端力传感器(4.4)感知导管近端力；
通过对弹性体(4.4.4)、第二光纤(4.4.3)进行受力分析，计算近端力传感器(4.4)的灵敏度S2，构建近端力F2与波长漂移量ΔλB的映射模型；
知弹性体(4.4.4)在近端力F2与作用下，其刚度K1计算公式为：
其中E1为弹性体所用材料弹性模量，杆i长度为Li，宽度为b，厚度为d，截面积为A＝bd，极惯性矩为I＝db3，i＝1-3；
此时第二光纤(4.4.3)发生拉伸变形，所对应的刚度K2如下：
其中Afiber＝πr2为第二光纤(4.4.3)截面积，r为第二光纤(4.4.3)半径，L为第二光纤(4.4.3)悬空长度；
载荷F作用下第二光纤(4.4.3)应变量如下：
第二光纤(4.4.3)应变ε与波长漂移ΔλB的关系如下：ΔλB＝0.784*1.54*ε；
综上，导管近端力传感器(4.4)灵敏度
10.根据权利要求7所述的融合力形感知的介入式导管手术机器人控制方法，其特征在于：步骤2中，通过导管形状传感器进行导管形状重构，所述第三光纤(3.2)上刻有十个初始中心波长各异的光纤布拉格光栅FBG，导管同一横截面上的三个FBG组成一个传感单元，整个导管上共存在10个传感单元；
其中r为光纤中心轴到导管中心轴的距离，εi1、εi2、εi3为第i个传感单元上第1，2，3根光纤上所受应变，κi为该处的曲率，
为该处的弯曲方向角，ε0为应变偏置，i＝1，2.......10；对κi与
两者的离散数据进行插值处理得两者关于导管长度s的函数关系式κ(s)与
为计算扭转向量，根据Frenet-Serret公式知：
其中
T导管形状曲线C的切向量，N为法线向量，B为曲线的副法线向量；κ为导管任一截面的曲率；
通过对T积分矢量产生C，如下式所示：
C(s)＝∫0 LT(s)ds；
其中L为导管总长度。
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- 2022-08-22 CN CN202211006905.0A patent/CN115363774B/zh active Active
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Also Published As
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| GR01 | Patent grant |