CN116211470A - 基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人 - Google Patents

基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人 Download PDF

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彭冉
刘璇
王梦校
王辉
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Abstract

本发明为一种基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人，包括夹持递送模块和动力传送模块；导管导丝穿过夹持递送模块，由夹持递送模块夹持，夹持递送模块内有对称设有第一夹持组件和第二夹持组件，第一夹持组件、第二夹持组件分别与导管导丝轴向方向成60°夹角；驱动模块内有电机和动力传送轴，通过动力传送轴将电机动力传送到夹持递送模块。本发明实现了递送机构和旋转控制机构共用同一个夹持机构对导管、导丝进行夹持，从而实现导管、导丝的旋转和递送动作，极大地减小了机器人的整体尺寸，实现机器人小型化、轻量化，有利于运输、安装。

Description

基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人。
背景技术
血管介入技术是一项新兴的心脑血管等疾病诊疗手段，医生在医学影像的引导下，通过导管沿血管腔直接到达体内病变部位(如冠状动脉和脑部、肝脏、肾脏等部位的血管)，然后利用导管输送诊疗剂或手术器械(如球囊、支架、弹簧圈等)，对体内较远的病变实施微创性诊断和治疗。
血管介入手术作为微创手术的一种，避免了开腔和开颅的手术方式，从而降低手术风险，减轻病人痛苦，同时，术后并发症少、恢复周期短。目前血管介入手术的操作形式还是以传统手术为主，即医生用自己手动的方式对导管、导丝进行推捻操作，进而使导管、导丝进入患者体内来完成手术。在手术过程中需要对导管、导丝施加轴向的推力、拉力以及周向的扭矩来实现导管、导丝的前进、后退和旋转。由于导管、导丝的细微性，这就增加了医生的操作难度，需要对医生进行专业的培训。此外，血管介入手术一般时间较长，医生长期保持一种动作会大大增加手部疲劳而出现手部震颤，这对精度要求较高的血管介入手术是很不利的。同时，由于成像设备的辐射，而医生需要长期暴露在辐射的环境下，对身体伤害极大。所以血管介入手术机器人成为高端医疗装备领域的研发热点。目前血管介入机器人主要采用主从操作结构，医生位于手术室外操作主端机器人，从而控制从端机器人对人体进行手术，主从式操作结构有效的避免了X射线对医生的辐射影响，利用机器人固有的高操作精度和准确度实施手术。
目前现有的血管介入机器人对于导管导丝等血管介入器械的运动控制主要有三种：摩擦轮式、往复拖拽式和交替拖拽式。摩擦轮式的导管递送机构采用双滚轮式结构，通过摩擦力夹紧并驱动导管进行轴向运动，旋转和递送通过两个不相关的夹持机构实现，轴向尺寸较大。申请号为201710544638.5的发明专利公开了一种机器人远程操作系统及其控制方法，从端机器人通过导管控制器和导丝控制器采用V型夹紧原理夹持导管、导丝，控制导管、导丝的运动，两控制器安装在移动平台上，通过控制器间的交替动作，实现导管、导丝的往复拖拽式运动。
上述血管介入机器人都存在无法解决导管、导丝高精度连续递送和可靠夹持间矛盾这一共性问题：(1)摩擦轮式结构，可以实现导管、导丝连续递送，但因滚轮与导管、导丝间点接触，难以实现导管、导丝可靠夹持，当夹持力过小时存在打滑问题，最终会影响操作精度，当夹持力过大时可能导致导管、导丝变形或表面损伤，增大血管损伤及术后并发症风险。(2)往复拖拽式，通过设计V型、爪型等卡爪结构，增大夹持接触面积，实现可靠夹持，但一般通过导轨滑块结构实现导管、导丝轴向递送，当到达行程极限时，须放松导管、导丝—空回程—夹紧导管、导丝，然后继续递送，可能产生与医生手部运动间的行程极限冲突，打断医生正常手术操作。(3)交替拖拽式，在拖拽的时候容易造成导管、导丝变形或者表面涂层破坏，增大导管、导丝与血管壁接触摩擦系数从而导致血管壁损伤、术后栓塞等并发症发生率。此外往复拖拽式往往为间歇性往复拖拽操作，一般会存在因行程极限引起的机器人与医生操作不同步问题，从而打断医生正常操作流程。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人，可实现血管介入器械可靠夹持与高精度连续递送、旋转运动。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人，其特征在于，该机器人包括夹持递送模块和动力传送模块；导管导丝穿过夹持递送模块，由夹持递送模块夹持，夹持递送模块内对称安装第一夹持组件和第二夹持组件，第一夹持组件、第二夹持组件分别与导管导丝轴向方向成60°夹角；驱动模块内有电机和动力传送轴，通过动力传送轴将电机动力传送到夹持递送模块。
进一步的，所述第一夹持组件和第二夹持组件的结构相同，均包括皮带和皮带轮，动力传送模块将动力传送到皮带轮从而带动皮带转动；动力传送模块通过控制电机的正反转实现一对皮带的同向和反向转动，当两皮带同速同向转动时，由于皮带与导管导丝轴向有一夹角，此时皮带对导管导丝的摩擦力经过分解，会产生促使导管导丝周向回转的扭矩，从而带动导管导丝周向回转；当两皮带同速反向转动时会带动导管导丝轴向移动；当两皮带不同速转动时会带动导管导丝同时轴向移动和周向回转。
相较于现有技术，本发明的有益效果为：
1.本发明的机器人区别于现有的导管、导丝递送机构和旋转控制机构由各自的夹持机构组成的情况，本发明实现了递送机构和旋转控制机构共用同一个夹持机构对导管、导丝进行夹持，从而实现导管、导丝的旋转和递送动作，极大地减小了机器人的整体尺寸，实现机器人小型化、轻量化，有利于运输、安装。
2.本发明的机器人实现了导管、导丝递送和旋转的耦合运动，更加符合实际手术过程中导管、导丝的运动需求。
3.夹持部件可同时实现对导管、导丝的轴向移动和周向转动，与其他血管介入器械推捻机器人不同，不再需要单独的旋转控制机构。
4.本发明可以设置有不同齿形皮带间距的夹持递送模块，形成不同规格的系列夹持递送模块产品，通过更换不同规格的夹持递送模块，可以适用于不同直径的导管、导丝或其他手术器械的夹持。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的夹持递送模块和动力传送模块的结构示意图；
图3为本发明的夹持递送模块和动力传送模块的连接示意图；
图4为本发明的第一夹持组件和第二夹持组件的安装示意图；
图5为本发明的第二夹持组件的爆炸图；
附图标记为：1、夹持递送模块；2、动力传送模块；1-1、第一夹持组件；1-2、导管导丝；1-3、第二夹持组件；1-4、轴承；1-5、锥齿轮；1-6、齿轮轴；2-1、动力传送轴；2-2、电机轴；2-3、主动直齿轮；2-4、从动直齿轮；2-5、电机；1-3-1、滚轮轴；1-3-2、皮带轮；1-3-3、滚轮；1-3-4、皮带；1-3-5、半盖板；1-3-6、支撑梁；1-3-7、滚子轴承支架。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步描述，但并不以此限定本申请的保护范围。
本发明的基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人，包括夹持推送模块1和动力输送模块2；其中，夹持递送模块1包括第一夹持组件1-1、第二夹持组件1-3、轴承1-4、锥齿轮1-5和齿轮轴1-6；第一夹持组件1-1和第二夹持组件1-3对称安装在夹持递送模块1内，第一夹持组件1-1、第二夹持组件1-3分别与导管导丝1-2轴向方向成60°夹角。
所述动力传送模块2包括动力传送轴2-1、电机轴2-2、主动直齿轮2-3、从动直齿轮2-4和电机2-5；电机2-5带动直齿轮主2-3转动，直齿轮主2-3与直齿轮从2-4啮合，从而直齿轮2-4带动动力传送轴2-1转动，其中动力传送轴2-1与夹持递送模块1中的齿轮轴1-6相连接，进而将动力传送到夹持递送模块1。
所述第二夹持组件1-3包括滚轮轴1-3-1、皮带轮1-3-2、滚轮1-3-3、皮带1-3-4、半盖板1-3-5、支撑梁1-3-6和滚子轴承支架1-3-7；夹持递送模块1内伸出四个悬臂梁，上侧滚轮轴1-3-1通过轴承与梁固结；下侧滚轮轴1-3-1通过轴承穿过模块低侧悬臂梁再与锥齿轮1-5连接，锥齿轮1-5通过键与齿轮轴1-6连接；皮带轮1-3-2与滚轮轴1-3-1通过键连接，皮带轮1-3-2转动带动皮带1-3-4转动，从而实现对导管、导丝1-2的递送。半盖板1-3-5与滚轮轴1-3-1相配合来约束皮带的运动空间，支撑梁1-3-6实现对半盖板1-3-5的支撑，滚子轴承支架与支撑梁1-3-6相连接来减小皮带1-3-4的摩擦。
本发明的实施例中，动力传送模块2将电机2-5扭矩传送到夹持递送模块1中的齿轮轴1-6，通过锥齿轮1-5啮合传动带动滚轮轴1-3-1转动，进而带动皮带轮1-3-2转动，其中皮带1-3-4套接在两个皮带轮1-3-4上，皮带轮1-3-4带动皮带1-3-4转动。一对皮带1-3-4对导管、导丝1-2进行夹持，通过控制电机2-5的正反转实现一对皮带1-3-4的同向和反向转动，当两皮带1-3-4同速同向转动时，由于皮带1-3-4与导管、导丝1-2轴向成60°夹角，会产生促使导管、导丝1-2周向回转的扭矩，从而带动导管、导丝1-2周向回转；当两皮带1-3-4同速反向转动时会带动导管、导丝1-2轴向移动；当两皮带1-3-4不同速转动时会带动导管、导丝1-2同时轴向移动和周向回转。
就运动学具体分析导管、导丝的轴向移动和周向旋转的实现方式：
机器人启动后，电机将动力输送到滚轮轴，滚轮轴再带动滚轮以一定角速度转动。不妨设在某个时刻滚轮1的角速度为ω1，方向为顺时针，滚轮2的角速度为ω2，方向为逆时针。滚轮夹持导管、导丝转动时，由于滚轮与水平方向有一倾斜角θ，所以导管、导丝受到滚轮的力与导管、导丝轴向将有一夹角α(其中α+θ＝90°)。不妨设滚轮1对导管、导丝的合力为F1，滚轮2对导管、导丝的合力为F2，则导管、导丝受到的轴向合力为F1cosα+F2cosα，垂直导管、导丝方向所受合力为F1cosθ+F2cosθ。
1)导管、导丝轴向推拉运动
当ω1＝-ω2时，即两滚轮对导管、导丝的轴向力同向，此时会实现导管、导丝的轴向运动，随着角速度的增加导管、导丝的轴向运动速度将会加快。由于导管、导丝受到一径向力，所以会使导管、导丝产生一定的弯曲变形，其变形程度会随着电机转速的增大而变大。这种情况下将两电机同时等速反转将会实现导管、导丝的轴向前进和后退。
当ω1>ω2时，即F1>F2，则导管、导丝受到的两轴向力反向且F1cosα>F2cosα，此时导管、导丝会水平向左运动。
当ω1<ω2时，即F1<F2，则导管、导丝受到的两轴向力反向且F1cosα<F2cosα，此时导管、导丝会水平向右运动。
2)导管、导丝周向旋捻运动
当ω1＝ω2时，即两滚轮对导管、导丝的轴向力等大反向，径向力等大反向。两轴向力相互抵消，导管、导丝不会产生轴向运动。考虑导管、导丝自身的直径，两径向力将对导管、导丝产生一力偶从而实现导管、导丝的周向旋转。这种情况下将两电机同时等速反转将实现导管、导丝的反向旋转。
当ω1>ω2时，导管、导丝受到的两径向力反向且F1cosθ>F2cosθ，会对导管、导丝产生一力偶，所以导管、导丝会实现轴向旋转。
当ω1<ω2时，导管、导丝受到的两径向力反向且F1cosθ<F2cosθ，会对导管、导丝产生一反向力偶，所以导管、导丝会实现反向轴向旋转。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人，其特征在于，该机器人包括夹持递送模块和动力传送模块；导管导丝穿过夹持递送模块，由夹持递送模块夹持，夹持递送模块内有对称设有第一夹持组件和第二夹持组件，第一夹持组件、第二夹持组件分别与导管导丝轴向方向成60°夹角；驱动模块内有电机和动力传送轴，通过动力传送轴将电机动力传送到夹持递送模块。
2.根据权利要求1所述的基于夹持矢量驱动的血管介入手术机器人，其特征在于，所述第一夹持组件和第二夹持组件的结构相同，均包括皮带和皮带轮，动力传送模块将动力传送到皮带轮从而带动皮带转动；动力传送模块通过控制电机的正反转实现一对皮带的同向和反向转动，当两皮带同速同向转动时，由于皮带与导管导丝轴向有一夹角，此时皮带对导管导丝的摩擦力经过分解，会产生促使导管导丝周向回转的扭矩，从而带动导管导丝周向回转；当两皮带同速反向转动时会带动导管导丝轴向移动；当两皮带不同速转动时会带动导管导丝同时轴向移动和周向回转。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117481825A (zh) * 2024-01-02 2024-02-02 首都医科大学附属北京天坛医院 血管介入手术机器人
CN117481825B (zh) * 2024-01-02 2024-03-29 首都医科大学附属北京天坛医院 血管介入手术机器人

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