CN116421319A - 一种血管介入手术机器人的人机交互装置及方法 - Google Patents

一种血管介入手术机器人的人机交互装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于手术机器人技术领域，具体公开了一种血管介入手术机器人的人机交互装置及方法，装置包括：直线传动件，设置在直线传动件上的滑块，以及固定在滑块上的旋转件；旋转件与控制端通信；旋转件上设有第一旋转编码器和电容传感器，第一旋转编码器能够获取旋转件的旋转信号并传送至控制端；电容传感器能够感应到手指握持的信息并传送至控制端；其中，旋转信号包括旋转角度和旋转方向；控制端响应于手指握持的信息，基于接收到的旋转信号生成器械的旋转控制信号，以产生控制器械旋转运动的控制指令。本发明设计适用于医生操作习惯的手指捻转和前后推送的人机交互装置，更加贴合医生的操作习惯，提高医生的操作效率，降低出错率。

Description

一种血管介入手术机器人的人机交互装置及方法
技术领域
本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种血管介入手术机器人的人机交互装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
血管介入技术是在医学影像设备的导引下，利用穿刺针，导丝，导管等器械经血管途径进行诊断与治疗的操作技术。
通常情况下，医生在进行血管介入手术时，大多都习惯通过右手拇指和食指夹持导丝，然后通过手指不断搓捻的方式完成导丝的绕轴心旋转，通过手腕向前或向后推送导丝完成导管/导丝在血管内的前后移动。
随着手术机器人的发展，通过手术机器人进行血管介入手术越来越普遍；医生只需要操作血管介入机器人，通过人机交互的方式将血管介入手术中的导管、导丝等精密器械引入人体，对体内病灶进行诊断和局部治疗。
但是，目前手术机器人的人机交互方式是通过摇杆或者触摸屏来下发操作指令，这与医生原本的操作习惯存在较大差异，这在一定程度上会影响医生的操作效率和操作准确率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种血管介入手术机器人的人机交互装置及方法，优化操作台人机交互方式，维持医生原本的操作习惯，能够提高手术操作效率和准确率。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种血管介入手术机器人的人机交互装置，包括：直线传动件，设置在直线传动件上的滑块，以及固定在滑块上的旋转件；所述旋转件与控制端通信；
所述旋转件上设有第一旋转编码器和电容传感器，所述第一旋转编码器能够获取旋转件的旋转信号并传送至控制端；所述电容传感器能够感应到手指握持的信息并传送至控制端；其中，所述旋转信号包括旋转角度和旋转方向；
所述控制端响应于手指握持的信息，基于接收到的旋转信号生成器械的旋转控制信号，以产生控制器械旋转运动的控制指令。
作为进一步地方案，控制端能够接收滑块相对于直线传动件的直线运动距离及运动方向，以产生控制器械前进或后退的控制指令。
作为进一步地方案，所述直线传动件为丝杠，所述丝杠上设有第二旋转编码器；
外力推动滑块前进或后退，能够带动丝杠转动，第二旋转编码器能够检测丝杠的旋转信号并传送至控制端；控制端能够基于所述旋转信号计算滑块在丝杠上的相对位移。
作为进一步地方案，控制端基于所述旋转信号计算滑块在丝杠上的相对位移，具体为：
Figure BDA0004120173270000021
其中，K为第二旋转编码器累计旋转圈数，θ为第二旋转编码器旋转小于一圈时的旋转角度，L为丝杠导程。
作为进一步地方案，所述滑块上设有压敏型感应开关，外力按压住压敏型感应开关时，滑块的移动位移不生成器械的前进或后退的控制信号。
作为进一步地方案，所述旋转件为指拨轮。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种血管介入手术机器人，包括上述的血管介入手术机器人的人机交互装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种血管介入手术机器人的人机交互方法，包括：
手指握持住旋转件，并转动旋转件时，获取旋转件的旋转角度及旋转方向信息；基于所述旋转角度及旋转方向信息，生成用于控制器械旋转的控制指令；
外力推动滑块在直线传动件上移动，获取滑块相对于直线传动件的直线运动距离及运动方向信息；基于所述直线运动距离及运动方向信息，生成用于控制器械前进或后退的控制指令。
作为进一步地方案，外力推动滑块前进至直线传动件的最末端时，响应于滑块上压敏型感应开关按下的信号，此时推动滑块运动至直线传动件的最前端，滑块的移动位移不生成器械前进或后退的控制信号；响应于压敏型感应开关松开的信号，再次推动滑块前进时，继续生成用于控制器械前进或后退的控制指令。
作为进一步地方案，外力推动滑块后退至直线传动件的最前端时，响应于滑块上压敏型感应开关按下的信号，此时推动滑块运动至直线传动件的最末端，滑块的移动位移不生成器械前进或后退的控制信号；响应于压敏型感应开关松开的信号，再次推动滑块后退时，继续生成用于控制器械前进或后退的控制指令。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明改变原来血管介入手术机器人通过摇杆或触摸屏等方式控制导管或导丝在血管等器械内移动的人机交互方式，设计适用于医生操作习惯的手指捻转和前后推送的人机交互装置，更加贴合医生的操作习惯，提高医生的操作效率，降低出错率。
(2)本发明通过旋转件与电容传感器的配合，能够有效识别手指的旋转动作，通过旋转编码器获取旋转角度及旋转方向信号，进而生成用于控制导丝或导管等器械进行旋转的信号，来控制器械的旋转。
(3)本发明通过滑块与直线传动件的配合，能够将滑块的直线位移转换为用于控制导丝或导管等器械前进或后退的信号，来控制器械的前进或后退。
同时增设了压敏型感应开关，当滑块被推动至最前端或最末端时，按住压敏型感应开关推动滑块回位，松开压敏型感应开关后，可以继续对导丝或导管等器械进行前进或后退的控制，以实现对导丝或导管的连续进退操作。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的血管介入手术机器人的人机交互装置结构示意图；
图2为本发明实施例中的旋转件结构示意图；
图3为本发明实施例中的滑块与丝杠结构示意图；
其中，1.旋转件，2.直线传动件，3.第一旋转编码器，4.电容传感器，5.压敏型感应开关，6.第二旋转编码器，7.滚珠丝杠，8.滚珠螺母。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种血管介入手术机器人的人机交互装置，结合图1，具体包括：直线传动件2，设置在直线传动件2上的滑块，以及固定在滑块上的旋转件1；旋转件1与控制端通信。
结合图2，本实施例旋转件1上设有电容传感器4，手指握持住旋转件1时，电容传感器4能够感应到手指握持的信息，并将信息传送至控制端。旋转件1的形状与手指握持动作相适配，手指握持住旋转件1以后，能够转动旋转件1，类似于手指的搓捻动作；同时，旋转件1上还设有第一旋转编码器3，第一旋转编码器3随着旋转件1一同转动，第一旋转编码器3能够获取旋转件1的旋转信号并传送至控制端。
控制端响应于手指握持的信息，基于接收到的旋转信号生成导丝或导管等器械的旋转控制信号，以驱动导丝或导管的旋转运动。
具体地，本实施例中的旋转件1采用指拨轮，第一旋转编码器3选用光栅编码器；光栅编码器将360°分成N份，光栅每转动1份，即代表指拨轮旋转了360/N度，光栅编码器会输出对应的旋转角度数字量。同时光栅编码器可以检测指拨轮的正转或反转，控制端基于旋转角度数字量信息控制导丝或导管的转动角度，基于正反转信号控制导丝或导管的转动方向。
本实施例中，直线传动件2选用丝杠，比如：滚珠丝杠7；此时滑块为滚珠螺母8；结合图3，指拨轮通过支架安装在滚珠螺母8上，滚珠螺母8套在滚珠丝杠7上，滚珠螺母8可以在滚珠丝杠7上直线往复运动，滚珠丝杠7两端通过轴承安装在操作台上，滚珠丝杠7可以绕轴心自由转动。
在滚珠丝杠7的一端，同轴心安装第二旋转编码器6，第二旋转编码器6可以采用光栅编码器，滑块能够在外力的推动下向前或者向后移动，滚珠螺母8随着滑块一起运动；在滚珠螺母8做直线运动时，滚珠丝杠7在同步旋转，光栅编码器随之旋转，产生旋转信号，计算滚珠螺母8在丝杠上的直线位移，控制端能够基于直线位移及运动方向生成导丝或导管前进或后退的控制信号。
本实施例中，计算滚珠螺母8在丝杠上的直线位移的方法具体如下：
第二旋转编码器6将360°分成N份，光栅每转动1份，即代表指拨轮旋转了360/N度,传感器会输出对应的旋转角度数字量。
Figure BDA0004120173270000061
其中，S为滑块在丝杠上的直线位移，单位mm；K为第二旋转编码器6累计旋转圈数，第二旋转编码器6正转一圈K自增1，第二旋转编码器6反转一周，K自减1；θ为第二旋转编码器6旋转小于一圈时的旋转角度，根据第二旋转编码器6的反馈脉冲数计算，单位：度；L为滚珠丝杠7导程，单位mm。
本实施例中，控制端用于产生控制手术机器人操作动作的控制指令，比如：产生控制导丝或导管的前进或后退的控制指令，或者产生控制导丝或导管的转动的控制指令；这些控制指令被传送至具体的执行终端，以实现相应的控制动作。
通过本实施例的血管介入手术机器人的人机交互装置，能够通过手指搓捻动作实现对导丝或导管的转动控制；通过手向前推动或者向后回退动作实现对导丝或导管的前进或后退的运动控制。完全符合医生徒手手术时的操作习惯，提高医生使用手术机器人时的操作效率和操作准确率。
在另一些实施方式中，公开了一种血管介入手术机器人，包括了上述的血管介入手术机器人的人机交互装置。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种血管介入手术机器人的人机交互方法，具体包括如下过程：
(1)手指握持住旋转件1，并转动旋转件1(比如指拨轮)时，获取旋转件1的旋转角度及旋转方向信息；基于所述旋转角度及旋转方向信息，生成用于控制导丝或导管等器械旋转的控制指令；
(2)外力推动滑块在直线传动件2上移动，获取滑块相对于直线传动件2的直线运动距离及运动方向信息；基于所述直线运动距离及运动方向信息，生成用于控制导丝或导管等器械前进或后退的控制指令。
另外，导丝长度一般在2m左右，指拨轮的线性位移一般在0.2-0.5m。指拨轮上安装压敏型感应开关5，按住压敏型感应开关5，推拉指拨轮，此时的指拨轮移动位移不计入导丝位移，手术机器人不驱动导丝或导管，当松开压敏型感应开关5后，推拉指拨轮时，指拨轮的直线位移才计入导丝或导管的进退操作，此设计的目的是为了匹配导丝或导管的连续进退操作。
比如：
在导丝或导管连续推进操作过程中，当指拨轮运行到滚珠丝杠7的最前端时，按下压敏型感应开关5，指拨轮回撤，此时丝杠的旋转数据不计入导丝运动控制，导丝还是保持位置静止，当指拨轮回撤到位后，松开压敏型感应开关5，握持电容传感器4旋钮部分，继续进行导丝推进操作。
在导丝或导管连续后撤操作过程中，当指拨轮运行到滚珠丝杠7的最后端时，按下压敏型感应开关5，指拨轮前推，此时丝杠的旋转数据不计入导丝运动控制，导丝还是保持位置静止，当指拨轮前推到位后，松开压敏型感应开关5，握持电容传感器4旋钮部分，继续进行导丝后撤操作。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种血管介入手术机器人的人机交互装置，其特征在于，包括：直线传动件，设置在直线传动件上的滑块，以及固定在滑块上的旋转件；所述旋转件与控制端通信；
所述旋转件上设有第一旋转编码器和电容传感器，所述第一旋转编码器能够获取旋转件的旋转信号并传送至控制端；所述电容传感器能够感应到手指握持的信息并传送至控制端；其中，所述旋转信号包括旋转角度和旋转方向；
所述控制端响应于手指握持的信息，基于接收到的旋转信号生成器械的旋转控制信号，以产生控制器械旋转运动的控制指令。
2.如权利要求1所述的一种血管介入手术机器人的人机交互装置，其特征在于，控制端能够接收滑块相对于直线传动件的直线运动距离及运动方向，以产生控制器械前进或后退的控制指令。
3.如权利要求1或2所述的一种血管介入手术机器人的人机交互装置，其特征在于，所述直线传动件为丝杠，所述丝杠上设有第二旋转编码器；
外力推动滑块前进或后退，能够带动丝杠转动，第二旋转编码器能够检测丝杠的旋转信号并传送至控制端；控制端能够基于所述旋转信号计算滑块在丝杠上的相对位移。
4.如权利要求3所述的一种血管介入手术机器人的人机交互装置，其特征在于，控制端基于所述旋转信号计算滑块在丝杠上的相对位移，具体为：
Figure FDA0004120173260000011
其中，K为第二旋转编码器累计旋转圈数，θ为第二旋转编码器旋转小于一圈时的旋转角度，L为丝杠导程。
5.如权利要求1或2所述的一种血管介入手术机器人的人机交互装置，其特征在于，所述滑块上设有压敏型感应开关，外力按压住压敏型感应开关时，滑块的移动位移不生成器械的前进或后退的控制信号。
6.如权利要求1所述的一种血管介入手术机器人的人机交互装置，其特征在于，所述旋转件为指拨轮。
7.一种血管介入手术机器人，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的血管介入手术机器人的人机交互装置。
8.一种血管介入手术机器人的人机交互方法，其特征在于，包括：
手指握持住旋转件，并转动旋转件时，获取旋转件的旋转角度及旋转方向信息；基于所述旋转角度及旋转方向信息，生成用于控制器械旋转的控制指令；
外力推动滑块在直线传动件上移动，获取滑块相对于直线传动件的直线运动距离及运动方向信息；基于所述直线运动距离及运动方向信息，生成用于控制器械前进或后退的控制指令。
9.如权利要求8所述的一种血管介入手术机器人的人机交互方法，其特征在于，外力推动滑块前进至直线传动件的最末端时，响应于滑块上压敏型感应开关按下的信号，此时推动滑块运动至直线传动件的最前端，滑块的移动位移不生成器械前进或后退的控制信号；响应于压敏型感应开关松开的信号，再次推动滑块前进时，继续生成用于控制器械前进或后退的控制指令。
10.如权利要求8所述的一种血管介入手术机器人的人机交互方法，其特征在于，外力推动滑块后退至直线传动件的最前端时，响应于滑块上压敏型感应开关按下的信号，此时推动滑块运动至直线传动件的最末端，滑块的移动位移不生成器械前进或后退的控制信号；响应于压敏型感应开关松开的信号，再次推动滑块后退时，继续生成用于控制器械前进或后退的控制指令。
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