CN116492067B - 具有力检测功能的驱动装置和反作用力检测方法 - Google Patents

具有力检测功能的驱动装置和反作用力检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于医疗器械领域，公开了一种具有力检测功能的驱动装置和反作用力检测方法，递送组件沿细长型医疗器械轴向滑动地安装到所述底座。力检测部，包括至少两个力检测组件，每一个所述力检测组件均包括力传感器和弹性件，所述力传感器固定安装于所述底座；所述弹性件的一端连接所述力传感器的采集端，另一端连接所述递送组件。设置多个力检测部件，用于分别检测递送组件在递送细长型医疗器械时，在细长型医疗器械轴向上两个相反方向上的力，然后可以计算得到两个方向的合力，最后基于系统阻力和合力计算得到所述细长型医疗器械的反作用力。医生可以精准感知细长医疗器械头部的阻力和变化，降低手术风险。

Description

具有力检测功能的驱动装置和反作用力检测方法
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及到一种具有力检测功能的驱动装置和反作用力检测方法。
背景技术
现有介入手术中，医生在通过手术机器人的从端的驱动装置递送细长型医疗器械（导管/导丝）时，细长型医疗器械头部受到血管内阻力，驱动装置等设备会将阻力实时检测并反馈到主端上让医生感知到，但现有驱动装置等含力反馈的检测装置中干扰力反馈检测的因素较多，例如电机振动等，整个从端的驱动装置振动会使力检测产生0.5N以上力振幅，降低了力检测精度。进一步地，驱动装置在递送细长型医疗器械时，由于递送滚轮的圆度加工误差，夹紧导管/导丝时滚轮变形程度具有不均匀性，使得滚轮转动产生振动。且夹紧导管/导丝的夹紧力的部分分力会作用在力传感器上，导致力检测不准确。
力反馈不能准确反映实际情况，让医生难以精准感知细长医疗器械头部的阻力和变化，易造成血管戳破的手术风险。
因此，提供一种可以准确反馈细长型医疗器械阻力的驱动装置是亟须解决的问题。
发明内容
本申请提供一种具有力检测功能的驱动装置和反作用力检测方法，旨在解决现有技术中驱动装置无法准确反馈导管/导丝阻力的技术问题。
为了实现上述发明目的，本申请第一方面提出一种具有力检测功能的驱动装置，应用于介入手术机器人的从端，包括：
底座；
递送组件，用于夹持或轴向移动细长型医疗器械，沿所述细长型医疗器械轴向滑动地安装到所述底座；
力检测部，包括至少两个力检测组件，每一个所述力检测组件均包括力传感器和弹性件，所述力传感器固定安装于所述底座；所述弹性件的一端连接所述力传感器的采集端，另一端连接所述递送组件；
其中，所述力传感器用于采集所述细长型医疗器械轴向的力。
进一步地，所述力检测组件包括两个，分别为第一力检测组件和第二力检测组件；
所述递送组件包括递送滚轮组，所述第一力检测组件和第二力检测组件分别设置在所述递送滚轮组的两侧。
进一步地，所述第一力检测组件的第一力传感器的采集端，与所述第二力检测组件的第二力传感器的采集端的朝向相反。
进一步地，所述弹性件为弹簧，所述弹簧的弹力方向与对应的所述力传感器的采集力的方向重合。
进一步地，具有力检测功能的驱动装置还包括导轨；
所述底座和所述递送组件通过所述导轨滑动连接。
进一步地，所述导轨包括至少两条；
所述递送组件包括递送滚轮组，两条所述导轨分别设置在所述递送滚轮组的两侧。
进一步地，所述递送组件包括安装板和用于夹持或轴向移动所述细长型医疗器械的无菌盒，所述无菌盒安装于所述安装板；
所述安装板与底座通过所述导轨滑动连接；
所述安装板设置有朝向所述底座延伸的支撑板，所述弹性件通过所述支撑板与所述递送组件连接。
进一步地，所述递送组件还包括侧板，所述侧板的一端固定安装于所述安装板，另一端与所述导轨滑动连接。
进一步地，所述底座上设置有朝向所述安装板延伸的固定板，所述力传感器固定安装在所述固定板上。
本申请第二方面提出一种反作用力检测方法，基于上述任一项所述的具有力检测功能的驱动装置，所述方法包括：
获取所述具有力检测功能的驱动装置的系统阻力和各所述力传感器采集的测量力；其中，所述系统阻力为预设的固定力值；各所述力传感器分成两部分，第一部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械前进方向相反方向的第一测量力，第二部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械前进方向相同方向的第二测量力；
计算所述第一测量力和所述第二测量力的合力；
通过公式计算得到所述反作用力；
其中，为所述反作用力，/>为所述合力，/>为所述系统阻力；
所述，/>为所述第一测量力，/>为所述第二测量力。
有益效果：
本申请的具有力检测功能的驱动装置和反作用力检测方法，递送组件沿细长型医疗器械轴向滑动地安装到所述底座，当递送组件递送细长型医疗器械受到阻力时，可以相对底座沿着细长型医疗器械轴向滑动。力检测部，包括至少两个力检测组件，每一个所述力检测组件均包括力传感器和弹性件，所述力传感器固定安装于所述底座；所述弹性件的一端连接所述力传感器的采集端，另一端连接所述递送组件；其中，所述力传感器用于采集所述细长型医疗器械轴向的力。设置多个力检测部件，用于分别检测递送组件在递送细长型医疗器械时，在细长型医疗器械轴向上两个相反方向上的力，然后可以计算得到两个方向的合力，最后基于系统阻力和合力计算得到所述细长型医疗器械的反作用力。利用合力和系统阻力计算反作用力，而电机震动、滚轮组不均等产生的力均是内力，并不会影响到反作用力的计算结果，从而可以得到准确的反映导管/导丝阻力的反馈力（反作用力），医生精准感知细长医疗器械（导管/导丝）头部的阻力和变化，降低手术风险。
附图说明
图1 为发明一实施例的具有力检测功能的驱动装置的结构图；
图2 为发明一实施例的底座和力检测部件的结构图；
图3 为发明一实施例的具有力检测功能的驱动装置的受力情况示意图；
图4 为发明一实施例的反作用力检测方法的流程示意图。
10-底座；20-递送组件；21-安装板；22-无菌盒；23-侧板；24-电机；25-递送滚轮组；40-细长型医疗器；50-导轨；51-导轨固定端；52-导轨活动端；61-第一支撑板；62-第二支撑板；71-第一力传感器；72-第一弹簧；73-第二力传感器；74-第二弹簧；75-第二固定板；76-第一固定板。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“上述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件、模块、模块和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块、模块、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一模块和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
参照图1，本申请实施例提供一种具有力检测功能的驱动装置，应用于介入手术机器人的从端，包括：
底座10；
递送组件20，用于夹持或轴向移动细长型医疗器械40，沿所述细长型医疗器械40轴向滑动地安装到所述底座10；
力检测部，包括至少两个力检测组件，每一个所述力检测组件均包括力传感器和弹性件，所述力传感器固定安装于所述底座10；所述弹性件的一端连接所述力传感器的采集端，另一端连接所述递送组件20；
其中，所述力传感器用于采集所述细长型医疗器械40轴向的力。
上述底座10可以为支架、平板等任意结构，其作用是用于支撑递送组件20。
上述递送组件20即为递送细长型医疗器械40的组件，一般包括安装板21，电机24、传动组件、递送滚轮组25和无菌盒22等，电机24、传动组件、递送滚轮组25和无菌盒22均设置在安装板21上，电机24通过传动组件驱动递送滚轮组25动作，递送滚轮组25驱动细长型医疗器械40沿着其轴向运动。递送滚轮组25设置在无菌盒22内部。
递送组件20沿细长型医疗器械40轴向滑动地安装到所述底座10，当递送组件20递送细长型医疗器械40受到阻力时，递送组件20可以相对底座10沿着细长型医疗器械40轴向滑动。本实施例中，安装板21与底座10滑动连接。
上述力检测部是检测力的结构，其包括多个力检测部件，用于分别检测递送组件20在递送细长型医疗器械40时，在细长型医疗器械40轴向上两个相反方向上的力，然后可以计算得到两个方向的合力，最后基于系统阻力和合力计算得到所述细长型医疗器械40的反作用力。
上述力检测部件包括力传感器和弹性件，所述力传感器固定安装于所述底座10；所述弹性件的一端连接所述力传感器的采集端，另一端连接所述递送组件20。力传感器用于采集所述细长型医疗器械40轴向的力。其中，力传感器可以为仅能检测压力的压力传感器，也可以为仅能检测拉力的拉力传感器，还可以为既能检测压力又能检测拉力的拉压力传感器。在本实施例，各所述力传感器分成两部分，第一部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械40前进方向相反方向的第一测量力，第二部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械40前进方向相同方向的第二测量力。关于力传感器具体如何选用压力传感器、拉力传感器或拉压力传感器，可以根据具体设计选择。上述弹性件用于缓冲递送组件20和底座10之间的力，并且将力传递给其对应的力传感器，可以为弹片、弹簧等。本实施例中优选弹簧。
本申请的具有力检测功能的驱动装置，递送组件20沿细长型医疗器械40轴向滑动地安装到所述底座10，当递送组件20递送细长型医疗器械40受到阻力时，可以相对底座10沿着细长型医疗器械40轴向滑动。力检测部，包括至少两个力检测组件，每一个所述力检测组件均包括力传感器和弹性件，所述力传感器固定安装于所述底座10；所述弹性件的一端连接所述力传感器的采集端，另一端连接所述递送组件20；其中，所述力传感器用于采集所述细长型医疗器械40轴向的力。设置多个力检测部件，用于分别检测递送组件20在递送细长型医疗器械40时，在细长型医疗器械40轴向上两个相反方向上的力，然后可以计算得到两个方向的合力，最后基于系统阻力和合力计算得到所述细长型医疗器械40的反作用力。利用合力和系统阻力计算反作用力，而电机24震动、滚轮组不均等产生的力均是内力，并不会影响到反作用力的计算结果，从而可以得到准确的反映细长型医疗器械40阻力的反馈力（反作用力），医生精准感知细长医疗器械（导管/导丝）头部的阻力和变化，降低手术风险。
参照图1至图3，在一个实施例中，上述力检测组件包括两个，分别为第一力检测组件和第二力检测组件；所述递送组件20包括递送滚轮组25，所述第一力检测组件和第二力检测组件分别设置在所述递送滚轮组25的两侧。
上述递送滚轮组25一般包括两排相对的滚轮，细长型医疗器械40在被夹持在两排相对的滚轮之间，其中一排滚轮为主动轮，另一排为从动轮，上述电机24通过传动组件驱动主动轮转动，从动轮在主动轮的作用下跟随转动，细长型医疗器械40在主动轮和被动轮之间基于摩擦力而被带动前进或后退，实现递送。将第一力检测组件和第二力检测组件分别设置在所述递送滚轮组25的两侧，各力传感器可以更准确地采集到细长型医疗器械40在受到后反馈到递送组件20而产生的力。
进一步地，上述所述第一力检测组件的第一力传感器71的采集端，与所述第二力检测组件的第二力传感器73的采集端的朝向相反。所述弹性件为弹簧，所述弹簧的弹力方向与对应的所述力传感器的采集力的方向重合。
在本实施例中，第一力传感器71和第二力传感器73为类型相同传感器。具体地，均为压力传感器。参照图2，第一力传感器71的采集端与第二力传感器73的采集端的朝向相反，用于采集相反方向的力。对应第一力传感器71的第一弹簧72和对应第二力传感器73的第二弹簧74均提供一个预紧力，即当递送组件20不做功递送细长型医疗器械40时，第一弹簧72和第二弹簧74均处于压缩状态，提供相应的预紧力。预紧力的存在，可以使弹簧更稳定地设置在力传感器的采集端和递送组件20之间。需要说明的是，第一弹簧72、第二弹簧74、第一力传感器71的采集端和第二力传感器73的采集端相互平行，一般设置在同一平面内，即，所述弹簧的弹力方向与对应的所述力传感器的采集力的方向重合，这样可以防止弹簧发生弯曲而影响第一力传感器71和第二力传感器73准确到底采集到相应的力信号。
在一个实施例中，上述具有力检测功能的驱动装置，还包括导轨50；所述底座10和所述递送组件20通过所述导轨50滑动连接。
上述导轨50包括相互配合滑动连接的导轨50固定端51和导轨50活动端52，导轨50固定端51固定安装在底座10上，递送组件20安装在导轨50活动端52。
进一步地，上述导轨50包括至少两条；递送组件20包括递送滚轮组25，两条所述导轨50分别设置在所述递送滚轮组25的两侧。
设置两条导轨50，可以使底座10和递送组件20之间相对滑动得更加平稳。因为实际需要检测的力为递送组件20递送细长型医疗器械40时的反馈力，将两条所述导轨50分别设置在所述递送滚轮组25的两侧，可以进一步地提高底座10和递送组件20之间相对滑动的平稳性。
参照图1和图2，在一个实施例中，上述递送组件20包括安装板21和用于夹持或轴向移动所述细长型医疗器械40的无菌盒22，所述无菌盒22安装于所述安装板21；所述安装板21与底座10通过所述导轨50滑动连接；所述安装板21设置有朝向所述底座10延伸的支撑板，所述弹性件通过所述支撑板与所述递送组件20连接。上述递送组件20还包括侧板23，所述侧板23的一端固定安装于所述安装板21，另一端与所述导轨50滑动连接。
上述安装板21即为固定安装无菌盒22、电机24、传动组件等结构的装置，其可以为板状结构或其他结构，只要能够固定安装无菌盒22、电机24、传动组件等结构即可。本实施例中优选平板，生产简单，且方便安装无菌盒22、电机24、传动组件等。在安装板21设置有朝向所述底座10延伸的支撑板，所述弹性件通过所述支撑板与所述递送组件20连接，支撑板的设置，方便弹性件的安装。支撑板可以与安装板21一体成型，也可以是分体设置，通过螺钉等固定到安装板21上。在本实施例中，支撑板为倒L型，倒L型的横向部分设置螺钉孔，通过螺钉固定在安装板21朝向底座10的底面上。本申请中设置两个力检测部件，所以设置有相应的第一支撑板61和第二支撑板62。上述侧板23可以板状结构也可以为支架结构，侧板23设置提高安装板21和底座10之间的距离，为安装力检测组件提供更多的安装空间。
在一个实施例中，上述底座10上设置有朝向所述安装板21延伸的固定板，所述力传感器固定安装在所述固定板上。固定板的设置，可以更方便地固定力传感器，使力传感器安装得更加稳固。固定板可以与底座10一体成型，减少安装步骤，提高生产效率。在本实施例中，设置两个固定板，分别为对应第一力传感器71的第一固定板76，以及对应第二力传感器73的第二固定板75。
参照图3，以设置两个力检测组件为例，具有力检测功能的驱动装置的受力分析和反作用力的计算，具体如下：
以安装板21作为初始受力研究对象时，
→/>（公式1）
初始力平衡状态下，-----------(公式2)
由公式1和公式2可推导出：-----------(公式3)
以力传感器为研究对象时，
→/>-------------(公式4)
→/>--------------(公式5)
将公式4和公式5代入公式3中得出：
----------(公式6)
其中：为系统阻力，/>为第一弹簧72的预紧力，/>为细长型医疗器械40的反作用力，/>为第二弹簧74的预紧力，/>为第一力传感器71的第一测量力，/>为第二力传感器73的第二测量力，/>为各弹簧在其弹性限度内的形变量，/>为第一弹簧72的劲度系数，为第二弹簧74的劲度系数。系统阻力为底座10和递送组件20之间的摩擦力等，为预设值。
因为和/>作为传感器的测量值，可以实时读取；细长型医疗器械40递送过程中，由于形变极小，/>与/>也取固定值。
在一个具体实施例中，实测可调至30mN以内且波动小，因此在具体实施例中的2近似取上限均值60mN（/>=-30~+30mN）。那么导丝的反作用力/>（mN）。
通过以上受力分析和公式推导可知，本申请实施例的具有力检测功能的驱动装置，通过至少两个力检测组件的结构，可以精密测出细长型医疗器械40所受阻力，同时在弹簧减振作用下，可以滤除电机24、系统的振动干扰。
参照图4，本申请实施例中还提供一种反作用力检测方法，基于上述任一项实施例所述的具有力检测功能的驱动装置，所述方法包括：
S1、获取所述具有力检测功能的驱动装置的系统阻力和各所述力传感器采集的测量力；其中，所述系统阻力为预设的固定力值；各所述力传感器分成两部分，第一部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械40前进方向相反方向的第一测量力，第二部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械40前进方向相同方向的第二测量力；
S2、计算所述第一测量力和所述第二测量力的合力；
S3、基于所述系统阻力和所述合力计算得到所述细长型医疗器械40的反作用力。
上述系统阻力是指系统阻力为底座10和递送组件20之间的摩擦力等，为预设值，通过实际测量得到。设置至少两个力检测组件，然后将各力检测组件对用的所述力传感器分成两部分，第一部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械40前进方向相反方向的第一测量力，第二部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械40前进方向相同方向的第二测量力，然后对所述第一测量力和所述第二测量力进行作差计算可以得到一个合力，然后基于所述系统阻力和所述合力计算得到所述细长型医疗器械40的反作用力。
具体地，上述基于所述系统阻力和所述合力计算得到所述细长型医疗器械40的反作用力S3的步骤，包括：
通过公式计算得到所述反作用力；
其中，为所述反作用力，/>为所述合力，/>为所述系统阻力；
所述，/>为所述第一测量力，/>为所述第二测量力。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有力检测功能的驱动装置，应用于介入手术机器人的从端，其特征在于，包括：
底座；
递送组件，用于夹持或轴向移动细长型医疗器械，沿所述细长型医疗器械轴向滑动地安装到所述底座；
力检测部，包括至少两个力检测组件，每一个所述力检测组件均包括力传感器和弹性件，所述力传感器固定安装于所述底座；所述弹性件的一端连接所述力传感器的采集端，另一端连接所述递送组件；
其中，所述力传感器用于采集所述细长型医疗器械轴向的力；
所述力检测部的至少两个力检测组件，用于分别检测所述递送组件在递送细长型医疗器械时，在细长型医疗器械轴向上两个相反方向上的力，以便于计算得到两个相反方向的合力，并基于系统阻力和所述合力计算得到所述细长型医疗器械的反作用力。
2.根据权利要求1所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，所述力检测组件包括两个，分别为第一力检测组件和第二力检测组件；
所述递送组件包括递送滚轮组，所述第一力检测组件和第二力检测组件分别设置在所述递送滚轮组的两侧。
3.根据权利要求2所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，所述第一力检测组件的第一力传感器的采集端，与所述第二力检测组件的第二力传感器的采集端的朝向相反。
4.根据权利要求1所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，所述弹性件为弹簧，所述弹簧的弹力方向与对应的所述力传感器的采集力的方向重合。
5.根据权利要求1所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，还包括导轨；
所述底座和所述递送组件通过所述导轨滑动连接。
6.根据权利要求5所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，所述导轨包括至少两条；
所述递送组件包括递送滚轮组，两条所述导轨分别设置在所述递送滚轮组的两侧。
7.根据权利要求5所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，所述递送组件包括安装板和用于夹持或轴向移动所述细长型医疗器械的无菌盒，所述无菌盒安装于所述安装板；
所述安装板与底座通过所述导轨滑动连接；
所述安装板设置有朝向所述底座延伸的支撑板，所述弹性件通过所述支撑板与所述递送组件连接。
8.根据权利要求7所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，所述递送组件还包括侧板，所述侧板的一端固定安装于所述安装板，另一端与所述导轨滑动连接。
9.根据权利要求7所述的具有力检测功能的驱动装置，其特征在于，所述底座上设置有朝向所述安装板延伸的固定板，所述力传感器固定安装在所述固定板上。
10.一种反作用力检测方法，其特征在于，基于权利要求1至权利要求9任一项所述的具有力检测功能的驱动装置，所述方法包括：
获取所述具有力检测功能的驱动装置的系统阻力和各所述力传感器采集的测量力；其中，所述系统阻力为预设的固定力值；各所述力传感器分成两部分，第一部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械前进方向相反方向的第一测量力，第二部分的所述力传感器用于采集与所述细长型医疗器械前进方向相同方向的第二测量力；
计算所述第一测量力和所述第二测量力的合力；
通过公式计算得到所述反作用力；
其中，为所述反作用力，/>为所述合力，/>为所述系统阻力；
，/>为所述第一测量力，/>为所述第二测量力。
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CN114191082A (zh) * 2021-12-14 2022-03-18 复旦大学 一种血管介入手术机器人导丝夹持与导丝阻力测定装置
CN115624392A (zh) * 2022-11-09 2023-01-20 深圳市爱博医疗机器人有限公司 一种从端递送装置及介入机器人

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