一种血管介入机器人主手力反馈机构的制作方法

一种血管介入机器人主手力反馈机构
[技术领域]
[0001]
本实用新型属于医疗器械技术领域，具体地说是一种血管介入机器人主手力反馈机构。
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背景技术：
]
[0002]
近年来，随着生活水平的提高，心血管疾病的发病率逐年升高，特别是50岁以上的人群发病率尤为高，其具有高患病率、高致残率、高死亡率的特点，即使应用目前最先进、最完善的治疗手段，仍有50％以上的心脑血管手术意外幸存者生活不能完全自理，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1500万人，居各种死因首位。
[0003]
心血管介入手术是一种新型诊断与治疗心血管疾病的技术，其利用血管造影技术，将球囊、支架等植入物从动脉建立通道送至心脏患病处。其优点为手术创伤小，手术时间短，患者承受的痛苦较小，术后恢复快，手术安全性较高。由于介入手术需要长时间暴露在x射线下，医生需穿戴厚重的铅屏蔽服，增加了医生的劳动强度。且常年累月辐射剂量的堆积，使得介入手术医生患脑癌的概率是普通人的2-10倍。
[0004]
随着计算机，人工智能的发展，将机器人技术引入介入治疗领域，利用主从操作，医生在带有屏蔽的远端操作机器人远程完成手术，大大降低了医生的受辐射剂量，避免医生收到射线伤害。同时医生不用再穿戴厚重的铅服，降低了医生的劳动强度。同时主从操作可以实现远程手术，使得医生可以远程协助偏远、医疗资源匮乏的地区，提高了基层医疗水平。
[0005]
在传统介入手术中，医生通过导丝导管传递回来的力的大小，结合血管造影来判断是否继续推送。然而，目前市面上的介入机器人缺乏主手力反馈，医生在主端操作时只能通过图像来判断导管或导丝是否触碰到血管壁，因此只能完成风险较低，精度要求不高的手术。
[

技术实现要素：
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[0006]
本实用新型的目的就是要解决上述的不足而提供一种血管介入机器人主手力反馈机构，将导丝和导管在血管中的受力情况映射到主端操作机构，还原医生在操作时的临场感受，从而降低手术风险，提高手术精度。
[0007]
为实现上述目的设计一种血管介入机器人主手力反馈机构，包括盒体2和面板1，所述面板1固定于盒体2上，所述面板1外侧设置有导丝前进及后退运动旋钮5、导丝旋转运动旋钮4、导管前进及后退运动旋钮3、急停按钮6和使能按钮7，所述面板1内侧安装有力反馈装置，所述力反馈装置包括导丝力反馈机构和导管力反馈机构，所述导丝力反馈机构与导管力反馈机构结构相同且呈对称式分布；所述导丝力反馈机构包括主动轮一8、从动轮一14、皮带一10及压带机构一，所述主动轮一8与导丝前进及后退运动旋钮5相连，所述导丝前进及后退运动旋钮5带动主动轮一8旋转，所述主动轮一8通过皮带一10连接从动轮一14，并带动从动轮一14运动，所述皮带一10处设置有压带机构一，所述压带机构一调整对皮带一
10的压紧程度，从而将皮带一10的压紧力反馈至主动轮一8的扭转力，并通过主动轮一8将力反馈至导丝前进及后退运动旋钮5；所述导管力反馈机构包括主动轮二23、从动轮二16、皮带二21及压带机构二，所述主动轮二23与导管前进及后退运动旋钮3相连，所述导管前进及后退运动旋钮3带动主动轮二23旋转，所述主动轮二23通过皮带二21连接从动轮二16，并带动从动轮二16运动，所述皮带二21处设置有压带机构二，所述压带机构二调整对皮带二21的压紧程度，从而将皮带二21的压紧力反馈至主动轮二23的扭转力,并通过主动轮二23将力反馈至导管前进及后退运动旋钮3。
[0008]
进一步地，所述使能按钮7按下后，所述导丝前进及后退运动旋钮5控制导丝前进或后退，所述导管前进及后退运动旋钮3控制导管前进或后退，所述导丝旋转运动旋钮4控制导丝在血管中的旋转运动。
[0009]
进一步地，所述导丝旋转运动旋钮4与导丝旋转运动编码器24通过圆柱杆相连，所述导丝旋转运动编码器24固定于面板1上，所述导丝旋转运动旋钮4通过导丝旋转运动编码器24将旋钮的旋转角度按照比例关系映射至导丝的旋转角度。
[0010]
进一步地，所述压带机构一包括电机固定钣金一11、压带凸轮一12和直流电机一13，所述压带凸轮一12与直流电机一13通过电机固定钣金一11固定于面板1上，所述直流电机一13采用直流有刷电机，所述直流电机一13的输出轴与压带凸轮一12相连，所述直流电机一13控制压带凸轮一12转动，所述压带凸轮一12与皮带一10相接触，所述压带凸轮一12旋转角度不同则对皮带一10产生不同大小的压力，所述导丝前进及后退运动旋钮5在皮带一10受挤压时阻力增大，并将力传送至操作者手端。
[0011]
进一步地，所述压带凸轮一12与皮带一10接触的角度为20
°‑
80
°
，对应的压紧力为0n至20n，所述压带机构一通过压带凸轮一12压紧皮带一10的角度来调整主手反馈力的大小。
[0012]
进一步地，所述直流电机一13的末端装设有增量式编码器，所述增量式编码器用于反馈直流电机一13所转动的角度。
[0013]
进一步地，所述压带机构二包括电机固定钣金二18、压带凸轮二19和直流电机二20，所述压带机构二的结构和原理与压带机构一相同。
[0014]
进一步地，所述导丝前进及后退运动旋钮5与主动轮一8通过圆柱杆一9连接，所述导管前进及后退运动旋钮3与主动轮二23通过圆柱杆二22进行连接。
[0015]
进一步地，所述从动轮一14、从动轮二16处分别装有编码器，且编码器与从动轮一14、从动轮二16之间用圆柱杆相连，所述从动轮一14带动编码器转动从而获得导丝前进或后退的距离，所述从动轮二16带动编码器转动从而获得导管前进或后退的距离。
[0016]
进一步地，所述从动轮一14处的编码器通过编码器固定钣金一15固定于面板1上，所述从动轮二16处的编码器通过编码器固定钣金二17固定于面板1上。
[0017]
本实用新型同现有技术相比，具有如下优点：
[0018]
(1)本实用新型提供了一种用于血管微创介入手术机器人主端操作手力反馈的机构，将导丝和导管在血管中的受力情况映射到主端操作机构，还原医生在操作时的临场感受，从而降低手术风险，提高手术精度；
[0019]
(2)本实用新型旋钮的操作方式区别于传统摇杆及拨钮机构，可以还原医生的旋捻手感，从而方便医生进行操作；
[0020]
(3)本实用新型旋钮的操作方式与力反馈相结合，从而帮助医生在远程操作时获得更好的手感，提高手术的精度，值得推广应用。
[附图说明]
[0021]
图1是本实用新型血管介入机器人主端力反馈机构控制盒示意图；
[0022]
图2是本实用新型血管介入机器人主端控制面板示意图；
[0023]
图3是本实用新型血管介入机器人主端力反馈机构示意图；
[0024]
图4是本实用新型血管介入机器人主端皮带受力示意图；
[0025]
图中：1、面板 2、盒体 3、导管前进及后退运动旋钮 4、导丝旋转运动旋钮 5、导丝前进及后退运动旋钮 6、急停按钮 7、使能按钮 8、主动轮一 9、圆柱杆一 10、皮带一 11、电机固定钣金一 12、压带凸轮一 13、直流电机一 14、从动轮一 15、编码器固定钣金一 16、从动轮二 17、编码器固定钣金二 18、电机固定钣金二 19、压带凸轮二 20、直流电机二 21、皮带二 22、圆柱杆二 23、主动轮二 24、导丝旋转运动编码器。
[具体实施方式]
[0026]
本实用新型提供了一种血管介入手术机器人主手力反馈机构，包括盒体2和面板1，运动组件及传感器固定于面板1之上，面板1固定于盒体2上，通过螺钉与顶板固定；面板1的外侧固定有控制按钮，控制按钮包括三个可以任意角度旋转的导管前进及后退运动旋钮3、导丝旋转运动旋钮4、导丝前进及后退运动旋钮5，一个急停按钮6，一个使能按钮7；导管前进及后退运动旋钮3、导丝旋转运动旋钮4、导丝前进及后退运动旋钮5分别用于导管推进及后退运动控制、导丝旋转运动控制、导丝前进及后退运动控制。
[0027]
面板1内侧固定有力反馈装置，力反馈装置主要包括导丝力反馈机构和导管力反馈机构，导丝力反馈机构与导管力反馈机构结构相同，分布呈对称式分布；导丝力反馈机构包括主动轮一8、从动轮一14、皮带一10及压带机构一，主动轮一8与导丝前进及后退运动旋钮5相连，导丝前进及后退运动旋钮5带动主动轮一8旋转，皮带一10通过主动轮一8及从动轮一14进行固定，主动轮一8通过皮带一10连接从动轮一14，并带动从动轮一14运动，皮带一10处设置有压带机构一，压带机构一根据反馈力的大小来调整对皮带一10的压紧程度，从而将皮带一10的压紧力反馈至主动轮一8的扭转力，通过主动轮一8将力反馈至导丝前进及后退运动旋钮5；导管力反馈机构包括主动轮二23、从动轮二16、皮带二21及压带机构二，主动轮二23与导管前进及后退运动旋钮3相连，导管前进及后退运动旋钮3带动主动轮二23旋转，皮带二21通过主动轮二23及从动轮二16进行固定，主动轮二23通过皮带二21连接从动轮二16，并带动从动轮二16运动，皮带二21处设置有压带机构二，压带机构二根据反馈力的大小来调整对皮带二21的压紧程度，从而将皮带二21的压紧力反馈至主动轮二23的扭转力,通过主动轮二23将力反馈至导管前进及后退运动旋钮3；操作者通过操作导丝前进及后退运动旋钮5、导管前进及后退运动旋钮3，达到远程感受从端导丝及导管在血管中的受力情况。
[0028]
压带机构一包括电机固定钣金一11、压带凸轮一12和直流电机一13，压带凸轮一12与直流电机一13通过电机固定钣金一11固定于面板1上，直流电机一13选用扭矩较大体积较小的直流有刷电机，直流电机一13的输出轴与压带凸轮一12相连，直流电机一13控制
压带凸轮一12转动，压带凸轮一12与皮带一10相接触，压带凸轮一12旋转角度不同则对皮带一10产生不同大小的压力，导丝前进及后退运动旋钮5在皮带一10受挤压时阻力增大，并将力传送至操作者手端。压带凸轮一12与皮带一10接触的角度为20
°‑
80
°
，对应的压紧力为0n至20n，通过压带凸轮一12压紧皮带一10的角度来调整主手反馈力的大小。直流电机一13的末端装设有增量式编码器，用于反馈直流电机一13所转动的角度。压带机构二包括电机固定钣金二18、压带凸轮二19和直流电机二20，压带机构二的结构和原理同压带机构一，不再赘述。
[0029]
从动轮一14、从动轮二16处分别装有两个编码器，编码器与从动轮一14、从动轮二16之间用圆柱杆相连，从动轮一14处的编码器通过编码器固定钣金一15及螺钉固定于面板1上，从动轮二16处的编码器通过编码器固定钣金二17及螺钉固定于面板1上，从动轮一14带动编码器转动从而获得导丝前进或后退的距离，从动轮二16带动编码器转动从而获得导管前进或后退的距离。
[0030]
导丝前进及后退运动旋钮5与主动轮一8通过圆柱杆一9连接，导管前进及后退运动旋钮3与主动轮二23通过圆柱杆二22进行连接，导丝前进及后退运动旋钮5、导管前进及后退运动旋钮3分别带动主动轮一8、主动轮二23旋转，主动轮一8、主动轮二23分别带动皮带一10、皮带二21运动，从而皮带一10、皮带二21带动从动轮一14、从动轮二16运动，在从动轮一14、从动轮二16上装有编码器，控制系统获得位置反馈，从而精准的得知导丝与导管推送的距离。
[0031]
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作以下进一步说明：
[0032]
本实用新型提供一种血管介入手术机器人主端力反馈机构，图1为本机构的外观图，面板1与盒体2通过四个角的螺钉进行固定，在面板1的外侧装有用于操控的旋钮及按钮，面板1的内侧装有力反馈装置。
[0033]
如附图2所示，为本实用新型的操作机构主端控制面板示意图，操作者在操作时首先要按下使能按钮7，当按下使能按钮7时，导管前进及后退运动旋钮3、导丝旋转运动旋钮4、导丝前进及后退运动旋钮5可控制从端运动，反之从端不响应。操作者逆时针旋转导丝前进及后退运动旋钮5控制导丝前进，顺时针旋转导丝前进及后退运动旋钮5控制导丝后退；同样的，逆时针旋转导管前进及后退运动旋钮3控制导管前进，顺时针旋转导管前进及后退运动旋钮3控制导管后退；导丝旋转运动旋钮4控制导丝在血管中的旋转运动，顺时针旋转导丝旋转运动旋钮4，控制导丝在血管中顺时针旋转，逆时针旋转导丝旋转运动旋钮4，控制导丝在血管中逆时针旋转。
[0034]
如附图3所示，为本实用新型的主端力反馈机构示意图。操作者在控制导丝前进或后退时，首先旋转导丝前进及后退运动旋钮5，导丝前进及后退运动旋钮5带动主动轮一8一起旋转，其中导丝前进及后退运动旋钮5与主动轮一8通过圆柱杆一9进行连接，主动轮一8与从动轮一14之间通过皮带一10进行传动，从动轮一14处的从动轮带动编码器转动，从而获得导丝前进或后退的距离，其中从动轮一14处的编码器通过编码器固定钣金一15固定于面板1之上。同样的，操作者在控制导管前进后退时，首先旋转导管前进及后退运动旋钮3，导管前进及后退运动旋钮3带动主动轮二23一起旋转，其中导管前进及后退运动旋钮3与主动轮二23通过圆柱杆二22进行连接，主动轮二23与从动轮二16通过皮带二21进行传动，从动轮二16处的从动轮带动编码器转动，从而获得导管前进或后退的距离，其中从动轮二16
处的编码器通过编码器固定钣金二17固定于面板1之上。
[0035]
工作时，从端通过力传感器实时采集导丝在血管中所受的力，将采集的力映射至主端压带机构一。其中压带凸轮一12与直流电机一13通过电机固定钣金一11固定于面板1之上，直流电机一13控制压带凸轮一12进行旋转，压带凸轮一12与皮带一10相接触，依据压带凸轮一12旋转角度的不同，对皮带一10产生不同大小的压力，当皮带一10受挤压时，导丝前进及后退运动旋钮5的阻力将增大，从而将力传送到操作者手端。
[0036]
同样的，导管前进及后退运动旋钮3上的力反馈机制与导丝前进及后退运动旋钮5相同，当导管在血管中受力时，将采集的力映射至压带机构二。其中压带凸轮二19、直流电机二20通过电机固定钣金二18固定于面板1之上，直流电机二20控制压带凸轮二19进行旋转，压带凸轮二19与皮带二21相接触，依据压带凸轮二19旋转角度的不同，对皮带二21产生不同大小的压力，当皮带二21受到挤压时，将皮带压紧力转换至导管前进及后退运动旋钮3的旋力，从而将力传送至操作者端。
[0037]
导丝旋转运动旋钮4与导丝旋转运动编码器24通过圆柱杆相连，并且导丝旋转运动编码器24固定于面板1之上，导丝旋转运动旋钮4用于控制导丝在血管中的旋转运动，并且通过导丝旋转运动编码器24将旋钮的旋转角度按照比例关系映射至导丝的旋转角度。
[0038]
如附图4所示，通过控制压带轮压皮带的角度来调整反馈力的大小。从手端导丝及导管在血管中传回的力的范围为0-10n，压带凸轮一12在初始角度为20
°
时刚刚与皮带一10接触，此时给主手反馈的力为0n。当压带凸轮一12与皮带一10接触角度越大时，皮带一10的变形程度越大，对皮带一10产生的压力也越大，当压带轮压至80
°
时，对皮带一10产生20n的压力，传回主手旋钮的扭力为10n，达到反馈力的上限值。本实用新型依据压带轮旋转不同角度对应主手旋钮不同的反馈力，将导丝与导管在血管中的受力情况精确的反馈至旋钮上。
[0039]
另外的，当导丝与导管在血管中的受力超过10n时，系统将紧急制动，并且直流电机一13、直流电机二20分别带动压带凸轮一12、压带凸轮二19转动至90
°
，使得旋钮扭力加至最大，让操作者持续感受到旋钮的大阻力，从而起到提醒操作者导丝或导管在血管中的阻力过大。
[0040]
综上所述，本实施例将导丝与导管在血管中的受力情况按照一定的映射关系精确地反馈至主端操作机构，使得操作者在远程操作时能够实时感受到导丝与导管在血管中的状况，并且操作者可以根据主端旋钮的反馈力感受到导丝与导管在血管中受到的力是否超过额定值。本实用新型降低了手术风险，提高了血管介入手术的手术精度。
[0041]
本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。如本实用新型中涉及的直流有刷电机替换为直流无刷电机、步进电机等，皮带替换为钢带、链条等，均视为等效替换。