血管介入手术机器人主端力反馈装置及其工作方法

摘要

一种血管介入手术机器人主端力反馈装置，其特征在于它包括圆柱形导磁棒、操作杆、导管、内含轴承的连接扣、实心光电编码器、空心光电编码器、线圈、绕线管、导向轨、磁铁；工作方法：测量旋转角度时，旋转导管带动空心光电编码器的内轴旋转即可测出旋转角度；测量轴向运动信息时，实心光电编码器的实心轴通过导向轨跟随操作杆转动将前进位移转化为旋转角度；从操作器的操作力在主操作器的力反馈。优越性：本设计注重手术操作力的实时反馈，从侧操作器装置的操作力能够实时通过主操作器装置上的操作管直接反馈到医生的操作手上，反馈直观，满足手术的安全性和医生操作的需求；医生操作的轴向信息采用电磁感应方式获取，高效且不增加附加负载。

说明书

(一)技术领域：

本发明属于医疗设备技术领域，尤其是一种主从微创血管介入手术机器人辅助系统主端控制台力反馈装置，并具体涉及到一种新型用于血管介入手术机器人系统医生主端控制台的力反馈装置及其工作方法。

(二)背景技术：

据世界卫生组织调查，每年死于心脑血管疾病的患者人数高达1500万，严重威胁着人类的健康。治疗方法通常有传统的开放性手术和导管介入手术。临床表明：微创手术是目前最有效的治疗手段，它具有创伤小、安全性高、术后恢复快、并发症少等优点。但其缺点就是医生要暴露在X光的辐射下手术；手术危险系数高，对医生的操作技巧要求很高；最后是手术时间长，会因医生的疲劳操作而降低手术安全性。

遥操作主从微创血管介入手术机器人辅助系统已成为一个研究热点，很多遥操作系统的触觉信息无法反馈给医生，很有可能会因操作不当或过猛损坏和刺穿血管，也有一些系统涉及到了力反馈，他们大多是通过电机、智能材料磁流变液、电流变液等高分子材料实现力反馈，然而这些反馈方式很难把从端操作器检测的力信息在主端真实再现，并且误差过大导致无法直接应用于实际手术操作平台。

因此需要一种能够精确反馈触觉力的装置和方法。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种血管介入手术机器人主端力反馈装置及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，并能将实时的力觉信息直观的反馈给到医生手上的装置，符合人体工学的要求，且结构简单，操作方便。

本发明的技术方案：一种血管介入手术机器人主端力反馈装置，其特征在于它包括圆柱形导磁棒、操作杆、导管、内含轴承的连接扣、实心光电编码器、空心光电编码器、线圈、绕线管、导向轨、磁铁；所述圆柱形导磁棒两端设置磁铁；所述绕线管套在圆柱形导磁棒；所述线圈缠在绕线管的一端；所述操作杆一端与绕线管固定，另一端与连接扣连接；所述导管一端与连接扣内的轴承连接，另一端穿过空心光电编码器，并与空心光电编码器内轴固定；所述导向轨与实心光电编码器的实心轴固定，导向轨的外周与操作杆连接；所述圆柱形导磁棒、实心光电编码器及空心光电编码器分别通过支撑结构支撑安装。

所述圆柱形导磁棒通过支撑架固定支撑安装；所述空心光电编码器通过空心编码器安装板固定支撑安装；所述空心编码器安装板与滑轨连接构成滑动配合安装。

所述实心光电编码器通过支架固定支撑安装。

所述导向轨为垂直方向成对安装，其中一个导向轨与实心光电编码器固定，另一个导向轨通过支架和固定板支撑安装；所述操作杆通过两导向轨之间。

所述导向轨为圆形。

所述导管与空心光电编码器内轴通过顶丝固定。

所述实心光电编码器采用2500线实心光电编码器；所述空心光电编码器采用2500线空心光电编码器。

所述圆柱形导磁棒采用导磁性良好的圆柱形铁棒。

所述磁铁及圆柱形导磁棒截面的直径为10-13mm。

所述线圈的直径为0.1-0.3mm。

所述滑轨量程为0-100mm。

所述支撑架、滑轨、支架和固定板均安装在高度可调的底板上。

所述圆柱形导磁棒、操作杆、线圈、绕线管及磁铁构成轴向力反馈单元。

一种血管介入手术机器人主端力反馈装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)操作的实现：测量旋转角度时，旋转导管带动空心光电编码器的内轴旋转即可测出旋转角度；测量轴向运动信息时，操作杆与导管同时前进，并带动与操作杆固定的绕线管同时运动，实心光电编码器的实心轴通过导向轨跟随操作杆转动将前进位移转化为旋转角度；当绕线管运动到顶端后，将操作杆撤回，开始新一轮的操作；

(2)操作信息的提取：

Ⅰ、对于轴向运动信息的采集，实心光电编码器实心轴通过导向轨跟随操作杆转动，将前进位移转化为旋转角度；

Ⅱ、对于旋转信息，导管带动空心光电编码器的内轴旋转即可测出旋转角度；

(3)从操作器的操作力在主操作器的力反馈:

对于轴向操作力反馈，通过应用缠在绕线管一端的通电线圈在磁场中运动产生：绕线管将圆柱形导磁棒包裹在绕线管里面，将操作杆与绕线杆中间固定，从而测出的力更加精准，推动导管，让通电线圈在磁场中运动，从而产生电磁感应力，通电线圈产生的电磁力为对操作杆的阻尼信号，操作杆的一端接收通电线圈产生的阻尼力，通过导管传递给医生的手；不同的电流产生的阻力也不一样，通过控制电流的大小，保证阻力与从端导管内部的接触力保持一致，这个力直接反馈给医生从而形成闭环系统。

所述步骤(1)中空心光电编码器在滑轨上运动，从而减小滑动摩擦力。

所述步骤(2)中实心光电编码器采用2500线实心光电编码器，经过正交解码芯片形成4倍频，转一圈需要10000步，导向轨圆周的周长是91.06-97.34mm,所以实心光电编码器精度是0.01mm，通过旋转的角度输出前进位移；空心光电编码器采用2500线空心光电编码器，用正交解码芯片形成4倍频，转一圈同样需要10000步，精度为0.036度。

本发明的优越性：1、主从端同时同步进行，故而医生能充分利用传统手术所积累的经验和技巧；2、本设计注重手术操作力的实时反馈，从侧操作器装置的操作力能够实时通过主操作器装置上的操作管直接反馈到医生的操作手上，反馈直观，满足手术的安全性和医生操作的需求；3、医生操作的轴向信息采用电磁感应方式获取，高效且不增加附加负载；4、医生能直接操作导管，使手术更具有真实性，符合人体工学的要求。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种主从微创血管介入手术机器人辅助系统主端控制台力反馈装置的结构框图。

其中，1为支撑架，2为线圈，3为绕线管，4为导管，5为连接扣，6为实心光电编码器，7为空心光电编码器，8为空心编码器安装板，9为滑轨，10为导向轨，11为磁铁，12为操作杆，13为底板，14为固定板，15为支架。

(五)具体实施方式：

实施例：一种主从微创血管介入手术机器人辅助系统医生主端控制台力反馈装置(见图1)，其特征在于它包括圆柱形导磁棒、操作杆12、导管4、内含轴承的连接扣5、实心光电编码器6、空心光电编码器7、线圈2、绕线管3、导向轨10、磁铁11；所述圆柱形导磁棒两端设置磁铁11；所述绕线管3套在圆柱形导磁棒；所述线圈2缠在绕线管3上；所述操作杆12一端与绕线管3固定，另一端与连接扣5连接；所述导管4一端与连接扣5内的轴承连接，另一端穿过空心光电编码器7，并与空心光电编码器7固定；所述导向轨10与实心光电编码器6固定，导向轨10的外周与操作杆12连接；所述圆柱形导磁棒、实心光电编码器6及空心光电编码器7分别通过支撑结构支撑安装。

所述圆柱形导磁棒通过支撑架1支撑；所述空心光电编码器7通过空心编码器安装板8安装支撑；所述空心编码器安装板8与滑轨9连接构成滑动配合安装。(见图1)

所述实心光电编码器6通过支架15支撑。(见图1)

所述导向轨10为垂直方向成对安装，其中一个导向轨10与实心光电编码器6固定，另一个导向轨10通过支架15和固定板14支撑安装；所述操作杆12通过两导向轨10之间。(见图1)

所述导向轨10为圆形。(见图1)

所述导管4与空心光电编码器7通过顶丝固定。

所述实心光电编码器6采用2500线实心光电编码器；所述空心光电编码器7采用2500线空心光电编码器。

所述圆柱形导磁棒采用导磁性良好的圆柱形铁棒。

所述磁铁11及圆柱形导磁棒截面的直径为12mm。

所述线圈11的直径为0.2mm。

所述滑轨9量程为0-100mm。

所述支撑架1、滑轨9、支架15和固定板14均安装在高度可调的底板13上。(见图1)

医生操作导管4做前后运动，实心光电编码器6实心轴跟随转动从而输出前进和后退的位移；通过旋转导管带动空心编码器7旋转，从而输出旋转的度数，滑轨量程为0-100mm，底板13可根据医生的不同而调节高度。

所述主从微创血管介入手术机器人辅助系统医生主端控制台力反馈装置采用铝合金和不锈钢材料。

一种主从微创血管介入手术机器人辅助系统医生主端控制台力反馈装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)操作的实现：测量旋转角度时，旋转导管4带动空心光电编码器7的内轴旋转即可测出旋转角度；测量轴向运动信息时，操作杆12与导管4同时前进，并带动与操作杆12固定的绕线管3同时运动，实心光电编码器6的实心轴通过导向轨10跟随操作杆12转动将前进位移转化为旋转角度；当绕线管3运动到顶端后，将操作杆12撤回，开始新一轮的操作；

(2)操作信息的提取：

Ⅰ、对于轴向运动信息的采集，实心光电编码器6实心轴通过导向轨10跟随操作杆12转动，将前进位移转化为旋转角度；

Ⅱ、对于旋转信息，导管4带动空心光电编码器7的内轴旋转即可测出旋转角度；

(3)从操作器的操作力在主操作器的力反馈:

对于轴向操作力反馈，通过应用缠在绕线管3一端的通电线圈2在磁场中运动产生：绕线管3将圆柱形导磁棒包裹在绕线管里面，将操作杆12与绕线杆3中间固定，从而测出的力更加精准，推动导管4，让通电线圈2在磁场中运动，从而产生电磁感应力，通电线圈产生的电磁力为对操作杆的阻尼信号，操作杆12的一端接收通电线圈产生的阻尼力，通过导管4传递给医生的手；不同的电流产生的阻力也不一样，通过控制电流的大小，保证阻力与从端导管内部的接触力保持一致，这个力直接反馈给医生从而形成闭环系统。

所述步骤(1)中空心光电编码器7在滑轨9上运动，从而减小滑动摩擦力。

所述步骤(2)中实心光电编码器6采用2500线实心光电编码器，经过正交解码芯片形成4倍频，转一圈需要10000步，导向轨10圆周的周长是91.06-97.34mm,所以实心光电编码器6精度是0.01mm，通过旋转的角度输出前进位移，测量精度比直线位移传感器精度更高；空心光电编码器7采用2500线空心光电编码器7，用正交解码芯片形成4倍频，转一圈同样需要10000步，精度为0.036度。