專利名稱：微創血管介入手術機器人送管機構的制作方法
技術領域：
本發明屬于醫療設備技術領域，公開一種微創血管介入手術機器人送管機構。
背景技術：
隨著社會的日益進步和人們生活水平的不斷提高，人類對自身疾病的診斷、治療、 預防以及衛生健康給予越來越多的關注。這就要求醫生不僅要在傳統生理醫學上有所突 破，還要應用操作靈活、定位精確的醫療器械，這為醫療機器人的研究提供了客觀條件，醫 療機器人的應用降低了手術的風險，改善了手術的環境。微創外科的出現及其臨床應用為 醫學領域開辟了新的天地，它以手術切口小、出血量小、術后疤痕小、創傷輕、痛苦少、恢復 時間快為特點受到人們的普遍關注被應用于臨床手術，早期的微創外科手術是以腹腔鏡和 胸腔鏡等內窺鏡為基礎的一種外科手術，微創血管介入手術是微創外科的一個新方向。然 而，在微創血管介入手術過程中，由于操作對象較小(人體血管的直徑一般小于2mm)，而且 手術工作時間很長，使得醫生感覺非常疲憊，可能會出現醫生手的顫動、疲勞、肌肉神經的 反饋，導致動作的不準確，加大了患者的痛苦，降低了手術的成功率。并且，醫生長期在X射 線環境下操作對身體傷害很大；專科醫生必須經過長期訓練才能夠進行微創手術操作；現 有手術方法技巧性較強，風險性較高，這些缺點限制了血管介入手術的廣泛應用。二十世紀機器人技術進入微創外科手術領域后，利用機器人的高精度、穩定性、靈 活性、可控性以及不怕輻射和感染，來完成手術的定位，為醫生手術搭建一個穩固的手術操 作平臺，改善了過去醫生只能憑借主觀判斷和積累的手術經驗來完成手術的狀況，能夠減 少人為因素引起的手術誤差，提高手術質量。近年來微創手術機器人的研究已經成為機器人應用的新領域，尤其是多功能醫療 機器人系統已經成為醫療機器人發展的一個新方向。醫療機器人的研究和開發受到了越來 越多的關注，能夠應用于臨床的手術機器人越來越多，但微創血管介入手術機器人的末端 執行器尚未得到全面的研究和推廣應用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠實現對導管軸向進給和周向旋轉的微創血管介 入手術機器人送管機構。為達成所述目的，本發明提供一種微創血管介入手術機器人的送管機構，該送管 機構包括軸向進給部件和周向旋轉部件；所述軸向進給部件含有底板、第一電機、第一電 機支座、第一主傳動齒輪、力矩傳感器輸入端齒輪、力矩傳感器支架板、力矩傳感器軸、力矩 傳感器輸出端齒輪、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪、第一齒輪軸、第二齒輪軸、第 三齒輪軸、第四齒輪軸、調整螺釘、壓縮彈簧、壓塊、固定板、第一凹輪、第二凹輪、第一凸輪 和第二凸輪，其中由調整螺釘、壓縮彈簧、壓塊和固定板組成彈性調整機構，固定板與底板 固定連接，調整螺釘位于壓塊的上方，壓縮彈簧位于壓塊的下方；第一電機通過第一電機支 座固定于底板上；第一電機的輸出軸與第一主傳動齒輪連接；在底板的另一側，在第一齒
3輪軸的兩端分別連接第一齒輪和第一凹輪，在第二齒輪軸的兩端分別連接第二齒輪和第二 凹輪，在第三齒輪軸的兩端分別連接第三齒輪和第一凸輪，在第四齒輪軸的兩端分別連接 第四齒輪和第二凸輪；第一凹輪的凹部與第一凸輪的凸部配合，第二凹輪的凹部與第二凸 輪的凸部緊密配合，第一凹輪作主動運動而帶動第一凸輪作從動的運動，第二凹輪作主動 運動而帶動第二凸輪作從動的運動；所述周向旋轉部件含有上固定座、空心齒輪軸、導電滑環、空心軸、下固定座、第二 電機、第二電機支座、第二主傳動齒輪、旋轉齒輪、外罩上固定板、外罩下固定板、外罩移動 上蓋、外罩固定下蓋、蓋卡、導管和力矩傳感器，其中旋轉齒輪固定在外罩上固定板上，第 二電機通過第二電機支座固定在底板，由第二電機驅動的第二主動齒輪固定在底板上，第 二主傳動齒輪與旋轉齒輪相嚙合；空心齒輪軸與外罩上固定板相連，空心軸與外罩下固定 板相連；蓋卡與外罩移動上蓋卡合連接，外罩固定下蓋固定不動；上固定座、下固定座與底 板相連，導管位于第一凹輪和第一凸輪以及第二凹輪和第二凸輪的表面中間位置且夾持導 管；其特征在于力矩傳感器通過力矩傳感器支架板固定于底板上，力矩傳感器輸入端齒輪和力矩 傳感器輸出端齒輪連接在力矩傳感器軸的兩端，將動力傳遞到力矩傳感器輸出端齒輪；力 矩傳感器用于檢測力矩傳感器輸入端齒輪和力矩傳感器輸出端齒輪兩側受力不同所產生 扭矩信號用于反饋控制；導電滑環固定在外罩下固定板上。其中，所述彈性調整機構是使用兩個相同的彈性調整機構，兩個相同的彈性調整 機構分別位于底板與第一凸輪及第二凸輪相連的上端，用于調整第一凹輪、第二凹輪、第一 凸輪、第二凸輪之間的間隙，改變第一凹輪、第二凹輪、第一凸輪、第二凸輪之間的摩擦力大 小，用于配合使用不同型號的導管。其中，所述導管在送進過程中接觸到血管內壁，受到血管內壁阻力時，導管與第一 凹輪和第一凸輪以及第二凹輪和第二凸輪與導管之間的摩擦力相應的增大，分別與第一凹 輪、第二凹輪、第一凸輪、第二凸輪相連的第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪在轉動 過程中也將受到阻力作用；第一主傳動齒輪將所述阻力傳遞到與其相嚙合的力矩傳感器輸 出端齒輪上，使得力矩傳感器兩端的力矩傳感器輸入端齒輪和力矩傳感器輸出端齒輪受力 不同產生扭矩信號，所述扭矩信號用于控制送管機構的控制裝置的電機產生一個與操作方 向相反的力矩，使操作手能夠感覺到導管受到阻礙，從而操作手可停止導管介入操作或改 變導管前進的方向。本發明的有益效果本發明的微創血管介入手術機器人送管機構體積小，結構緊 湊，操作和維護方便，便于進行消毒，可以對導管進行二次夾持，同時該送管機構還可以實 現導管的螺旋式推進。在導管推進過程中，導管與血管內壁會產生摩擦力，過大的力會將血 管壁穿破，造成一系列醫療事故，主要原因是醫生在導管送進過程中掌握不好對導管末端 力的控制，使得導管末端與血管內壁的作用力過大。本發明采用高精度力矩傳感器檢測其 輸入端齒輪和輸出端齒輪兩側受力不同所產生扭矩信號并可進行反饋，當導管在送進過程 中接觸到血管內壁，兩者之間會產生相應的阻力，夾持導管的兩對凸凹輪與導管之間的摩 擦力會相應的增大，與凸凹輪相連的兩對主、從齒輪在轉動過程中也將受到阻力作用。主齒 輪將力傳遞到與其相嚙合的力矩傳感器輸出端齒輪上，這樣力矩傳感器兩端的齒輪受力不 同產生扭矩信號，將扭矩信號對送管機構的控制裝置發出指令，使控制裝置的電機會產生操作手能夠感覺到導管受到阻礙，從而操作手可停止導管 介入操作或改變導管前進的方向，避免了導管與血管壁產生過大的力將血管壁穿破。本發 明的創新點主要是在周向旋轉過程中，電機會跟隨一起旋轉，容易產生纏線問題，本發明中 使用固定在外罩下固定板上的導電滑環，有效地避免在整體旋轉過程中纏線問題。本發明 使用彈簧調整機構可以改變凸凹論之間的間隙適用于不同型號的導管。本發明實施的整體 機構的長度是176mm，寬度是108mm，高度是92mm，總重量介于2-2. 5kg之間，體積小，重量 輕，結構緊湊，有利于在有限的手術環境中使用。本發明的微創血管介入手術機器人送管機 構具有二自由度，有很高的定位精度，運動的直觀性強，系統整體剛度大，結構實現容易。
圖1是本發明微創血管介入手術機器人送管機構總體結構示意圖。圖2a和圖2b是圖1中軸向進給部件結構示意圖。主要元件說明1底板21第一凹輪
2第一電機22第二凹輪
3第一電機支座23第一凸輪
4第一主傳動齒輪24第二凸輪
5力矩傳感器輸入端齒輪25上固定座
6力矩傳感器支架板26空心齒輪軸
7力矩傳感器軸27導電滑環
8力矩傳感器輸出端齒輪28空心軸
9第一齒輪29下固定座
10第二齒輪30第二電機
11第三齒輪31第二電機支座
12第四齒輪32第二主傳動齒輪
13第一齒輪軸33旋轉齒輪
14第二齒輪軸34外罩上固定板
15第三齒輪軸35外罩下固定板
16第四齒輪軸36外罩移動上蓋
17調整螺釘37外罩固定下蓋
18壓縮彈簧38皿下
19壓塊39導管
20固定板40力矩傳感器
具體實施例方式下面給出本發明實施的優選方案，并結合附圖加以說明。如圖1示出本發明的微創血管介入手術機器人送管機構總體結構，用作微創血管 介入手術機器人的末端執行器，它包括軸向進給部件和周向旋轉部件兩部份，其中軸向進
5給部件用于推進導管39前進，周向旋轉部件用于改變導管39的前進方向其中如圖2a和圖2b所示軸向進給部件結構包括底板1、第一電機2、第一電機支座3、 第一主傳動齒輪4、力矩傳感器輸入端齒輪5、力矩傳感器支架板6、力矩傳感器軸7、力矩傳 感器輸出端齒輪8、第一齒輪9、第二齒輪10、第三齒輪11、第四齒輪12、第一齒輪軸13、第 二齒輪軸14、第三齒輪軸15、第四齒輪軸16、調整螺釘17、壓縮彈簧18、壓塊19、固定板20、 第一凹輪21、第二凹輪22、第一凸輪23、第二凸輪24，其中由調整螺釘17、壓縮彈簧18、壓 塊19和固定板20組成彈性調整機構，固定板20與底板1固定連接，調整螺釘17位于壓塊 19的上方，壓縮彈簧18位于壓塊19的下方。第一電機2以及力矩傳感器40分別通過第 一電機支座3、力矩傳感器支架板6固定于底板1上。第一電機2的輸出軸與第一主傳動 齒輪4連接；在底板1的另一側，在第一齒輪軸13的兩端分別連接第一齒輪9和第一凹輪 21，在第二齒輪軸14的兩端分別連接第二齒輪10和第二凹輪22，在第三齒輪軸15的兩端 分別連接第三齒輪11和第一凸輪23，在第四齒輪軸16的兩端分別連接第四齒輪12和第 二凸輪24。第一凹輪21的凹部與第一凸輪23的凸部配合，第二凹輪22的凹部與第二凸 輪24的凸部緊密配合，第一凹輪21作主動運動而帶動第一凸輪23作從動的運動，第二凹 輪22作主動運動而帶動第二凸輪24作從動的運動；力矩傳感器輸入端齒輪5和力矩傳感 器輸出端齒輪8連接在力矩傳感器軸7的兩端，將動力傳遞到力矩傳感器輸出端齒輪8。所述彈性調整機構是使用兩個相同的彈性調整機構，兩個相同的彈性調整機構分 別位于底板1與第一凸輪23及第二凸輪24相連的上端，用于調整第一凹輪21、第二凹輪 22、第一凸輪23、第二凸輪24之間的間隙，改變第一凹輪21、第二凹輪22、第一凸輪23、第 二凸輪24之間的摩擦力大小，用于配合使用不同型號的導管39。力矩傳感器40用于檢測力矩傳感器輸入端齒輪5和力矩傳感器輸出端齒輪8兩 側受力不同所產生扭矩信號并可進行反饋，當導管39在送進過程中接觸到血管內壁，受到 血管內壁阻力時，夾持導管39的兩對凹凸部相配合的第一凹輪21和第一凸輪23以及第二 凹輪22和第二凸輪24與導管39之間的摩擦力會相應的增大，分別與第一凹輪21、第二凹 輪22、第一凸輪23、第二凸輪24相連的第一齒輪9、第二齒輪10、第三齒輪11、第四齒輪12 在轉動過程中也將受到阻力作用。第一主傳動齒輪4將力傳遞到與其相嚙合的力矩傳感器 輸出端齒輪8上，這樣力矩傳感器40兩端的齒輪受力不同產生扭矩信號，送管機構系統的 計算機在接收到信號后，發出相應的指令，使得本發明送管機構的控制裝置的電機產生一 個與操作方向相反的力矩，使操作手能夠感覺到導管39受到阻礙，從而操作手可停止導管 39介入操作或改變導管39前進的方向，避免了導管39與血管壁產生過大的力將血管壁穿 破。啟動第一電機2，帶動第一主傳動齒輪4運動，力矩傳感器輸入端齒輪5與第一 主傳動齒輪4相嚙合運動，并通過力矩傳感器軸7將動力傳遞到力矩傳感器輸出端齒輪8 ； 同時，力矩傳感器輸出端齒輪8帶動一對與力矩傳感器輸出端齒輪8相嚙合的第一齒輪9 與第二齒輪10同步且反向轉動；同時帶動第一齒輪9和第二齒輪10相嚙合的第三齒輪11 和第四齒輪12轉動。導管39放置于第一凹輪21、第二凹輪22、第一凸輪23、第二凸輪24 之間，依靠第一凹輪21、第二凹輪22、第一凸輪23、第二凸輪24之間的摩擦形成對導管39 的兩次夾持，第一齒輪9、第二齒輪10、第三齒輪11、第四齒輪12通過第一齒輪軸13、第二 齒輪軸14、第三齒輪軸15、第四齒輪軸16分別將動力傳遞到第一凹輪21、第二凹輪22、第
6一凸輪23及第二凸輪24，使第一凹輪21、第二凹輪22、第一凸輪23及第二凸輪24反向旋 轉，帶動放置于第一凹輪21與第一凸輪23中間以及第二凹輪22與第二凸輪23中間的導 管39運動實現其軸向進給。周向旋轉部件包括上固定座25、空心齒輪軸26、導電滑環27、空心軸28、下固定 座29、第二電機30、第二電機支座31、第二主傳動齒輪32、旋轉齒輪33、外罩上固定板34、 外罩下固定板35、外罩移動上蓋36、外罩固定下蓋37、蓋卡38、導管39、力矩傳感器40。其中旋轉齒輪33固定在外罩上固定板34上，第二電機30通過第二電機支座31 固定在底板1，由第二電機30驅動的第二主動齒輪32固定在底板1上，第二主傳動齒輪32 與旋轉齒輪33相嚙合。導電滑環27固定在外罩下固定板35上，導電滑環27可以有效地 避免在整體旋轉過程中纏線問題。空心齒輪軸26與外罩上固定板相連，空心軸28與外罩 下固定板35相連。蓋卡38與外罩移動上蓋36卡合連接，外罩固定下蓋37固定不動，擰開 蓋卡38，外罩移動上蓋36可以打開，便于對里側部件進行清潔、消毒和維護。力矩傳感器 40通過力矩傳感器支架板固定于底板1上，力矩傳感器40用于檢測力矩傳感器輸入端齒輪 5和力矩傳感器輸出端齒輪8兩側受力不同所產生扭矩信號用于反饋控制；上固定座25、下 固定座29與底板1相連，導管39位于第一凹輪21和第一凸輪23以及第二凹輪22和第二 凸輪24的表面中間位置且夾持導管39。周向旋轉部件的動態工作過程啟動第二電機30，帶動第二主傳動齒輪32運動， 同時第二主傳動齒輪32將動力傳遞給與其嚙合的旋轉齒輪33，進而帶動送管機構整體軸 向旋轉，改變了導管39的前進方向。導管39從頂部通過上固定座25與底板1相連的空心 齒輪軸26(導管39是在醫生的操作下插入空心齒輪軸26中)處插入，導管39中間由兩對 凸凹輪即第一凹輪21、第二凹輪22、第一凸輪23、第二凸輪24夾持，并通過下固定座29與 底板1相連的空心軸28處穿出。本發明的微創血管介入手術機器人的送管機構用作微創血管介入手術機器人的 末端執行器，主要是為了將在手術過程中將導管送入到血管之中輔助醫生完成血管介入手 術，解決了傳統血管介入手術的一些弊端(如手術工作時間很長，醫生容易疲憊，可能會出 現醫生手的顫動、疲勞、肌肉神經的反饋，導致動作的不準確，加大了患者的痛苦，降低了手 術的成功率。并且，醫生長期在X射線環境下操作對身體傷害很大；專科醫生必須經過長期 訓練才能夠進行微創手術操作；現有手術方法技巧性較強，風險性較高等)。本發明實施例 的送管機構的整體結構總長度176mm，寬度是108mm，高度是92mm，總重量介于2_2. 5kg之 間，本發明的實施不局限于上述尺寸，可以根據使用環境設計送管機構的整體結構的尺寸， 本發明的體積小，重量輕，結構緊湊，便于消毒和維護，有利于在有限的手術環境中使用。此 外，送管機構的彈簧調整機構可以調整兩對凸凹部配合的凸凹論之間的間隙，可適用于不 同型號的導管。同時本發明應用了力矩傳感器用于在手術過程中的力反饋，提高了送管機 構的安全性，以及使用了導電滑環，有效地防止了在周向旋轉過程中的纏線問題。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含范圍之內。
權利要求
一種微創血管介入手術機器人的送管機構，包括軸向進給部件和周向旋轉部件，所述軸向進給部件含有底板、第一電機、第一電機支座、第一主傳動齒輪、力矩傳感器輸入端齒輪、力矩傳感器支架板、力矩傳感器軸、力矩傳感器輸出端齒輪、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪、第一齒輪軸、第二齒輪軸、第三齒輪軸、第四齒輪軸、調整螺釘、壓縮彈簧、壓塊、固定板、第一凹輪、第二凹輪、第一凸輪和第二凸輪，其中由調整螺釘、壓縮彈簧、壓塊和固定板組成彈性調整機構，固定板與底板固定連接，調整螺釘位于壓塊的上方，壓縮彈簧位于壓塊的下方；第一電機通過第一電機支座固定于底板上；第一電機的輸出軸與第一主傳動齒輪連接；在底板的另一側，在第一齒輪軸的兩端分別連接第一齒輪和第一凹輪，在第二齒輪軸的兩端分別連接第二齒輪和第二凹輪，在第三齒輪軸的兩端分別連接第三齒輪和第一凸輪，在第四齒輪軸的兩端分別連接第四齒輪和第二凸輪；第一凹輪的凹部與第一凸輪的凸部配合，第二凹輪的凹部與第二凸輪的凸部緊密配合，第一凹輪作主動運動而帶動第一凸輪作從動的運動，第二凹輪作主動運動而帶動第二凸輪作從動的運動；所述周向旋轉部件含有上固定座、空心齒輪軸、導電滑環、空心軸、下固定座、第二電機、第二電機支座、第二主傳動齒輪、旋轉齒輪、外罩上固定板、外罩下固定板、外罩移動上蓋、外罩固定下蓋、蓋卡、導管和力矩傳感器，其中旋轉齒輪固定在外罩上固定板上，第二電機通過第二電機支座固定在底板，由第二電機驅動的第二主動齒輪固定在底板上，第二主傳動齒輪與旋轉齒輪相嚙合；空心齒輪軸與外罩上固定板相連，空心軸與外罩下固定板相連；蓋卡與外罩移動上蓋卡合連接，外罩固定下蓋固定不動；上固定座、下固定座與底板相連，導管位于第一凹輪和第一凸輪以及第二凹輪和第二凸輪的表面中間位置且夾持導管；其特征在于力矩傳感器通過力矩傳感器支架板固定于底板上，力矩傳感器輸入端齒輪和力矩傳感器輸出端齒輪連接在力矩傳感器軸的兩端，將動力傳遞到力矩傳感器輸出端齒輪；力矩傳感器用于檢測力矩傳感器輸入端齒輪和力矩傳感器輸出端齒輪兩側受力不同所產生扭矩信號用于反饋控制；導電滑環固定在外罩下固定板上。
2.如權利要求1所述的微創血管介入手術機器人的送管機構，其特征在于，所述彈性 調整機構是使用兩個相同的彈性調整機構，兩個相同的彈性調整機構分別位于底板與第一 凸輪及第二凸輪相連的上端，用于調整第一凹輪、第二凹輪、第一凸輪、第二凸輪之間的間 隙，改變第一凹輪、第二凹輪、第一凸輪、第二凸輪之間的摩擦力大小，用于配合使用不同型 號的導管。
3.如權利要求1所述的微創血管介入手術機器人的送管機構，其特征在于，所述導管 在送進過程中接觸到血管內壁，受到血管內壁阻力時，導管與第一凹輪和第一凸輪以及第 二凹輪和第二凸輪與導管之間的摩擦力相應的增大，分別與第一凹輪、第二凹輪、第一凸 輪、第二凸輪相連的第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪在轉動過程中也將受到阻力 作用；第一主傳動齒輪將所述阻力傳遞到與其相嚙合的力矩傳感器輸出端齒輪上，使得力 矩傳感器兩端的力矩傳感器輸入端齒輪和力矩傳感器輸出端齒輪受力不同產生扭矩信號， 所述扭矩信號用于控制送管機構的控制裝置的電機產生一個與操作方向相反的力矩，使操 作手能夠感覺到導管受到阻礙，從而操作手可停止導管介入操作或改變導管前進的方向。
全文摘要
本發明是一種微創血管介入手術機器人的送管機構，包括軸向進給部件和周向旋轉部件，所述周向旋轉部件的力矩傳感器通過所述軸向進給部件的力矩傳感器支架板固定于底板上，軸向進給部件的力矩傳感器輸入端齒輪和力矩傳感器輸出端齒輪連接在力矩傳感器軸的兩端，將動力傳遞到力矩傳感器輸出端齒輪；力矩傳感器用于檢測力矩傳感器輸入端齒輪和力矩傳感器輸出端齒輪兩側受力不同所產生扭矩信號用于反饋控制；本發明中使用導電滑環固定在外罩下固定板上，有效地避免在整體旋轉過程中纏線問題。本發明使用彈簧調整機構可以改變凸凹論之間的間隙適用于不同型號的導管。
文檔編號A61B19/00GK101933837SQ20101022115
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月8日 優先權日2010年7月8日
發明者侯增廣, 吉程, 方唯一, 曲新凱, 曾達幸, 楊雪, 王洪波, 程龍, 胡國清, 胡正偉, 謝曉亮, 譚民, 鄭曉倩, 齊政彥 申請人:中國科學院自動化研究所