血管介入手術機器人主端力反饋裝置的制造方法
【專利摘要】一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于它包括圓柱形導磁棒、操作桿、導管、內含軸承的連接扣、實心光電編碼器、空心光電編碼器、線圈、繞線管、導向軌、磁鐵。優越性：本設計注重手術操作力的實時反饋，從側操作器裝置的操作力能夠實時通過主操作器裝置上的操作管直接反饋到醫生的操作手上，反饋直觀，滿足手術的安全性和醫生操作的需求；醫生操作的軸向信息采用電磁感應方式獲取，高效且不增加附加負載。
【專利說明】
血管介入手術機器人主端力反饋裝置
(一)技術領域:
[0001]本實用新型屬于醫療設備技術領域，尤其是一種主從微創血管介入手術機器人輔助系統主端控制臺力反饋裝置，并具體涉及到一種新型用于血管介入手術機器人系統醫生主端控制臺的力反饋裝置。
(二)【背景技術】:
[0002]據世界衛生組織調查，每年死于心腦血管疾病的患者人數高達1500萬，嚴重威脅著人類的健康。治療方法通常有傳統的開放性手術和導管介入手術。臨床表明:微創手術是目前最有效的治療手段，它具有創傷小、安全性高、術后恢復快、并發癥少等優點。但其缺點就是醫生要暴露在X光的輻射下手術;手術危險系數高，對醫生的操作技巧要求很高；最后是手術時間長，會因醫生的疲勞操作而降低手術安全性。
[0003]遙操作主從微創血管介入手術機器人輔助系統已成為一個研究熱點，很多遙操作系統的觸覺信息無法反饋給醫生，很有可能會因操作不當或過猛損壞和刺穿血管，也有一些系統涉及到了力反饋，他們大多是通過電機、智能材料磁流變液、電流變液等高分子材料實現力反饋，然而這些反饋方式很難把從端操作器檢測的力信息在主端真實再現，并且誤差過大導致無法直接應用于實際手術操作平臺。
[0004]因此需要一種能夠精確反饋觸覺力的裝置。
(三)【實用新型內容】:
[0005]本實用新型的目的在于提供一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，它可以克服現有技術的不足，并能將實時的力覺信息直觀的反饋給到醫生手上的裝置，符合人體工學的要求，且結構簡單，操作方便。
[0006]本實用新型的技術方案:一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于它包括圓柱形導磁棒、操作桿、導管、內含軸承的連接扣、實心光電編碼器、空心光電編碼器、線圈、繞線管、導向軌、磁鐵;所述圓柱形導磁棒兩端設置磁鐵;所述繞線管套在圓柱形導磁棒;所述線圈纏在繞線管的一端;所述操作桿一端與繞線管固定，另一端與連接扣連接;所述導管一端與連接扣內的軸承連接，另一端穿過空心光電編碼器，并與空心光電編碼器內軸固定;所述導向軌與實心光電編碼器的實心軸固定，導向軌的外周與操作桿連接;所述圓柱形導磁棒、實心光電編碼器及空心光電編碼器分別通過支撐結構支撐安裝。
[0007]所述圓柱形導磁棒通過支撐架固定支撐安裝;所述空心光電編碼器通過空心編碼器安裝板固定支撐安裝;所述空心編碼器安裝板與滑軌連接構成滑動配合安裝。
[0008]所述實心光電編碼器通過支架固定支撐安裝。
[0009]所述導向軌為垂直方向成對安裝，其中一個導向軌與實心光電編碼器固定，另一個導向軌通過支架和固定板支撐安裝;所述操作桿通過兩導向軌之間。
[0010]所述導向軌為圓形。
[0011]所述導管與空心光電編碼器內軸通過頂絲固定。
[0012]所述實心光電編碼器采用2500線實心光電編碼器;所述空心光電編碼器采用2500
線空心光電編碼器。
[0013]所述圓柱形導磁棒采用導磁性良好的圓柱形鐵棒。
[0014]所述磁鐵及圓柱形導磁棒截面的直徑為10-13_。
[0015]所述線圈的直徑為0.1-0.3mm。
[0016]所述滑軌量程為0-100mm。
[0017]所述支撐架、滑軌、支架和固定板均安裝在高度可調的底板上。
[0018]所述圓柱形導磁棒、操作桿、線圈、繞線管及磁鐵構成軸向力反饋單元。
[0019]本實用新型的工作過程:
[0020](I)操作的實現:測量旋轉角度時，旋轉導管帶動空心光電編碼器的內軸旋轉即可測出旋轉角度;測量軸向運動信息時，操作桿與導管同時前進，并帶動與操作桿固定的繞線管同時運動，實心光電編碼器的實心軸通過導向軌跟隨操作桿轉動將前進位移轉化為旋轉角度;當繞線管運動到頂端后，將操作桿撤回，開始新一輪的操作；
[0021](2)操作信息的提取:
[0022]1、對于軸向運動信息的采集，實心光電編碼器實心軸通過導向軌跟隨操作桿轉動，將前進位移轉化為旋轉角度；
[0023]Π、對于旋轉信息，導管帶動空心光電編碼器的內軸旋轉即可測出旋轉角度；
[0024](3)從操作器的操作力在主操作器的力反饋:
[0025]對于軸向操作力反饋，通過應用纏在繞線管一端的通電線圈在磁場中運動產生:繞線管將圓柱形導磁棒包裹在繞線管里面，將操作桿與繞線桿中間固定，從而測出的力更加精準，推動導管，讓通電線圈在磁場中運動，從而產生電磁感應力，通電線圈產生的電磁力為對操作桿的阻尼信號，操作桿的一端接收通電線圈產生的阻尼力，通過導管傳遞給醫生的手;不同的電流產生的阻力也不一樣，通過控制電流的大小，保證阻力與從端導管內部的接觸力保持一致，這個力直接反饋給醫生從而形成閉環系統。
[0026]所述步驟(I)中空心光電編碼器在滑軌上運動，從而減小滑動摩擦力。
[0027]所述步驟(2)中實心光電編碼器采用2500線實心光電編碼器，經過正交解碼芯片形成4倍頻，轉一圈需要10000步，導向軌圓周的周長是91.06-97.34mm，所以實心光電編碼器精度是0.01mm，通過旋轉的角度輸出前進位移；空心光電編碼器采用2500線空心光電編碼器，用正交解碼芯片形成4倍頻，轉一圈同樣需要10000步，精度為0.036度。
[0028]本實用新型的優越性:1、主從端同時同步進行，故而醫生能充分利用傳統手術所積累的經驗和技巧；2、本設計注重手術操作力的實時反饋，從側操作器裝置的操作力能夠實時通過主操作器裝置上的操作管直接反饋到醫生的操作手上，反饋直觀，滿足手術的安全性和醫生操作的需求;3、醫生操作的軸向信息采用電磁感應方式獲取，高效且不增加附加負載;4、醫生能直接操作導管，使手術更具有真實性，符合人體工學的要求。
(四)【附圖說明】:
[0029]圖1為本實用新型所涉一種主從微創血管介入手術機器人輔助系統主端控制臺力反饋裝置的結構框圖。
[0030]其中，I為支撐架，2為線圈，3為繞線管，4為導管，5為連接扣，6為實心光電編碼器，7為空心光電編碼器，8為空心編碼器安裝板，9為滑軌，10為導向軌，11為磁鐵，12為操作桿，13為底板，14為固定板，15為支架。
(五)【具體實施方式】:
[0031]實施例:一種主從微創血管介入手術機器人輔助系統醫生主端控制臺力反饋裝置(見圖1)，其特征在于它包括圓柱形導磁棒、操作桿12、導管4、內含軸承的連接扣5、實心光電編碼器6、空心光電編碼器7、線圈2、繞線管3、導向軌10、磁鐵11;所述圓柱形導磁棒兩端設置磁鐵11;所述繞線管3套在圓柱形導磁棒;所述線圈2纏在繞線管3上;所述操作桿12—端與繞線管3固定，另一端與連接扣5連接;所述導管4 一端與連接扣5內的軸承連接，另一端穿過空心光電編碼器7，并與空心光電編碼器7固定；所述導向軌10與實心光電編碼器6固定，導向軌10的外周與操作桿12連接;所述圓柱形導磁棒、實心光電編碼器6及空心光電編碼器7分別通過支撐結構支撐安裝。
[0032]所述圓柱形導磁棒通過支撐架I支撐;所述空心光電編碼器7通過空心編碼器安裝板8安裝支撐;所述空心編碼器安裝板8與滑軌9連接構成滑動配合安裝。(見圖1)
[0033]所述實心光電編碼器6通過支架15支撐。(見圖1)
[0034]所述導向軌10為垂直方向成對安裝，其中一個導向軌10與實心光電編碼器6固定，另一個導向軌10通過支架15和固定板14支撐安裝;所述操作桿12通過兩導向軌10之間。(見圖1)
[0035]所述導向軌10為圓形。(見圖1)
[0036]所述導管4與空心光電編碼器7通過頂絲固定。
[0037]所述實心光電編碼器6采用2500線實心光電編碼器；所述空心光電編碼器7采用2500線空心光電編碼器。
[0038]所述圓柱形導磁棒采用導磁性良好的圓柱形鐵棒。
[0039 ]所述磁鐵11及圓柱形導磁棒截面的直徑為12mm。
[0040] 所述線圈11的直徑為0.2mm。
[0041 ] 所述滑軌9量程為0-100mm。
[0042]所述支撐架1、滑軌9、支架15和固定板14均安裝在高度可調的底板13上。(見圖1)
[0043]醫生操作導管4做前后運動，實心光電編碼器6實心軸跟隨轉動從而輸出前進和后退的位移；通過旋轉導管帶動空心編碼器7旋轉，從而輸出旋轉的度數，滑軌量程為0-100mm，底板13可根據醫生的不同而調節高度。
[0044]所述主從微創血管介入手術機器人輔助系統醫生主端控制臺力反饋裝置采用鋁合金和不銹鋼材料。
[0045]本實施例的工作過程，其特征在于它包括以下步驟:
[0046](i)操作的實現:測量旋轉角度時，旋轉導管4帶動空心光電編碼器7的內軸旋轉即可測出旋轉角度;測量軸向運動信息時，操作桿12與導管4同時前進，并帶動與操作桿12固定的繞線管3同時運動，實心光電編碼器6的實心軸通過導向軌10跟隨操作桿12轉動將前進位移轉化為旋轉角度;當繞線管3運動到頂端后，將操作桿12撤回，開始新一輪的操作；
[0047](2)操作信息的提取:
[0048]1、對于軸向運動信息的采集，實心光電編碼器6實心軸通過導向軌10跟隨操作桿12轉動，將前進位移轉化為旋轉角度；
[0049]Π、對于旋轉信息，導管4帶動空心光電編碼器7的內軸旋轉即可測出旋轉角度；
[0050](3)從操作器的操作力在主操作器的力反饋:
[0051]對于軸向操作力反饋，通過應用纏在繞線管3—端的通電線圈2在磁場中運動產生:繞線管3將圓柱形導磁棒包裹在繞線管里面，將操作桿12與繞線桿3中間固定，從而測出的力更加精準，推動導管4，讓通電線圈2在磁場中運動，從而產生電磁感應力，通電線圈產生的電磁力為對操作桿的阻尼信號，操作桿12的一端接收通電線圈產生的阻尼力，通過導管4傳遞給醫生的手;不同的電流產生的阻力也不一樣，通過控制電流的大小，保證阻力與從端導管內部的接觸力保持一致，這個力直接反饋給醫生從而形成閉環系統。
[0052]所述步驟(I)中空心光電編碼器7在滑軌9上運動，從而減小滑動摩擦力。
[0053]所述步驟(2)中實心光電編碼器6采用2500線實心光電編碼器，經過正交解碼芯片形成4倍頻，轉一圈需要10000步，導向軌10圓周的周長是91.06-97.34mm，所以實心光電編碼器6精度是0.01mm，通過旋轉的角度輸出前進位移，測量精度比直線位移傳感器精度更高；空心光電編碼器7采用2500線空心光電編碼器7，用正交解碼芯片形成4倍頻，轉一圈同樣需要10000步，精度為0.036度。
【主權項】
1.一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于它包括圓柱形導磁棒、操作桿、導管、內含軸承的連接扣、實心光電編碼器、空心光電編碼器、線圈、繞線管、導向軌、磁鐵;所述圓柱形導磁棒兩端設置磁鐵;所述繞線管套在圓柱形導磁棒;所述線圈纏在繞線管的一端;所述操作桿一端與繞線管固定，另一端與連接扣連接;所述導管一端與連接扣內的軸承連接，另一端穿過空心光電編碼器，并與空心光電編碼器內軸固定;所述導向軌與實心光電編碼器的實心軸固定，導向軌的外周與操作桿連接;所述圓柱形導磁棒、實心光電編碼器及空心光電編碼器分別通過支撐結構支撐安裝。2.根據權利要求1所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述圓柱形導磁棒通過支撐架固定支撐安裝;所述空心光電編碼器通過空心編碼器安裝板固定支撐安裝;所述空心編碼器安裝板與滑軌連接構成滑動配合安裝； 所述實心光電編碼器通過支架固定支撐安裝； 所述支撐架、滑軌、支架均安裝在高度可調的底板上。3.根據權利要求1所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述導向軌為垂直方向成對安裝，其中一個導向軌與實心光電編碼器固定，另一個導向軌通過支架和固定板支撐安裝;所述操作桿通過兩導向軌之間；所述固定板安裝在高度可調的底板上。4.根據權利要求1所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述導向軌為圓形。5.根據權利要求1所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述導管與空心光電編碼器內軸通過頂絲固定。6.根據權利要求1所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述實心光電編碼器采用2500線實心光電編碼器;所述空心光電編碼器采用2500線空心光電編碼器。7.根據權利要求1所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述磁鐵及圓柱形導磁棒截面的直徑為10-13mm; 所述線圈的直徑為0.1-0.3mm。8.根據權利要求2所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述滑軌量程為O-1OOmm。9.根據權利要求1所述一種血管介入手術機器人主端力反饋裝置，其特征在于所述圓柱形導磁棒、操作桿、線圈、繞線管及磁鐵構成軸向力反饋單元。
【文檔編號】A61B17/00GK205598007SQ201620079591
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年1月27日
【發明人】郭健, 于洋, 郭書祥
【申請人】天津理工大學