一种微创血管介入手术机器人操作装置[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010099123.0
(22)申请日 2020.02.18
(71)申请人 燕山大学
地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北
大街西段438号
(72)发明人 王洪波　张永顺　关博　于昊洋　
常晶媛　李姗姗　房君昱　陆海霞　
(74)专利代理机构 北京孚睿湾知识产权代理事
务所(普通合伙) 11474
代理人 刘翠芹
(51)Int.Cl.
A61B 34/37(2016.01)
(54)发明名称一种微创血管介入手术机器人操作装置(57)摘要本发明属于医疗康复设备领域，具体涉及一种微创血管介入手术机器人操作装置。

本发明包括底座、力觉控制机构和位置控制机构。

力觉控制机构包括第一支座、电机、扭矩传感器、第一带轮、第一位置编码器、直线导轨、操作杆支座、操作杆、第二位置编码器、轻触开关、第二支座、第二带轮和第一皮带；位置控制机构包括第一支撑架、转动杆、操作手轮组件、第二皮带、第三带轮、第二支撑架、第四带轮、第三位置编码器、第三皮带、磁粉制动器、第五带轮和第四位置编码器。

本发明可依据手术过程中医生操作需求，模拟医生手术过程中对微导管/导丝的操作动作，并且在手术过程中可根据实际情况切换使用力觉控制和位置控制模式，
使得力觉临场感更加真实。

权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 111227946 A 2020.06.05
C N 111227946
A
1.一种微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：包括：底座(1)以及安装在所述底座(1)上的力觉控制机构(2)和位置控制机构(3)，所述力觉控制机构(2)包括力觉动力组件(21)和力觉操作组件(22)；所述力觉动力组件(21)包括第一支座(211)、安装在所述第一支座(211)上且同轴连接的电机(212)、扭矩传感器(213)、第一带轮(214)以及第一位置编码器(215)；所述力觉操作组件(22)包括固定安装在所述底座(1)上且与力觉动力组件(21)垂直布置的两直线导轨(221)、滑动设置在所述直线导轨(221)上的滑块(222)、安装在所述滑块(222)上的操作杆支座(223)、活动连接在所述操作杆支座(223)上的操作杆(224)、与所述操作杆(224)同轴固定连接的第二位置编码器(225)、安装在所述操作杆支座(223)上的轻触开关(226)、安装在所述底座(1)上的第二支座(2210)以及活动安装在所述第二支座(2210)上的第二带轮(227)；所述第一带轮(214)和第二带轮(227)分别设置在直线滑轨两端并通过第一皮带(216)连接；第一皮带(216)与操作杆支座(223)固定连接；
所述位置控制机构(3)包括位置操作组件(31)、转向组件(32)以及测量组件(33)；所述位置操作组件(31)包括第一支撑架(311)、活动安装在所述第一支撑架(311)上的转动杆(312)、滑动连接在所述转动杆(312)上的操作手轮组件(313)、两端与所述操作手轮组件(313)固定的第二皮带(314)以及与所述转动杆(312)同轴固定连接的第三带轮(315)；所述转向组件(32)包括第二支撑架(321)、活动安装在所述第二支撑架(321)上的第四带轮(322)以及与所述第四带轮(322)固定连接的第三位置编码器(323)；所述测量组件(33)包括第三支撑架(331)、活动安装在所述第三支撑架(331)上的磁粉制动器(332)、与所述磁粉制动器(332)同轴固定连接的第五带轮(333)以及与所述第五带轮(333)同轴固定连接的第四位置编码器(334)；所述第五带轮(333)与第二皮带(314)连接，所述第三带轮(315)和第四带轮(322)通过第三皮带(324)连接。

2.根据权利要求1所述的微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述第二带轮(227)安装在第二支座(2210)上；所述第二支座(2210)固定安装在所述底座(1)上，所述底座(1)上固定设置有张紧支座(228)，所述第二支座(2210)与所述张紧支座(228)之间的距离能够通过螺栓进行调节。

3.根据权利要求1所述的微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述操作手轮组件(313)包括套设在所述转动杆(312)上的滑动套筒(3131)、通过第二卡簧(3137)与所述滑动套筒(3131)连接的开关套筒(3132)、通过第一卡簧(3134)与所述滑动套筒(3131)固定的连接块(3133)、与所述连接块(3133)固定连接的连接杆(317)、设置在所述滑动套筒(3131)表面的第一皮肤传感器(3135)、设置在所述开关套筒(3132)表面的第二皮肤传感器(3139)、安装在所述滑动套筒(3131)上的使能开关(3136)以及设置在所述滑动套筒(3131)和所述开关套筒(3132)之间的弹簧(3138)，所述连接杆(317)两端分别与所述第二皮带(314)两端连接从而形成闭环。

4.根据权利要求3所述的微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述转动杆(312)为中空且一侧开设有缺口，第二皮带(314)从转动杆(312)内穿过。

5.根据权利要求3所述的微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述滑动套筒(3131)上设置若干具有内螺纹的孔，孔内埋设有滚珠(31312)，滚珠(31312)利用紧定螺钉(31311)进行限定。

6.根据权利要求1所述的微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述位置操
作组件(31)还包括带轮导向轮(316)，所述带轮导向轮(316)安装在所述第一支撑架(311)远离第五带轮(333)的一侧的端部，所述带轮导向轮(316)被第二皮带(314)包绕，并对第二皮带(314)起导向和张紧作用。

7.根据权利要求6所述的微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：所述第一皮带(216)、第二皮带(314)和第三皮带(324)均为同步带，所述第一带轮(214)、第二带轮(227)、第三带轮(315)、第四带轮(322)、第五带轮(333)和带轮导向轮(316)均为同步带轮。

8.根据权利要求7所述的微创血管介入手术机器人操作装置，其特征在于：还包括中央控制器，第一位置编码器(215)、第二位置编码器(225)、第三位置编码器(323)以及第四位置编码器(334)分别记录对应的第一带轮、操作杆、第四带轮以及第五带轮的转动位置，并分别将实时位置信息上传到中央控制器。

一种微创血管介入手术机器人操作装置
技术领域
[0001]本发明属于医疗康复设备技术领域，具体涉及一种微创血管介入手术机器人操作装置。

背景技术
[0002]心血管疾病是威胁居民健康的一大杀手，且发病率不断上升。

目前治疗心血管疾病的手段之一是采用导丝递送置入物来疏通血管。

传统的微创血管手术主要通过技术熟练的医生在X射线影像或其他灰度图像的监控和引导下，利用手工完成导管、导丝、微导管和气囊等手术器械的插入工作。

但是，由于现有的导管前端的弯曲半径固定，以及人体内血管存在弯曲狭长、不规则、分支多等特征，医生在进行插入工作时存在一定的风险性，且手术操作复杂、时间长，身体疲劳和手工操作不稳定等因素均会影响手术质量。

[0003]近年来，随着机器人技术的发展，在微创血管介入手术领域，血管介入手术机器人也作为新兴产业得到迅速发展。

微创血管介入手术机器人主要包括成像模块、操作模块、执行模块和控制系统等。

其主要工作过程为：医生在成像模块的帮助下通过对操作模块的操作，使执行模块按照医生的指令对微导管/导丝执行递送和旋捻的动作。

控制系统收集并转化各模块的信号，并在各模块之间进行传输。

[0004]使用微创血管介入手术机器人进行手术可以使操作更加精准、手术时间缩短，同时也可避免医生因穿着沉重的铅衣而造成身体疲劳及损伤。

发明内容
[0005]本发明的目的是克服现有技术中操作装置普遍笨拙、不够灵巧的缺陷，提供一种具有位置控制和力觉控制功能的微创血管介入手术机器人操作装置。

本发明依据介入手术过程中医生操作需求，模拟医生手术过程中对微导管/导丝的操作动作，对操作装置进行优化设计。

医生可根据微导管/导丝在主动脉与冠动脉中递送环境的不同，在手术过程中切换位置控制和力觉控制模式。

根据医生在手术过程中的操作习惯，本发明采用两手指实现对操作机构的操控，并且使得递送和旋捻动作可以同时进行；使得介入手术接近真实手术的力觉临场感。

[0006]具体地，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种微创血管介入手术机器人操作装置，其包括：底座以及安装在所述底座上的力觉控制机构和位置控制机构；
[0008]所述力觉控制机构包括力觉动力组件和力觉操作组件；所述力觉动力组件包括第一支座、安装在所述第一支座上且同轴连接的电机、扭矩传感器、第一带轮和第一位置编码器；所述力觉操作组件包括固定安装在所述底座上且与力觉动力组件垂直布置的两直线导轨、滑动设置在所述直线导轨上的滑块、安装在所述滑块上的操作杆支座、活动连接在所述操作杆支座上的操作杆、与所述操作杆同轴固定连接的第二位置编码器、安装在所述操作杆支座上的轻触开关、安装在所述底座上的第二支座以及活动安装在所述第二支座上的第
二带轮；所述第一带轮和第二带轮分别设置在直线滑轨两端并通过第一皮带连接；所述第一皮带与操作杆支座固定连接；
[0009]所述位置控制机构包括位置操作组件、转向组件以及测量组件；所述位置操作组件包括第一支撑架、活动安装在所述第一支撑架上的转动杆、滑动连接在所述转动杆上的操作手轮组件、两端分别与所述操作手轮组件固定的第二皮带以及与所述转动杆同轴固定连接的第三带轮；所述转向组件包括第二支撑架、活动安装在所述第二支撑架上的第四带轮以及与所述第四带轮固定连接的第三位置编码器；所述测量组件包括第三支撑架、活动安装在所述第三支撑架上的磁粉制动器、与所述磁粉制动器同轴固定连接的第五带轮以及与所述第五带轮同轴固定连接的第四位置编码器；所述第五带轮与第二皮带连接，所述第三带轮和第四带轮通过第三皮带连接。

[0010]进一步地，所述第二带轮安装在第二支座上；所述第二支座固定安装在所述底座上，所述底座上固定设置有张紧支座，所述第二支座与所述张紧支座之间的距离能够通过螺栓进行调节。

[0011]进一步地，所述操作手轮组件包括套设在所述转动杆上的滑动套筒、通过第二卡簧与所述滑动套筒连接的开关套筒、通过第一卡簧与所述滑动套筒固定的连接块、与所述连接块固定连接的连接杆、设置在所述滑动套筒表面的第一皮肤传感器、设置在所述开关套筒表面的第二皮肤传感器、安装在所述滑动套筒上的使能开关以及设置在所述滑动套筒和所述开关套筒之间的弹簧，所述连接杆的两端分别与所述第二皮带两端连接从而形成闭环。

[0012]进一步地，所述转动杆为中空且一侧开设有缺口，第二皮带从转动杆内穿过。

[0013]进一步地，所述滑动套筒上设置有若干具有内螺纹的孔，所述孔内埋设有滚珠，所述滚珠利用紧定螺钉进行限定。

[0014]进一步地，所述位置操作组件上还包括安装在导向轮支座上的带轮导向轮，所述带轮导向轮安装在所述第一支撑架远离第五带轮的一侧的端部，所述带轮导向轮被第二皮带包绕，并对第二皮带起导向和张紧作用。

[0015]进一步地，所述第一皮带、第二皮带和第三皮带均为同步带，所述第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、第五带轮和带轮导向轮均为同步带轮。

[0016]进一步地，还包括中央控制器，第一位置编码器、第二位置编码器、第三位置编码器以及第四位置编码器分别记录对应的第一带轮、操作杆、第四带轮以及第五带轮的转动位置，并分别将实时位置信息上传到中央控制器。

[0017]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0018]本发明可依据介入手术过程中医生操作需求，模拟医生手术过程中对微导管/导丝的操作动作，本发明针对微导管/导丝在主动脉与冠动脉中递送环境不同的特点，设计了力觉控制和位置控制两种模式，医生在手术过程中可根据实际情况切换使用，使得介入手术操作更加精准。

[0019]针对医生的操作习惯，本发明的操作机构采用两手指实现操作机构操控，并且可以同时进行递送和旋捻动作；在此基础上实现更接近真实手术效果的力觉临场感。

[0020]在使用本发明进行手术时，可以使操作更加精准、手术时间缩短，同时也可避免医生因穿着沉重的铅衣而造成身体疲劳及损伤。

附图说明
[0021]下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0022]图1是本发明实施例微创血管介入手术机器人操作装置立体图；
[0023]图2是本发明实施例力觉控制机构立体图；
[0024]图3是本发明实施例位置控制机构立体图；
[0025]图4是本发明实施例操作手轮组件剖视图；
[0026]图5是本发明实施例转动杆立体图；
[0027]图6是本发明实施例滑动套筒立体图。

[0028]图中附图标记如下:
[0029]1、底座，2、力觉控制机构，3、位置控制机构；
[0030]21、力觉动力组件，211、第一支座，212、电机，213、扭矩传感器，214、第一带轮，215、第一位置编码器，216、第一皮带，22、力觉操作组件，221、直线导轨，222、滑块，223、操作杆支座，224、操作杆，225、第二位置编码器，226、轻触开关，227、第二带轮，228、张紧支座，229、螺栓，2210、第二支座；
[0031]31、位置操作组件，311、第一支撑架，312、转动杆，313、操作手轮组件，3131、滑动套筒，31311、紧定螺钉，31312、滚珠，3132、开关套筒，3133、连接块，3134、第一卡簧，3135、第一皮肤传感器，3136、使能开关，3137、第二卡簧，3138、弹簧，3139、第二皮肤传感器，314、第二皮带，315、第三带轮，316、带轮导向轮，317、连接杆，32、转向组件，321、第二支撑架，322、第四带轮，323、第三位置编码器，324、第三皮带，33、测量组件，331、第三支撑架，332、磁粉制动器，333、第五带轮，334、第四位置编码器。

具体实施方式
[0032]现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

[0033]如图1-图6所示为本发明的一种微创血管介入手术机器人操作装置的具体实施例。

[0034]如图1所示，微创血管介入手术机器人操作装置包括底座1、力觉控制机构2和位置控制机构3三个部分，其中力觉控制机构2和位置控制机构3均安装在底座1上。

[0035]如图2所示，力觉控制机构2包括力觉动力组件21和力觉操作组件22。

在力觉操作组件22中，两直线导轨221固定安装在底座1上且与力觉动力组件21垂直布置，在直线导轨221上滑动设置滑块222，在滑块222上安装操作杆支座223，在操作杆支座223上转动连接操作杆224，操作杆224与第二位置编码器225同轴固定连接，操作杆支座223上还安装轻触开关226。

[0036]第二支座2210通过螺栓安装在底座1上，第二带轮227转动安装在第二支座2210上。

第一带轮214和第二带轮227设置在直线滑轨两端并通过第一皮带216连接，第一皮带216还与操作杆支座223固定连接。

[0037]在具体使用时，医生可对操作杆224进行推拉及捻旋。

当对操作杆224进行推拉的时候，首先带动操作杆支座223移动，操作杆支座223通过第一皮带216带动第一带轮214和第二带轮227进行转动。

当对操作杆224进行捻旋的时候，第二位置编码器225跟随操作杆
224进行转动，记录操作杆224转动的实时位置，并将数据上传到中央控制器。

[0038]如图2所示，两直线导轨221平行布置，为了保证操作舒适度还可以将直线导轨221利用垫板垫起一定的高度。

为了保证传动的精确性，需对第一皮带216进行张紧。

在底座1上固定安装有张紧支座228，可通过螺栓229调节张紧支座228与第二支座2210之间的距离，以达到对第一皮带216进行张紧的目的。

[0039]如图2所示，力觉动力组件21包括均安装在第一支座211上且同轴连接的电机212、扭矩传感器213、第一带轮214和第一位置编码器215。

其中，第一带轮214会随着第一皮带216的转动而转动，第一带轮214会带动同轴连接的第一位置编码器215转动，第一位置编码器215记录第一带轮的转动位置，并将实时位置信息上传到中央控制器。

第一带轮214还同时带动电机212转动，电机212根据中央控制器的数据提供正向或者反向扭矩，为操作杆224的推拉提供力觉反馈。

设置在第一带轮214与电机212之间的扭矩传感器213可以检测第一带轮214的实时扭矩，并将扭矩信息反馈到中央控制器，以便对力觉精确控制。

[0040]正常情况下，操作杆224向前向后推拉时都可使得第一位置编码器215改变位置信息，从而操控执行机构对微导管/导丝执行前进或者后退的动作。

但是推动操作杆224前进一个导程后，还需继续前进时，可按紧轻触开关226将操作杆224拖回到初始点，然后再向前推动操作杆224，从而再一次执行向前送微导管/导丝的动作。

按下轻触开关226的作用是使第一位置编码器215、第二位置编码器225以及电机212，在推拉的过程中不使能。

[0041]如图3所示，位置控制机构3包括位置操作组件31、转向组件32和测量组件33。

位置操作组件31与转向组件32之间通过第三皮带324连接，位置操作组件31与测量组件33之间通过第二皮带314连接。

[0042]如图3所示，位置操作组件31包括安装在底座1上的第一支撑架311、转动连接在第一支撑架311上的转动杆312、滑动连接在转动杆312上的操作手轮组件313、两端与操作手轮组件313固定的第二皮带314以及与转动杆312同轴固定连接的第三带轮315。

医生可对操作手轮组件313进行拖拉与捻旋。

[0043]如图3所示，转向组件32包括安装在底座1上的第二支撑架321、活动安装在第二支撑架321上的第四带轮322以及与第四带轮322固定连接的第三位置编码器323，第三带轮315和第四带轮322通过第三皮带324连接。

[0044]如图3所示，测量组件33包括安装在底座1上的第三支撑架331、活动安装在第三支撑架331上的磁粉制动器332、与磁粉制动器332同轴固定连接的第五带轮333以及与第五带轮333同轴固定连接的第四位置编码器334。

[0045]结合图3和图4所示，第二皮带314一端与操作手轮组件313中连接杆317的一端固定连接，依次绕过第五带轮333和带轮导向轮316，然后第二皮带314的另一端与连接杆317的另一端固定连接，构成闭环。

[0046]当医生对操作手轮组件313进行捻旋时，操作手轮组件313带动转动杆312转动，转动杆312带动第三带轮315转动，第三带轮315通过第三皮带324带动第四带轮322转动，从而带动第三位置编码器323转动，第三位置编码器323记录转动位置，并将实时位置信息上传到中央控制器。

[0047]当医生对操作手轮组件313进行拖拉时，操作手轮组件313带动第二皮带314转动，第二皮带314带动第五带轮333以及与其同轴连接的磁粉制动器332、第四位置编码器334转
动。

第四位置编码器334记录转动位置，并将实时位置信息上传到中央控制器。

磁粉制动器332可根据中央控制器的指令调整制动力矩，模拟医生在操作过程中遇到的阻力。

[0048]如图4所示，操作手轮组件313包括：套设在转动杆312上的滑动套筒3131、通过第二卡簧3137与滑动套筒3131连接的开关套筒3132、通过第一卡簧3134与滑动套筒3131固定的连接块3133、与连接块3133固定连接的连接杆317、设置在滑动套筒3131表面的第一皮肤传感器3135、设置在开关套筒3132表面的第二皮肤传感器3139、安装在滑动套筒3131上的使能开关3136以及设置在滑动套筒3131和开关套筒3132之间的弹簧3138。

[0049]结合图4和图5所示，转动杆312为中空管，而且在转动杆312一侧开有缺口。

第二皮带314从转动杆312内穿过，第二皮带314两端与连接杆317两端分别通过螺钉固定连接，使第二皮带314形成闭环。

[0050]如图4所示，连接杆317与连接块3133连接，连接块3133的下部伸出转动杆312的缺口与滑动套筒3131连接，间接实现了滑动套筒3131与第二皮带314的固定连接。

即：滑动套筒3131与连接块3133固定连接，连接块3133与连接杆317固定连接，连接杆317与第二皮带314固定连接。

[0051]另外，如图4所示，在滑动套筒3131外设置了起开关作用的第一皮肤传感器3135，在开关套筒3132表面设置了起开关作用的第二皮肤传感器3139。

只有当医生的手触及到第一皮肤传感器3135或者第二皮肤传感器3139时相应的位置编码器才进入使能状态。

第一皮肤传感器3135或者第二皮肤传感器3139可以为柔性电容式传感器、柔性电阻式传感器或者柔性压力式传感器。

[0052]医生可拖动或转动滑动套筒3131，使操作手轮组件313移动或者转动。

当操作手轮组件313移动一个导程后，需要开始一个新的导程时，用手向后按压开关套筒3132，使开关套筒3132压缩使能开关3136，使得相应的第三位置编码器323、第四位置编码器334、磁粉制动器332不使能，然后拖动操作手轮组件313回到起始点。

松开开关套筒3132后，在弹簧3138的作用下，开关套筒3132与使能开关3136分开，相应的第三位置编码器323、第四位置编码器334、磁粉制动器332重新处于使能状态。

[0053]如图6所示，为减小滑动套筒3131在转动杆312上滑动时的摩擦力，滑动套筒3131上设置若干具有内螺纹的小孔，孔内埋入滚珠31312，并用紧定螺钉31311限定。

[0054]优选地，为保证传动的精确性，第一皮带216、第二皮带314和第三皮带324均为同步带，第一带轮214、第二带轮227、第三带轮315、第四带轮322、第五带轮333、带轮导向轮316均为同步带轮。

[0055]本发明为微创血管介入手术机器人操作装置，为微创血管介入手术机器人中主从结构的“主”部分，操作装置中的各传感器检测到医生的操作意图，并将位置信号和力信号传输到中央控制器，中央控制器控制执行机构对微导管/导丝执行递送或捻旋动作，并将执行机构遇到的力反馈到操作装置中。

执行机构即为主从结构的“从”部分。

[0056]应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

图1
图2
图3
图4
图5图6
说　明　书　附　图3/3页CN 111227946 A 11。