具有手感的血管介入手术机器人操作手柄及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄及其控制方法，包括设置于机架上的操作装置、力加载机构以及力矩加载机构；操作装置发出旋转和/或推拉导管导丝的操作命令；力加载机构将推拉导管导丝时受到的推拉阻力反馈到操作装置；力矩加载机构将旋转导管导丝时受到的阻力矩反馈到操作装置；推拉阻力是通过力加载机构与操作装置的手柄的一端之间形成的弹力产生；阻力矩是通过力矩加载机构与操作装置之间形成的摩擦力产生。本发明专利技术通过操作装置操作导管导丝的旋转、推拉以及其结合；能够将病人侧导管导丝在介入过程中的阻力或者阻力矩反馈到操作装置，增强医生的手感和临场感，增加手术操作的安全性和稳定性；解决了力和力矩的耦合。

Vascular interventional surgical robot handle with hand feel and control method thereof

The present invention provides a surgical robot operating handle and control method of a hand with vascular intervention, including the operating device, is arranged on the frame of the force loading mechanism and torque loading mechanism; a rotation operation device and / or push pull catheter operation command; loading mechanism will push and pull the catheter and guide wire the sliding resistance of the feedback to the operating device; torque torque loading mechanism will rotate the catheter and guide wire by the feedback to the operating device; the sliding resistance is formed between the end of the handle through the loading mechanism and the operating device of the spring force; friction resistance moment is formed between the torque loading device and operation mechanism. The present invention by operating the device operation guide wire rotation, push and pull and the combination can be patient; side catheter intervention in the process of resistance or resistance torque feedback to the operator, enhance doctors feel and telepresence, increase operation safety and stability; to solve the coupling force and moment.

【技术实现步骤摘要】
具有手感的血管介入手术机器人操作手柄及其控制方法
本专利技术涉及医疗器械领域，具体地，涉及一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄及其控制方法。更为详细地，涉及一种可以对导管、导丝进行遥控并能将导管导丝阻力加载到手柄的装置及其控制方法。
技术介绍
血管介入手术机器人是一种代替医生在病人侧进行导管导丝操作的装置，而医生则需要对机器人进行遥控。遥操作可以使医生避开射线损伤，并且通过机械和运动控制算法来消除医生手部颤抖，提高介入精准度。遥操作手柄是医生和机器人的交互工具，通过操作手柄将医生的动作信息传递给机器人，进而机器人操作导管导丝。开发可靠安全、操作友好的操作手柄是介入手术机器人发展的关键环节之一。Sensiji机器人导管系统是最早使用的血管介入手术机器人，医生在三维图像引导下，对导管进行遥操作，操作医生有力觉反馈。CatheterRobotics公司开发的血管介入手术机器人系统手柄可以控制导管轴向运动、旋转运动以及导管前端弯曲角度，可以进入角度比较刁钻的血管。加拿大西安大略大学开发了以真实导管导丝作为操作手柄的进退和转动操作装置，没有力反馈。日本芝浦工业大学的血管介入导管系统通过电流变液实现导管操作力的反馈。中国哈尔滨工业大学利用摩擦对滚的方式进行管丝输运，利用主手感知力反馈。天津理工大学探索过使用磁流变液体作为力反馈介质。深圳先进技术研究院使用电机进行力反馈实现主端操作。从各种资料来看，血管介入手术机器人操作手柄，第一功能需求是需要能够操作导管导丝的旋转、推拉以及二者的混合，第二功能需求是需要能够将病人侧导管导丝在介入过程中的阻力或者阻力矩反馈到医生操作端，增强医生的手感和临场感，增加手术操作的安全性和稳定性。目前，满足第一功能需求的方法比较多，也比较成熟，但是能够同时满足第二功能需求仍然存在一些困难，例如加载力和力矩的动态范围调整、力和力矩之间的耦合等，需要探索新的结构和原理。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄及其控制方法。根据本专利技术提供的一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，包括：机架；操作装置：用于发出旋转和/或推拉导管导丝的操作命令；力加载机构：用于将推拉导管导丝时受到的推拉阻力反馈到操作装置；力矩加载机构：用于将旋转导管导丝时受到的阻力矩反馈到操作装置；所述推拉阻力是通过力加载机构与操作装置的手柄的一端之间形成的弹力产生；所述阻力矩是通过力矩加载机构的加载轮与操作装置的手柄的侧面形成的摩擦力产生；操作装置、力加载机构以及力矩加载机构均设置于机架上。优选地，所述力加载机构包括力电机、力丝杆、力螺母以及力弹簧；其中：所述力电机紧固于机架上；所述力电机的输出轴通过联轴器连接所述力丝杆；所述力螺母旋和在所述力丝杆上，所述力螺母上设置有用于导向止转的导向杆；所述力弹簧的一端紧固所述力螺母，另一端连接手柄的一端。优选地，所述力矩加载机构包括力矩电机、力矩丝杆、力矩螺母、力矩弹簧以及加载轮装置，其中：所述力矩电机紧固于机架上；所述力矩电机的输出轴通过联轴器连接所述力矩丝杆；所述力矩螺母旋和在所述力矩丝杆上，所述力矩螺母上设置有用于导向止转的螺母导杆；所述力矩弹簧的一端紧固所述力矩螺母，另一端连接所述加载轮装置；所述加载轮装置包括轮支撑架和加载轮，所述加载轮通过轮轴连接所述轮支撑架；所述加载轮骑行于所述手柄的侧面。优选地，所述操作装置包括手柄、操作球以及复位弹簧；其中：所述手柄通过紧固支架上的直线轴承支撑；所述操作球用于操作手柄的推拉和旋转，所述操作球紧固所述手柄的另一端；所述复位弹簧套在手柄的另一端，所述复位弹簧用于手柄的自动复位。优选地，还包括手柄位移传感器和力螺母位移传感器；其中：所述手柄位移传感器和力螺母位移传感器紧固所述机架上；所述手柄位移传感器用于检测手柄推拉的距离；所述力螺母位移传感器用于检测力弹簧的形变量。优选地，还包括力矩位移传感器和旋转编码器；其中：所述力矩位移传感器和旋转编码器紧固于支架上；所述力矩位移传感器用于检测力矩弹簧的变形量；所述旋转编码器用于手柄转角和转速的测量。优选地，所述加载轮能够沿所述手柄的柄身方向滚动；所述手柄能够沿手柄的对称轴转动，与所述加载轮形成滑动运动。优选地，还包括补偿控制器，所述补偿控制器执行如下计算对力加载机构产生的力和力矩加载机构产生的力矩进行解耦补偿：其中：Δx1为力加载位移，Δx3为力矩加载位移，a1＝k1,b1＝(u2+u4)k3，c1＝2k2Δx2-F，a2＝k1u1R2,b2＝(u2u1R3+u4fR1)k3,c2＝2k2u3R4Δx2-M其中：k1为力弹簧弹性系数，k2为复位弹簧弹性系数，k3为力矩弹簧弹性系数，R1为手柄半径，R2为力轴承半径，R3为直线轴承半径，R4为复位轴承半径，u1为力轴承滚阻系数，f为加载轮和手柄之间的滑动摩擦系数，u2为直线轴承滚阻系数，u3为复位轴承滚阻系数，u4为轮支撑轴承滚阻系数，F为期望的加载阻力，M为期望的加载阻力矩，Δx2为手柄位移。一种基于力和力矩的补偿方法，包括如下算法：其中：Δx1为力加载位移，Δx3为力矩加载位移，a1＝k1,b1＝(u2+u4)k3，c1＝2k2Δx2-F，a2＝k1u1R2,b2＝(u2u1R3+u4fR1)k3,c2＝2k2u3R4Δx2-M其中：k1为力弹簧弹性系数，k2为复位弹簧弹性系数，k3为力矩弹簧弹性系数，R1为手柄半径，R2为力轴承半径，R3为直线轴承半径，R4为复位轴承半径，u1为力轴承滚阻系数，f为加载轮和手柄之间的滑动摩擦系数，u2为直线轴承滚阻系数，u3为复位轴承滚阻系数，u4为轮支撑轴承滚阻系数，F为期望的加载阻力，M为期望的加载阻力矩，Δx2为手柄位移。一种权利要求1所述的手柄的控制方法，包括利用权利要求9所述的补偿方法进行补偿的步骤。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、通过操作装置操作导管导丝的旋转、推拉以及其结合；2、能够将病人侧导管导丝在介入过程中的阻力或者阻力矩反馈到操作装置，增强医生的手感和临场感，增加手术操作的安全性和稳定性；3、通过加载轮与手柄之间的滚动和/或转动，解决了力和力矩的耦合。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄的结构示意图；图2为力和/或力矩的解耦和补偿示意图。图中示出：力电机1第一复位轴承17加载轮33力电机联轴器2复位弹簧18真实加载力34导向杆3第二复位轴承19力加载附加力矩35力丝杆4操作球20第一直线轴承转动摩擦阻力矩36力螺母5轮轴21第一直线轴承支撑力37力弹簧6力矩弹簧22第一直线轴承附加阻力38手柄位移传感器7力矩螺母23加载轮滑动摩擦力39力丝杆支撑轴承8力矩螺母导杆24加载轮滚动摩擦阻力40力螺母位移传感器9机架25第二直线轴承转动摩擦阻力矩41力轴承10力矩电机26第二直线轴承支撑力42第一直线轴承11力矩电机联轴器27第二直线轴承附加阻力43手柄12力矩支撑轴承28第一复位弹簧附加阻力矩44轮支撑轴承13力矩丝杆29第二复位弹簧附加阻力矩45第二直线轴承14力矩位移传感器30复位弹簧拉力46编本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，包括机架、操作装置、力加载机构以及力矩加载机构，其中：操作装置、力加载机构以及力矩加载机构均设置于机架上；操作装置发出旋转和/或推拉导管导丝的操作命令；力加载机构将推拉导管导丝时受到的推拉阻力反馈到操作装置；力矩加载机构将旋转导管导丝时受到的阻力矩反馈到操作装置；所述推拉阻力是通过力加载机构与操作装置的手柄的一端之间形成的弹力产生；所述阻力矩是通过力矩加载机构的加载轮与操作装置的手柄的侧面形成的摩擦力产生。

【技术特征摘要】
1.一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，包括机架、操作装置、力加载机构以及力矩加载机构，其中：操作装置、力加载机构以及力矩加载机构均设置于机架上；操作装置发出旋转和/或推拉导管导丝的操作命令；力加载机构将推拉导管导丝时受到的推拉阻力反馈到操作装置；力矩加载机构将旋转导管导丝时受到的阻力矩反馈到操作装置；所述推拉阻力是通过力加载机构与操作装置的手柄的一端之间形成的弹力产生；所述阻力矩是通过力矩加载机构的加载轮与操作装置的手柄的侧面形成的摩擦力产生。2.根据权利要求1所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，所述力加载机构包括力电机、力丝杆、力螺母以及力弹簧；其中：所述力电机紧固于机架上；所述力电机的输出轴通过联轴器连接所述力丝杆；所述力螺母旋和在所述力丝杆上，所述力螺母上设置有用于导向止转的导向杆；所述力弹簧的一端紧固所述力螺母，另一端连接手柄的一端。3.根据权利要求1所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，所述力矩加载机构包括力矩电机、力矩丝杆、力矩螺母、力矩弹簧以及加载轮装置，其中：所述力矩电机紧固于机架上；所述力矩电机的输出轴通过联轴器连接所述力矩丝杆；所述力矩螺母旋和在所述力矩丝杆上，所述力矩螺母上设置有用于导向止转的螺母导杆；所述力矩弹簧的一端紧固所述力矩螺母，另一端连接所述加载轮装置；所述加载轮装置包括轮支撑架和加载轮，所述加载轮通过轮轴连接所述轮支撑架；所述加载轮骑行于所述手柄的侧面。4.根据权利要求1所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，所述操作装置包括手柄、操作球以及复位弹簧；其中：所述手柄通过紧固支架上的直线轴承支撑；所述操作球用于操作手柄的推拉和旋转，所述操作球紧固所述手柄的另一端；所述复位弹簧套在手柄的另一端，所述复位弹簧用于手柄的自动复位。5.根据权利要求2所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，还包括手柄位移传感器和力螺母位移传感器；其中：所述手柄位移传感器和力螺母位移传感器紧固所述机架上；所述手柄位移传感器用于检测手柄推拉的距离；所述力螺母位移传感器用于检测力弹簧的形变量。6.根据权利要求3所述的具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，其特征在于，还包括力矩位移传感器和旋转编码器；其中：所述力矩位移传感器和旋转编码器紧固...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓刚，陆茂伟，王坤东，陆清声，
申请(专利权)人：上海速介机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31