本发明专利技术涉及医疗手术机器人设计领域，具体涉及一种放置在血管介入机器人从端的导管/导丝柔性夹持与应力测量装置及方法。本发明专利技术设计的夹持与支撑件由轴承连接，当步进电机驱动夹持组件旋转时，摄像头与夹持组件是相对静止的，所以该结构能够避免电机运动时振动对测力的影响。上外壳包含一部分突起，保证摄像头有足够的空间调整焦距，来捕获完整的夹爪标记。来捕获完整的夹爪标记。来捕获完整的夹爪标记。
【技术实现步骤摘要】
一种基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力装置及方法
[0001]本专利技术涉及医疗手术机器人设计领域，具体涉及一种放置在血管介入机器人从端的导管/导丝柔性夹持与应力测量装置及方法。
技术介绍
[0002]《中国心血管健康与疾病报告2020》指出，心血管相关疾病发病率持续上升，已成为现代人健康的首要威胁。血管介入手术由于其创伤小、恢复快等优点，已被广泛应用于临床治疗中。但是由于手术任务复杂且耗时长，介入外科医生面临着长时间“吃线”、穿戴大重量铅衣等引发的职业疾病的困扰。血管介入外科机器人系统利用主
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从协同的控制方法，保障了医生安全。在该系统中，外科医生可以坐在远离辐射的位置，利用主端操作手柄发送手部动作指令，传递给手术台旁边部署的从端机器人，机器人重复指令动作，捏持柔软细长的导管/导丝完成血管介入手术。
[0003]在手术过程中，增加主从两端的力传递功能可以提高外科医生的操作临场感，并提高手术安全性。其难点在于要求从端机器人能够在导管/导丝递送的过程中准确测量其内部应力的变化，并在主端及时反馈到医生的双手。传统应力检测装置需要与导管/导丝操作装置分离，这样会增加机器人的体积。另外，传统刚性力传感器缺乏运动缓冲能力，在操作导管/导丝时不能对异常情况导致的应力突变做出快速反应，增加了血管内壁损伤，甚至破裂的风险。目前有研究针对不同导管/导丝操作力范围内开展分层操作的策略，但是需要机器人装配高性能的伺服运动控制器，这无疑提高了机器人的系统设计的难度，同时也增加了外科医生的操作和学习成本。
技术实现思路
[0004]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力装置及方法，该装置基于柔性材料的运动与测量能够解决上述的模糊力控制与交互问题，能够即实现细长柔软导管/导丝稳定夹持，又具备导管/导丝应力测量功能。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力装置，该柔性夹持与测力装置包括过孔导电滑环、滑环固定件、第一轴承、第二轴承
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、夹持组件、锥形大齿轮、步进电机、锥形小齿轮、支撑座；
[0007]夹持组件包括上外壳、下外壳、左夹爪固定件、柔性左夹爪、传动件、直线导轨、直线伺服电机、右夹爪固定件、柔性右夹爪、补光灯和微型摄像头；采集柔性左夹爪和柔性右夹爪上带有标记点；
[0008]所述的支撑座上带有四个支架，分别为第一支架、第二支架、第三支架和第四支架，过孔导电滑环的定子部分固定安装在第一支架上，第一轴承固定在第二支架上，第二轴
承
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固定在第三支架上，步进电机固定在第四支架上，过孔导电滑环的转子部分外套第一轴承后通过滑环固定件与夹持组件的下外壳通过螺丝固定连接；锥形大齿轮外套第二轴承
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后与夹持组件的下外壳通过螺丝固定连接；锥形小齿轮与锥形大齿轮啮合，锥形小齿轮通过步进电机驱动；上外壳通过螺丝固定连接在下外壳上；
[0009]上外壳与下外壳组成壳体，直线导轨安装在壳体的底部，直线伺服电机的推杆通过伸缩带动传动件在直线导轨上左右移动，左夹爪固定件固定连接在传动件上，柔性左夹爪固定安装在左夹爪固定件上，在壳体的底端右侧有第五支架，右夹爪固定件固定连接在第五支架上，柔性右夹爪固定安装在右夹爪固定件上，补光灯和微型摄像头固定安装在壳体顶端，微型摄像头用于采集柔性左夹爪和柔性右夹爪上标记点的图像；
[0010]过孔导电滑环的转子与微型摄像头、补光灯通过USB线连接，过孔导电滑环的转子还与直线伺服电机通过PWM信号线连接；
[0011]一种基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力方法，步骤包括：
[0012]首先布置导管/导丝位置，将导管/导丝依次穿过过孔导电滑环、滑环固定件、第一轴承、夹持组件、第二轴承
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后从锥形大齿轮穿出；
[0013]初始状态下，柔性左夹爪和柔性右夹爪呈松弛状态，保证导管/导丝可以自由滑动，此时补光灯亮起，微型摄像头实时采集柔性左夹爪和柔性右夹爪上标记点的图像，并将采集到的图像实时传输到计算机，计算机通过图像识别算法捕捉柔性左夹爪和柔性右夹爪上标记点的初始位置，此时计算机估算导管/导丝内应力为零，柔性左夹爪和柔性右夹爪夹持力也为零；
[0014]当需要对导管/导丝进行夹持时，伺服电机的推杆伸出，带动传动件在直线导轨上向左移动，微型摄像头实时采集柔性左夹爪和柔性右夹爪上标记点的图像，并将采集到的图像实时传输到计算机，计算机通过图像识别算法捕捉柔性左夹爪和柔性右夹爪上标记点的移动位置，此时计算机根据标记点的移动位置和初始位置估算柔性左夹爪和柔性右夹爪的夹持力；
[0015]当需要对导管/导丝进行平移时，整个测力装置沿导管/导丝指向方向水平移动，此时如果导管/导丝前端未触碰血管内壁产生应力，则标记点位置不发生改变；如果导管/导丝前端触碰血管内壁产生应力，则柔性夹爪发生形变，形变量受应力的大小影响，方向与运动方向相反，此时标记点位置发生改变，并估算应力的大小，同时根据血管内壁的应力承受强度，调整直线伺服电机的推杆位置，可以释放平移方向上导管/导丝内部应力，保证导管/导丝在血管内安全的行进。
[0016]当需要对导管/导丝进行旋转时，旋转步进电机驱动锥形小齿轮，带动与之啮合的锥形大齿轮转动，进一步带动与锥形大齿轮固连的上外壳和下外壳一同转动，然后带动内部夹持导管/导丝一同转动，在转动过程中，如果导管/导丝没有与血管内壁产生旋转方向的应力作用，则此时标记点的位置不发生变化，如果导管/导丝与血管内壁产生旋转方向的应力作用，那么通过测算柔性左夹爪和柔性右夹爪上标记点的位移改变插值即可对旋转方向的应力进行估算，此时根据血管内壁的应力承受强度，调整直线伺服电机的推杆位置，可以释放旋转方向上导管/导丝内部应力，保证导管/导丝在血管内安全的行进。
[0017]有益效果
[0018](1)本专利技术设计的柔性夹持装置对于可驱动导管/导丝的尺寸有较高的宽容度，同
时不容易对导管/导丝表面造成损伤。
[0019](2)本专利技术采用基于图像识别的测力方法，可实现在夹爪运动的同时对导管/导丝应力测量，其夹持距离可以通过直线进行调整，该结构能够对导丝/导管内的突发应力提供缓冲时间，提高导管/导丝在血管内操作的安全性。
[0020](3)本专利技术设计的夹爪固定件支持拆卸和替换，能够适配不同形状的夹爪，其结构简单，尺寸小，方便拆卸和运输。
[0021](4)本专利技术设计的夹持与支撑件由轴承连接，当步进电机驱动夹持组件旋转时，摄像头与夹持组件是相对静止的，所以该结构能够避免电机运动时振动对测力的影响。上外壳包含一部分突起，保证摄像头有足够的空间调整焦距，来捕获完整的夹爪标记。
附图说明
[0022]图1为血管介入手术机器人柔性夹持与测力装置组成框图；
[0023]图2为血管介入手术机器人柔性夹持组本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力装置，其特征在于：该柔性夹持与测力装置包括过孔导电滑环、滑环固定件、第一轴承、第二轴承、夹持组件、锥形大齿轮、步进电机、锥形小齿轮、支撑座；所述的夹持组件包括上外壳、下外壳、左夹爪固定件、柔性左夹爪、传动件、直线导轨、直线伺服电机、右夹爪固定件、柔性右夹爪、补光灯和微型摄像头；所述的支撑座上带有四个支架，分别为第一支架、第二支架、第三支架和第四支架，过孔导电滑环的定子部分固定安装在第一支架上，第一轴承固定在第二支架上，第二轴承固定在第三支架上，步进电机固定在第四支架上，过孔导电滑环的转子部分外套第一轴承后通过滑环固定件与夹持组件的下外壳通过螺丝固定连接；锥形大齿轮外套第二轴承后与夹持组件的下外壳通过螺丝固定连接；锥形小齿轮与锥形大齿轮啮合，锥形小齿轮通过步进电机驱动；上外壳通过螺丝固定连接在下外壳上；上外壳与下外壳组成壳体，直线导轨安装在壳体的底部，直线伺服电机的推杆通过伸缩带动传动件在直线导轨上左右移动，左夹爪固定件固定连接在传动件上，柔性左夹爪固定安装在左夹爪固定件上，在壳体的底端右侧有第五支架，右夹爪固定件固定连接在第五支架上，柔性右夹爪固定安装在右夹爪固定件上，补光灯和微型摄像头固定安装在壳体顶端；过孔导电滑环的转子与微型摄像头、补光灯通过USB线连接，过孔导电滑环的转子还与直线伺服电机通过PWM信号线连接。2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力装置，其特征在于：采集柔性左夹爪和柔性右夹爪上带有标记点。3.根据权利要求2所述的一种基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力装置，其特征在于：微型摄像头用于采集柔性左夹爪和柔性右夹爪上标记点的图像。4.一种如权利要求3任一所述的装置进行基于图像识别的血管介入手术机器人柔性夹持与测力方法，其特征在于步骤包括：首先布置导管/导丝位置，将导管/导丝依次穿过过孔导电滑环、滑环固定件、第一轴承、夹持组件、第二轴承
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后从锥形大齿轮穿出；初始状态下，柔性左夹爪和柔性右夹爪呈松弛状态，导管/导丝能够自由滑动，此时补光灯...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭书祥，吕楚桥，杨晨光，闫勇敢，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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