[发明专利]血管介入手术机器人主端力反馈装置及其工作方法

说明书

(一)技术领域：

本发明属于医疗设备技术领域，尤其是一种主从微创血管介入手术机器人辅助系统主端控制台力反馈装置，并具体涉及到一种新型用于血管介入手术机器人系统医生主端控制台的力反馈装置及其工作方法。

(二)背景技术：

据世界卫生组织调查，每年死于心脑血管疾病的患者人数高达1500万，严重威胁着人类的健康。治疗方法通常有传统的开放性手术和导管介入手术。临床表明：微创手术是目前最有效的治疗手段，它具有创伤小、安全性高、术后恢复快、并发症少等优点。但其缺点就是医生要暴露在X光的辐射下手术；手术危险系数高，对医生的操作技巧要求很高；最后是手术时间长，会因医生的疲劳操作而降低手术安全性。

遥操作主从微创血管介入手术机器人辅助系统已成为一个研究热点，很多遥操作系统的触觉信息无法反馈给医生，很有可能会因操作不当或过猛损坏和刺穿血管，也有一些系统涉及到了力反馈，他们大多是通过电机、智能材料磁流变液、电流变液等高分子材料实现力反馈，然而这些反馈方式很难把从端操作器检测的力信息在主端真实再现，并且误差过大导致无法直接应用于实际手术操作平台。

因此需要一种能够精确反馈触觉力的装置和方法。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种血管介入手术机器人主端力反馈装置及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，并能将实时的力觉信息直观的反馈给到医生手上的装置，符合人体工学的要求，且结构简单，操作方便。

本发明的技术方案：一种血管介入手术机器人主端力反馈装置，其特征在于它包括圆柱形导磁棒、操作杆、导管、内含轴承的连接扣、实心光电编码器、空心光电编码器、线圈、绕线管、导向轨、磁铁；所述圆柱形导磁棒两端设置磁铁；所述绕线管套在圆柱形导磁棒；所述线圈缠在绕线管的一端；所述操作杆一端与绕线管固定，另一端与连接扣连接；所述导管一端与连接扣内的轴承连接，另一端穿过空心光电编码器，并与空心光电编码器内轴固定；所述导向轨与实心光电编码器的实心轴固定，导向轨的外周与操作杆连接；所述圆柱形导磁棒、实心光电编码器及空心光电编码器分别通过支撑结构支撑安装。

所述圆柱形导磁棒通过支撑架固定支撑安装；所述空心光电编码器通过空心编码器安装板固定支撑安装；所述空心编码器安装板与滑轨连接构成滑动配合安装。

所述实心光电编码器通过支架固定支撑安装。

所述导向轨为垂直方向成对安装，其中一个导向轨与实心光电编码器固定，另一个导向轨通过支架和固定板支撑安装；所述操作杆通过两导向轨之间。

所述导向轨为圆形。

所述导管与空心光电编码器内轴通过顶丝固定。

所述实心光电编码器采用2500线实心光电编码器；所述空心光电编码器采用2500线空心光电编码器。

所述圆柱形导磁棒采用导磁性良好的圆柱形铁棒。

所述磁铁及圆柱形导磁棒截面的直径为10-13mm。

所述线圈的直径为0.1-0.3mm。

所述滑轨量程为0-100mm。

所述支撑架、滑轨、支架和固定板均安装在高度可调的底板上。

所述圆柱形导磁棒、操作杆、线圈、绕线管及磁铁构成轴向力反馈单元。

一种血管介入手术机器人主端力反馈装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)操作的实现：测量旋转角度时，旋转导管带动空心光电编码器的内轴旋转即可测出旋转角度；测量轴向运动信息时，操作杆与导管同时前进，并带动与操作杆固定的绕线管同时运动，实心光电编码器的实心轴通过导向轨跟随操作杆转动将前进位移转化为旋转角度；当绕线管运动到顶端后，将操作杆撤回，开始新一轮的操作；

(2)操作信息的提取：

Ⅰ、对于轴向运动信息的采集，实心光电编码器实心轴通过导向轨跟随操作杆转动，将前进位移转化为旋转角度；

Ⅱ、对于旋转信息，导管带动空心光电编码器的内轴旋转即可测出旋转角度；

(3)从操作器的操作力在主操作器的力反馈:

对于轴向操作力反馈，通过应用缠在绕线管一端的通电线圈在磁场中运动产生：绕线管将圆柱形导磁棒包裹在绕线管里面，将操作杆与绕线杆中间固定，从而测出的力更加精准，推动导管，让通电线圈在磁场中运动，从而产生电磁感应力，通电线圈产生的电磁力为对操作杆的阻尼信号，操作杆的一端接收通电线圈产生的阻尼力，通过导管传递给医生的手；不同的电流产生的阻力也不一样，通过控制电流的大小，保证阻力与从端导管内部的接触力保持一致，这个力直接反馈给医生从而形成闭环系统。