[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

《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-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。

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。

发明内容

本发明的技术解决问题是：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。

本发明的技术解决方案是：

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’、夹持组件、锥形大齿轮、步进电机、锥形小齿轮、支撑座；

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；

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，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；

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；

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：