CN113397710A - 适用于血管介入手术的双平面机械臂装置 - Google Patents

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CN113397710A CN202010187837.7A CN202010187837A CN113397710A CN 113397710 A CN113397710 A CN 113397710A CN 202010187837 A CN202010187837 A CN 202010187837A CN 113397710 A CN113397710 A CN 113397710A
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陆清声
李蒙
朱良乐
刘道志
刘奕琨
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Abstract

本发明提供了一种适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，包括手术床、机身组件、外臂组件、内臂组件，所述机身组件包括立柱、滑块、滑台、支撑架以及平推丝杆电机；所述立柱设置在手术床上，立柱上设置有支撑架，支撑架上设置有滑台，滑台连接滑块，滑块连接平推丝杆电机并能够在平推丝杠电机的作用下能够沿着滑台滑动；所述外臂组件连接立柱，内臂组件连接外臂组件、滑块，内臂组件和外臂组件之间能够相对运动。本发明基于仿生学原理，通过三自由度平面机械臂来实现导管导丝的直线推拉，运动范围大，解决了原有机构固有的运动范围不足、灵活性和机动性不足的问题，满足临床应用需求。

Description

适用于血管介入手术的双平面机械臂装置
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体地，涉及一种适用于血管介入手术的双平面机械臂装置。
背景技术
血管介入手术机器人一般采用主从式遥操作模式，可以避免医生长期在DSA仪器下的射线累积损伤，更为重要的是主从式操作可以提高操作精度、提升操作的稳定性、降低医生疲劳，提升介入手术治疗的质量。机器人主动一般是医生通过手柄操作来发出操作动作指令，包括夹持、旋转和推拉以及这些动作的复合动作。其中推拉是导管导丝操纵最基本的最频繁的动作，一般沿鞘管出口方向尽量直线拉出或者沿鞘管口向里逐段直线推送。由于有的导管导丝长达2.5米，而手术复杂的时候可以同时有数条器件介入操作，因此要求介入装置推送的工作范围较大、推送点较多。
目前，血管介入用手术机器人的导丝导管推拉传统的做法是采用两个滚轮将导管或者导丝压住，然后滚轮对滚，使得导管或者导丝前进，反向对滚，则导管导丝后撤，例如法国Catheter Robotics公司、美国CorPath公司的产品。这种方法虽然可以有效控制导管导丝的前进和后退，很难实现多个导管导丝的同轴大范围操作，国内，中科院自动化所采用了滚轮对滚方式进行夹持推送，北京理工大学开发出齿轮挤压式的导管导丝夹持推送方法，存在同样问题。
手术机器人追求操作的透明度，即医生的操作手法如实的被从端机械手所复现，滚轮挤压导管导丝并推送导管导丝实现了导管导丝推送操作，但是并非医生手法的复现，而是动作功能的实现。但是，医生的操作手法具有多样性，包括速度、力量、位置等，滚轮式的推送机构缺乏必要的灵活性。这种灵活性包括多个介入器械的相互协作、大动态运动范围的操作，应对这种需求需要从医生操作的仿生学特点寻找解决方法。在实际操作时，主刀医生一般都会采用双手来夹持、扭转导管导丝，并通过双臂的协作实现导管导丝的进退、协作，并利用手臂进行远端操作。为此本发明专利提供了一种解决方法，设计了血管介入用双平面机械臂，模拟主刀医生的双臂，实现直线推拉，并可以满足大动态范围的操作需求。
公开号为CN109157729A的专利文献公开了一种血管介入手术用导丝递送装置，包括支撑部件，支撑部件上设置有驱动装置，驱动装置与主动运动装置连接，主动运动装置上设置有多个连接杆，连接杆的一端与主动运动装置铰接，连接杆的另一端与导丝夹持装置铰接，导丝夹持装置滑动连接在导向装置上，导向装置与连接架固定连接，连接架设置在支撑部件上。该发明的整体体积小，整体机构传动的精度好，使用方便，进行导丝递送的手术作业的工作效率高，降低了医生的劳动强度，实用性高，值得推广。但是该方案方法仅能够有效控制导丝的前进和后退，很难实现多个导管导丝的同轴大范围操作，且无法实现医生的操作手法的如实复现。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于血管介入手术的双平面机械臂装置。
根据本发明提供的一种适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，包括手术床、机身组件、外臂组件、内臂组件，所述机身组件包括立柱、滑块、滑台、支撑架以及平推丝杆电机；
所述立柱设置在手术床上，立柱上设置有支撑架，支撑架上设置有滑台，滑台连接滑块，滑块连接平推丝杆电机并能够在平推丝杠电机的作用下能够沿着滑台滑动；
所述外臂组件连接立柱，内臂组件连接外臂组件、滑块，内臂组件和外臂组件之间能够相对运动。
优选地，所述外臂组件包括外臂一号电机、传动轴、外臂一连杆、外臂二号电机、外臂二连杆、外臂三号电机、外臂三连杆；
所述外臂一号电机设置在立柱上，外臂一号电机通过传动轴连接外臂一连杆的一端，外臂一连杆的另一端连接外臂二连杆的一端，外臂二连杆的另一端连接外臂三连杆的一端，外臂三连杆的另一端为夹持端，外臂二号电机设置在外臂二连杆的一端，外臂三号电机设置在外臂三连杆的一端。
优选地，所述内臂组件包括内臂一号电机、传动组件、传动筒、支撑轴承组件、内臂一连杆、内臂二号电机、内臂二连杆、内臂三号电机、内臂三连杆；
所述内臂一号电机设置在滑块上，内臂一号电机通过传动组件连接传动筒，传动筒连接内臂一连杆的一端，内臂一连杆的另一端连接内臂二连杆的一端，内臂二连杆的另一端连接内臂三连杆的一端，内臂三连杆的另一端为夹持端，内臂二号电机设置在内臂二连杆的一端，内臂三号电机设置在内臂三连杆的一端；
所述传动筒通过支撑轴承组件连接滑块，传动筒内部为中空，外臂组件的传动轴贯穿传动筒。
优选地，所述传动组件包括主动带轮、皮带、被动带轮，主动带轮连接内臂一号电机，被动带轮同轴设置在传动筒上，主动带轮与被动带轮通过皮带连接。
优选地，所述传动筒与外臂组件的传动轴的轴线重合，传动筒和外臂组件的传动轴之间能够沿轴线相对滑动和转动。
优选地，所述传动轴为伸缩杆。
优选地，所述传动轴在外臂一号电机的作用下转动，从而带动外臂一连杆转动，外臂一连杆转动连接外臂二连杆，外臂二连杆在外臂二号电机的作用下能够相对于外臂一连杆转动，外臂二连杆转动连接外臂三连杆，外臂三连杆在外臂三号电机的作用下能够相对于外臂二连杆转动；
所述外臂一连杆的转动轴线、外臂二连杆的转动轴线以及外臂三连杆的转动轴线相互平行；
所述外臂一连杆、外臂二连杆以及外臂三连杆位于同一平面内。
优选地，所述传动筒在内臂一号电机和传动组件的作用下转动，从而带动内臂一连杆转动，内臂一连杆转动连接内臂二连杆，内臂二连杆在内臂二号电机的作用下能够相对于内臂一连杆转动，内臂二连杆转动连接内臂三连杆，内臂三连杆能够在内臂三号电机的作用下相对于内臂二连杆转动；
所述内臂一连杆的转动轴线、内臂二连杆的转动轴线以及内臂三连杆的转动轴线相互平行；
所述内臂一连杆、内臂二连杆以及内臂三连杆位于同一平面内。
优选地，所述外臂组件的内臂一连杆、内臂二连杆以及内臂三连杆所在运动平面与内臂组件的内臂一连杆、内臂二连杆以及内臂三连杆所在运动平面相互平行。
优选地，还包括控制器，所述控制器信号连接传动轴，平推丝杆电机，外臂组件的外臂一号电机、外臂二号电机以及外臂三号电机，和内臂组件的内臂一号电机、内臂二号电机以及内臂三号电机。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于仿生学原理，通过三自由度平面机械臂来实现导管导丝的直线推拉，运动范围大，解决了原有机构固有的运动范围不足、灵活性和机动性不足的问题，满足临床应用需求。
2、本发明的平面机械臂在两个平行平面内，并且可以通过滑台改变两个机械臂平面之间的距离，以满足外周血管、心内、神经等不同科室介入手术的需要。
3、本发明的两个平面机械臂的运动单独控制互不干扰，机械臂的运动参数能够根据导管导丝在手术机器人基座坐标系中的位置和姿态逆解得到，逆解速度快，并且有唯一解，能够解决导管导丝的快速实时操作，控制操作方法简便易行。
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，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明平面机械臂三自由度逆解示意图。
图中示出：
1–手术床 14–外臂二连杆
2–立柱 15–内臂二连杆
3–外臂一号电机 16–外臂三号电机
4–传动轴 17–内臂三号电机
5–内臂一号电机 18–外臂三连杆
6–主动带轮 19–内臂三连杆
7–皮带 20–支撑轴承组件
8–被动带轮 21–滑块
9–传动筒 22–滑台
10–内臂一连杆 23–支撑架
11–外臂一连杆 24–外介入器材
12–外臂二号电机 25–内介入器材
13–内臂二号电机
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本发明提供了一种适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，尤其是一种利用三自由度转动关节串行安装的平面机械臂对导管导丝进行直线推拉的装置，解决了大运动范围内的导管导丝的直线操作问题。包括两个三自由度转动关节串行连接的平面机械臂，两个机械臂的肩关节同轴安装，肩关节之间的宽度通过一个平动关节进行调整，即外臂一连杆11的转轴与内臂一连杆10的转轴同轴，两个机械臂的末端(夹持端)可以并线进行同轴快速介入器材的直动操作，也可以同时对两组介入器材进行平行直动操作。本发明具有运动范围大、占用空间小、机动灵活的特点，可以满足外周血管介入、心血管介入等不同临床推拉操作介入器材的需求。
根据本发明提供的一种适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，如图1所示，包括手术床1、机身组件、外臂组件、内臂组件，所述机身组件包括立柱2、滑块21、滑台22、支撑架23以及平推丝杆电机；所述立柱2设置在手术床1上，立柱2上设置有支撑架23，支撑架23上设置有滑台22，滑台22连接滑块21，滑块21连接平推丝杆电机并能够在平推丝杠电机的作用下能够沿着滑台22滑动；所述外臂组件连接立柱2，内臂组件连接外臂组件、滑块21，内臂组件和外臂组件之间能够相对运动。优选地，立柱2安装在手术床1的侧面，内臂组件安装在滑块21上面被同步平移。
所述外臂组件包括外臂一号电机3、传动轴4、外臂一连杆11、外臂二号电机12、外臂二连杆14、外臂三号电机16、外臂三连杆18；所述外臂一号电机3设置在立柱2上，外臂一号电机3通过传动轴4连接外臂一连杆11的一端，外臂一连杆11的另一端连接外臂二连杆14的一端，外臂二连杆14的另一端连接外臂三连杆18的一端，外臂三连杆18的另一端为夹持端，外臂二号电机12设置在外臂二连杆14的一端，外臂三号电机16设置在外臂三连杆18的一端。外臂三连杆18的夹持端能够夹持外介入器材24并在外臂组件运动平面内对介入器材进行直线推拉操作。所述外臂一号电机3设置在立柱2上能够减轻外臂组件的重量。
所述内臂组件包括内臂一号电机5、传动组件、传动筒9、支撑轴承组件20、内臂一连杆10、内臂二号电机13、内臂二连杆15、内臂三号电机17、内臂三连杆19；所述内臂一号电机5设置在滑块21上，内臂一号电机5通过传动组件连接传动筒9，传动筒9连接内臂一连杆10的一端，内臂一连杆10的另一端连接内臂二连杆15的一端，内臂二连杆15的另一端连接内臂三连杆19的一端，内臂三连杆19的另一端为夹持端，内臂二号电机13设置在内臂二连杆15的一端，内臂三号电机17设置在内臂三连杆19的一端；所述传动筒9通过支撑轴承组件20连接滑块21，传动筒9内部为中空，外臂组件的传动轴4贯穿传动筒9。内臂三连杆19的夹持端能够夹持内介入器材25并在内臂组件运动平面内对介入器材进行直线推拉操作。传动筒9的设计能够使得内臂组件与外臂组件的运动互不干扰。
所述传动组件包括主动带轮6、皮带7、被动带轮8，主动带轮6连接内臂一号电机5，被动带轮8同轴设置在传动筒9上，主动带轮6与被动带轮8通过皮带7连接。所述传动筒9与外臂组件的传动轴4的轴线重合，传动筒9和外臂组件的传动轴4之间能够沿轴线相对滑动和转动。所述传动轴4为伸缩杆。这样的设计使得外臂一连杆11的转轴与内臂一连杆10的转轴同轴，内臂组件由支撑轴承组件20固定安装在滑块21上面，能够沿着传动轴4平动，改变外臂组件所在运动平面和内臂组件所在运动平面的距离，模拟医生双手的灵活性，以适用于不同手术的要求。
所述传动轴4在外臂一号电机3的作用下转动，从而带动外臂一连杆11转动，外臂一连杆11转动连接外臂二连杆14，外臂二连杆14在外臂二号电机12的作用下能够相对于外臂一连杆11转动，外臂二连杆14转动连接外臂三连杆18，外臂三连杆18在外臂三号电机16的作用下能够相对于外臂二连杆14转动；所述外臂一连杆11的转动轴线、外臂二连杆14的转动轴线以及外臂三连杆18的转动轴线相互平行；所述外臂一连杆11、外臂二连杆14以及外臂三连杆18位于同一平面内。
所述传动筒9在内臂一号电机5和传动组件的作用下转动，从而带动内臂一连杆10转动，内臂一连杆10转动连接内臂二连杆15，内臂二连杆15在内臂二号电机13的作用下能够相对于内臂一连杆10转动，内臂二连杆15转动连接内臂三连杆19，内臂三连杆19能够在内臂三号电机17的作用下相对于内臂二连杆15转动；所述内臂一连杆10的转动轴线、内臂二连杆15的转动轴线以及内臂三连杆19的转动轴线相互平行；所述内臂一连杆10、内臂二连杆15以及内臂三连杆19位于同一平面内。
所述外臂组件的内臂一连杆10、内臂二连杆15以及内臂三连杆19所在运动平面与内臂组件的内臂一连杆10、内臂二连杆15以及内臂三连杆19所在运动平面相互平行。
还包括控制器，所述控制器信号连接传动轴4，平推丝杆电机，外臂组件的外臂一号电机3、外臂二号电机12以及外臂三号电机16，和内臂组件的内臂一号电机5、内臂二号电机13以及内臂三号电机17。
内臂组件、外臂组件的三自由度机械臂的夹持装端对介入材料(例如导管导丝)进行夹持，导管导丝沿直线推进解算到三个关节上的逆解算法通过几何方法实现，即通过导管导丝在手术机器人基座坐标系中的实时位置和姿态，解算机械臂的三个转轴的转角值，所述控制器实时根据转角值对相应电机进行调节。
如图2所示，内臂组件、外臂组件的三自由度平面机械臂的运动调节关系相同，以外臂组件为例进行说明，以外臂组件的传动轴4与立柱2的交点为坐标原点，外臂组件的横向运动方向为X轴，外臂组件的纵向运动方向为Y轴建立直角坐标系，设外臂一连杆11的长度为L1，外臂二连杆14的长度为L2，外臂三连杆18的长度为L3，外臂一连杆11与X轴的夹角为θ1，外臂二连杆14与外臂一连杆11的夹角为θ2，外臂三连杆18与外臂二连杆14的夹角为θ3，这里假定机械臂夹持端夹持的是导管导丝，一种典型的情况是导管导丝与机械臂夹持端垂直，即与外臂三连杆18垂直，导管导丝沿直线推进解算到三个关节上的逆解算法通过几何方法实现，在图2所示的坐标系xoy中，导管导丝的夹持点起始坐标为(x0，y0)，导管导丝与X轴的夹角为θ，则对于θ1、θ2和θ3的解算关系如下：
x0＝L1cosθ1+L2cos(θ2-θ1)+L3sinθ
y0＝L1sinθ1-L2sin(θ2-θ1)-L3 cosθ
θ1+θ＝θ2+θ3
其中，L1、L2、L3、θ、x0、y0为已知量；则根据上述关系能够解算θ1、θ2、θ3的值，从而对外臂组件进行调节。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，包括手术床(1)、机身组件、外臂组件、内臂组件，所述机身组件包括立柱(2)、滑块(21)、滑台(22)、支撑架(23)以及平推丝杆电机；
所述立柱(2)设置在手术床(1)上，立柱(2)上设置有支撑架(23)，支撑架(23)上设置有滑台(22)，滑台(22)连接滑块(21)，滑块(21)连接平推丝杆电机并能够在平推丝杠电机的作用下能够沿着滑台(22)滑动；
所述外臂组件连接立柱(2)，内臂组件连接外臂组件、滑块(21)，内臂组件和外臂组件之间能够相对运动。
2.根据权利要求1所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述外臂组件包括外臂一号电机(3)、传动轴(4)、外臂一连杆(11)、外臂二号电机(12)、外臂二连杆(14)、外臂三号电机(16)、外臂三连杆(18)；
所述外臂一号电机(3)设置在立柱(2)上，外臂一号电机(3)通过传动轴(4)连接外臂一连杆(11)的一端，外臂一连杆(11)的另一端连接外臂二连杆(14)的一端，外臂二连杆(14)的另一端连接外臂三连杆(18)的一端，外臂三连杆(18)的另一端为夹持端，外臂二号电机(12)设置在外臂二连杆(14)的一端，外臂三号电机(16)设置在外臂三连杆(18)的一端。
3.根据权利要求1所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述内臂组件包括内臂一号电机(5)、传动组件、传动筒(9)、支撑轴承组件(20)、内臂一连杆(10)、内臂二号电机(13)、内臂二连杆(15)、内臂三号电机(17)、内臂三连杆(19)；
所述内臂一号电机(5)设置在滑块(21)上，内臂一号电机(5)通过传动组件连接传动筒(9)，传动筒(9)连接内臂一连杆(10)的一端，内臂一连杆(10)的另一端连接内臂二连杆(15)的一端，内臂二连杆(15)的另一端连接内臂三连杆(19)的一端，内臂三连杆(19)的另一端为夹持端，内臂二号电机(13)设置在内臂二连杆(15)的一端，内臂三号电机(17)设置在内臂三连杆(19)的一端；
所述传动筒(9)通过支撑轴承组件(20)连接滑块(21)，传动筒(9)内部为中空，外臂组件的传动轴(4)贯穿传动筒(9)。
4.根据权利要求3所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述传动组件包括主动带轮(6)、皮带(7)、被动带轮(8)，主动带轮(6)连接内臂一号电机(5)，被动带轮(8)同轴设置在传动筒(9)上，主动带轮(6)与被动带轮(8)通过皮带(7)连接。
5.根据权利要求3所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述传动筒(9)与外臂组件的传动轴(4)的轴线重合，传动筒(9)和外臂组件的传动轴(4)之间能够沿轴线相对滑动和转动。
6.根据权利要求2所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述传动轴(4)为伸缩杆。
7.根据权利要求2所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述传动轴(4)在外臂一号电机(3)的作用下转动，从而带动外臂一连杆(11)转动，外臂一连杆(11)转动连接外臂二连杆(14)，外臂二连杆(14)在外臂二号电机(12)的作用下能够相对于外臂一连杆(11)转动，外臂二连杆(14)转动连接外臂三连杆(18)，外臂三连杆(18)在外臂三号电机(16)的作用下能够相对于外臂二连杆(14)转动；
所述外臂一连杆(11)的转动轴线、外臂二连杆(14)的转动轴线以及外臂三连杆(18)的转动轴线相互平行；
所述外臂一连杆(11)、外臂二连杆(14)以及外臂三连杆(18)位于同一平面内。
8.根据权利要求3所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述传动筒(9)在内臂一号电机(5)和传动组件的作用下转动，从而带动内臂一连杆(10)转动，内臂一连杆(10)转动连接内臂二连杆(15)，内臂二连杆(15)在内臂二号电机(13)的作用下能够相对于内臂一连杆(10)转动，内臂二连杆(15)转动连接内臂三连杆(19)，内臂三连杆(19)能够在内臂三号电机(17)的作用下相对于内臂二连杆(15)转动；
所述内臂一连杆(10)的转动轴线、内臂二连杆(15)的转动轴线以及内臂三连杆(19)的转动轴线相互平行；
所述内臂一连杆(10)、内臂二连杆(15)以及内臂三连杆(19)位于同一平面内。
9.根据权利要求1所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，所述外臂组件的内臂一连杆(10)、内臂二连杆(15)以及内臂三连杆(19)所在运动平面与内臂组件的内臂一连杆(10)、内臂二连杆(15)以及内臂三连杆(19)所在运动平面相互平行。
10.根据权利要求1所述的适用于血管介入手术的双平面机械臂装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器信号连接传动轴(4)，平推丝杆电机，外臂组件的外臂一号电机(3)、外臂二号电机(12)以及外臂三号电机(16)，和内臂组件的内臂一号电机(5)、内臂二号电机(13)以及内臂三号电机(17)。
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