具有手感的血管介入手术机器人操作手柄及其控制方法与流程

本发明涉及医疗器械领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明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。

根据本发明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，本发明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，本发明的其它特征、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

编码器导杆15轮导向杆31复位弹簧推力47

旋转编码器16轮支撑架32加载轮正压力48

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。

如图1所示，根据本发明提供的一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，包括机架25、操作装置、力加载机构以及力矩加载机构，其中：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；操作装置、力加载机构以及力矩加载机构均设置于机架上。

具体地，操作装置包括手柄12、旋转编码器16、复位弹簧18以及操作球20，其中：操作球20是操作者手握住的部分，便于实现手柄12的旋转和推拉。操作球20安装在手柄12的末端，手柄12通过第一直线轴承11和第二直线轴承11支撑在机架25上，手柄12的移动通过安装在机架25上的手柄位移传感器7检测，手柄12的转动通过旋转编码器16检测，旋转编码器16的内圈固定在手柄12上，编码器导杆15穿过旋转编码器16外圈上的导向孔，起导向止转作用。导杆12只限制旋转编码器16的转动，而不限制旋转编码器16随手柄12一起移动，复位弹簧18的中间固定在机架25上，两端分别固定在第一复位轴承17和第二复位轴承19的外圈上，手柄12离开平衡位置后复位弹簧18起到复位作用，手柄12转动时不受复位弹簧18的限制。

进一步说明，旋转编码器16检测推拉旋转复合运动的手柄12的转动角度，对时间微分则转变为转动速度，手柄位移传感器7检测到手柄12推拉的距离，对时间微分则转变为推拉速度，上述测量数据用于控制远端的导管导丝操作。

复位弹簧18提供手柄12的推拉复位时，推拉手柄12到极限位置松开后，手柄12回复到平衡位置，然后再根据需要进行推拉，推拉操作是一种往复操作，复位弹簧18的中间固定在机架25上，两端连接到安装于手柄12上的第一复位轴承17和第二复位轴承19的外圈上，复位弹簧18只提供复位力，不会影响手柄12的转动操作。

手柄12两端采用第一直线轴承11和第二直线轴承14进行支撑，为手柄12的旋转和推拉提供稳定支撑，加载轮18和手柄12之间接触形成的滚动摩擦所导致的附加阻力和阻力矩可以忽略，不会影响阻力和阻力矩的加载。

下面对力加载机构做出具体说明，所述力加载机构包括：力电机1、力丝杆4、力螺母5以及力弹簧6，其中：力电机1固定在机架25上，力电机1的输出轴使用力电机联轴器2与力丝杆4联结，力丝杆4由力丝杆支撑轴承8固定支撑在机架25上，力螺母5旋和在力丝杆4上，固定在机架25上的导向杆3穿过力螺母5上的导向孔，起导向止转作用，力弹簧6的一端固定在力螺母5上，另一端固定在力轴承10的外圈上，力轴承10固定在手柄12的首端上，当力电机1转动时力螺母5推拉力弹簧6对手柄12进行力加载，力加载由力螺母位移传感器9检测并计算得出。

进一步说明，力弹簧6的端部固定在力轴承10的外圈上，而力轴承10的内圈固定在手柄12上，当手柄12转动时不会影响力加载，力加载时由于轴承内外圈之间为滚动摩擦，因为力加载而引起的附加力矩可以忽略，隔离了力加载对力矩加载的影响。

接下来对力矩加载机构做出具体说明，所述力矩加载机构包括力矩螺母23、力矩电机26、力矩丝杆29、力矩弹簧22以及加载轮33，其中：力矩电机26固定在机架25上，其输出轴使用力矩电机联轴器27与力矩丝杆29联结，力矩丝杆29由力矩支撑轴承28支撑在机架25上，力矩螺母23旋和在力矩丝杆29上，固定在机架25上的力矩螺母导杆24穿过力矩螺母23上的导向孔，起导向止转作用，力矩弹簧22的一端固定在力矩螺母23上，另一端固定在轮支撑架32上，固定在机架25上的轮导向杆31穿过轮支撑架32上的导向孔，起导向作用，轮支撑架32安装在轮轴21上，轮轴21由轮支撑轴承13支撑在加载轮33上，加载轮33骑行在手柄12上，当力矩电机26转动时，力矩弹簧22被压缩，压紧加载轮33和手柄12，在手柄12移动时，加载轮33转动，在手柄12旋转时，加载轮33与手柄12产生的滑动摩擦力产生阻力矩，实现阻力矩的加载，阻力矩加载由力矩位移传感器30检测并计算得出。

需要注意的是，加载轮33对手柄12形成正压力，加载轮33正压力增加则手柄12在转动时摩擦力增大，加载轮33对手柄12的摩擦力矩增加，力矩加载是弹簧压缩量、摩擦面、摩擦系数共同决定的，弹簧压缩量是可测可控量，将力矩加载问题转变为力矩弹簧的变形位移量控制问题，并由力矩位移传感器30测量。

手柄12移动时，加载轮33转动，阻碍力主要来自轮支撑轴承13的滚动摩擦阻力，对推拉的阻力可以忽略，手柄12移动不会影响力矩加载，而手柄12转动时，阻碍力主要来自加载轮33与手柄12的滑动摩擦阻力矩，轮支撑轴承13隔离了力矩加载对力加载的影响。

进一步地，加载轮33具有内凹的圆弧面，可以骑行在手柄12上，在接触面处覆有一层用于增加摩擦的橡胶膜或者乳胶膜，当手柄12推拉时，加载轮33和手柄12之间的运动为纯滚动，当手柄12旋转时，加载轮33和手柄12之间的运动为纯滑动，当手柄12同时推拉旋转，则加载轮33和手柄12之间滚动和滑动共存。

本发明手柄12力反馈和力矩反馈之间的互相补偿问题，是依靠传感器测量弹簧变形量、弹簧弹性系数、轴承的摩擦滚动阻力系数计算的，具体的，需要加载量为导管导丝阻力测量反馈值，在手柄12上加载量等于实际加载量扣除各支撑处的附加加载量，对于阻力加载而言实际加载量为力弹簧变形量与力弹簧弹性系数的乘积，各支撑处的附加加载量包括复位弹簧阻力加载量(手柄相对于平衡位置位移与弹簧弹性系数乘积的两倍)、直线轴承阻力加载量(力矩弹簧变形量、弹簧系数与直线轴承滚阻系数的乘积)、加载轮轴承阻力加载量(力矩弹簧变形量、弹簧系数与加载轮轴承滚阻系数的乘积)，对于阻力矩加载实际加载量为力矩弹簧变形、弹簧系数、加载轮手柄间摩擦系数的乘积，各支撑处的附加加载量包括复位弹簧支撑轴承阻力矩加载量(手柄12相对于平衡位置位移、弹簧弹性系数、复位弹簧支撑轴承滚阻系数、轴承半径乘积的两倍)、直线轴承阻力矩加载量(力矩弹簧22变形量、力矩弹簧弹性系数、直线轴承滚阻系数、轴承半径的乘积的两倍)、力轴承阻力矩加载量(力弹簧6变形量、弹簧系数、力轴承滚阻系数、力轴承半径的乘积)。其中力弹簧变形量、力矩弹簧变形量、复位弹簧变形量分别由力螺母位移传感器9、力矩位移传感器30、手柄位移传感器7测量，弹簧弹性系数、轴承滚阻系数是常系数。其中：复位弹簧变形量为手柄的位移量，为δx2，在初始平衡位置时，复位弹簧18中点是固定在机架25上面的，当手柄12有位移时，中点一侧弹簧被第一复位轴承17或者第二复位轴承19拉伸，另一侧被第一复位轴承17或者第二复位轴承19压缩。

进一步地，手柄位移传感器7采用光栅尺，可以得到力螺母、力矩螺母、手柄的绝对位置，旋转编码器16选用光电或者电磁绝对式编码器，可以对应控制远端导管导丝的绝对和相对角度。

进一步地，力丝杆4和力矩丝杆29选用多头滚珠丝杆，力螺母5和力矩螺母23采用滚珠螺母，可以提高进给速度，降低螺母和丝杆之间的摩擦力，提高传动效率；

根据本实施例提供的一种具有手感的血管介入手术机器人操作手柄，手感由阻力和阻力矩组成，阻力和阻力矩之间的耦合性较小，为了精确加载，可以进行补偿予以消除。在补偿消除方法中，如果手柄12移动和转动方向如图2所示，其中：δx1为力加载位移，δx2为手柄位移，δx3为力矩加载位移，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。如果期望的加载阻力为f(来自对导管导丝阻力的测量)，期望的加载阻力矩为m(来自对导管导丝的阻力矩测量)，则各量之间存在以下关系：

f＝34+38+40+43+46+47(1)

m＝35+36+48×f×r1+41+44+45(2)

依据摩擦库伦模型、胡克定律则附加方程为：

48＝k3×δx3(3)

34＝k1×δx1(4)

40＝48×u4＝k3×δx3×u4(6)

46＝47＝k2×δx2(7)

35＝34×u1×r2＝k1×δx1×u1×r2(8)

44＝45＝46×u3×r4＝k2×δx2×u3×r4(10)

以上方程(1)-(10)联立可以得到：

如果令：

则方程可写成：

则得到力弹簧变形量和力矩弹簧变形量分别为：

公式(11)为还原期望加载阻力f和期望加载阻力矩m到手柄获取手感的力电机、力矩电机的运动控制律方程。

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。