一种主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构的制作方法
本发明涉及一种用于医疗的手术机器人的主手端操作机构，特别是涉及一种主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，属于医疗设备技术领域。
背景技术：
目前，随着人们对医疗服务水平要求更高，科技的迅猛发展也助推了医疗设备的发展，机器人开始走进大家的视线，机器人微创手术由于具有很大的优势被更多的人接受。
目前成功商业化的微创机器人系统的操作主手都是通用型，与从手端异构式的，通过伺服电机提供反馈力。现有主手都与从手端推进机构准同构型，但是都采用的是手握式的，利用与电机转轴相连的编码器采集人手的动作信息并传送至电脑，再传给从手端递送机构的控制器，经计算后控制电机实现导管/导丝的递送。同时从手端递送机构导管/导丝的力检测模块将阻力信号传送至电脑，再传送至主手端控制器控制电机产生反馈力及反馈力矩。而医生实际手术过程中是用手指操纵控导管/导丝，因此并不完全符合医生的操作习惯。
虽然已有的力反馈主手能够实现导管/导丝的推进及旋转操作，但它们都存在两方面严重的问题：一方面是操作方法不符合人工介入手术时的操作习惯，且在微小力反馈时，人手力感觉不准确，有时甚至感觉不到反馈力的存在；另一方面，采用电机进行力反馈，电机提供的是动力矩，且力矩大小会随着人手操作而急剧变化。医生操作时易疲劳，更可能导致手柄颤抖，影响导管/导丝递送的位置精度。
技术实现要素：
本发明的主要目的是为了提供一种主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，应用磁粉离制动器提供反馈力，降低了医生操作手主手时产生抖动、冲击，提高手术机器人系统的精确性。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，包括操作主手，该主手端操作机构还包括：轴向推进运动及反馈力实现机构和旋转运动实现机构，轴向推进运动及反馈力实现机构包括传递一定转矩的磁粉制动装置，轴向推进运动及反馈力实现机构的一次性有效行程大于等于150mm，旋转运动实现机构旋转行程大于等于±1080°，该主手端操作机构自由度为两个自由度，操作主手端操作机构对导丝具有一定的加持力防止介入手术时导丝（或导管）在血管内打滑。
优选的方案是，该主手端操作机构的位置检测精度是：推进位移检测精度为0.2mm，旋转定位精度为0.2°。
优选的方案是，轴向推进运动及反馈力实现机构的反馈力范围为2-15n。
优选的方案是，轴向推进运动及反馈力实现机构包括磁粉制动器、磁粉制动器底座、编码器、同步带轮、导轮a、同步带、底板、导轮b、导轮c、操作轴、操作套筒、t型架、固定轴和旋转轴；设置在磁粉制动器底座上的磁粉制动器是被动式的磁粉制动器，且磁粉制动器上的旋转轴通过同步带与导轮a、导轮b、导轮c逆时针连接；磁粉制动器底座、导轮a、导轮b三者均固定连接在底板上。
优选的方案是，旋转运动实现机构包括：底板、同步带轮a、旋转轴、底座、编码器、同步带、同步带轮b，编码器连接旋转轴并通过下部的底座固定在底板上，同步带通过旋转轴带动两个同步带轮运行；旋转运动实现机构还包括：固定轴、t型架、紧定螺钉、滚珠、操作套筒、触发开关、滑套、操作轴；操作轴通过6个滚珠与操作套筒相连，且有2个滚珠安置在操作轴的v型槽内，操作套筒与操作轴不能相对转动；同步带轮b固定在操作轴上，可以随操作轴一起转动。
优选的方案是，转动操作套筒时，可以带动操作轴、同步带轮b经同步带、带动同步带轮a转动,编码器和磁粉制动器两者都通过旋转轴与同步带轮a相连，同步带轮带动编码器和磁粉制动器两者一同转动。
优选的方案是，该主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构总重量1.0kg—2kg，优选为1.5kg；操作套筒（506）的直径为10-20mm，优选采用15mm；该主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构有效行程为150mm-250mm，优选包括有效行程为200mm；该主手端操作机构旋转运动的同步带轮a、同步带轮b直径相同，操作套筒传到编码器的旋转运动传动比为1:1。
优选的方案是，该主手端的操作机构是穿戴式，体积不超过50*100*90mm，重量不超过2kg。
在上述任一方案中优选的是，磁粉制动器是兰陵电机生产的型号为cd-hsy-5的磁粉离合器；本发明操作机构的测量旋转运动和递进运动的编码器选用了中国深圳市容微精密电子有限公司生产的m50t3600zg5c绝对值旋转编码器，该编码器、提价小、防尘防水、抗震，能使用各种恶劣工况。
本发明的有益技术效果：按照本发明的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，应用磁粉离制动器既可以提供静力矩，又可以稳定的提供动力矩，防止医生操作手主手时产生抖动、冲击，提高手术机器人系统的精确性；
采用本发明的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，还具有以下技术效果：
(1)本发明的主手端的操作机构是穿戴式，体积不超过50*100*90mm，由于长宽高尺寸不大，因此减小了占用空间的要求，解决了手术室设备占用空间比较紧张的问题。
（2）该主手端操作机构的推进位移检测精度为0.2mm，旋转定位精度为0.2°，减短了体外导管/导丝部分，进一步减轻了术中导管扰动，提升力感知的精度，提高了手术精度，间接降低辐射。
（3）本发明应用磁粉离制动器提供反馈力，降低了医生操作手主手时产生抖动、冲击，提高手术机器人系统的精确性、同时提高了患者的舒适性，由于减小了术中导管扰动性，可以有效防止患者的血管痉挛的情况。
（4）本发明的主手端的操作机构是穿戴式，体积不超过50*100*90mm，重量不超过2kg，整体的体积小，能够便于携带，适应特殊空间手术的需求。
（5）设计为2个自由度，符合医生操作血管介入手术的习惯。
（6）为各类柔性/软体器械（在欠驱动环境下）的机器人递送提供机理借鉴。
（7）本发明采用的磁粉制动器（301）是型号cd-hsy-5的磁粉离合器，本发明采用的编码器（303、405）是m50t3600zg5c绝对值旋转编码器，经过试验检验，满足此类血管介入手术的操作要求，符合实际应用，值得推广使用。
附图说明
图1为按照本发明的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构的一优选实施例的血管介入手术操作环境结构示意图；
图2为按照本发明的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构的一优选实施例的磁粉制动器结构原理结构示意图；
图3为按照本发明的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构的一优选实施例的操作机构轴向推进运动及反馈力实现结构示意图；
图4为按照本发明的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构的一优选实施例的操作机构旋转运动实现结构的结构示意图；
图5为按照本发明的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构的一优选实施例的操作机构旋转运动实现结构的剖面示意图。
图中：1-导丝，2-血管，201-定子，202-激磁线圈，203-磁轭，204-磁通，205-磁粉，206-转子，207-输入轴，301-磁粉制动器，302-磁粉制动器底座，303-编码器，304-同步带轮，305-导轮a，306-同步带，307-底板，308-导轮b，309-导轮c，310-操作轴，311-操作套筒，312-t型架，313-固定轴，314-旋转轴，401-底板，402-同步带轮a，403-旋转轴，404-底座，405-编码器，406-同步带，407-同步带轮b，501-同步带，502-固定轴，503-t型架，504-紧定螺钉，505-滚珠，506-操作套筒，507-触发开关，508-滑套，509-操作轴。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1:如图1-5所示，本实施例提供的一种主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，包括操作主手，该主手端操作机构还包括：轴向推进运动及反馈力实现机构（3）和旋转运动实现机构（4），轴向推进运动及反馈力实现机构（3）包括传递一定转矩的磁粉制动装置，轴向推进运动及反馈力实现机构（3）的一次性有效行程大于等于150mm，旋转运动实现机构（4）旋转行程大于等于±1080°，该主手端操作机构自由度为两个自由度，操作主手端操作机构对导丝（1）具有一定的加持力防止介入手术时导丝（1）在血管（2）内打滑。
在本实施例中，如图1-5所示，该主手端操作机构的位置检测精度是：推进位移检测精度为0.2mm，旋转定位精度为0.2°。
在本实施例中，如图1-5所示，轴向推进运动及反馈力实现机构（3）的反馈力范围为2-15n。
在本实施例中，如图1-5所示，轴向推进运动及反馈力实现机构（3）包括磁粉制动器（301）、磁粉制动器底座（302）、编码器（303）、同步带轮（304）、导轮a（305）、同步带（306）、底板（307）、导轮b（308）、导轮c（309）、操作轴（310）、操作套筒（311）、t型架（312）、固定轴（313）和旋转轴（314）；设置在磁粉制动器底座（302）上的磁粉制动器（301）为被动式的磁粉制动器，且磁粉制动器（301）的旋转轴（314）通过同步带（306）与多个导轮连接；磁粉制动器底座（302）、导轮a（305）、导轮b（308）三者分别都固定连接在底板（307）上。
在本实施例中，如图1-5所示，旋转运动实现机构（4）包括：底板（401）、同步带轮a（402）、旋转轴（403）、底座（404）、编码器（405）、同步带（406）、同步带轮b（407），编码器（405）连接旋转轴（403）并通过下部的底座（404）固定在底板（401）上，同步带（406）通过旋转轴（403）带动两个同步带轮（402、407）运行；旋转运动实现机构（4）还包括：固定轴（502）、t型架（503）、紧定螺钉（504）、滚珠（505）、操作套筒（506）、触发开关（507）、滑套（508）、操作轴（509）；操作轴（509）通过六个滚珠（505）与操作套筒（506）相连，且有两个滚珠（505）安置在操作轴（509）的v型槽内，操作套筒（506）与操作轴（509）不能相对转动；同步带轮b（407）固定在操作轴（509）上，可以随操作轴（509）一起转动。
在本实施例中，如图1-5所示，转动操作套筒（311、506）时，可以带动操作轴（310、509）、同步带轮b（407）经同步带（306、406、501）带动同步带轮a（402）转动,编码器（303、405）和磁粉制动器（301）两者都通过旋转轴（314、403）与同步带轮a（402）相连，同步带轮（304）带动编码器（303、405）和磁粉制动器（301）一起转动。
实施例2:参考图1-5所示，与实施例1原理相同，区别在于本实施例中，该主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构总重量约为1.5kg，有效行程为200mm；该主手端操作机构旋转运动的同步带轮a（402）、同步带轮b（407）直径相同，操作套筒（506）传到编码器（303、405）的旋转运动传动比为1:1。
在本实施例中，如图1-5所示，该主手端的操作机构是穿戴式，体积为50*100*90mm，重量不超过2kg。
实施例3:参考图1-5所示，与实施例1、2原理相同，区别在于本实施例中，该操作套筒（506）的直径为15mm，方便医生用大拇指和中指恰持操作套筒（506）来完成手术操作。
实施例4:参照说明书附图1-5，与实施例1、2原理相同，区别在于在本实施例中，磁粉制动器（301）采用兰陵电机生产的型号为cd-hsy-5的磁粉离合器；本发明操作机构的测量旋转运动和递进运动的编码器（303、405）选用了深圳市容微精密电子有限公司生产m50t3600zg5c绝对值旋转编码器，该编码器（303、405）提价小、防尘防水、抗震，能使用各种恶劣工况。
本发明具体设计参数的相关说明：
主手端操作机构通常满足以下的要求：1.要符合医生的操作习惯，医生操作导丝手法是用右手的大拇指和中指进行导丝的递送和旋捻，因此操作机构最好可以用拇指和中指进行操控；2.能够建立力觉临场感，即能够准确映射从手端递送机构检测的导管/导丝碰触血管壁的力；3.为了符合人的直观感受，操作简单，主手端的操作机构要与从手端的递送机构同构型；4.摩擦力、惯性力要小。针对这些要求，根据血管介入手术操作特点，下面给出具体的设计指标。
(1)主手端操作机构的自由度：
国内外相关操作主手有的已经成功商业化，广泛应用于各个领域，但是其构型设计与本文的从手端递送机构构型不同，这样不符合医生的操作习惯。本文的主手端操作机构只需要两个自由度，上述商业化的几款操作主手的自由度均大2。与异构型设计相比，同构型设计更有针对性，更符合医生的操作习惯，因此医生学习操控手术机器人的学习曲线短。本文根据上述具体要求，采用同构型的方法，设计了一种新型的主手端操作机构。
由于血管介入手术只切开一个1~3mm的小口，操作对象导管/导丝为无线自由度的揉体，手术过程中只需要轴向递给、后退和沿轴线的旋转即可完成手术，所以从手端递送机构只需要2个自由度，为了符合医生的操作习惯、结构简单的设计沿着，主手端操作机构设计成与从手运动方式相同，自由度书相同，也为2个自由度。血管介入手术操作环境参考图1。
(2)主手端操作机构的运动能力：
根据心血管微创介入手术机器人的要求导管/导丝一次性递送距离不小于150mm，导丝旋转角度不小于±1080°，即顺时针和逆时针均为360°。心血管微创介入手术的关键操作即为导管/导丝的递送、撤回和旋捻，所以从手端递送机构要可靠的完成这些动作。因为主手端操作机构与递送机构同构型，所以操作机构也要按照一定的映射比例完成相应动作。通常心血管微创介入手术的主手与从手的映射比例大于等于1，因此从手的一次性有效行程大于等于150mm，旋转行程大于等于±1080°。而通用型主手操作端无法满足这一要求，因此需要针对此要求就提的设计。
(3)主手端操作机构的位置检测精：
查阅资料得知人体动脉血管直径约为0.2~21.6mm，静脉血管直径约为0.25~7.5mm，为了可以安全准确的将导管/导丝递送到病变位置，结合血管的受力，和项目指南的要求，本文将导丝的递送精度定为0.5mm，旋转精度定为0.5°。在心血管微创介入机器人系统中，主手端操作机构的精度影响了主从位置追踪精度。为了保证机器人系统的精度，主手端操作机构的位移测量精度必须要高于导管/导丝的位置精度。所以，本文主手端操作机构的位置检测精度确定为：推进位移检测精度为0.2mm，旋转定位精度为0.2°。
(4)主手的反馈力范围：
将从手端递送机构检测到的导管/导丝递送时的阻力（与血管的摩擦力和与血管壁的碰触力等）以一定的映射比例反馈到主手端操作机构，从而医生能够感受到反馈力。将导管/导丝递送时的阻力以一定比例放大医生可以感受到反馈力可以提高手术的速度和成功率。反馈力和映射比例的大小与力的检测结构和人机工程学的人体感受有关。健康人的的血管承受应力极限约为15~30
磁粉制动器主要有三个方面的特性：
(1)制动扭矩和激励电流之间基本成线性关系。一般情况下，在磁粉制动器在很大的范围内（额定电流5%~95%），输出的制动扭矩与输入电流基本成线性关系。选用合适的磁粉制动器，可以为主手端操作机构提供比较大范围的阻力，根据从手端传感器测量的导管/导丝阻力的大小来改变激励电流的大小来改变阻力的大小，从而实现力觉反馈。
(2)滑差特性。在保持激励电流不变的情况下，其输出的制动转矩“具有恒定性”与转子和定子间的转速差无关，即静摩擦转矩与动摩擦转矩没有差别，只需要控制电流的大小就可以恒定的控制制动扭矩，所以其具有冲击小的优点。对比使用伺服电机来提供反馈力的方案，应用磁粉离制动器既可以提供静力矩，又可以稳定的提供动力矩。这就可以防止医生操作手主手时产生抖动、冲击，提高手术机器人系统的精确性。
(3)长时间高速时的滑差制动会发热现象。根据能量守恒原理，制动的动能转化为热能的形式消耗掉。因此长时间的高速运转产生发热，进而严重影响力矩传递精度，甚至烧毁。因此应用磁粉制动器时要注意扇热，本文的主手端操作机构工作速度低，不会长时间连续运动，发热的情况不会影响力反馈精度。
为便于对本发明的理解，下面结合一个使用过程对本发明作进一步的描述：
针对手术过程中医生对主手端操作机构的要求，设计了模拟的主手端操作机构。该操作机构主要由编码器、磁粉制动器、同步带轮、同步带、导轮、底板、操作轴、操作套筒、柔性传感器、滑套、等零件组成。操作套筒通过同步带与编码器b相连，从而提供轴向递进的位置信息；操作轴通过同步带与编码器a相连，从而提供沿轴线旋转的位置信息。操作套筒通过同步带与磁粉制动器上的同步带轮相连，从而利用磁粉制动器提供反馈力矩。操作套筒的直径为15mm，与医生人工递送导管/导丝的操作动作完全一样，医生只需大拇指和中指恰持操作套筒来完成操作。同时操作套筒表面装有柔性皮肤传感器，可以采集医生恰持操作套筒的压力。
在血管的分叉处导管/导丝需要旋转和轴向递给同时进行，因此血管介入手术机器人系统要具有旋转自和进进给两个自由度。为了实现操作机构的操作套筒的旋转和轴线进给两个动作的解耦，需设计特殊的结构。操作轴是中空的钢管，操作套筒与操作轴之间通过六个滚珠相连，因此操作套筒可相对操作轴自由移动。固定轴与t型架相连，二者之间不能相对移动。t型架与操作套筒相对固定。同步带通过固定轴与t型架相连，进而与操作套筒相连。所以操作套筒沿操作轴移动时，可带动同步带一起运动。操作轴是中空的钢管，开有v型槽其中有两个滚珠卡在槽内，因此操作套筒不能相对操作轴旋转。t型架与操作套筒先谷底固定。因为固定轴可相对t型架转动，所以同步带也可以相对t型架转动。所以这就实现了操作机构的递进运动和旋转运动的解耦。
操作套筒通过滚珠与操作轴相连，减小的二者之间的摩擦力，因此二者之间可以相对滑动。操作套筒与t型架相对固定，二者之间不能运动。t型架与固定轴相连，二者之间不能相对移动。因此操作套筒与固定轴不能相对移动。当医生恰持操作套筒轴向运动时，固定轴随着一起运动。同步带穿过中空的操作轴，依次绕过同步带轮、导轮a、导轮b、导轮c，同步带与两端与固定轴两端固定。因此医生可以恰持操作套筒运动，同时带动同步带轮随着转动。编码器与同步带轮通过旋转轴相连，因此编码器随着一起转动，从而采集医生操作动作的位置信息，将其传给电脑，再经过一系列的运算，传给从手端转换为控递送电机的通知信号，实现对导管/导丝的递送、撤回操作。同时同步带轮与磁粉制动器通过旋转轴相连。医生推动操作套筒时，可以带动同步带轮和磁粉制动器一同转动，因此可以通过磁粉制动器能提供反馈力。递送导管/导丝时，装载从手端的压力传感器可以测量其阻力并产生电信号，传给主手端控制器，控制器根据这一信号的大小来控制磁粉制动器的激励电流大小。因此反馈力可以某一映射比例反馈导管/导丝阻力。操作机构的轴向递进运动和反馈力实现的具体结构如图3所示。
操作轴通过6个滚珠与操作套筒相连，且有2个滚珠安置在操作轴的v型槽内，因此操作套筒与操作轴不能相对转动。同步带轮b固定在操作轴上，因此可以随操作轴一起转动。当医生转动操作套筒时，可以带动操作轴、同步带轮b一起转动经同步带带动同步带轮a转动。编码器与同步带轮a通过旋转轴相连，同步带轮可带动编码器一起转动。因此编码器可以采集操作套筒的旋转运动的位置信号，将该信号经主控器运算后，传递给从手端旋转电机的驱动器，从而控制递送机构旋转导管/导丝。操作机构旋转运动的结构参考图4、图5。
综上，按照本发明具体实施例的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，提供的主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构，可以弥补现有技术中的不足之处，应用磁粉离制动器既可以提供静力矩，又可以稳定的提供动力矩，防止医生操作手主手时产生抖动、冲击，提高手术机器人系统的精确性。
以上，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
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