介入手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人末端執(zhí)行器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文doc(編輯修改稿)
2024-08-13 16:39 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。導(dǎo)管的軸向運(yùn)動(dòng)距離檢測(cè)[8]也是由滾輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，只是檢測(cè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程與軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)是相反的，是由滾輪機(jī)構(gòu)將導(dǎo)管的軸向運(yùn)動(dòng)通過摩擦的方式轉(zhuǎn)化為滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過光電編碼器記錄滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)變化實(shí)現(xiàn)的。軸向進(jìn)給模塊安裝在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊上，同時(shí)用連桿將檢測(cè)模塊與旋轉(zhuǎn)模塊固定在一起，形成一個(gè)整體的旋轉(zhuǎn)部件，由主動(dòng)與從動(dòng)滾輪實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管的雙臂把持，由旋轉(zhuǎn)齒輪驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管沿自身軸線的旋轉(zhuǎn)。 機(jī)構(gòu)存在的問題國(guó)外血管介入手術(shù)機(jī)器人的主要問題：機(jī)器人導(dǎo)管推進(jìn)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，只能單獨(dú)推進(jìn)導(dǎo)管，精細(xì)操作困難；血管DSA圖像提供二維信息，未能實(shí)現(xiàn)三維醫(yī)學(xué)圖像下的導(dǎo)航；缺少力反饋信息，難以有效的實(shí)現(xiàn)醫(yī)生模擬手術(shù)培訓(xùn)。本文中設(shè)計(jì)血管介入手術(shù)機(jī)器人末端執(zhí)行器樣機(jī)分為三個(gè)部分：軸向進(jìn)給部分、周向旋轉(zhuǎn)部分、碼盤檢測(cè)部分，其機(jī)械結(jié)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管操作運(yùn)動(dòng)的三大基本功能，但是在精度、穩(wěn)定性及安全性能上仍然存在不少問題。如圖32所示便是軸向進(jìn)給部分的虛擬樣機(jī)。圖32 機(jī)構(gòu)樣機(jī) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，用分解和組合的方法，建立起模塊體系，運(yùn)用模塊的組合生成產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)是一種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，組合化設(shè)計(jì)。對(duì)于末端執(zhí)行器來說，與導(dǎo)管直接接觸的零部件主要有三種：一是用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管軸向進(jìn)給的主動(dòng)滾輪；二是用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管軸向直線運(yùn)動(dòng)距離檢測(cè)的從動(dòng)滾輪；三是機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)主軸。在對(duì)末端執(zhí)行器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，我們對(duì)以上的三種零部件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)[9]，來滿足其在功能上的嚴(yán)格要求。 導(dǎo)管軸向進(jìn)給部件的模塊化設(shè)計(jì)根據(jù)導(dǎo)管摩擦傳動(dòng)的推進(jìn)方式，我們對(duì)血管介入手術(shù)機(jī)器人末端執(zhí)行器的軸向進(jìn)給部分進(jìn)行了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，并根據(jù)方便拆裝的基本要求，對(duì)其機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)后的軸向進(jìn)給部件由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)滾輪上，然后通過摩擦傳動(dòng)的方式將主動(dòng)滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)管直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。圖33 軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)二維結(jié)構(gòu)圖軸向進(jìn)給部件如圖33所示，主要包括 、、 型連桿、。整個(gè)軸向進(jìn)給部件是用螺釘固定在大旋轉(zhuǎn)盤的梯形槽內(nèi)，并且應(yīng)保證主動(dòng)滾輪輪皮上圓弧形槽的圓心在旋轉(zhuǎn)部件的軸線上。圖34 進(jìn)給部件傳動(dòng)示意圖由于血管介入手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人在臨床應(yīng)用時(shí)的特殊環(huán)境以及對(duì)機(jī)器人電子設(shè)備的保護(hù)[10]，要求進(jìn)給部件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能能夠與電器設(shè)備快速的分離，因此本文中的軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式采用齒輪傳動(dòng)。其傳動(dòng)裝置如圖9所示，主要包括四個(gè)相同模數(shù)和齒數(shù)的傳動(dòng)齒輪。在傳動(dòng)過程中，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)第一齒輪，并通過第四齒輪把動(dòng)力傳遞到左側(cè)主動(dòng)滾輪；同時(shí)，第二齒輪運(yùn)動(dòng)方向改變，并由第三齒輪將動(dòng)力傳遞到右側(cè)主動(dòng)滾輪，最后實(shí)現(xiàn)左右主動(dòng)滾輪的同步反轉(zhuǎn)。 導(dǎo)管軸向距離檢測(cè)部件的模塊化設(shè)計(jì)與血管介入手術(shù)機(jī)器人末端執(zhí)行器的軸向進(jìn)給部件原理相似，軸向距離檢測(cè)部件也是由摩擦傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)的，但是與進(jìn)給機(jī)構(gòu)不同的是，進(jìn)給機(jī)構(gòu)由主動(dòng)滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)管的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而檢測(cè)部件的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)是通過導(dǎo)管的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)滾輪，使其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，然后由光電編碼器記錄從動(dòng)滾輪的角度變化，再通過處理，計(jì)算得出導(dǎo)管的實(shí)際推進(jìn)距離，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程中對(duì)導(dǎo)管的實(shí)時(shí)檢測(cè)。在設(shè)計(jì)檢測(cè)部件的過程中，考慮到機(jī)器人臨床應(yīng)用的特殊環(huán)境以及對(duì)機(jī)器人電子設(shè)備的保護(hù)等要求，此軸向距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)也采用了齒輪傳動(dòng)[11]的方式，以保證在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行處理時(shí)快速方便的分離機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器設(shè)備。圖35 軸向距離檢測(cè)部件 檢測(cè)部件的具體結(jié)構(gòu)如圖35所示，檢測(cè)部件包括 、、、。整個(gè)檢測(cè)部件通過螺釘被固定在大檢測(cè)盤上，并確保從動(dòng)滾輪輪皮上的圓弧形槽的圓心在旋轉(zhuǎn)部件的軸線上。為了能夠快速更換并且適應(yīng)不同型號(hào)的導(dǎo)管，檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了可變化中心距的導(dǎo)管夾持功能，就是通過改變兩個(gè)從動(dòng)滾輪的間距來快速的更換導(dǎo)管[12]，并且具備適應(yīng)不同型號(hào)的導(dǎo)管的功能。 旋轉(zhuǎn)主軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在介入手術(shù)過程中與導(dǎo)管有直接接觸的第三個(gè)零部件就是末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)主軸，由于旋轉(zhuǎn)主軸是整個(gè)末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)部件的支撐定位構(gòu)件，是整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件和支撐部件間的橋梁，它的拆卸涉及到了整個(gè)機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件，因此要實(shí)現(xiàn)其整體的快速拆卸基本上是不可能。我們對(duì)末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行了嵌套式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其具體的結(jié)構(gòu)如圖36所示。圖36 軸向距離檢測(cè)部件 1—大旋轉(zhuǎn)盤前支架、2—外層階梯軸、3—中層軸套、4—大旋轉(zhuǎn)盤后支架、5—內(nèi)層離合式軸芯 末端執(zhí)行器中導(dǎo)管的選擇本末端執(zhí)行器推進(jìn)的導(dǎo)管是一種細(xì)小的柔性中空軟管，其具體的形狀如圖37 所示。主要結(jié)構(gòu)包括前端彎曲導(dǎo)向段、中間等圓柱面過度段、末端與醫(yī)療設(shè)備的接口段三個(gè)部分。不同型號(hào)的導(dǎo)管其長(zhǎng)度范圍一般在800mm1500mm 之間，其進(jìn)入人體的前端和中間部分的直徑一般在1mm4mm之間，末端與醫(yī)療設(shè)備的接口最大徑向尺寸不超過15mm。
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