一种导管导丝双指操作器及其安全操作方法

1.本发明涉及手术机器人技术领域，具体涉及一种导管导丝双指操作器及其安全操作方法。


背景技术：

2.心血管疾病极大地威胁着人类的健康。根据世界卫生组织发布的《2022世界卫生报告》统计数据，2019年较2000年世界上心脑血管疾病(cvd)死亡人数增加了25.1％。在过去的20年中(2000-2019年)，心脑血管疾病一直是全球首要死亡原因，心脏病依然是“头号杀手”，且发病率仍处于快速上升趋势。
3.pci(percutaneous coronary intervention，经皮冠状动脉介入治疗)因其创伤小、术后恢复快等优点成为治疗心血管疾病的主要手段之一。但是，介入手术过程会产生x射线辐射，对医生健康造成累积伤害。血管介入手术机器人以其主从远程操作的特性规避了上述弊端。医生可以在手术室外利用主从式血管介入手术机器人的主端操作器控制手术室内的从端手术机器人进行远程手术，隔绝了手术室内的辐射，保护了医生的身体健康。但是，现有的主端操作器往往与真实的手术器械不同，导致医生难以准确感知器械操作状态，从而影响医生依靠自身手术经验对手术的决策，导致手术安全性降低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种导管导丝双指操作器及其安全操作方法，该双指操作器可以实现导丝导管的夹持、旋捻、递送及夹持力闭环控制功能，实现递送力的精准测量及器械在指间滑动状态的感知，在满足完成当前任务的递送力需求的情况下还可以实时截止异常递送力的增大，保证手术安全。
5.本发明采用以下具体技术方案：
6.本发明提供了一种导管导丝双指操作器，该双指操作器包括主端基座、食指组件、拇指组件以及sea(series elastic actuator，弹性串联驱动器)组件；
7.所述主端基座用于固定连接于机械臂的末端；
8.所述食指组件、所述拇指组件以及所述sea组件均固定安装于所述主端基座；
9.所述食指组件与所述拇指组件用于通过相对运动实现对导丝或导管的夹持、旋捻、伸取操作，并用于实现递送力的测量和感知导丝、导管在所述食指组件与所述拇指组件之间的滑动状态；
10.所述sea组件用于所述食指组件和所述拇指组件之间夹持力的测量与闭环控制。
11.更进一步地，所述食指组件包括食指电机、食指第一锥齿轮、食指第一连杆组件、食指工作连杆组件、食指第二连杆组件、食指编码器基座、食指第二锥齿轮以及食指编码器；
12.所述食指电机固定连接于所述主端基座；
13.所述食指第一锥齿轮与所述食指电机的输出轴同轴固连；
14.所述食指第一连杆组件的一端转动连接于所述主端基座并与所述食指第一锥齿轮啮合，另一端与所述食指工作连杆组件的中部转动连接；
15.所述食指工作连杆组件的一端与所述食指第二连杆组件的一端转动连接，另一端与导丝相切；
16.所述食指第二连杆组件的另一端与所述主端基座转动连接，并通过所述食指第二锥齿轮与所述食指编码器传动连接；
17.所述食指编码器固定连接于所述主端基座；
18.所述主端基座、所述食指第一连杆组件、所述食指第二连杆组件及所述食指工作连杆组件形成平行四边形机构。
19.更进一步地，所述拇指组件包括拇指电机、拇指第一锥齿轮、拇指第一连杆组件、拇指工作连杆组件、拇指第二连杆组件、拇指第二锥齿轮、拇指编码器、拇指编码器基座以及导轨组件；
20.所述拇指电机固定连接于所述拇指编码器基座；
21.所述拇指第一锥齿轮与所述拇指电机的输出轴同轴固连；
22.所述拇指第一连杆组件的一端与所述拇指编码器基座转动连接，并与所述拇指第一锥齿轮啮合；
23.所述拇指工作连杆组件的一端与所述拇指第一连杆组件转动连接，中部与所述拇指第二连杆组件的一端转动连接，并且另一端与导丝相切；
24.所述拇指第二连杆组件的另一端与所述拇指编码器基座转动连接；
25.所述拇指第二锥齿轮与所述拇指第二连杆组件的另一端啮合，并与拇指编码器输出轴同轴固连；
26.所述拇指编码器通过螺钉与所述拇指编码器基座固连；
27.所述拇指编码器基座通过所述导轨组件与所述主端基座滑动连接，滑动方向与所述拇指工作连杆组件的两个转动副轴所在的平面垂直；
28.所述拇指编码器基座、所述拇指第一连杆组件、所述拇指第二连杆组件及所述拇指工作连杆组件组成平行四边形机构，并与所述食指组件的平行四边形机构全等。
29.更进一步地，所述sea组件包括sea电机、sea第一齿轮、sea第一齿条、sea弹簧顶板、sea弹簧、sea第二齿条、sea第二齿轮及sea编码器；
30.所述sea电机固定连接于所述主端基座；
31.所述sea第一齿轮与所述sea电机的输出轴同轴固连；
32.所述sea第一齿条通过所述导轨组件与所述主端基座滑动连接，并与所述sea第一齿轮啮合；
33.所述sea弹簧顶板与所述sea第一齿条通过螺钉固连；
34.所述sea弹簧套入所述拇指编码器基座的伸出轴上且两端面分别顶在所述拇指编码器基座及所述sea弹簧顶板上；
35.所述sea第二齿条与所述拇指编码器基座通过螺钉固连；
36.所述sea第二齿轮与所述sea第二齿条啮合，并与所述sea编码器同轴固连；
37.所述sea编码器固定连接于所述sea第一齿条；
38.所述导轨组件为双滑块直线导轨，所述sea第一齿条固连于所述导轨组件的一个
滑块上，所述拇指编码器基座固连于所述导轨组件的另一个滑块上。
39.更进一步地，所述食指第一连杆组件包括第一法兰轴承、第一轴承端盖、两个食指铰制孔螺栓、第一轴承套筒、食指锥齿轮连杆、食指螺母、第二法兰轴承、第二轴承端盖及第二轴承套筒；
40.所述第一法兰轴承的外圈与所述主端基座的安装孔过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述主端基座及所述第一轴承端盖配合；
41.所述第一轴承端盖与所述主端基座通过螺栓固连，用于实现所述第一法兰轴承在所述主端基座的轴向限位；
42.一个食指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第一法兰轴承的内圈及所述食指锥齿轮连杆的连接孔同轴过渡配合；
43.所述食指锥齿轮连杆沿水平方向延伸，一端通过一个食指铰制孔螺栓、所述第一轴承套筒和所述食指螺母固定连接于所述第一法兰轴承的内圈，用于实现所述食指锥齿轮连杆的一端通过所述第一法兰轴承与所述主端基座转动连接；
44.所述第二法兰轴承的外圈与所述食指锥齿轮连杆另一端的连接孔过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述食指锥齿轮连杆及所述第二轴承端盖配合，所述第二轴承端盖通过螺栓固定连接于所述食指锥齿轮连杆，用于实现所述第二法兰轴承的轴向限位；
45.另一个食指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第二法兰轴承的内圈及所述食指工作连杆组件一端的连接孔同轴过渡配合；
46.所述食指锥齿轮连杆的另一端通过另一个食指铰制孔螺栓、所述第二轴承套筒及所述食指螺母固定连接于所述第二法兰轴承的内圈，用于实现所述食指锥齿轮连杆另一端与所述食指工作连杆组件的中部转动连接；
47.所述食指第二连杆组件与所述食指第一连杆组件具有相同结构且平行设置。
48.更进一步地，所述食指工作连杆组件包括食指工作连杆、食指指腹轴承、食指指腹滑块、食指指腹硅胶垫、限位挡块以及限位开关；
49.所述食指工作连杆沿竖直方向延伸，一端与所述食指第一连杆组件的食指锥齿轮连杆转动连接，沿竖直方向的中间部与所述食指第二连杆组件的食指锥齿轮连杆转动连接；
50.四个所述食指指腹轴承呈矩形排布并均通过螺栓固定连接于所述食指工作连杆；
51.所述食指指腹滑块上带有轨道，轨道与四个所述食指指腹轴承的外圈相切配合且与四个所述食指指腹轴承的外圈两侧端面配合，用于使所述食指指腹滑块通过四个所述食指指腹轴承与所述食指工作连杆滑动连接；
52.所述限位挡块通过螺栓固定连接于所述食指工作连杆，用于限制所述食指指腹滑块的滑动范围；
53.所述限位开关固定连接于所述食指工作连杆，并能够在所述食指指腹滑块的滑动范围内触发；
54.所述食指指腹硅胶垫与所述食指指腹滑块固定连接，并与导丝相切配合。
55.更进一步地，所述拇指第一连杆组件包括第三法兰轴承、第三轴承端盖、拇指铰制孔螺栓、第三轴承套筒、拇指锥齿轮连杆、拇指螺母、第四法兰轴承、第四轴承端盖及第四轴承套筒；
56.所述第三法兰轴承的外圈与所述拇指编码器基座的安装孔同轴过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述拇指编码器基座及所述第三轴承端盖配合；
57.所述第三轴承端盖通过螺栓固定连接于所述拇指编码器基座，用于实现所述第三法兰轴承在所述拇指编码器基座上的轴向限位；
58.一个拇指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第三法兰轴承的内圈及所述拇指锥齿轮连杆的连接孔同轴过渡配合；
59.所述拇指锥齿轮连杆沿水平方向延伸，一端通过拇指铰制孔螺栓、所述第三轴承套筒及所述拇指螺母固定连接于所述第三法兰轴承的内圈，用于通过所述第三法兰轴承实现所述拇指锥齿轮连杆与所述拇指编码器基座的转动连接；
60.所述第四法兰轴承的外圈与所述拇指锥齿轮连杆另一端的连接孔过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述拇指锥齿轮连杆及所述第四轴承端盖配合；
61.所述第四轴承端盖通过螺栓固定连接于所述拇指锥齿轮连杆，用于实现所述第四法兰轴承的轴向限位；
62.另一个拇指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第四法兰轴承的内圈及所述拇指工作连杆组件一端的连接孔同轴过渡配合；
63.所述拇指锥齿轮连杆的另一端通过拇指铰制孔螺栓、所述第四轴承套筒及所述拇指螺母固定连接于第四法兰轴承的内圈，用于通过所述第四法兰轴承实现所述拇指锥齿轮连杆与所述拇指编码器基座的转动连接；
64.所述拇指第二连杆组件与所述拇指第一连杆组件具有相同结构且平行设置。
65.更进一步地，所述拇指工作连杆组件包括拇指工作连杆、拇指指腹轴承、拇指指腹滑块、拇指指腹硅胶垫及递送力传感器；
66.所述拇指工作连杆沿竖直方向延伸，一端与所述拇指第一连杆组件的拇指锥齿轮连杆转动连接，中部与所述拇指第二连杆组件的拇指锥齿轮连杆转动连接；
67.四个所述拇指指腹轴承呈矩形排布并分别通过螺栓固定连接于所述拇指工作连杆；
68.所述拇指指腹滑块上带有轨道，轨道与四个所述拇指指腹轴承的外圈相切配合并与四个所述拇指指腹轴承的外圈两侧端面配合，所述拇指指腹滑块通过四个所述拇指指腹轴承与所述拇指工作连杆滑动连接；
69.所述递送力传感器的一侧端面通过螺钉固定连接于所述拇指工作连杆，另一侧端面通过螺钉固定连接于所述拇指指腹滑块，用于测量所述拇指工作连杆与所述拇指指腹滑块之间在滑动方向上的力；
70.所述拇指指腹硅胶垫与所述拇指指腹滑块固定连接并与导丝相切配合。
71.另外，本发明还提供了一种如上述技术方案中双指操作器的安全操作方法，该操作方法包括以下步骤：
72.步骤一，通过sea组件控制食指组件和拇指组件以初始夹持力f
initial
夹持导丝或者导管并进行递送；
73.步骤二，当导丝或者导管发生打滑时，获取导丝或者导管在血管中的递送状态；
74.若递送状态为进入目标支路，则表明当前的递送力阈值不足以完成当前的递送任务，通过sea组件增大夹持力以增大递送力阈值，即：
75.f(t)＝f(t-1)+f
grad
；
76.上式中，f(t)为t时刻的夹持力；f(t-1)为t-1时刻的夹持力，当t＝1时，f(0)为初始夹持力f
initial
；f
grad
为夹持力增大梯度；
77.若递送状态为进入非目标支路，则表明当前导丝或者导管未处于目标区域，后撤并旋捻导丝、导管，夹持力保持不变，即：
78.f(t)＝f(t-1)；
79.步骤三，继续进行递送，当导丝或者导管发生打滑时重复步骤二。
80.有益效果：
81.1、本发明导管导丝双指操作器通过食指组件与拇指组件的相对运动实现对导丝或导管的夹持、旋捻、伸取操作，实现递送力的测量和感知导丝、导管在食指组件与拇指组件之间的滑动状态，并通过sea组件实现食指组件和拇指组件之间夹持力的测量与闭环控制，提供更加全面的操作信息；因此，采用上述双指操作器能够实现导丝导管的夹持、旋捻、递送及夹持力闭环控制功能，实现递送力的精准测量及器械在指间滑动状态的感知，在满足完成当前任务的递送力需求的情况下还可以实时截止异常递送力的增大，保证手术安全，不需要对复杂的血管环境进行建模，逻辑简单，通用性高。
82.2、本发明导管导丝双指操作器基于食指组件与拇指组件的双全等平行四边形设计，双指工作面相互平行，可以通过控制双指间距夹持不同粗细的手术器械，尤其适合夹持极细的导丝、导管，并且相比于传统穿入式导丝、导管夹持器，开放式的双指操作器更便于切换手术器械；双指操作器的夹持、旋捻运动解耦，分别由食指电机和拇指电机单独控制，易于控制；通过夹持力的控制功能能够实现导丝、导管的无损夹持，基于sea的夹持力控制闭环相较于传统基于力传感器的方案，控制更加柔顺，使用的位置编码器比力传感器具有更高的信噪比，成本低，信号稳定性好。
83.3、本发明的安全操作方法，基于双指操作器感知的导丝、导管在食指组件和拇指组件之间的滑动状态以及导丝、导管在血管中的递送状态，通过自主调整夹持力大小，进而控制适合于当前血管递送环境的递送力阈值，不仅可以完成当前的递送任务，而且不需要对血管环境进行建模、计算等来主动设置当前环境下的递送力阈值大小，通用于全路径血管环境，泛用性更高；在异常增大的递送阻力出现时，还可以通过基于双指与导丝、导管之间摩擦力发生被动滑动来截止器械递送力异常增大，及时截止意外的递送力继续增大，实时性高，安全性高。而传统的基于算法处理和逻辑判断的主动式安全干预策略，通过测量当前递送信息、算法逻辑处理、电机驱动等操作后对危险操作进行干预，难免会产生时间滞后，对手术安全提升有限。因此，上述安全操作方法基于导丝导管夹持力与其递送力阈值之间的耦合关系实现机器人自主调整夹持力，不仅可以满足完成当前任务的递送力需求，而且可以实时截止异常递送力的增大，保证手术安全，不需要对复杂的血管环境进行建模，逻辑简单，通用性高。
附图说明
84.图1为本发明导管导丝双指操作器的立体结构示意图；
85.图2为图1中食指组件的立体结构示意图；
86.图3为图1中拇指组件的立体结构示意图；
87.图4为图1中sea组件的立体结构示意图；
88.图5为图2中食指第一连杆组件的立体结构示意图；
89.图6为图2中食指工作连杆组件的立体结构示意图；
90.图7为图3中拇指第一连杆组件的立体结构示意图；
91.图8为图3中拇指工作连杆组件的立体结构示意图；
92.图9为本发明安全操作方法的流程图；
93.图10为某一血管环境最小递送力随血管深度的变化曲线图。
94.其中，1-主端基座、2-食指组件、3-拇指组件、4-sea组件、5-机械臂末端、6-导丝、21-食指电机、22-食指第一锥齿轮、23-食指第一连杆组件、24-食指工作连杆组件、25-食指第二连杆组件、26-食指编码器基座、27-食指第二锥齿轮、28-食指编码器、231-第一法兰轴承、232-第一轴承端盖、233-食指铰制孔螺栓、234-第一轴承套筒、235-食指锥齿轮连杆、236-食指螺母、237-第二法兰轴承、238-第二轴承端盖、239-第二轴承套筒、241-食指工作连杆、242-食指指腹轴承、243-食指指腹滑块、244-食指指腹硅胶垫、245-限位挡块、246-限位开关、31-拇指电机、32-拇指第一锥齿轮、33-拇指第一连杆组件、34-拇指工作连杆组件、35-拇指第二连杆组件、36-拇指第二锥齿轮、37-拇指编码器、38-拇指编码器基座、39-导轨组件、331-第三法兰轴承、332-第三轴承端盖、333-拇指铰制孔螺栓、334-第三轴承套筒、335-拇指锥齿轮连杆、336-拇指螺母、337-第四法兰轴承、338-第四轴承端盖、339-第四轴承套筒、341-拇指工作连杆、342-拇指指腹轴承、343-拇指指腹滑块、344-拇指指腹硅胶垫、345-递送力传感器、41-sea电机、42-sea第一齿轮、43-sea第一齿条、44-sea弹簧顶板、45-sea弹簧、46-sea第二齿条、47-sea第二齿轮、48-sea编码器。
具体实施方式
95.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
96.实施例一
97.本实施例提供了一种导管导丝双指操作器，如图1所示，包括主端基座1、食指组件2、拇指组件3以及sea组件4；其中：
98.如图1所示，主端基座1与机械臂末端5固连；食指组件2、拇指组件3以及sea组件4均固定安装于主端基座1；食指组件2与拇指组件3用于通过相对运动实现对导丝6或导管的夹持、旋捻、伸取操作，并用于实现递送力的测量和感知导丝6、导管在食指组件2与拇指组件3之间的滑动状态；sea组件4用于食指组件2和拇指组件3之间夹持力的测量与闭环控制
99.如图2所示，食指组件2包括食指电机21、食指第一锥齿轮22、食指第一连杆组件23、食指工作连杆组件24、食指第二连杆组件25、食指第二连杆组件25、食指第二锥齿轮27以及食指编码器28；
100.食指电机21通过螺钉与主端基座1固定连接；食指第一锥齿轮22与食指电机21输出轴同轴固连；食指第一连杆组件23的一端与主端基座1转动连接并与食指第一锥齿轮22啮合传动，另一端与食指工作连杆组件24的中部转动连接；食指工作连杆组件24的一端与食指第二连杆组件25的一端转动连接，另一端与导丝6相切；食指第二连杆组件25另一端与主端基座1转动连接，并与食指第二锥齿轮27啮合；食指第二锥齿轮27与食指编码器28的输出轴同轴固连；食指编码器28通过食指编码器基座26与主端基座1固连；主端基座1、食指第
一连杆组件23、食指第二连杆组件25及食指工作连杆组件24组成平行四边形机构。
101.如图3所示，拇指组件3包括拇指电机31、拇指第一锥齿轮32、拇指第一连杆组件33、拇指工作连杆组件34、拇指第二连杆组件35、拇指第二锥齿轮36、拇指编码器37、拇指编码器基座38以及导轨组件39，其中：
102.拇指电机31通过螺钉与拇指编码器基座38固连；拇指第一锥齿轮32与拇指电机31的输出轴同轴固连；拇指第一连杆组件33的一端与拇指编码器基座38转动连接，并与拇指第一锥齿轮32啮合；拇指工作连杆组件34的一端与拇指第一连杆组件33转动连接，拇指工作连杆组件34的中部与拇指第二连杆组件35的一端转动连接，拇指工作连杆组件34的另一端与导丝6相切；拇指第二连杆组件35的另一端与拇指编码器基座38转动连接；拇指第二锥齿轮36与拇指第二连杆组件35的另一端的锥齿轮啮合，并与拇指编码器37的输出轴同轴固连；拇指编码器37通过螺钉与拇指编码器基座38固连；拇指编码器基座38通过导轨组件39与主端基座1滑动连接，滑动方向垂直于拇指工作连杆组件34的两转动副轴所在的平面；拇指编码器基座38、拇指第一连杆组件33、拇指第二连杆组件35及拇指工作连杆组件34组成平行四边形机构，并与食指组件2的平行四边形机构全等；两平行四边形机构同向运动实现两指的伸取与撤回，反向运动实现对导丝6、导管等所夹持器械的旋捻操作。
103.如图4所示，sea组件4包括sea电机41、sea第一齿轮42、sea第一齿条43、sea弹簧顶板44、sea弹簧45、sea第二齿条46、sea第二齿轮47及sea编码器48，其中：
104.sea电机41通过螺钉与主端基座1固连；sea第一齿轮42与sea电机41的输出轴同轴固连；sea第一齿条43通过导轨组件39与主端基座1滑动连接，并与sea第一齿轮42啮合；sea弹簧顶板44与sea第一齿条43通过螺钉固连；sea弹簧45套入拇指编码器基座38的伸出轴且两端面分别顶在拇指编码器基座38及sea弹簧顶板44上，即，sea弹簧45的一个端面顶在拇指编码器基座38上，sea弹簧45的另一个端面顶在sea弹簧顶板44上；sea第二齿条46与拇指编码器基座38通过螺钉固连；sea第二齿轮47与sea第二齿条46啮合，并与sea编码器48同轴固连；sea编码器48通过螺钉与sea第一齿条43固连；导轨组件39为双滑块直线导轨，sea第一齿条43与拇指编码器基座38分别固连在导轨组件39的两个滑块上，即，sea第一齿条43固连在导轨组件39的一个滑块上，拇指编码器基座38固连在导轨组件39的另一个滑块上。首先，对sea弹簧45进行实验标定，得到其弹性系数ks；然后，当sea弹簧45被压缩时，其压缩量通过sea第二齿条46与sea第二齿轮47传动后由sea编码器48测量，sea弹簧45的弹力fs为：
105.fs＝θs·rs
·ks
；
106.其中，fs为弹簧弹力，θs为sea编码器48的转动角度，rs为sea第二齿轮47的分度圆半径，ks为sea弹簧45的弹性系数。
107.由于sea弹簧45水平放置，因此弹簧的弹力等于双指操作器的夹持力，即：
108.f＝fs；
109.其中，f为双指操作器的夹持力。
110.sea电机41可以通过sea第一齿轮42与sea第一齿条43传动控制sea弹簧45的压缩量，基于pid(比例积分微分控制)控制构建夹持力闭环，实现夹持力精准控制。
111.如图5所示，食指第一连杆组件23包括第一法兰轴承231、第一轴承端盖232、食指铰制孔螺栓233、第一轴承套筒234、食指锥齿轮连杆235、食指螺母236、第二法兰轴承237、第二轴承端盖238及第二轴承套筒239，其中：
112.第一法兰轴承231的外圈与主端基座1的安装孔同轴且过渡配合，第一法兰轴承231的外圈两侧端面分别与主端基座1及第一轴承端盖232配合，即，第一法兰轴承231的外圈一侧端面与主端基座1配合，外圈另一侧端面与第一轴承端盖232配合；第一轴承端盖232与主端基座1通过螺栓固连，用于实现第一法兰轴承231在主端基座1上的轴向限位；一个食指铰制孔螺栓233的无螺纹部分，即光杆部分，分别与第一法兰轴承231的内圈及食指锥齿轮连杆235的连接孔同轴过渡配合；食指锥齿轮连杆235沿水平方向延伸，带有锥齿轮的一端通过食指铰制孔螺栓233、第一轴承套筒234及食指螺母236与第一法兰轴承231内圈固连，用于实现食指锥齿轮连杆235带锥齿轮的一端通过第一法兰轴承231与主端基座1转动连接；第二法兰轴承237外圈与食指锥齿轮连杆235无锥齿轮的一端连接孔过渡配合，第二法兰轴承237外圈的两侧端面分别与食指锥齿轮连杆235及第二轴承端盖238配合，第二轴承端盖238通过螺栓与食指锥齿轮连杆235固连，用于实现第二法兰轴承237的轴向限位；另一个食指铰制孔螺栓233的无螺纹部分，即光杆部分分别与第二法兰轴承237内圈及食指工作连杆组件24一端的连接孔同轴过渡配合，食指锥齿轮连杆235无锥齿轮的一端通过另一个食指铰制孔螺栓233、第二轴承套筒239及食指螺母236与第二法兰轴承237内圈固连，英语实现食指锥齿轮连杆235无锥齿轮一端通过第二法兰轴承237与食指工作连杆组件24的中部转动连接；
113.食指第二连杆组件25与食指第一连杆组件23结构相同且平行设置，但是它们与主端基座1及食指工作连杆组件24的连接位置不同。
114.如图6所示，食指工作连杆组件24包括食指工作连杆241、食指指腹轴承242、食指指腹滑块243、食指指腹硅胶垫244、限位挡块245及限位开关246；食指工作连杆241沿竖直方向设置，一端与食指第一连杆组件23的食指锥齿轮连杆235转动连接，沿竖直方向的中间部与食指第二连杆组件25的食指锥齿轮连杆转动连接；四个食指指腹轴承242呈矩形排布，并分别通过螺栓与食指工作连杆241固连；食指指腹滑块243上带有轨道，轨道分别与四个食指指腹轴承242的外圈相切配合且与四个食指指腹轴承242的外圈两侧端面配合，食指指腹滑块243通过四个食指指腹轴承242与食指工作连杆241滑动连接，用于使食指指腹滑块243沿与食指工作连杆241的竖直方向相垂直的水平方向滑动；限位挡块245与食指工作连杆241通过螺栓固连，用于限制食指指腹滑块243的滑动位置范围；限位开关246与食指工作连杆241固连，并可在食指指腹滑块243滑动位置范围内触发；食指指腹硅胶垫244与食指指腹滑块243固连，并与导丝6相切配合。食指指腹滑块243可以沿导丝6递送方向自由滑动，滑动会触发限位开关246。
115.如图7所示，拇指第一连杆组件33包括第三法兰轴承331、第三轴承端盖332、拇指铰制孔螺栓333、第三轴承套筒334、拇指锥齿轮连杆335、拇指螺母336、第四法兰轴承337、第四轴承端盖338及第四轴承套筒339；第三法兰轴承331的外圈与拇指编码器基座38的安装孔同轴过渡配合，第三法兰轴承331的外圈两侧端面分别与拇指编码器基座38及第三轴承端盖332配合，即，外圈一侧端面与拇指编码器基座38配合，外圈另一侧端面与第三轴承端盖332配合；第三轴承端盖332与拇指编码器基座38通过螺栓固连，用于实现第三法兰轴承331在拇指编码器基座38上的轴向限位；一个拇指铰制孔螺栓333的无螺纹部分分别与第三法兰轴承331内圈及拇指锥齿轮连杆335连接孔同轴过渡配合；拇指锥齿轮连杆335沿水平方向延伸，带有锥齿轮的一端通过一个拇指铰制孔螺栓333、第三轴承套筒334、拇指螺母
336与第三法兰轴承331内圈固连，用于实现拇指锥齿轮连杆335带锥齿轮的一端通过第三法兰轴承331与拇指编码器基座38转动连接；第四法兰轴承337的外圈与拇指锥齿轮连杆335无锥齿轮端的连接孔过渡配合，第四法兰轴承337外圈两侧端面分别与拇指锥齿轮连杆335及第四轴承端盖338配合，即，第四法兰轴承337的外圈一侧端面分别与拇指锥齿轮连杆335配合，外圈另一侧端面与第四轴承端盖338配合；第四轴承端盖338通过螺栓与拇指锥齿轮连杆335固连，用于实现第四法兰轴承337的轴向限位；另一个拇指铰制孔螺栓333的无螺纹部分分别与第四法兰轴承337内圈及拇指工作连杆组件34一端连接孔同轴过渡配合，拇指锥齿轮连杆335无锥齿轮的一端通过另一个拇指铰制孔螺栓333、第四轴承套筒339、拇指螺母336与第四法兰轴承337的内圈固连，用于使拇指锥齿轮连杆335无锥齿轮一端通过第四法兰轴承337与拇指编码器基座38转动连接。
116.拇指第二连杆组件35与拇指第一连杆组件33结构相同且平行设置，并且它们与拇指编码器基座38及拇指工作连杆组件34的连接位置不同。
117.如图8所示，拇指工作连杆组件34包括拇指工作连杆341、拇指指腹轴承342、拇指指腹滑块343、拇指指腹硅胶垫344及递送力传感器；拇指工作连杆341沿竖直方向延伸，一端与拇指第一连杆组件33的拇指锥齿轮连杆转动连接，沿竖直方向的中间部与拇指第二连杆组件35的拇指锥齿轮连杆转动连接；四个拇指指腹轴承342呈矩形排布并分别通过螺栓与拇指工作连杆341固连；拇指指腹滑块343上带有轨道，轨道与四个拇指指腹轴承342外圈相切配合，并与四个拇指指腹轴承342外圈两侧端面配合，进而拇指指腹滑块343通过四个拇指指腹轴承342与拇指工作连杆341滑动连接；递送力传感器一侧端面与拇指工作连杆341通过螺钉固连，另一侧端面与拇指指腹滑块343通过螺钉固连，递送力传感器用于测量拇指工作连杆341与拇指指腹滑块343之间在滑动方向上的力；拇指指腹硅胶垫344与拇指指腹滑块343固连并与导丝6相切配合。
118.被夹持的导丝6受到递送阻力时，由于工作面与导丝6接触的食指指腹滑块243和拇指指腹滑块343在滑动方向上几乎没有阻力，因此，递送力传感器345测量的力即为导丝6的递送力，也是导丝6与拇指指腹硅胶垫344之间的摩擦力。当导丝6与拇指指腹硅胶垫344之间的最大静摩擦力小于递送阻力时，导丝6与拇指指腹硅胶垫344之间便会发生被动滑动，进而导丝6会带动食指指腹滑块243滑动触发限位开关246，得到导丝6的滑动信号。
119.在上述实施例中，固连可以通过螺钉、铆接、焊接等方式实现。
120.上述导管导丝双指操作器的夹持力控制原理为：sea组件4用于夹持力的测量与控制，首先对sea弹簧45进行标定，得到其弹性系数，然后sea弹簧45的压缩量通过sea第二齿轮47与sea第二齿条46的传动由sea编码器48测量，并计算得夹持力；sea电机41可以驱动sea第一齿轮42与sea第一齿条43传动进而压缩sea弹簧45，实现夹持力大小控制，进而基于pid控制器实现夹持力闭环。
121.上述导管导丝双指操作器感知导丝、导管在双指间打滑信号的原理为：导丝、导管在两指工作表面之间的最大静摩擦力与夹持力是耦合的，即，可以通过控制双指间夹持力控制导丝、导管的最大静摩擦力，即，最大递送力。当导丝、导管递送阻力超过某一夹持力下的双指所能提供的最大递送力时，导丝、导管会在双指间发生被动滑动，进而带动食指指腹滑块243滑动触发限位开关246，发出导丝、导管发生被动打滑的信号。
122.上述导管导丝双指操作器通过食指组件与拇指组件的相对运动实现对导丝或导
管的夹持、旋捻、伸取操作，实现递送力的测量和感知导丝、导管在食指组件与拇指组件之间的滑动状态，并通过sea组件实现食指组件和拇指组件之间夹持力的测量与闭环控制，提供更加全面的操作信息；因此，采用上述双指操作器能够实现导丝导管的夹持、旋捻、递送及夹持力闭环控制功能，实现递送力的精准测量及器械在指间滑动状态的感知，在满足完成当前任务的递送力需求的情况下还可以实时截止异常递送力的增大，保证手术安全，不需要对复杂的血管环境进行建模，逻辑简单，通用性高。
123.并且，上述导管导丝双指操作器基于食指组件与拇指组件的双全等平行四边形设计，双指工作面相互平行，可以通过控制双指间距夹持不同粗细的手术器械，尤其适合夹持极细的导丝、导管，并且相比于传统穿入式导丝、导管夹持器，开放式的双指操作器更便于切换手术器械；双指操作器的夹持、旋捻运动解耦，分别由食指电机和拇指电机单独控制，易于控制；通过夹持力的控制功能能够实现导丝、导管的无损夹持，基于sea的夹持力控制闭环相较于传统基于力传感器的方案，控制更加柔顺，使用的位置编码器比力传感器具有更高的信噪比，成本低，信号稳定性好。
124.实施例二
125.本实施例提供了一种上述实施例中导管导丝双指操作器的安全操作方法，如图9所示，该安全操作方法包括以下步骤：
126.通过sea组件控制食指组件和拇指组件之间的夹持力，并以较小的初始夹持力f
initial
夹持导丝、导管并进行递送；如果递送过程中导管导丝双指操作器感知到导丝、导管发生打滑，则可以通过人工观察或者基于图像处理算法获得导丝、导管在血管中的递送状态，在采用图像处理算法进行图像处理过程中，首先根据数字减影-血管造影(dsa)图像通过阈值分割得到当前阶段血管位置序列坐标，并标注目标血管区域标签为1，其余区域为0，导丝、导管头端因具有显影材料，会在x光下显示出具体位置，因此对实时x光照射下的导丝、导管图像通过阈值分割得到轮廓坐标，计算导丝、导管坐标是位于标签1区域内还是位于标签0区域内，即可判断当前导丝、导管递送状态；导丝、导管在血管中的递送状态分为i进入目标支路和ii进入非目标支路两种；若递送状态为状态进入目标支路，则表明当前的递送力阈值不足以完成当前的递送任务，如图10所示，需要通过sea组件增大夹持力进而增大递送力阈值，即：f(t)＝f(t-1)+f
grad
，式中，f(t)为t时刻的夹持力；f(t-1)为t-1时刻的夹持力，当t＝1时，f(0)为初始夹持力f
initial
；f
grad
为夹持力增大梯度；若出现进入非目标支路状态，则表明当前导丝、导管未处于目标区域，后撤导丝、导管并旋捻导丝、导管，夹持力保持不变，即：f(t)＝f(t-1)；然后继续尝试递送，在继续递送过程中若导丝或者导管再次发生打滑时则重复上述夹持力调节步骤。
127.上述安全操作方法可以根据当前导丝、导管递送状态及他们在双指操作器双指间的打滑状态自主调整夹持力大小，进而基于摩擦力实现调整递送力阈值，该阈值不仅可以满足当前的递送血管环境对递送力的需求，而且导丝、导管在双指间基于摩擦的被动打滑可以实现实时异常递送力的截止，实时保障手术安全。与传统的基于算法处理和逻辑判断的主动式安全干预策略相比，上述安全操作方法不需要对血管环境进行建模、计算等来主动设置当前环境下的递送力阈值大小，通用于全路径血管环境，泛用性更高。
128.因此，采用上述安全操作方法基于导丝导管夹持力与其递送力阈值之间的耦合关系实现机器人自主调整夹持力，不仅可以满足完成当前任务的递送力需求，而且可以实时
截止异常递送力的增大，保证手术安全，不需要对复杂的血管环境进行建模，逻辑简单，通用性高。
129.综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种导管导丝双指操作器，其特征在于，包括主端基座、食指组件、拇指组件以及sea组件；所述主端基座用于固定连接于机械臂的末端；所述食指组件、所述拇指组件以及所述sea组件均固定安装于所述主端基座；所述食指组件与所述拇指组件用于通过相对运动实现对导丝或导管的夹持、旋捻、伸取操作，并用于实现递送力的测量和感知导丝、导管在所述食指组件与所述拇指组件之间的滑动状态；所述sea组件用于所述食指组件和所述拇指组件之间夹持力的测量与闭环控制。2.如权利要求1所述的双指操作器，其特征在于，所述食指组件包括食指电机、食指第一锥齿轮、食指第一连杆组件、食指工作连杆组件、食指第二连杆组件、食指编码器基座、食指第二锥齿轮以及食指编码器；所述食指电机固定连接于所述主端基座；所述食指第一锥齿轮与所述食指电机的输出轴同轴固联；所述食指第一连杆组件的一端转动连接于所述主端基座并与所述食指第一锥齿轮啮合，另一端与所述食指工作连杆组件的中部转动连接；所述食指工作连杆组件的一端与所述食指第二连杆组件的一端转动连接，另一端与导丝相切；所述食指第二连杆组件的另一端与所述主端基座转动连接，并通过所述食指第二锥齿轮与所述食指编码器传动连接；所述食指编码器固定连接于所述主端基座；所述主端基座、所述食指第一连杆组件、所述食指第二连杆组件及所述食指工作连杆组件形成平行四边形机构。3.如权利要求2所述的双指操作器，其特征在于，所述拇指组件包括拇指电机、拇指第一锥齿轮、拇指第一连杆组件、拇指工作连杆组件、拇指第二连杆组件、拇指第二锥齿轮、拇指编码器、拇指编码器基座以及导轨组件；所述拇指电机固定连接于所述拇指编码器基座；所述拇指第一锥齿轮与所述拇指电机的输出轴同轴固联；所述拇指第一连杆组件的一端与所述拇指编码器基座转动连接，并与所述拇指第一锥齿轮啮合；所述拇指工作连杆组件的一端与所述拇指第一连杆组件转动连接，中部与所述拇指第二连杆组件的一端转动连接，并且另一端与导丝相切；所述拇指第二连杆组件的另一端与所述拇指编码器基座转动连接；所述拇指第二锥齿轮与所述拇指第二连杆组件的另一端啮合，并与拇指编码器输出轴同轴固联；所述拇指编码器通过螺钉与所述拇指编码器基座固连；所述拇指编码器基座通过所述导轨组件与所述主端基座滑动连接，滑动方向与所述拇指工作连杆组件的两个转动副轴所在的平面垂直；所述拇指编码器基座、所述拇指第一连杆组件、所述拇指第二连杆组件及所述拇指工作连杆组件组成平行四边形机构，并与所述食指组件的平行四边形机构全等。
4.如权利要求3所述的双指操作器，其特征在于，所述sea组件包括sea电机、sea第一齿轮、sea第一齿条、sea弹簧顶板、sea弹簧、sea第二齿条、sea第二齿轮及sea编码器；所述sea电机固定连接于所述主端基座；所述sea第一齿轮与所述sea电机的输出轴同轴固连；所述sea第一齿条通过所述导轨组件与所述主端基座滑动连接，并与所述sea第一齿轮啮合；所述sea弹簧顶板与所述sea第一齿条通过螺钉固连；所述sea弹簧套入所述拇指编码器基座的伸出轴上且两端面分别顶在所述拇指编码器基座及所述sea弹簧顶板上；所述sea第二齿条与所述拇指编码器基座通过螺钉固连；所述sea第二齿轮与所述sea第二齿条啮合，并与所述sea编码器同轴固连；所述sea编码器固定连接于所述sea第一齿条；所述导轨组件为双滑块直线导轨，所述sea第一齿条固连于所述导轨组件的一个滑块上，所述拇指编码器基座固连于所述导轨组件的另一个滑块上。5.如权利要求4所述的双指操作器，其特征在于，所述食指第一连杆组件包括第一法兰轴承、第一轴承端盖、两个食指铰制孔螺栓、第一轴承套筒、食指锥齿轮连杆、食指螺母、第二法兰轴承、第二轴承端盖及第二轴承套筒；所述第一法兰轴承的外圈与所述主端基座的安装孔过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述主端基座及所述第一轴承端盖配合；所述第一轴承端盖与所述主端基座通过螺栓固连，用于实现所述第一法兰轴承在所述主端基座的轴向限位；一个食指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第一法兰轴承的内圈及所述食指锥齿轮连杆的连接孔同轴过渡配合；所述食指锥齿轮连杆沿水平方向延伸，一端通过一个食指铰制孔螺栓、所述第一轴承套筒和所述食指螺母固定连接于所述第一法兰轴承的内圈，用于实现所述食指锥齿轮连杆的一端通过所述第一法兰轴承与所述主端基座转动连接；所述第二法兰轴承的外圈与所述食指锥齿轮连杆另一端的连接孔过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述食指锥齿轮连杆及所述第二轴承端盖配合，所述第二轴承端盖通过螺栓固定连接于所述食指锥齿轮连杆，用于实现所述第二法兰轴承的轴向限位；另一个食指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第二法兰轴承的内圈及所述食指工作连杆组件一端的连接孔同轴过渡配合；所述食指锥齿轮连杆的另一端通过另一个食指铰制孔螺栓、所述第二轴承套筒及所述食指螺母固定连接于所述第二法兰轴承的内圈，用于实现所述食指锥齿轮连杆另一端与所述食指工作连杆组件的中部转动连接；所述食指第二连杆组件与所述食指第一连杆组件具有相同结构且平行设置。6.如权利要求5所述的双指操作器，其特征在于，所述食指工作连杆组件包括食指工作连杆、食指指腹轴承、食指指腹滑块、食指指腹硅胶垫、限位挡块以及限位开关；所述食指工作连杆沿竖直方向延伸，一端与所述食指第一连杆组件的食指锥齿轮连杆转动连接，沿竖直方向的中间部与所述食指第二连杆组件的食指锥齿轮连杆转动连接；
四个所述食指指腹轴承呈矩形排布并均通过螺栓固定连接于所述食指工作连杆；所述食指指腹滑块上带有轨道，轨道与四个所述食指指腹轴承的外圈相切配合且与四个所述食指指腹轴承的外圈两侧端面配合，用于使所述食指指腹滑块通过四个所述食指指腹轴承与所述食指工作连杆滑动连接；所述限位挡块通过螺栓固定连接于所述食指工作连杆，用于限制所述食指指腹滑块的滑动范围；所述限位开关固定连接于所述食指工作连杆，并能够在所述食指指腹滑块的滑动范围内触发；所述食指指腹硅胶垫与所述食指指腹滑块固定连接，并与导丝相切配合。7.如权利要求6所述的双指操作器，其特征在于，所述拇指第一连杆组件包括第三法兰轴承、第三轴承端盖、拇指铰制孔螺栓、第三轴承套筒、拇指锥齿轮连杆、拇指螺母、第四法兰轴承、第四轴承端盖及第四轴承套筒；所述第三法兰轴承的外圈与所述拇指编码器基座的安装孔同轴过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述拇指编码器基座及所述第三轴承端盖配合；所述第三轴承端盖通过螺栓固定连接于所述拇指编码器基座，用于实现所述第三法兰轴承在所述拇指编码器基座上的轴向限位；一个拇指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第三法兰轴承的内圈及所述拇指锥齿轮连杆的连接孔同轴过渡配合；所述拇指锥齿轮连杆沿水平方向延伸，一端通过拇指铰制孔螺栓、所述第三轴承套筒及所述拇指螺母固定连接于所述第三法兰轴承的内圈，用于通过所述第三法兰轴承实现所述拇指锥齿轮连杆与所述拇指编码器基座的转动连接；所述第四法兰轴承的外圈与所述拇指锥齿轮连杆另一端的连接孔过渡配合，外圈的两侧端面分别与所述拇指锥齿轮连杆及所述第四轴承端盖配合；所述第四轴承端盖通过螺栓固定连接于所述拇指锥齿轮连杆，用于实现所述第四法兰轴承的轴向限位；另一个拇指铰制孔螺栓的光杆部分与所述第四法兰轴承的内圈及所述拇指工作连杆组件一端的连接孔同轴过渡配合；所述拇指锥齿轮连杆的另一端通过拇指铰制孔螺栓、所述第四轴承套筒及所述拇指螺母固定连接于第四法兰轴承的内圈，用于通过所述第四法兰轴承实现所述拇指锥齿轮连杆与所述拇指编码器基座的转动连接；所述拇指第二连杆组件与所述拇指第一连杆组件具有相同结构且平行设置。8.如权利要求1所述的双指操作器，其特征在于，所述拇指工作连杆组件包括拇指工作连杆、拇指指腹轴承、拇指指腹滑块、拇指指腹硅胶垫及递送力传感器；所述拇指工作连杆沿竖直方向延伸，一端与所述拇指第一连杆组件的拇指锥齿轮连杆转动连接，中部与所述拇指第二连杆组件的拇指锥齿轮连杆转动连接；四个所述拇指指腹轴承呈矩形排布并分别通过螺栓固定连接于所述拇指工作连杆；所述拇指指腹滑块上带有轨道，轨道与四个所述拇指指腹轴承的外圈相切配合并与四个所述拇指指腹轴承的外圈两侧端面配合，所述拇指指腹滑块通过四个所述拇指指腹轴承与所述拇指工作连杆滑动连接；
所述递送力传感器的一侧端面通过螺钉固定连接于所述拇指工作连杆，另一侧端面通过螺钉固定连接于所述拇指指腹滑块，用于测量所述拇指工作连杆与所述拇指指腹滑块之间在滑动方向上的力；所述拇指指腹硅胶垫与所述拇指指腹滑块固定连接并与导丝相切配合。9.一种如权利要求1-8任意一项所述的双指操作器的安全操作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，通过sea组件控制食指组件和拇指组件以初始夹持力f
initial
夹持导丝或者导管并进行递送；步骤二，当导丝或者导管发生打滑时，获取导丝或者导管在血管中的递送状态；若递送状态为进入目标支路，则表明当前的递送力阈值不足以完成当前的递送任务，通过sea组件增大夹持力以增大递送力阈值，即：f(t)＝f(t-1)+f
grad
；上式中，f(t)为t时刻的夹持力；f(t-1)为t-1时刻的夹持力，当t＝1时，f(0)为初始夹持力f
initial
；f
grad
为夹持力增大梯度；若递送状态为进入非目标支路，则表明当前导丝或者导管未处于目标区域，后撤并旋捻导丝、导管，夹持力保持不变，即：f(t)＝f(t-1)；步骤三，继续进行递送，当导丝或者导管发生打滑时重复步骤二。

技术总结
本发明公开了一种导管导丝双指操作器及其安全操作方法，该双指操作器包括主端基座以及固定安装于主端基座的食指组件、拇指组件和SEA组件；主端基座用于固定连接于机械臂末端；食指组件与拇指组件用于通过相对运动实现对导丝或导管的夹持、旋捻、伸取操作，并用于实现递送力的测量和感知导丝、导管在食指组件与拇指组件之间的滑动状态；SEA组件用于食指组件和拇指组件之间夹持力的测量与闭环控制。上述双指操作器可以实现导丝导管的夹持、旋捻、递送及夹持力闭环控制功能，实现递送力的精准测量及器械在指间滑动状态的感知，在满足完成当前任务的递送力需求的情况下还可以实时截止异常递送力的增大，保证手术安全。保证手术安全。保证手术安全。


技术研发人员：郭书祥 闫勇敢
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/16