【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗机器人，尤其涉及一种线/流体混合驱动的支气管镜机器人及控制方法。
技术介绍
1、基于柔性支气管镜的经支气管镜肺活检术是目前对早期肺癌进行诊断的一线术式。传统的柔性支气管镜操作为：将一根柔性支气管镜进入肺部气管，并从中递送活检工具到指定肺结节位置进行组织、细胞样本提取，最后进行病理学检查。优点在于：(1)经由自然腔道进入几乎无创，并发症概率最小；(2)是目前唯一有望实现早期肺癌诊断、分期、治疗一体化的技术，能够极大缩短患者的诊疗周期，提高存活率。
2、近几十年来先进支气管镜检查技术的诊断率并无显著提高，尤其是对于所发现的日益增多的小结节、很大可能是癌性肺结节的肺外周结节以及受吸烟因素诱导较大的左肺上叶结节。诊断率低下的原因有：(1)到达肺周的挑战性。由于通往肺周的支气管路径狭小易坍塌，医生导航到肺外周支气管的视觉辨识和空间定向都极具挑战性；(2)活检精度问题。对于小而远的肺外周结节，由于狭窄的气道缺乏实时干预手段，在ct-人散度，肺不张以及操作误差的影响下，难以实现“针在组织确认”；(3)安全性问题。在肺外周，对活检等以及其他操作的灵活性受限，例如活检针刺入组织规避血管到达病变位置的操作难以实现。目前，一些先进的局部治疗方法如先进的消融手段(冷冻消融、微波消融等)，光动力治疗等的成功实施引发了对支气管镜诊疗一体化的追求。这对末端位置的精度产生了更高的要求，以及对腔内器械部署模式产生了新的讨论。
3、支气管镜机器人系统将传统支气管镜替换为小直径高长细比的连续体机器人，并结合基于先进医疗影像的
4、因此，有必要结合软体机器人技术以及新的驱动模式，针对常规支气管镜或者支气管镜机器人难以进入的大曲率气道，研发具有能“沿特定气道轨迹运动”的支气管镜机器人，并在结构上保障支气管镜末端接触的安全性。
技术实现思路
1、专利技术目的：针对以上缺点，本专利技术提供一种线/流体混合驱动的支气管镜机器人及控制方法。
2、技术方案：为解决上述问题，本专利技术采用一种线/流体混合驱动的支气管镜机器人，包括进给模块、驱动模块、支气管镜模块，所述支气管镜模块与驱动模块连接，所述进给模块用于带动驱动模块和支气管镜模块移动；
3、所述驱动模块包括一个流体驱动模块和若干线驱动模块，流体驱动模块包括第二驱动机构、注射器，所述第二驱动机构用于推动注射器进行注射；线驱动模块包括第三驱动机构、卷线机构，所述第三驱动机构用于驱动卷线机构旋转；
4、所述支气管镜模块包括支气管镜安装座、被动弯曲段、主动弯曲段、若干根线、微型摄像头，所述支气管镜安装座一侧与注射器的注射端连接，所述被动弯曲段一端与支气管镜安装座另一侧连接，被动弯曲段另一端与主动弯曲段连接；所述线一端固定于主动弯曲段顶部，线另一端穿过主动弯曲段、被动弯曲段并固定于卷线机构上；所述微型摄像头安装于主动弯曲段顶部；
5、所述注射器与主动弯曲段连通，当注射器向主动弯曲段内注射液体时，主动弯曲段长度增加；卷线机构用于对线进行收放以控制主动弯曲段的弯曲角度。
6、进一步的，所述进给模块包括第一驱动机构、滚珠丝杆安装座、滚珠丝杆、设于滚珠丝杆上的滑块、固定于滑块上的驱动模块安装座，所述驱动模块固定于驱动模块安装座上，所述滚珠丝杆与第一驱动机构的输出轴连接，第一驱动机构驱动驱动模块沿滚珠丝杆长度方向移动。
7、进一步的，所述卷线机构包括与第三驱动机构输出轴连接的蜗杆、与蜗杆配合的蜗轮，线一端固定于蜗轮上。
8、进一步的，所述线驱动模块上还设有线导向座，所述线导向座一端与支气管镜安装座连接，所述支气管镜安装座和线导向座内设有连通的线路通道，所述线经过线路通道并固定于蜗轮上。
9、进一步的，所述主动弯曲段包括与被动弯曲段连接的底盘、位于顶部的顶盘，所述顶盘与底盘之间设有交替连接的间隔盘和波纹管，所述间隔盘外径大于波纹管外径，所述线一端固定于顶盘上，并穿过各间隔盘和底盘；所述波纹管采用弹性材料，通过线控制波纹管的变形以控制主动弯曲段的弯曲角度。
10、进一步的，所述底盘、间隔盘、顶盘材料为生物兼容性光敏树脂，所述线材料为聚乙烯，所述波纹管材料为热塑性聚氨酯弹性体。
11、进一步的，所述注射器包括注射器外筒、与注射器外筒连接的注射头、位于注射头一端的注射管道、位于注射头内的活动块，所述第二驱动机构推动活动块以进行注射，所述注射管道穿过支气管镜安装座、被动弯曲段并与主动弯曲段连通。
12、进一步的，所述活动块顶部设有用于检测注射头内流体压力的流体压力传感器，当流体压力传感器检测压力大于预设值时，第二驱动机构停止工作。
13、本专利技术还提供所述支气管镜机器人的控制方法，分别包括以下工作模式：
14、弯曲模式：控制第二驱动机构推动注射器进行注射，使主动弯曲段伸长至预设长度，再通过第三驱动机构控制线的收放，使主动弯曲段弯曲；
15、常曲率模式：在主动弯曲段处于长度最短的初始状态下，控制第二驱动机构持续推动注射器进行注射，同时第三驱动机构控制线的收放，使主动弯曲段在伸长过程中发生弯曲；
16、进给模式：通过进给模块驱动支气管镜模块整体移动。
17、进一步的，所述支气管镜机器人包括三个呈圆周分布的线驱动模块和三条线，每个线驱动模块控制一条线的收放，三根线在主动弯曲段顶部的固定点呈圆周分布，所述常曲率模式的曲率κ计算公式如下：
18、
19、l1,l2,l3分别为三条线在主动弯曲段段上的长度，d为三根线在主动弯曲段顶部的固定点所确定的圆的直径。
20、有益效果：本专利技术相对于现有技术，其显著优点是(1)通过进给模块、驱动模块控制支气管镜的移动、伸缩和弯曲，提高支气管镜机器人的灵活性，满足应对不同曲率气道的需求，最终成功进入远端气道，并保证与气道接触时的安全性；(2)通过流体驱动模块与线驱动模块配合，分别控制主动段的长度和弯曲角度，实现支气管镜机器人的多种工作模式，适用性能强；(3)常曲率模式下，能够实现“沿特定气道轨迹运动”的工作模式，能够更加容易的通过大曲率气道；(4)主动段是软体结构，保证远端气道接触的安全性，弥补支气管镜机器人力感知丧失的缺点。
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1.一种线/流体混合驱动的支气管镜机器人，其特征在于，包括进给模块(1)、驱动模块(2)、支气管镜模块(3)，所述支气管镜模块(3)与驱动模块(2)连接，所述进给模块(1)用于带动驱动模块(2)和支气管镜模块(3)移动；
2.如权利要求1所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述进给模块(1)包括第一驱动机构(11)、滚珠丝杆安装座(12)、滚珠丝杆(13)、设于滚珠丝杆(13)上的滑块、固定于滑块上的驱动模块安装座(14)，所述驱动模块(2)固定于驱动模块安装座(14)上，所述滚珠丝杆(13)与第一驱动机构(11)的输出轴连接，第一驱动机构(11)带动驱动模块(2)沿滚珠丝杆长度方向移动。
3.如权利要求1所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述卷线机构包括与第三驱动机构(221)输出轴连接的蜗杆(222)、与蜗杆(222)配合的蜗轮(223)，线(34)一端固定于蜗轮(223)上。
4.如权利要求3所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述线驱动模块(22)上还设有线导向座(224)，所述线导向座(224)一端与支气管镜安装座(31)连接，所述支气管
5.如权利要求1所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述主动弯曲段(33)包括与被动弯曲段(32)连接的底盘(331)、位于顶部的顶盘(332)，所述顶盘(332)与底盘(331)之间设有交替连接的间隔盘(333)和波纹管(334)，所述间隔盘(333)外径大于波纹管(334)外径，所述线(34)一端固定于顶盘(332)上，并穿过各间隔盘(333)和底盘(331)；所述波纹管(334)采用弹性材料，通过线(34)控制波纹管(334)的变形以控制主动弯曲段(33)的弯曲角度。
6.如权利要求5所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述底盘(331)、间隔盘(333)、顶盘(332)材料为生物兼容性光敏树脂，所述线(34)材料为聚乙烯，所述波纹管(334)材料为热塑性聚氨酯弹性体。
7.如权利要求1所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述注射器(212)包括注射器外筒(2121)、与注射器外筒(2121)连接的注射头(2122)、位于注射头(2122)一端的注射管道(2123)、位于注射头(2122)内的活动块(2124)，所述第二驱动机构(211)推动活动块(2124)以进行注射，所述注射管道(2123)穿过支气管镜安装座(31)、被动弯曲段(32)并与主动弯曲段(33)连通。
8.如权利要求7所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述活动块(2124)顶部设有用于检测注射头(2122)内流体压力的流体压力传感器(2125)，当流体压力传感器(2125)检测压力大于预设值时，第二驱动机构(211)停止工作。
9.一种如权利要求1-8任一项所述支气管镜机器人的控制方法，其特征在于，分别包括以下工作模式：
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述支气管镜机器人包括三个呈圆周分布的线驱动模块(22)和三条线(34)，每个线驱动模块(22)控制一条线(34)的收放，三根线(34)在主动弯曲段(33)顶部的固定点呈圆周分布，所述常曲率模式的曲率κ计算公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种线/流体混合驱动的支气管镜机器人，其特征在于，包括进给模块(1)、驱动模块(2)、支气管镜模块(3)，所述支气管镜模块(3)与驱动模块(2)连接，所述进给模块(1)用于带动驱动模块(2)和支气管镜模块(3)移动；
2.如权利要求1所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述进给模块(1)包括第一驱动机构(11)、滚珠丝杆安装座(12)、滚珠丝杆(13)、设于滚珠丝杆(13)上的滑块、固定于滑块上的驱动模块安装座(14)，所述驱动模块(2)固定于驱动模块安装座(14)上，所述滚珠丝杆(13)与第一驱动机构(11)的输出轴连接，第一驱动机构(11)带动驱动模块(2)沿滚珠丝杆长度方向移动。
3.如权利要求1所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述卷线机构包括与第三驱动机构(221)输出轴连接的蜗杆(222)、与蜗杆(222)配合的蜗轮(223)，线(34)一端固定于蜗轮(223)上。
4.如权利要求3所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述线驱动模块(22)上还设有线导向座(224)，所述线导向座(224)一端与支气管镜安装座(31)连接，所述支气管镜安装座(31)和线导向座(224)内设有连通的线路通道(2241)，所述线(34)经过线路通道(2241)并固定于蜗轮(223)上。
5.如权利要求1所述的支气管镜机器人，其特征在于，所述主动弯曲段(33)包括与被动弯曲段(32)连接的底盘(331)、位于顶部的顶盘(332)，所述顶盘(332)与底盘(331)之间设有交替连接的间隔盘(333)和波纹管(334)，所述间隔盘(333)外径大于波纹管(334)外径，所述线(34)...
【专利技术属性】
技术研发人员：凌杰，段榆洲，玉作庆，朱玉川，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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