蔣志勇

摘 要：胃鏡作為一種常用的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備，在現(xiàn)代醫(yī)療中使用頻率較高。其運(yùn)動(dòng)部件關(guān)系到胃鏡整個(gè)操作過(guò)程的流暢度和內(nèi)窺的精準(zhǔn)性，因此胃鏡運(yùn)動(dòng)部件優(yōu)化設(shè)計(jì)同樣應(yīng)當(dāng)重視?；诖耍恼聦?duì)胃鏡輔助操作器的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并從胃鏡輔助操作器及胃鏡控制系統(tǒng)兩個(gè)方面提出優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：胃鏡;控制系統(tǒng);運(yùn)動(dòng)部件

胃鏡作為在此類疾病中的重要檢查設(shè)備，不僅需求量大，質(zhì)量和性能要求也在不斷提高。胃鏡的運(yùn)動(dòng)部件包含了操控胃鏡進(jìn)行內(nèi)窺檢查的所有部件，其中輔助操作器及胃鏡控制系統(tǒng)是關(guān)鍵，要實(shí)現(xiàn)胃鏡運(yùn)動(dòng)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行討論。

1.胃鏡輔助操作器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

胃鏡手柄輔助控制系統(tǒng)以攝像探頭質(zhì)心為基礎(chǔ)坐標(biāo)系原點(diǎn)，以自身軸線為旋轉(zhuǎn)中心線，這樣的相對(duì)坐標(biāo)系更加容易理解。質(zhì)點(diǎn)在剛體的運(yùn)動(dòng)或平動(dòng)中，或者在剛體繞固定軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)中，剛體的慣性通過(guò)慣性矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)度量。在使用胃鏡的過(guò)程中，整個(gè)胃鏡旋轉(zhuǎn)由錐齒輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使胃鏡繞著胃手柄的軸線旋轉(zhuǎn)。速度為18°/s，并考慮到慣性矩及其自身重力對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。當(dāng)執(zhí)行器操作胃鏡手柄時(shí)，它需要轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)輪子以使胃鏡前端彎曲。胃鏡手柄機(jī)械手操作同步帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)控制輪。大輪的扭矩為0.4 Nm。小旋轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)扭矩為0.24 Nm，因此在環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)輪的負(fù)載扭矩是單獨(dú)設(shè)置的。

2.胃鏡輔助操作器的優(yōu)化

操作胃鏡手柄時(shí)，醫(yī)生應(yīng)操作兩個(gè)輪子將其旋轉(zhuǎn)到一定角度，由于電纜拉動(dòng)機(jī)制，胃鏡的前端將上下左右彎曲。測(cè)試表明，彎曲胃鏡前端的大刻度盤可以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)200，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。彎曲胃鏡前端的小刻度盤可以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)100，逆時(shí)針可以旋轉(zhuǎn)100。為了執(zhí)行兩個(gè)導(dǎo)向器旋轉(zhuǎn)的輔助操作，設(shè)計(jì)一個(gè)軸結(jié)構(gòu)，該軸結(jié)構(gòu)可以位于同一軸上，以允許兩個(gè)導(dǎo)向器分別旋轉(zhuǎn)而不會(huì)相互干擾。因?yàn)檐囕喌耐鈴綖椴痪鶆虻难例X形狀，考慮設(shè)計(jì)凹槽鑲嵌形狀來(lái)旋轉(zhuǎn)表盤。

在胃鏡操作過(guò)程中，通過(guò)按下兩個(gè)按鈕相互配合，可以執(zhí)行噴水，空氣噴射和抽吸功能。按鈕設(shè)計(jì)中，在確保足夠的推動(dòng)并節(jié)省周圍空間的前提下，使用杠桿結(jié)構(gòu)來(lái)按壓按鈕，并增加旋轉(zhuǎn)的黃色復(fù)位結(jié)構(gòu)，按下操縱桿后，可以根據(jù)彈性自動(dòng)將其重置。為了實(shí)現(xiàn)按鈕驅(qū)動(dòng)功能，首先考慮了推力電磁鐵和直線電動(dòng)機(jī)，但是如果滿足力的要求，則電磁鐵和直線電動(dòng)機(jī)很大，并且占用很大空間。最后，選擇一個(gè)小氣缸。因?yàn)闅獗貌糠值叵蚝螅h(yuǎn)離致動(dòng)器，小氣缸的尺寸很小，并且由氣泵通過(guò)空氣回路驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了輔助操作員的胃鏡手柄的整體尺寸，杠桿結(jié)構(gòu)可以減輕空氣壓力，它節(jié)省了周圍空間，僅增加了垂直空間，使整體結(jié)構(gòu)看起來(lái)緊湊而簡(jiǎn)單。

在胃鏡操作過(guò)程中，胃鏡手柄必須隨內(nèi)窺鏡前端一起以一定角度運(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)行胃鏡手柄跟蹤設(shè)計(jì)，我們使用HIWIN工業(yè)機(jī)器人模組使機(jī)械手線性移動(dòng)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，KK工業(yè)機(jī)器人集成了滾珠絲杠和線性導(dǎo)軌，可以避免傳統(tǒng)的制動(dòng)平臺(tái)受到導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)部件選擇，安裝驗(yàn)證，體積大和占用空間等缺點(diǎn)的困擾。因此，KK工業(yè)機(jī)器人可以提供快速的選擇、安裝，緊湊的尺寸，高剛性等特點(diǎn)，從而可以大大減少用戶的空間和時(shí)間。然后選擇伸縮套筒，以防止灰塵和異物進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人，從而影響使用壽命，精度和光滑度。這種工業(yè)機(jī)器人可以應(yīng)付俯仰，偏航和側(cè)傾力矩。

在胃鏡檢查期間，醫(yī)生有時(shí)不得不調(diào)整胃鏡相對(duì)于胃的角度，以便必須沿其自身軸線旋轉(zhuǎn)手柄，便可以旋轉(zhuǎn)前步槍瞄準(zhǔn)鏡。調(diào)整后視鏡的角度后，可以進(jìn)一步調(diào)整操作部件以進(jìn)行觀察。胃鏡手柄的機(jī)械手結(jié)構(gòu)沿其自身的軸線旋轉(zhuǎn)，采用錐齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，錐齒輪傳動(dòng)比為1：2。由于旋轉(zhuǎn)離合器使用交流伺服電機(jī)，因此電機(jī)的尺寸和重量都比較大。為了節(jié)省空間并適當(dāng)?shù)匕才烹妱?dòng)機(jī)的位置，帶有電動(dòng)機(jī)軸的齒輪和連接軸通過(guò)銷釘和楔子固定在電動(dòng)機(jī)軸上。確保圓周和軸向固定。選擇交叉滾子軸承進(jìn)行連接。這種軸承結(jié)構(gòu)可以節(jié)省軸向尺寸，重量和軸向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作量。機(jī)械手繞其自身軸線的速度為15 rpm，因此提供了一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭。為了節(jié)省空間和重量，旋轉(zhuǎn)接頭必須由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？紤]到錐齒輪的設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于安裝。

3.胃鏡控制系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 力反饋手柄的選取

主控側(cè)的手柄在主從控制系統(tǒng)的人機(jī)交互中扮演著重要的角色，是操作員控制從屬側(cè)的執(zhí)行器并感知探測(cè)環(huán)境的主要手段。手柄的操作邏輯簡(jiǎn)單只需控制主控力反饋手柄便可以同步控制其他附屬手柄的力度大小，減少了操作難度。該項(xiàng)目使用Novint的Falcon系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品是異構(gòu)手柄制造的主要生產(chǎn)商，由于其高精度的檢測(cè)功能和力反饋功能，該產(chǎn)品可以替代傳統(tǒng)的輸入設(shè)備，外部尺寸為230mm * 30mm * 230mm立方體，且手柄可以在x，y和z方向上移動(dòng)。該產(chǎn)品附帶適配的軟件開發(fā)套件，該套件可以通過(guò)調(diào)用API函數(shù)將手柄連接到控制計(jì)算機(jī)的程序。操作手柄具有超高的控制精度，毫牛級(jí)的力反饋，超低的工作低慣性和較低的部件摩擦的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)且手柄結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，材質(zhì)舒適且轉(zhuǎn)向靈活。從結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，產(chǎn)品包括一個(gè)手柄，3個(gè)自由度極高的關(guān)節(jié)臂和一個(gè)圓錐形主體探頭。手柄的擴(kuò)展性極好，可以根據(jù)當(dāng)前的操作環(huán)境和具體需求，加裝或者減少某部分的功能性結(jié)構(gòu)并且與預(yù)留了豐富的擴(kuò)展接口可以外接不同的手柄完成復(fù)雜的操作。新組合手柄的控制精度同樣可以達(dá)到原來(lái)0.1mm級(jí)的精確度構(gòu)建產(chǎn)生三維力的反饋通過(guò)信息傳輸接口將獲得的精確信息與控制主機(jī)實(shí)時(shí)交換提高了安全性和可控性。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制器的選擇

運(yùn)動(dòng)控制器的功能是使用高性能微控制器和可編程設(shè)備對(duì)各種電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)伺服控制。通常，運(yùn)動(dòng)控制器集成了速度電路，位置電路，電路和控制所需的其他控件，并且可以精確地控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)功能。當(dāng)前，Open Motion控制器的開發(fā)相對(duì)較快。常用的控制器包括L系列運(yùn)動(dòng)控制器，NextMove系列運(yùn)動(dòng)控制器和PMAC運(yùn)動(dòng)控制器。MAC（可編程多軸控制器）集成了包括數(shù)字輸入，數(shù)字輸出，脈沖計(jì)數(shù)等在內(nèi)的多種運(yùn)動(dòng)控制功能。PMAC卡的種類很多，可以滿足各種速度和速度的各種控制信號(hào)和速度分析。在分辨率，帶寬和其他顯示方面，PMAC運(yùn)動(dòng)控制還具有其他優(yōu)勢(shì)：集成的伺服控制包括可配置的PID控制，阻止濾波器控制前進(jìn)的速度和加速度。多軸伺服電機(jī)的每個(gè)軸都可以單獨(dú)配置，并可以根據(jù)伺服類型和所需的反饋類型進(jìn)行調(diào)整。該系統(tǒng)選擇Clipper運(yùn)動(dòng)控制卡型號(hào)。它是一個(gè)高性能的應(yīng)用程序控制器，集成了1000Mbps Etheret以太網(wǎng)接口，RS-232串行端口，USB端口等，方便用戶通過(guò)多個(gè)接口與主機(jī)進(jìn)行通信。

3.3電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選型

驅(qū)動(dòng)手柄旋轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用銘朗型號(hào)MLDS3610B，適用于驅(qū)動(dòng)永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，永磁無(wú)鐵心直流伺服電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)，最大連續(xù)電流為10 A，最大峰值電流為20 A，功率為480瓦。反饋組件包括一個(gè)增量編碼器和一個(gè)轉(zhuǎn)速表，其工作模式包括放大器模式，轉(zhuǎn)矩模式，速度模式和驅(qū)動(dòng)模式。增量編碼器型號(hào)為HKT22，輸出波形為方波，響應(yīng)頻率為0.30kHz，脈沖數(shù)為300。選擇適用于富士GYS100D5-HB交流伺服電機(jī)的通用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電壓AC200?240V，運(yùn)行頻率50/60 Hz并帶有報(bào)警屏幕。交流伺服電機(jī)裝有控制器，型號(hào)為D2-0423-s，規(guī)格為100W。特殊功能包括自動(dòng)編碼器和電機(jī)相位校正以及電流環(huán)增益，速度環(huán)增益和位置環(huán)增益的自動(dòng)設(shè)置。

4.總結(jié)

通過(guò)對(duì)胃鏡運(yùn)動(dòng)部件的分析，在輔助操作器和控制器方面進(jìn)行了優(yōu)化，提高了胃鏡檢查的效率，減輕了胃鏡檢查給病人帶來(lái)的痛苦。隨著機(jī)器人技術(shù)，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和傳感器的飛速發(fā)展，胃鏡技術(shù)在不斷地更新?lián)Q代，胃鏡檢查將變得更加高效，更加快捷。

參考文獻(xiàn)

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