胃鏡運動部件優(yōu)化設計

蔣志勇

摘 要：胃鏡作為一種常用的醫(yī)學檢查設備，在現(xiàn)代醫(yī)療中使用頻率較高。其運動部件關系到胃鏡整個操作過程的流暢度和內(nèi)窺的精準性，因此胃鏡運動部件優(yōu)化設計同樣應當重視。基于此，文章對胃鏡輔助操作器的運動學進行簡要分析，并從胃鏡輔助操作器及胃鏡控制系統(tǒng)兩個方面提出優(yōu)化設計思路。

關鍵詞：胃鏡;控制系統(tǒng);運動部件

胃鏡作為在此類疾病中的重要檢查設備，不僅需求量大，質量和性能要求也在不斷提高。胃鏡的運動部件包含了操控胃鏡進行內(nèi)窺檢查的所有部件，其中輔助操作器及胃鏡控制系統(tǒng)是關鍵，要實現(xiàn)胃鏡運動部件的優(yōu)化設計，應當在運動學分析基礎上進一步進行討論。

1.胃鏡輔助操作器的運動學分析

胃鏡手柄輔助控制系統(tǒng)以攝像探頭質心為基礎坐標系原點，以自身軸線為旋轉中心線，這樣的相對坐標系更加容易理解。質點在剛體的運動或平動中，或者在剛體繞固定軸旋轉的運動中，剛體的慣性通過慣性矩和轉動慣量來度量。在使用胃鏡的過程中，整個胃鏡旋轉由錐齒輪結構驅動運動，使胃鏡繞著胃手柄的軸線旋轉。速度為18°/s，并考慮到慣性矩及其自身重力對轉矩的影響，進行了動態(tài)仿真。當執(zhí)行器操作胃鏡手柄時，它需要轉動兩個輪子以使胃鏡前端彎曲。胃鏡手柄機械手操作同步帶驅動機構，以通過直流電動機旋轉控制輪。大輪的扭矩為0.4 Nm。小旋轉輪的旋轉扭矩為0.24 Nm，因此在環(huán)境中，旋轉輪的負載扭矩是單獨設置的。

2.胃鏡輔助操作器的優(yōu)化

操作胃鏡手柄時，醫(yī)生應操作兩個輪子將其旋轉到一定角度，由于電纜拉動機制，胃鏡的前端將上下左右彎曲。測試表明，彎曲胃鏡前端的大刻度盤可以順時針旋轉200，逆時針旋轉90。彎曲胃鏡前端的小刻度盤可以順時針旋轉100，逆時針可以旋轉100。為了執(zhí)行兩個導向器旋轉的輔助操作，設計一個軸結構，該軸結構可以位于同一軸上，以允許兩個導向器分別旋轉而不會相互干擾。因為車輪的外徑為不均勻的牙齒形狀，考慮設計凹槽鑲嵌形狀來旋轉表盤。

在胃鏡操作過程中，通過按下兩個按鈕相互配合，可以執(zhí)行噴水，空氣噴射和抽吸功能。按鈕設計中，在確保足夠的推動并節(jié)省周圍空間的前提下，使用杠桿結構來按壓按鈕，并增加旋轉的黃色復位結構，按下操縱桿后，可以根據(jù)彈性自動將其重置。為了實現(xiàn)按鈕驅動功能，首先考慮了推力電磁鐵和直線電動機，但是如果滿足力的要求，則電磁鐵和直線電動機很大，并且占用很大空間。最后，選擇一個小氣缸。因為氣泵部分地向后，遠離致動器，小氣缸的尺寸很小，并且由氣泵通過空氣回路驅動，節(jié)省了輔助操作員的胃鏡手柄的整體尺寸，杠桿結構可以減輕空氣壓力，它節(jié)省了周圍空間，僅增加了垂直空間，使整體結構看起來緊湊而簡單。

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

在胃鏡檢查期間，醫(yī)生有時不得不調(diào)整胃鏡相對于胃的角度，以便必須沿其自身軸線旋轉手柄，便可以旋轉前步槍瞄準鏡。調(diào)整后視鏡的角度后，可以進一步調(diào)整操作部件以進行觀察。胃鏡手柄的機械手結構沿其自身的軸線旋轉，采用錐齒輪傳動結構，錐齒輪傳動比為1：2。由于旋轉離合器使用交流伺服電機，因此電機的尺寸和重量都比較大。為了節(jié)省空間并適當?shù)匕才烹妱訖C的位置，帶有電動機軸的齒輪和連接軸通過銷釘和楔子固定在電動機軸上。確保圓周和軸向固定。選擇交叉滾子軸承進行連接。這種軸承結構可以節(jié)省軸向尺寸，重量和軸向結構的設計工作量。機械手繞其自身軸線的速度為15 rpm，因此提供了一個旋轉接頭。為了節(jié)省空間和重量，旋轉接頭必須由伺服電機驅動?？紤]到錐齒輪的設計，該結構簡單且易于安裝。

3.胃鏡控制系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 力反饋手柄的選取

主控側的手柄在主從控制系統(tǒng)的人機交互中扮演著重要的角色，是操作員控制從屬側的執(zhí)行器并感知探測環(huán)境的主要手段。手柄的操作邏輯簡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。該項目使用Novint的Falcon系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品是異構手柄制造的主要生產(chǎn)商，由于其高精度的檢測功能和力反饋功能，該產(chǎn)品可以替代傳統(tǒng)的輸入設備，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。該產(chǎn)品附帶適配的軟件開發(fā)套件，該套件可以通過調(diào)用API函數(shù)將手柄連接到控制計算機的程序。操作手柄具有超高的控制精度，毫牛級的力反饋，超低的工作低慣性和較低的部件摩擦的關節(jié)結構且手柄結構緊湊，重量輕，材質舒適且轉向靈活。從結構的角度來看，產(chǎn)品包括一個手柄，3個自由度極高的關節(jié)臂和一個圓錐形主體探頭。手柄的擴展性極好，可以根據(jù)當前的操作環(huán)境和具體需求，加裝或者減少某部分的功能性結構并且與預留了豐富的擴展接口可以外接不同的手柄完成復雜的操作。新組合手柄的控制精度同樣可以達到原來0.1mm級的精確度構建產(chǎn)生三維力的反饋通過信息傳輸接口將獲得的精確信息與控制主機實時交換提高了安全性和可控性。

3.2 運動控制器的選擇

運動控制器的功能是使用高性能微控制器和可編程設備對各種電機的運動參數(shù)進行實時伺服控制。通常，運動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機的運動功能。當前，Open Motion控制器的開發(fā)相對較快。常用的控制器包括L系列運動控制器，NextMove系列運動控制器和PMAC運動控制器。MAC（可編程多軸控制器）集成了包括數(shù)字輸入，數(shù)字輸出，脈沖計數(shù)等在內(nèi)的多種運動控制功能。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和速度分析。在分辨率，帶寬和其他顯示方面，PMAC運動控制還具有其他優(yōu)勢：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的速度和加速度。多軸伺服電機的每個軸都可以單獨配置，并可以根據(jù)伺服類型和所需的反饋類型進行調(diào)整。該系統(tǒng)選擇Clipper運動控制卡型號。它是一個高性能的應用程序控制器，集成了1000Mbps Etheret以太網(wǎng)接口，RS-232串行端口，USB端口等，方便用戶通過多個接口與主機進行通信。

3.3電機的驅動器選型

驅動手柄旋轉的直流電動機驅動器采用銘朗型號MLDS3610B，適用于驅動永磁直流伺服電動機，永磁無鐵心直流伺服電動機和轉矩電動機，最大連續(xù)電流為10 A，最大峰值電流為20 A，功率為480瓦。反饋組件包括一個增量編碼器和一個轉速表，其工作模式包括放大器模式，轉矩模式，速度模式和驅動模式。增量編碼器型號為HKT22，輸出波形為方波，響應頻率為0.30kHz，脈沖數(shù)為300。選擇適用于富士GYS100D5-HB交流伺服電機的通用交流伺服電機驅動器，電壓AC200?240V，運行頻率50/60 Hz并帶有報警屏幕。交流伺服電機裝有控制器，型號為D2-0423-s，規(guī)格為100W。特殊功能包括自動編碼器和電機相位校正以及電流環(huán)增益，速度環(huán)增益和位置環(huán)增益的自動設置。

4.總結

通過對胃鏡運動部件的分析，在輔助操作器和控制器方面進行了優(yōu)化，提高了胃鏡檢查的效率，減輕了胃鏡檢查給病人帶來的痛苦。隨著機器人技術，醫(yī)學成像技術和傳感器的飛速發(fā)展，胃鏡技術在不斷地更新?lián)Q代，胃鏡檢查將變得更加高效，更加快捷。

參考文獻

[1]張沁園，顏青來，錢文文，駱永潔.內(nèi)窺鏡手術器械力傳遞系數(shù)測試裝置設計[J].中國醫(yī)療器械信息，2020，26（01）：29-30+177.