胃镜运动部件优化设计

蒋志勇

摘 要：胃镜作为一种常用的医学检查设备，在现代医疗中使用频率较高。其运动部件关系到胃镜整个操作过程的流畅度和内窥的精准性，因此胃镜运动部件优化设计同样应当重视。基于此，文章对胃镜辅助操作器的运动学进行简要分析，并从胃镜辅助操作器及胃镜控制系统两个方面提出优化设计思路。

关键词：胃镜;控制系统;运动部件

胃镜作为在此类疾病中的重要检查设备，不仅需求量大，质量和性能要求也在不断提高。胃镜的运动部件包含了操控胃镜进行内窥检查的所有部件，其中辅助操作器及胃镜控制系统是关键，要实现胃镜运动部件的优化设计，应当在运动学分析基础上进一步进行讨论。

1.胃镜辅助操作器的运动学分析

胃镜手柄辅助控制系统以摄像探头质心为基础坐标系原点，以自身轴线为旋转中心线，这样的相对坐标系更加容易理解。质点在刚体的运动或平动中，或者在刚体绕固定轴旋转的运动中，刚体的惯性通过惯性矩和转动惯量来度量。在使用胃镜的过程中，整个胃镜旋转由锥齿轮结构驱动运动，使胃镜绕着胃手柄的轴线旋转。速度为18°/s，并考虑到惯性矩及其自身重力对转矩的影响，进行了动态仿真。当执行器操作胃镜手柄时，它需要转动两个轮子以使胃镜前端弯曲。胃镜手柄机械手操作同步带驱动机构，以通过直流电动机旋转控制轮。大轮的扭矩为0.4 Nm。小旋转轮的旋转扭矩为0.24 Nm，因此在环境中，旋转轮的负载扭矩是单独设置的。

2.胃镜辅助操作器的优化

操作胃镜手柄时，医生应操作两个轮子将其旋转到一定角度，由于电缆拉动机制，胃镜的前端将上下左右弯曲。测试表明，弯曲胃镜前端的大刻度盘可以顺时针旋转200，逆时针旋转90。弯曲胃镜前端的小刻度盘可以顺时针旋转100，逆时针可以旋转100。为了执行两个导向器旋转的辅助操作，设计一个轴结构，该轴结构可以位于同一轴上，以允许两个导向器分别旋转而不会相互干扰。因为车轮的外径为不均匀的牙齿形状，考虑设计凹槽镶嵌形状来旋转表盘。

在胃镜操作过程中，通过按下两个按钮相互配合，可以执行喷水，空气喷射和抽吸功能。按钮设计中，在确保足够的推动并节省周围空间的前提下，使用杠杆结构来按压按钮，并增加旋转的黄色复位结构，按下操纵杆后，可以根据弹性自动将其重置。为了实现按钮驱动功能，首先考虑了推力电磁铁和直线电动机，但是如果满足力的要求，则电磁铁和直线电动机很大，并且占用很大空间。最后，选择一个小气缸。因为气泵部分地向后，远离致动器，小气缸的尺寸很小，并且由气泵通过空气回路驱动，节省了辅助操作员的胃镜手柄的整体尺寸，杠杆结构可以减轻空气压力，它节省了周围空间，仅增加了垂直空间，使整体结构看起来紧凑而简单。

在胃镜操作过程中，胃镜手柄必须随内窥镜前端一起以一定角度运动。为了进行胃镜手柄跟踪设计，我们使用HIWIN工业机器人模组使机械手线性移动。通过模块化设计，KK工业机器人集成了滚珠丝杠和线性导轨，可以避免传统的制动平台受到导轨和驱动部件选择，安装验证，体积大和占用空间等缺点的困扰。因此，KK工业机器人可以提供快速的選择、安装，紧凑的尺寸，高刚性等特点，从而可以大大减少用户的空间和时间。然后选择伸缩套筒，以防止灰尘和异物进入工业机器人，从而影响使用寿命，精度和光滑度。这种工业机器人可以应付俯仰，偏航和侧倾力矩。

在胃镜检查期间，医生有时不得不调整胃镜相对于胃的角度，以便必须沿其自身轴线旋转手柄，便可以旋转前步枪瞄准镜。调整后视镜的角度后，可以进一步调整操作部件以进行观察。胃镜手柄的机械手结构沿其自身的轴线旋转，采用锥齿轮传动结构，锥齿轮传动比为1：2。由于旋转离合器使用交流伺服电机，因此电机的尺寸和重量都比较大。为了节省空间并适当地安排电动机的位置，带有电动机轴的齿轮和连接轴通过销钉和楔子固定在电动机轴上。确保圆周和轴向固定。选择交叉滚子轴承进行连接。这种轴承结构可以节省轴向尺寸，重量和轴向结构的设计工作量。机械手绕其自身轴线的速度为15 rpm，因此提供了一个旋转接头。为了节省空间和重量，旋转接头必须由伺服电机驱动。考虑到锥齿轮的设计，该结构简单且易于安装。

3.胃镜控制系统的优化

3.1 力反馈手柄的选取

主控侧的手柄在主从控制系统的人机交互中扮演着重要的角色，是操作员控制从属侧的执行器并感知探测环境的主要手段。手柄的操作逻辑简单只需控制主控力反馈手柄便可以同步控制其他附属手柄的力度大小，减少了操作难度。该项目使用Novint的Falcon系列产品，这些产品是异构手柄制造的主要生产商，由于其高精度的检测功能和力反馈功能，该产品可以替代传统的输入设备，外部尺寸为230mm * 30mm * 230mm立方体，且手柄可以在x，y和z方向上移动。该产品附带适配的软件开发套件，该套件可以通过调用API函数将手柄连接到控制计算机的程序。操作手柄具有超高的控制精度，毫牛级的力反馈，超低的工作低惯性和较低的部件摩擦的关节结构且手柄结构紧凑，重量轻，材质舒适且转向灵活。从结构的角度来看，产品包括一个手柄，3个自由度极高的关节臂和一个圆锥形主体探头。手柄的扩展性极好，可以根据当前的操作环境和具体需求，加装或者减少某部分的功能性结构并且与预留了丰富的扩展接口可以外接不同的手柄完成复杂的操作。新组合手柄的控制精度同样可以达到原来0.1mm级的精确度构建产生三维力的反馈通过信息传输接口将获得的精确信息与控制主机实时交换提高了安全性和可控性。

3.2 运动控制器的选择

运动控制器的功能是使用高性能微控制器和可编程设备对各种电机的运动参数进行实时伺服控制。通常，运动控制器集成了速度电路，位置电路，电路和控制所需的其他控件，并且可以精确地控制电动机的运动功能。当前，Open Motion控制器的开发相对较快。常用的控制器包括L系列运动控制器，NextMove系列运动控制器和PMAC运动控制器。MAC（可编程多轴控制器）集成了包括数字输入，数字输出，脉冲计数等在内的多种运动控制功能。PMAC卡的种类很多，可以满足各种速度和速度的各种控制信号和速度分析。在分辨率，带宽和其他显示方面，PMAC运动控制还具有其他优势：集成的伺服控制包括可配置的PID控制，阻止滤波器控制前进的速度和加速度。多轴伺服电机的每个轴都可以单独配置，并可以根据伺服类型和所需的反馈类型进行调整。该系统选择Clipper运动控制卡型号。它是一个高性能的应用程序控制器，集成了1000Mbps Etheret以太网接口，RS-232串行端口，USB端口等，方便用户通过多个接口与主机进行通信。

3.3电机的驱动器选型

驱动手柄旋转的直流电动机驱动器采用铭朗型号MLDS3610B，适用于驱动永磁直流伺服电动机，永磁无铁心直流伺服电动机和转矩电动机，最大连续电流为10 A，最大峰值电流为20 A，功率为480瓦。反馈组件包括一个增量编码器和一个转速表，其工作模式包括放大器模式，转矩模式，速度模式和驱动模式。增量编码器型号为HKT22，输出波形为方波，响应频率为0.30kHz，脉冲数为300。选择适用于富士GYS100D5-HB交流伺服电机的通用交流伺服电机驱动器，电压AC200?240V，运行频率50/60 Hz并带有报警屏幕。交流伺服电机装有控制器，型号为D2-0423-s，规格为100W。特殊功能包括自动编码器和电机相位校正以及电流环增益，速度环增益和位置环增益的自动设置。

4.总结

通过对胃镜运动部件的分析，在辅助操作器和控制器方面进行了优化，提高了胃镜检查的效率，减轻了胃镜检查给病人带来的痛苦。随着机器人技术，医学成像技术和传感器的飞速发展，胃镜技术在不断地更新换代，胃镜检查将变得更加高效，更加快捷。

参考文献

[1]张沁园，颜青来，钱文文，骆永洁.内窥镜手术器械力传递系数测试装置设计[J].中国医疗器械信息，2020，26（01）：29-30+177.