CN101411631B - 五自由度脊柱微创机器人操作机构 - Google Patents

Abstract

一种五自由度脊柱微创机器人操作机构，属于医疗外科手术的辅助定位机械。该机构由基座、X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、腕部组件和手部组件六大部分组成，X轴通过支架与基座固连，X轴与Y轴之间、Y轴与Z轴之间由滑块连接，腕部与Z轴、手部与腕部之间由转动轴连接，各部分在电机驱动下能够产生相对运动，机构驱动和电气控制由滚珠丝杠、导轨、滑块、驱动电机和单片机等组成。本发明能够按照医生规划的手术入路实现高精度的手术工具定位，从而减少医生的工作强度，提高手术成功率，减小对患者造成的创伤，减轻患者痛苦，并且结构简单可靠，具有良好的产业化前景。

Description

五自由度脊柱微创机器人操作机构

【技术领域】：本发明属于医疗外科手术的辅助定位机械技术领域，特别涉及一种应用于脊柱微创外科手术的辅助定位机构，具体指五自由度脊柱微创机器人操作机构。

【背景技术】：目前，医疗机器人技术的研究已经成为国际机器人领域前沿研究热点之一，其中医疗外科机器人的研究最为突出。近年来，医务工作人员与科学工程技术人员紧密配合，研究开发了许多类型的医用外科手术机器人***，有的已经应用于临床实践。如美国Intuitive Surgical公司开发的DaVinci外科手术机器人***和以色列Mazor公司推出的“脊柱助理”脊柱手术用机器人等。

微创外科手术是指经非传统手术途径并借助医学影像等特殊手术器械和仪器对疾患进行诊断和治疗的微创技术和方法，其目的在于将医源性创伤减小到最低程度，同时获得最佳疗效。微创外科手术也具有前面所述微创外科手术的问题，而且脊柱的病变位置与重要生命器官相邻，手术精度要求高，对医生提出了更高的要求。高精度的手术定位技术始终是限制脊柱微创外科手术推广的瓶颈。目前脊柱微创外科手术只能在我国的一些大医院开展。

机器人技术是解决上述问题的重要方法。利用机器人的高精度、稳定性和可控性，来完成手术的定位，为医生手术搭建一个稳固的手术操作平台，改变了过去医生只能凭借主观判断和积累的手术经验来完成手术的局面，能够减少人为因素引起的手术误差，提高手术质量。

【发明内容】：本发明目的是解决脊柱微创外科手术中的高精度手术定位的技术问题，提供一种五自由度脊柱微创机器人操作机构。

本发明提供的五自由度脊柱微创机器人操作机构，由基座、X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、腕部组件、手部组件六大部分构成；各部分在步进电机的驱动下，能够产生相对运动或转动。所述的机器人操作机构的驱动和控制***由步进电机、驱动器、减速器、控制盒、单片机和控制软件组成。其中，

X轴组件包括：第一导轨，该导轨分别通过其两端的第一轨轴承架和第一轨电机座固定在基座上，第一导轨上设置有与第一丝杠动块固定在一起的第一滑块，第一丝杠动块的一端与第一轨丝母固定在一起并套装在第一轨丝杠上，第一轨丝杠的一端通过第一轨联轴器与固定在第一轨电机座上的第一轨电机轴连接，第一轨丝杠的另一端通过第一轨轴承安装在第一轨轴承架上；

Y轴组件包括：通过第二导轨电机座固定在第一丝杠动块上并与第一导轨垂直的第二导轨，第二导轨的两端分别固定安装有第二导轨电机座和第二导轨轴承架，第二导轨上设置有与第二丝杠动块固定在一起的第二轨滑块，第二丝杠动块的一端与第二轨丝母固定在一起并套装在第二轨丝杠上，第二轨丝杠的一端通过第二轨联轴器与固定在第二导轨电机座上的第二导轨电机轴连接，第二轨丝杠的另一端通过第二导轨轴承安装在第二导轨轴承架上；

Z轴组件包括：固定在第二丝杠动块上并与第一导轨和第二导轨所在平面垂直的第三导轨，第三导轨的两端分别固定安装有第三导轨电机座和第三导轨轴承架，第三导轨上设置有第三导轨滑块，第三导轨滑块的一端与第三轨丝母固定在一起并套装在第三轨丝杠上，第三轨丝杠的一端通过第三轨联轴器与固定在第三轨电机座上的第三轨电机轴连接，第三轨丝杠的另一端通过第三轨轴承安装在第三轨轴承架上；

腕部组件包括：固定在第三导轨一端的Z旋转轴承座，Z旋转轴承座上通过Z旋转滚针轴承和Z旋转轴承压盖安装有其轴向与第三导轨平行的Z旋转带柄轴，Z轴旋转电机和Z旋转电机减速器通过Z旋转减速器座安装在Z旋转轴承座上，Z旋转电机减速器的输出轴与Z旋转带柄轴的一端连接，Z旋转电位器座固定在Z旋转带柄轴的另一端，其上安装Z旋转电位器；

手部组件包括：固定安装在Z旋转带柄轴的轴柄上的X旋转轴承座，X旋转轴承座上通过轴承和X旋转轴承压盖安装有其轴向与第一导轨平行的X旋转带柄轴，X旋转电机和X旋转减速器通过X旋转减速器座安装在X旋转轴承座上，X旋转减速器的输出轴与X旋转带柄轴的一端连接，X旋转带柄轴的另一端上的轴柄上固定终端支架，终端支架上安装手术工具。

本发明操作机构具有五个自由度，分别为I、II、III、IV和V关节，其中前三个为移动关节，后两个为转动关节。在预工作位置状态，机器人基座沿着CT机检查床导轨安装，沿X轴运动即为I关节运动方向，其垂直于检查床导轨，并平行于水平面；沿Y轴运动即为II关节运动方向，其垂直于I关节并垂直于水平面；沿Z轴运动即为III关节运动方向，其垂直于II关节并平行于水平面；绕腕部旋转轴方向即为IV关节轴线，其与III关节平行；绕手部旋转轴方向即为V关节轴线，其与IV关节垂直。

本发明的优点和积极效果：

本发明机构与机器人的电气控制***结合，可以在人的操作下按照医生制定的手术入路自主实现高精度绝对定位，将机构末端的手术工具准确定位到病灶点位置，当该机构中各个关节被锁定后，就能够保持机构末端手术工具的稳定，为医生建立一个稳固的手术操作平台。医生可以沿着机器人末端执行器的方向，进行穿刺等微创手术。

该机构具有较大的工作空间和灵活性，以及较强的负载能力；能够减轻医生的工作强度，降低手术难度，减少操作误差，提高手术成功率；能够减少患者痛苦，加快术后恢复时间。

【附图说明】：

图1是本发明五自由度脊柱微创机器人操作机构原理简图；

图2是本发明的X轴组件结构示意图；

图3是本发明的Y轴组件结构示意图；

图4是本发明的Z轴组件结构示意图；

图5是本发明的腕部组件结构示意图；

图6是本发明的手部组件结构示意图。

图中：A、基座，B、X轴组件，C、Y轴组件，D、Z轴组件，E、腕部组件，F、手部组件。

1第一导轨 2第一滑块 3第一轨丝杠 4第一轨丝母 5第一轨电机座 6第一轨电机 7第一轨联轴器 8第一轨轴承架 9第一轨轴承 10螺钉 11第二导轨 12第二导轨电机座 13第一丝杠动块 14第二导轨电机 15电机固定螺钉 16第二轨联轴器 17第二轨丝杠 18第二轨丝母 19第二轨滑块 20第二丝杠动块 21第二导轨轴承架 22第二导轨轴承 23第三导轨 24第三导轨滑块 25第三轨丝杠 26第三轨丝母 27第三轨联轴器28第三轨电机座 29第三轨电机 30第三轨轴承架 31第三轨轴承 32 Z旋转轴承座 33Z旋转电机减速器 34 Z轴旋转电机 35 Z旋转带柄轴 36 Z旋转减速器座 37 Z旋转轴承压盖 38 Z旋转滚针轴承 39 Z旋转电位器 40 Z旋转电位器座 41 X旋转轴承座 42 X旋转减速器 43 X旋转电机 44 X旋转减速器座 45 X旋转轴承压盖 46 X旋转带柄轴 47 X旋转电位器座 48 X旋转电位器 49终端支架 50线路板座 51穿刺用针。

【具体实施方式】：

实施例1：

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

图1说明了该机构的整体结构。即该机构由基座A、X轴组件B、Y轴组件C、Z轴组件D、腕部组件E和手部组件F六大部分组成。

其X、Y、Z轴组件的组成基本相同，即由滚珠丝杠、丝杠螺母、高精度轴承、导轨、滑块、滑座、驱动电机、电机驱动板等组成。滚珠丝杠安装在支撑架上，之间利用高精度轴承连接，导轨通过滑块连接到支撑架的滑块座上，驱动电机用螺钉固定在滚珠丝杠顶端电机座上，用于驱动电机的驱动板装在基座上。

腕部和手部组成基本相同，即由轴承座、减速器、高精度电位器、限位开关、驱动电机、电机驱动板等组成。腕部轴承座于Z轴固连，减速器座于轴承座相连，其上装有减速器和驱动电机，三者轴线共线，并且为了获得实时的转动角度，在轴承座另外一侧安装高精度电位器，另外在手术工具支架末端安装检测手术针进入深度的光电传感器(因与本发明无关图中略)。

X轴通过支架与基座固连，X轴与Y轴之间、Y轴与Z轴之间由滑块连接，腕部与Z轴、手部与腕部之间由转动轴连接，各部分在电机驱动下能够产生相对运动，机构驱动和电气控制由驱动电机、滚珠丝杠、导轨、光栅尺和单片机组成。该机构具有五个自由度，分别为I、II、III、IV和V关节，其中前三个为移动关节，后两个为转动关节。在预工作位置状态，机器人基座沿着CT机检查床导轨安装，沿X轴运动即为I关节运动方向，其垂直于检查床导轨，并平行于水平面；沿Y轴运动即为II关节运动方向，其垂直于I关节并垂直于水平面；沿Z轴运动即为III关节运动方向，其垂直于II关节并平行于水平面；绕腕部旋转轴方向即为IV关节轴线，其与III关节平行；绕手部旋转轴方向即为V关节轴线，其与IV关节垂直。

图2说明了该机构X轴组件的结构。第一导轨1通过螺钉10固定在第一轨轴承架8上，其中第一轨轴承架8安装在基座上，另外一端上固连第一轨电机座5；第一轨电机6(电机参数见附表1)安装在第一轨电机座5上，通过第一轨联轴器7与第一轨丝杠3连接，第一轨丝杠3另外一端承接于第一轨轴承9；第一丝杠动块13通过第一丝母4与第一轨丝杠3连接，第一轨滑块2固定在第一丝杠动块13上；第二丝杠电机座12连接在第一丝杠动块13上。

图3说明了该机构Y轴组件的结构。第二导轨11通过螺钉固定在第二导轨轴承架21上并与第一导轨垂直，另外一端上固连第二轨电机座12；第二轨电机14通过电机固定螺钉15安装在第二轨电机座12上，经过第二轨联轴器16与第二轨丝杠17连接，第二轨丝杠17另外一端承接于第二轨轴承22；第二丝杠动块20通过第二轨丝母18与第二轨丝杠17连接，第二轨滑块19固定在第二丝杠动块20上；第二丝杠动块20由第二导轨17和第三导轨23公用。

图4说明了该机构Z轴组件的结构。第三导轨23固定在第三轨电机座28上，另一端上固连Z旋转轴承座32；第三轨电机29安装在第三轨电机座28上，经过第三轨联轴器27与第三轨丝杠25连接，第三轨丝杠25另外一端承接于第三轨轴承31；第三轨滑块24固定在第二丝杠动块20上。

图5说明了该机构腕部组件的结构。Z旋转轴承座32固定在第三导轨23上；Z旋转带柄轴35穿过Z旋转滚针轴承38；Z旋转减速器座36通过Z旋转轴承压盖连接到Z旋转轴承座32上，其上安装Z旋转电机减速器33，末端装有Z旋转电机34；在Z旋转带柄轴35另外一端通过Z旋转电位器座40安装Z旋转电位器，这个电位器能够检测实时旋转角度。

图6说明了该机构手部组件的结构。X旋转轴承座41连接Z旋转带柄轴35；X旋转减速器42通过X旋转减速器座44固定在轴承压盖45上；X旋转电机43同轴安装到X旋转减速器42上；X旋转电位器48通过X旋转电位器座47安装在X旋转带柄轴46上；终端支架49与X旋转带柄轴46固连；线路板极座50固定在终端支架49上，用于进针测试；穿刺用针(手术工具)51可以穿过终端支架49的导孔上下移动完成穿刺手术。

附表1驱动电机参数

 

关节	I、II、III	IV、V
			型号	KH42JM2-951	AM2224-V-12-75-10
相数	2	2
			步距角	1.8	15
电压(V)	4.59	12
			电流(A)	0.85	0.125
绕组电阻(Ω)	5.4	75
			电感(mH)	9.3	61
最大静转矩(mN·m)	44	26
			定位转矩(mN·m)	14.7	-
转子惯量(g·cm2)	56	228
			绝缘等级	JIS Class E	-
绝缘电阻	500VDC 100MΩmin	-
			环境温度(℃)	0～50	-35～70
温升	70	-
			重量(g)	260	50.5
尺寸(mm)	42×42×40	22×30.7×3

Claims (1)

1.一种五自由度脊柱微创机器人操作机构，其特征在于：该机构由基座、X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、腕部组件、手部组件六大部分构成；

X轴组件包括：第一导轨，该导轨分别通过其两端的第一轨轴承架和第一轨电机座固定在基座上，第一导轨上设置有与第一丝杠动块固定在一起的第一滑块，第一丝杠动块的一端与第一轨丝母固定在一起并套装在第一轨丝杠上，第一轨丝杠的一端通过第一轨联轴器与固定在第一轨电机座上的第一轨电机轴连接，第一轨丝杠的另一端通过第一轨轴承安装在第一轨轴承架上；

Y轴组件包括：通过第二导轨电机座固定在第一丝杠动块上并与第一导轨垂直的第二导轨，第二导轨的两端分别固定安装有第二导轨电机座和第二导轨轴承架，第二导轨上设置有与第二丝杠动块固定在一起的第二轨滑块，第二丝杠动块的一端与第二轨丝母固定在一起并套装在第二轨丝杠上，第二轨丝杠的一端通过第二轨联轴器与固定在第二导轨电机座上的第二导轨电机轴连接，第二轨丝杠的另一端通过第二导轨轴承安装在第二导轨轴承架上；

Z轴组件包括：固定在第二丝杠动块上并与第一导轨和第二导轨所在平面垂直的第三导轨，第三导轨的两端分别固定安装有第三导轨电机座和第三导轨轴承架，第三导轨上设置有第三导轨滑块，第三导轨滑块的一端与第三轨丝母固定在一起并套装在第三轨丝杠上，第三轨丝杠的一端通过第三轨联轴器与固定在第三轨电机座上的第三轨电机轴连接，第三轨丝杠的另一端通过第三轨轴承安装在第三轨轴承架上；

腕部组件包括：固定在第三导轨一端的Z旋转轴承座，Z旋转轴承座上通过Z旋转滚针轴承和Z旋转轴承压盖安装有其轴向与第三导轨平行的Z旋转带柄轴，Z轴旋转电机和Z旋转电机减速器通过Z旋转减速器座安装在Z旋转轴承座上，Z旋转电机减速器的输出轴与Z旋转带柄轴的一端连接，Z旋转电位器座固定在Z旋转带柄轴的另一端，其上安装Z旋转电位器；

手部组件包括：固定安装在Z旋转带柄轴的轴柄上的X旋转轴承座，X旋转轴承座上通过轴承和X旋转轴承压盖安装有其轴向与第一导轨平行的X旋转带柄轴，X旋转电机和X旋转减速器通过X旋转减速器座安装在X旋转轴承座上，X旋转减速器的输出轴与X旋转带柄轴的一端连接，X旋转带柄轴的另一端上的轴柄上固定终端支架，终端支架上安装手术工具。

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