CN101181168A - Ct导航微创外科并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT导航微创外科并联机器人，包括双层静平台、传动机构、十字导轨和穿刺针四部分。双层静平台相互平行，十字导轨有两套，分别设置在上层静平台和下部静平台中部的通槽处，十字导轨包括两条相互垂直的光滑导轨，两条光滑导轨可以单独运动，其运动的方向相互垂直，两条光滑导轨的交叉点处连接有球铰，穿刺针的上部连接于上球铰上，穿刺针的下部连接于下球铰上。上、下两个球铰分别具有两个平面自由度，两个球铰的运动决定穿刺针的空间位置和姿态，同时，穿刺针还可以绕自身轴线旋转和沿轴线方向移动。灵活性高、关节累积误差小、定位精度高。

Description

CT导航微创外科并联机器人

技术领域

本发明涉及一种医疗外科手术定位和操作系统，尤其涉及一种CT导航微创外科并联机器人。

背景技术

目前，对医疗机器人的研究和开发力度越来越大，部分医疗机器人开始走向临床应用。现有技术中的医疗机器人一般是串联机器人。

上述现有技术至少存在以下缺点：

关节累积误差大，导致机器人的定位精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种关节累积误差小、定位精度高的CT导航微创外科并联机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的CT导航微创外科并联机器人，包括上层静平台、下层静平台和穿刺针，所述上层静平台与下层静平台相互平行，所述上层静平台和下层静平台的中部分别开有通槽并在通槽处分别设有十字导轨，所述十字导轨包括两条相互垂直的光滑导轨，所述两条光滑导轨可以单独运动，其运动的方向相互垂直，所述两条光滑导轨的交叉点处连接有球铰，所述穿刺针的上部连接于所述上层静平台的球铰上，所述穿刺针的下部连接于所述下层静平台的球铰上。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的CT导航微创外科并联机器人，由于包括上层静平台、下层静平台和穿刺针，上层静平台与下层静平台相互平行，上层静平台和下层静平台的中部分别开有通槽并在通槽处分别设有十字导轨，十字导轨包括两条相互垂直的光滑导轨，两条光滑导轨可以单独运动，其运动的方向相互垂直，两条光滑导轨的交叉点处连接有球铰，穿刺针的上部连接于上层静平台的球铰上，穿刺针的下部连接于下层静平台的球铰上。上、下两层静平台的球铰分别具有两个平面自由度，两个球铰的运动决定穿刺针的空间位置和姿态。关节累积误差小、定位精度高。

附图说明

图1为本发明CT导航微创外科并联机器人的平面结构示意图；

图2为本发明CT导航微创外科并联机器人的侧面结构示意图；

图3为本发明CT导航微创外科并联机器人的立面结构示意图；

图4为本发明CT导航微创外科并联机器人的运动学结构示意图；

图5为本发明中两层静平台的平面结构示意图；

图6为本发明中两层静平台的侧面结构示意图；

图7为本发明中两层静平台的立面结构示意图；

图8为本发明中传动机构的结构示意图；

图9为图8的B-B向结构示意图；

图10为本发明中十字导轨的结构示意图；

图11为图10的A-A向结构示意图；

图12为本发明中穿刺针的结构示意图。

具体实施方式

本发明的CT导航微创外科并联机器人，其较佳的具体实施方式是，包括上层静平台、下层静平台和穿刺针，所述上层静平台与下层静平台相互平行，所述上层静平台和下层静平台的中部分别开有通槽并在通槽处分别设有十字导轨，所述十字导轨包括两条相互垂直的光滑导轨，所述两条光滑导轨可以单独运动，其运动的方向相互垂直，所述两条光滑导轨的交叉点处连接有球铰，所述穿刺针的上部连接于所述上层静平台的球铰上，所述穿刺针的下部连接于所述下层静平台的球铰上。

所述球铰通过球铰定位块连接于所述两条光滑导轨的交叉点处，所述两条光滑导轨分别穿过所述球铰定位块并与球铰定位块活动连接，所述球铰上连接有针套，所述穿刺针穿过针套并与针套活动连接。

所述穿刺针包括针杆，所述针杆的表面刻有刻度，所述针杆穿过所述针套，且所述针套与所述针杆之间设有锁紧螺母。

所述光滑导轨的两端分别设有丝杠螺母并分别与两根相互平行的丝杠啮合，传动机构驱动所述两根丝杠同步转动。

所述传动机构包括混合齿轮轴，所述混合齿轮轴的两端分别与所述两根丝杠的一端通过伞齿轮啮合。

所述传动机构还包括电机，所述的混合齿轮轴的中部固定有齿轮，所述齿轮通过至少一个传动齿轮与所述电机的输出轴连接。

所述的通槽为方形，所述两根丝杠分别设于所述通槽的两侧。

所述的上层静平台和下层静平台的两个相邻的侧面设有侧板，所述传动机构设置在所述侧板上。

所述上层静平台与下层静平台之间通过支撑杆固定连接。

一个具体实施例：

如图1、图2、图3所示，本发明的CT导航微创外科并联机器人主要包括上下双层静平台1、传动机构2、十字导轨3和穿刺针4四大部分。

如图5、图6、图7所示，上下双层静平台1包括上层静平台23和下层静平台24，两层平台结构相同且相互平行，并由四个支撑杆19、20、21、22固联，并作为并联机器人的静平台。双层静平台1每一层为方形平面结构，平台由轻质高强度工程塑料制成。平台中部的方形通孔为并联机器人提供了运动空间。

如图10、图11所示，十字导轨3包括两条垂直相交异面的光滑导杆41、42、球铰定位块16、46以及转动球铰17三个部分。导杆41、42为铝合金，球铰定位块16、46以及转动球铰17均为轻质高强度工程塑料。

十字导轨3有结构相同的两组，分别位于上层静平台23和下层静平台24的中部。每组十字导轨3的球铰17置于球铰定位块16、46中间，随球铰定位块16、46一起平移运动，球铰17可以在定位块16、46内实现三维旋转运动。球铰17中间开圆柱形孔，穿刺针4穿过球铰17中间的圆柱形孔与球铰17构成圆柱副，提供穿刺针4绕自身轴线的旋转和沿自身轴线方向的平移运动。

导杆41、42的两端分别连接有螺母15、44、43、45，双层静平台1的每一层平台的四周均有一根丝杠，其中对边的丝杠相互平行，两对丝杠异面。十字导轨3组件位于平台中部，并通过螺母15、44、43、45与平台四周的丝杠啮合。

两个垂直光滑导杆41、42穿过球铰定位块16、46，导杆两端通过螺母15、44、43、45与平台四周的丝杠啮合。手术穿刺针4依次穿过上下双层平台上的球铰17中间的圆柱形孔。丝杠驱动螺母15、44、43、45，带动十字导轨3的两根光滑导杆41、42平移。十字导轨3将球铰17送到单层平台的某一位置定位，双层平台将两个球铰进行空间定位后，两个球铰的连线即可形成一个空间矢量。穿刺针4插入两个球铰17中间圆柱形孔内，从而实现穿刺针4的位置和姿态定位。

如图4所示，本发明的并联机器人的运动学结构，它具有四个自由度，分别为：上球铰的位置S1(X，Y，0)在X向和Y向上的位移，下球铰的位置S2(X2，Y2，h)在X向和Y向上的位移，每个平台为球铰提供两个相互垂直且行程相同的运动。穿刺针穿过上、下两个球铰，上、下两个球铰的位置S1、S2决定了穿刺针的空间位置和姿态，沿穿刺针轴线方向的移动及穿刺针绕自身轴线的转动由医生提供。即该并联机器人的运动输出为空间的三维移动和三维转动，总的自由度为6。

如图8、图9所示，本发明的并联机器人，其传动机构2有四组，位于每一层平台垂直方向的两侧。每一组结构类似，由电机25、电机座8、连轴器26、直齿轮箱7、直齿轮支撑定位块6、混合齿轮轴36组成。电机座8、直齿轮箱7、直齿轮支撑定位块6均为轻质高强度工程塑料，电机25可以采用瑞士Faulhaber直流伺服系列产品。每组传动机构2均采用了三级小型齿轮传动，由直流伺服电机25带动一组外啮合直齿轮28、31运动，再与一个安装于混合齿轮轴36中部的直齿轮37啮合，将运动传递到与该直齿轮37共一根轴的两个伞齿轮35、38上，由伞齿轮35、38将运动输出方向改变90°后，传递到两个轴线平行的一对丝杠33、40上，驱动丝杠33、40旋转。

传动机构2的上下表面分别与双层静平台1的上下表面共面。传动机构2有结构相同的四套，分别固定于双层平台外侧。四套伺服电机驱动四组3级齿轮，并最终带动丝杠上的螺母15、43、44、45做平移运动，从而带动球铰定位块16、46在导轨上沿平台的两个垂直方向运动，实现单个球铰17在平面内的定位，手术穿刺针4依次穿过上下平台内的对应球铰，完成手术穿刺针4空间位置和姿态定位。

如图12所示，穿刺针4是机器人的动平台，包括针杆48、针套47、50和针帽18等组件。针杆48为中空长圆柱结构，其前端可以安装固定手术刀具等。在针杆48表面沿穿刺针的轴线方向刻有标尺，用来确定穿刺针沿其轴线方向的位移。针套47、50有两个，分别与上、下两个十字导轨中间的球铰17连接，针套47、50与针杆48之间设有针套锁紧螺母51，应用过程中，可以将一个针套锁紧在针杆48上，另一个可以在针杆48上移动，以确定针杆48移动距离并保证不超过预定值，也可以使两个针套均可以在针杆48上移动。

本发明的CT导航微创外科并联机器人，主要功能是自动完成手术穿刺针4的空间精确位置和姿态控制，同时给医生提供手术操作的平台。属于医疗外科手术辅助定位装置。机器人由双层静平台、传动机构、十字导轨和穿刺针四部分组成。双层静平台每层结构相同，其中单层为中空方形平面结构，通过支撑杆固联。每层平台外侧有两个呈90°布置的与平台相连的传动机构，由直流伺服电机驱动3级齿轮机构，最终带动位于双层静平台的四对丝杠转动，其中每对丝杠相互平行。十字导轨置于每层平台的中部，两端通过螺母与丝杠相连。十字导轨上的球铰定位块可以沿两个垂直的方向在单个平面内运动，从而确定平面内一点位置(球铰位置)，将上下平台两点连起来，即为整个穿刺针的空间位姿。穿刺针可沿其轴线移动和绕其轴线转动，并可由其上的锁紧螺母调整固定。手术时，首先医生在计算机规划软件上选择一个进针路径，经过空间映射和运动学解算，机器人自动完成上下静平台中的两个球铰的空间定位。然后医生再把手术穿刺针穿过上述两个球铰并安装于并联平台上，穿刺针沿其轴线方向的移动量通过光刻在针杆上的标尺来确定。

该CT导航微创外科并联机器人体积小，结构紧凑；采用模块化结构，并通过材料及结构的改进，重量只有2.5Kg，机器人末端承载能力小，便于携带、安装、操作和维护；采用并联结构，无累积误差，同时采用微型精密丝杠传动，上述两点提高了医疗机器人的定位精度；该并联机器人末端穿刺针能实现的空间灵活姿态多，灵活性高；该针架系统可用于神经外科、腹胸外科和骨外科手术的自动定位引导，适应性和通用性较强。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，包括上层静平台、下层静平台和穿刺针，所述上层静平台与下层静平台相互平行，所述上层静平台和下层静平台的中部分别开有通槽并在通槽处分别设有十字导轨，所述十字导轨包括两条相互垂直的光滑导轨，所述两条光滑导轨可以单独运动，其运动的方向相互垂直，所述两条光滑导轨的交叉点处连接有球铰，所述穿刺针的上部连接于所述上层静平台的球铰上，所述穿刺针的下部连接于所述下层静平台的球铰上。

2.根据权利要求1所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述球铰通过球铰定位块连接于所述两条光滑导轨的交叉点处，所述两条光滑导轨分别穿过所述球铰定位块并与球铰定位块活动连接，所述球铰上连接有针套，所述穿刺针穿过针套并与针套活动连接。

3.根据权利要求2所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述穿刺针包括针杆，所述针杆的表面刻有刻度，所述针杆穿过所述针套，且所述针套与所述针杆之间设有锁紧螺母。

4.根据权利要求1或2所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述光滑导轨的两端分别设有丝杠螺母并分别与两根相互平行的丝杠啮合，传动机构驱动所述两根丝杠同步转动。

5.根据权利要求4所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述传动机构包括混合齿轮轴，所述混合齿轮轴的两端分别与所述两根丝杠的一端通过伞齿轮啮合。

6.根据权利要求5所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述传动机构还包括电机，所述的混合齿轮轴的中部固定有齿轮，所述齿轮通过至少一个传动齿轮与所述电机的输出轴连接。

7.根据权利要求4所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述的通槽为方形，所述两根丝杠分别设于所述通槽的两侧。

8.根据权利要求4所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述的上层静平台和下层静平台的两个相邻的侧面设有侧板，所述传动机构设置在所述侧板上。

9.根据权利要求1所述的CT导航微创外科并联机器人，其特征在于，所述上层静平台与下层静平台之间通过支撑杆固定连接。

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