CN102258826A - 五自由度微创针刺手术引导机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了五自由度微创针刺手术引导机构，本机构从下至上依次布置了四个平台，分别为底层平台、中层平台、上层平台和针刺层平台；其中，底层模块由底层平台、中层平台以及介于这两层平台之间的推杆滑轨机构和齿轮齿条机构组成，由推杆滑轨机构和齿轮齿条机构共同作用，通过第一气缸推动，实现装置绕竖直轴的摇摆转动自由度。中层模块由中层平台、上层平台以及介于这两层平台之间的两套并联的推杆滑轨机构-齿轮齿条机构-丝杠螺母机构组成。上层模块由上层平台、针刺层平台以及介于这两层平台之间的推杆滑块机构-摆杆滑槽机构组成。本发明结构灵活，利用四个气缸实现大范围的上下、左右、倾斜和摇摆运动，利用超声波电机和丝杠螺母机构实现了手术中的针刺运动；两套齿轮齿条-丝杠螺母机构的并联使用，巧妙实现了机构的抬升和倾斜运动。
Description
技术领域
本发明涉及针刺手术引导机构，具体涉及五自由度微创针刺手术引导机构。
背景技术
当前，进行前列腺手术的主要方法是微创近距离粒子放射治疗。通过针刺将放射性粒子植入前列腺，进行局部放射治疗。而手动执行的针刺手术，存在精度差、无法实时成像的缺点；预先规划的轨迹，可能会因为患者身体的移动和针刺对于软组织的刺激，而无法实现预计的效果。而通过机器手辅助或者机器手实现高精度针刺的手段，可以很好地解决这些问题。
核磁共振成像(MRI)与传统的X射线、CT相比，能够避免对健康细胞的x射线辐射，且有优良的软组织分辨力和精确的几何学特性，可以更加准确的探出病变区域，以确保合理的轨迹优化，并且对病变部分的判断更加准确，以确保植入粒子的位置精度。
但是大多数核磁共振仪工作腔内都会产生很强的磁场强度，这对手术机械手机构提出了两方面的限制：一是机械手机构不能对核磁共振仪的磁场产生干扰从而影响成像质量；二是强磁场环境不能影响机械手机构在核磁仪内执行手术操作。因此无论是机械手机构的主体材料还是驱动设备，都要满足核磁兼容的条件，这对机械手的开发提出了苛刻的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在有限的空间内提高针刺手术的精度，减少病人手术的痛苦，从而达到高精度、低创伤、减少术后并发症和后遗症的效果的五自由度微创针刺手术引导机构。
本发明的五自由度微创针刺手术引导机构，它包括基座、中层平台、其上开有直线导向槽的上层平台，在所述的上层平台上叠放有其上开有斜向导向槽的针刺层平台，在所述的针刺层平台上安装有针刺运动机构，在所述的基座上安装有水平摆动运动机构，在所述的中层平台和上层平台之间安装有抬升俯仰运动机构，在所述的上层平台底部连接有平移运动机构，所述的平移运动机构包括沿竖直方向设置的摆杆，所述的摆杆在直线导向槽和斜向导向槽内移动，所述的水平摆动运动机构包括安装在所述的基座上的第三气缸和与第三滑块滑动配合的第三滑轨，沿水平方向设置的所述的第三气缸的第三推杆与第三滑块固定相连，第三齿条固定在所述的第三滑块上，沿竖直方向设置的齿轮轴下端通过轴承与基座连接并且其上端与中层平台固定相连，在所述的齿轮轴上安装有与所述的第三齿条相啮合配合第三齿轮，所述的抬升俯仰运动机构包括分别设置在中层平台左侧和右侧的相同的两个驱动机构，每个驱动机构包括安装在中层平台上的气缸和与滑块滑动配合的滑轨，沿水平方向设置的所述的气缸的推杆与滑块固定相连，齿条固定在所述的滑块上，沿竖直方向设置的丝杠下端通过轴承与中层平台连接并且其上套装有螺母，所述的螺母与螺母平台固定相连，在所述的丝杠上安装有与所述的齿条相啮合配合的齿轮，位于左侧的螺母平台通过铰链与安装在上层平台底面上的铰链支座铰接相连，位于右侧的螺母平台通过铰链与铰链滑块相连，所述的铰链滑块与安装在上层平台底面上的铰链滑轨滑动相连。
本发明的突出优点是：
本发明结构灵活，利用四个气缸实现大范围的上下、左右、倾斜和摇摆运动，利用超声波电机和丝杠螺母机构实现了手术中的针刺运动；两套齿轮齿条-丝杠螺母机构的并联使用，巧妙实现了机构的抬升和倾斜运动。同时结构紧凑，气缸布置巧妙，刚度和强度较大，具有良好的操作性能，能够在核磁仪有限空间内辅助完成针刺手术，克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端，极大程度的提高手术的精度，手术的成功性和完善性，从而为核磁共振成像(MRI)引导机器人辅助微创外科手术开辟了新的途径。同时与申请号为CN201010137726.1的中国专利相比，本装置具有如下优点：所述专利中气缸的运动通过摆杆来传递，上层平台也通过摆杆支撑，存在易摆动、刚度和稳定性较差的缺点，同时由于气缸内气体的压缩性，所述专利全部采用摆杆作为执行机构不能实现自锁，这给机械手的精确控制造成一定障碍。而本装置综合运用了齿轮齿条和丝杠螺母等机构，结构稳定，刚度较大，而且通过丝杠螺母机构实现了自锁功能，在结构和控制精度上均具有优越的性能。
附图说明
图1为本发明的五自由度微创针刺手术引导机构的结构立体图；
图2为图1所示的引导机构的底层模块俯视图；
图3为图1所示的引导机构的上层平台局部仰视图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明技术做进一步的说明：
本装置是在申请号为CN201010137726.1的中国专利基础上的改进。
如附图所示的本发明的五自由度微创针刺手术引导机构，它包括基座1、中层平台10、其上开有直线导向槽的上层平台20，在所述的上层平台20上叠放有其上开有斜向导向槽的针刺层平台30，在所述的针刺层平台上安装有针刺运动机构，在所述的基座1上安装有水平摆动运动机构，在所述的中层平台10和上层平台20之间安装有抬升俯仰运动机构，在所述的上层平台底部连接有平移运动机构，所述的平移运动机构包括沿竖直方向设置的摆杆，所述的摆杆41在直线导向槽38和斜向导向槽32内移动，所述的水平摆动运动机构包括安装在所述的基座上的第三气缸2和与第三滑块6滑动配合的第三滑轨8，所述的第三气缸2沿水平方向设置的第三推杆与第三滑块6固定相连，第三齿条7固定在所述的第三滑块6上，沿竖直方向设置的齿轮轴5下端通过轴承4与基座连接并且其上端与中层平台10固定相连，在所述的齿轮轴5上安装有与所述的第三齿条7相啮合配合第三齿轮3，所述的抬升俯仰运动机构包括分别设置在中层平台左侧和右侧的相同的两个驱动机构，其中设置在右侧的驱动机构包括安装在中层平台上的第一气缸9和与第一滑块12滑动配合的第一滑轨11，所述的第一气缸沿水平方向设置的推杆与第一滑块12固定相连，第一齿条14固定在所述的第一滑块上，沿竖直方向设置的第一丝杠15下端通过轴承与中层平台连接并且其上套装有第一螺母16，所述的第一螺母16与第一螺母平台17固定相连，在所述的第一丝杠上安装有与所述的第一齿条15相啮合配合的第一齿轮13，位于右侧的第一螺母平台通过铰链与铰链滑块18相连，所述的铰链滑块18与安装在上层平台底面上的铰链滑轨19滑动相连；设置在左侧的驱动机构包括安装在中层平台上的第二气缸21和与第二滑块24滑动配合的滑轨23，所述的第二气缸21沿水平方向设置的推杆与第二滑块24固定相连，第二齿条25固定在所述的第二滑块24上，沿竖直方向设置的第二丝杠26下端通过轴承与中层平台连接并且其上套装有第二螺母27，所述的第二螺母27与第二螺母平台28固定相连，在所述的第二丝杠上安装有与所述的第二齿条25相啮合配合的第二齿轮22，位于左侧的第二螺母平台28通过铰链与安装在上层平台底面上的铰链支座29铰接相连。
所述的针刺运动机构可以包括设置在所述的上层平台上的超声波电机31，沿水平方向设置的所述的超声波电机的输出轴与第四丝杠相连，第四丝杠34通过轴承安装在丝杠支座33上，针刺滑块36通过丝杠螺母副与第四丝杠34相连接，针刺滑块36两侧套在安装在丝杠支座上的光杠35上，手术针37安装在针刺滑块36上。
所述的平移运动机构可以包括固定在上层平台20底面上的第四气缸43，所述的第四气缸43沿水平方向设置的气缸推杆42与滑动连接在第四滑轨39上的第四滑块40固定相连，所述的第四滑块与能够在直线导向槽38中运动的摆杆41相连。
本装置实现五自由度运动的过程如下：
水平摆动运动：如图1和图2所示，水平摆动运动由底层模块实现。第三气缸2推动第三滑块6在第三滑轨8上运动，第三齿条7固定在第三滑块6上，第三齿轮3通过齿轮轴5固定在中层平台10上，齿轮轴3的下端通过推力轴承4与基座连接，并且其上端与中层平台固定相连。通过齿轮齿条机构，将第三气缸2的直线运动转化为机构的水平摆动。
抬升运动和俯仰运动：如图1所示，抬升与俯仰运动由中层模块实现。中层模块的主体为两套并联的推杆滑轨-齿轮齿条-螺母丝杠机构。第一丝杠9推动第一滑块12在第一滑轨11上运动，第一齿条14固定在第一滑块12上，第一齿轮13与第一丝杠15固连。第一丝杠15和第一螺母16形成螺旋副，而第一螺母16固定于第一螺母平台17上，第一螺母平台17与铰链滑块18形成转动副，铰链滑块18可以在铰链滑轨19上滑行。则通过齿轮齿条传动和螺旋传动，第一气缸的直水平线运动转化为第一螺母平台的抬升运动进而实现装置的俯仰运动。同理，第二气缸通过第二滑块24、第二滑轨23、第二齿条25、第二齿轮22、第二丝杠26、第二螺母27和第二螺母平台28将水平直线运动转化为装置的俯仰运动。不同的是，连接第二螺母平台28的铰链支座29是固定在上层平台20上的。当第一气缸和第二气缸同步联动时，就能实现装置的抬升运动。
平移运动：如图3所示，平移运动由上层模块来实现。通过控制固定在上层平台20上的第四气缸43的运动使气缸推杆42推动第四滑块40沿第四滑轨39运动，进而实现摆杆41在直线导向槽38中的运动。针刺层平台30是叠放在上层平台20上的，摆杆41同时在也斜向导向槽32内运动，在直线导向槽与斜向导向槽的共同约束使上层平台20水平移动，进而实现装置的水平运动。
针刺运动：针刺运动通过针刺层模块来实现。丝杠34通过轴承安装在丝杠支座33上。针刺滑块36通过丝杠螺母副与丝杠34相连接，同时也可以在光杠35上移动。手术针37安装在针刺滑块36上。超声波电机的转动通过丝杠螺母机构转换为手术针的直线运动，实现针刺运动。
因此，通过水平摆动、抬升运动、俯仰运动和和平移运动的配合，实现针体空间位姿的调整；通过针刺运动，最终实现针刺作业。
Claims (3)
1.五自由度微创针刺手术引导机构，它包括基座、中层平台、其上开有直线导向槽的上层平台，在所述的上层平台上叠放有其上开有斜向导向槽的针刺层平台，在所述的针刺层平台上安装有针刺运动机构，在所述的基座上安装有水平摆动运动机构，在所述的中层平台和上层平台之间安装有抬升俯仰运动机构，在所述的上层平台底部连接有平移运动机构，所述的平移运动机构包括沿竖直方向设置的摆杆，所述的摆杆在直线导向槽和斜向导向槽内移动，其特征在于：所述的水平摆动运动机构包括安装在所述的基座上的第三气缸和与第三滑块滑动配合的第三滑轨，沿水平方向设置的所述的第三气缸的第三推杆与第三滑块固定相连，第三齿条固定在所述的第三滑块上，沿竖直方向设置的齿轮轴下端通过轴承与基座连接并且其上端与中层平台固定相连，在所述的齿轮轴上安装有与所述的第三齿条相啮合配合第三齿轮，所述的抬升俯仰运动机构包括分别设置在中层平台左侧和右侧的相同的两个驱动机构，每个驱动机构包括安装在中层平台上的气缸和与滑块滑动配合的滑轨，沿水平方向设置的所述的气缸的推杆与滑块固定相连，齿条固定在所述的滑块上，沿竖直方向设置的丝杠下端通过轴承与中层平台连接并且其上套装有螺母，所述的螺母与螺母平台固定相连，在所述的丝杠上安装有与所述的齿条相啮合配合的齿轮，位于左侧的螺母平台通过铰链与安装在上层平台底面上的铰链支座铰接相连，位于右侧的螺母平台通过铰链与铰链滑块相连，所述的铰链滑块与安装在上层平台底面上的铰链滑轨滑动相连。
2.根据权利要求1所述的五自由度微创针刺手术引导机构，其特征在于：所述的针刺运动机构包括设置在所述的上层平台上的超声波电机，沿水平方向设置的所述的超声波电机的输出轴与第四丝杠相连，第四丝杠通过轴承安装在丝杠支座上，针刺滑块通过丝杠螺母副与第四丝杠相连接，针刺滑块两侧套在安装在丝杠支座上的光杠上，手术针安装在针刺滑块上。
3.根据权利要求1所述的五自由度微创针刺手术引导机构，其特征在于：所述的平移运动机构包括固定在上层平台上底面的第四气缸，所述的第四气缸沿水平方向设置的气缸推杆与滑动连接在第四滑轨上的第四滑块固定相连，所述的第四滑块与能够在直线导向槽中运动的摆杆相连。
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