CN103417229B - 一种x射线成像机器人及其机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种X射线成像机器人，其包括用于固定X射线成像机器人的固定平台、动平台、并联机构、串联机构、托架、C形轨道、X射线源及影像探测器。动平台具有一个平动自由度和两个转动自由度；并联机构设置于固定平台和动平台之间，并联机构由多个支链并联组成；串联机构包括多个支臂，动平台及多个支臂依次通过转动副串联；托架通过转动副连接于串联机构中远离动平台的支臂的一端；C形轨道和托架以圆弧轨迹的滑动副连接；X射线源和影像探测器安装于C形轨道的内壁，且相对设置。所述X射线成像机器人可有效地在三维空间进行不同方位的成像，具有活动空间大、高精度、高刚度的优点。本发明另外提供所述X射线成像机器人的机械臂。

Description

一种X射线成像机器人及其机械臂

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种X射线成像机器人及其机械臂。

背景技术

随着微创手术的普及，医生对于在手术中可对患处精确定位并提供快速三维成像的医学设备的需求日趋强烈。快速三维成像需要成像设备自主进行大范围的快速运动和多角度连续拍摄，这对成像设备的运动灵活性和成像稳定性提出较高的要求。

目前，临床中所用的术中X线成像设备主要是各类C臂。传统C臂主要采用手动或电动操作，运动较不灵活，仅有少数机型可以提供十分有限的三维成像功能，而且操作仍非常不便。为此，一些研究者对传统C臂进行了改进，如Binder N等人（Binder N.,Bodensteiner C., L.,et al..The Surgeon’s Third Hand an Interactive RoboticC-Arm Fluoroscope.Mobile Robotics–Moving Intelligence,2007,403-418）通过增加驱动环节和运动学建模来提高C臂的可控性，但仍然没有改变传统C臂在机构和自由度配置上的局限性。同时，一些国外厂商也开展了相关研究，如美国的OrthoScan HD with Flat Detector（http://orthoscan.com/mini-c-arms/fd/fd-summary）推出的微型C臂通过采用机器人臂支架来提高C臂的灵活度，但其中大部分关节没有驱动环节，且主要针对四肢等部位的X线成像，需要依靠手动操作，难以实现三维成像。此外，申请号为CN200910002386.9的中国专利申请提出了一种安置在机器人臂上的C臂，并应用于Siemens Artis Zeego，虽然可以提高大型血管造影机的灵活度，但所使用的串联式机械臂体积庞大，只有在面积很大的手术室中才能安装。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种能解决上述技术问题的一种X射线成像机器人及其机械臂。

一种X射线成像机器人，其包括：

一个用于固定所述X射线成像机器人的固定平台；

一个动平台，其具有一个平动自由度和两个转动自由度；

一个并联机构，其设置于所述固定平台和所述动平台之间，所述并联机构由多个支链并联组成；

一个串联机构，其包括多个支臂，所述动平台及所述多个支臂依次通过转动副串联；

托架，其通过转动副连接于所述串联机构中远离所述动平台的支臂的一端；

C形轨道，其和所述托架以圆弧轨迹的滑动副连接；

X射线源及影像探测器，所述X射线源和所述影像探测器安装于所述C形轨道的内壁，且相对设置。

本发明一较佳实施例中，每一所述支链均包括一个铰链座、一个套杆、一个移动杆及一个球铰；所述铰链座固定连接于所述固定平台上；所述套杆的一端和所述铰链座连接形成转动副，另一端套设于所述移动杆的一端形成移动副；所述移动杆的另一端连接于所述球铰并通过所述球铰和所述动平台连接。

本发明一较佳实施例中，所述并联机构包括三个中心对称布置的所述支链，所述三个支链的三个铰链座中心对称地设置于所述固定平台，所述三个支链的三个球铰中心对称地设置于所述动平台。

本发明一较佳实施例中，所述串联机构包括第一支臂、第二支臂及第三支臂；所述第一支臂的一端通过第一转动副连接于所述动平台，另一端通过第二转动副连接所述第二支臂的一端；所述第二支臂的另一端通过第三转动副连接所述第三支臂的一端；所述第三支臂的另一端通过第四转动副连接所述托架。

本发明一较佳实施例中，所述第一转动副的转动轴和所述第二转动副的转动轴相平行，且和所述第三转动副的转动轴及所述第四转动副的转动轴相垂直，所述第三转动副的转动轴和所述第四转动副的转动轴相垂直，所述C形轨道的滑动副的轨迹中心轴和所述第一转动副的转动轴平行。

本发明一较佳实施例中，所述固定平台固定于天花板、地面、墙壁或固定架。

本发明另外提供一种机械臂，其包括：

一个用于固定所述机械臂固定平台；

一个动平台，其具有一个平动自由度和两个转动自由度；

一个并联机构，其设置于所述固定平台和所述动平台之间，所述并联机构由多个支链并联组成；及

一个串联机构，其包括多个支臂，所述动平台及所述多个支臂依次通过转动副串联。

本发明一较佳实施例中，每一所述支链均包括一个铰链座、一个套杆、一个移动杆及一个球铰；所述铰链座固定连接于所述固定平台上；所述套杆的一端和所述铰链座连接形成转动副，另一端套设于所述移动杆的一端形成移动副；所述移动杆的另一端连接于所述球铰并通过所述球铰和所述动平台连接。

本发明一较佳实施例中，所述并联机构包括三个中心对称布置的所述支链，所述三个支链的三个铰链座中心对称地设置于所述固定平台，所述三个支链的三个球铰中心对称地设置于所述动平台。

本发明一较佳实施例中，所述串联机构包括第一支臂、第二支臂及第三支臂；所述第一支臂的一端通过第一转动副连接于所述动平台，另一端通过第二转动副连接所述第二支臂的一端；所述第二支臂的另一端通过第三转动副连接所述第三支臂的一端；所述第三支臂的另一端连接执行件。

本发明一较佳实施例中，所述第一转动副的转动轴和所述第二转动副的转动轴相平行，且和所述第三转动副的转动轴相垂直。

相较于现有技术，本发明提供的所述X射线成像机器人采用并联机构和串联机构混联的方式，实现所述C形轨道多个自由度的运动，使其中的所述X射线源和所述影像探测器可以有效地在三维空间进行不同方位的成像，由此可知，所述X射线成像机器人不仅具有传统串联机器人活动空间大的优点，而且还具有传统并联机器人高精度、高刚度的优点，可以通过冗余自由度的配置来提供更高的灵活度。同时，通过所述并联机构，所述X射线成像机器人可以有效地减小整体的惯量，进而可以提供较好的稳定性。此外，所述X射线成像机器人通过所述固定平台，可以悬吊安装于相应的手术室，减少手术室底层空间的占用，使其具有灵活、稳定以及紧凑的特点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例提供的X射线成像机器人的示意图。

图2为图1所示X射线成像机器人中并联机构的示意图。

图3为图1所示X射线成像机器人中串联机构的简化示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图1，本发明一较佳实施例提供一种X射线成像机器人100，其具有多个自由度，用于术中进行三维成像，所述X射线成像机器人包括一个固定平台10、一个动平台20、一个并联机构30、一个串联机构40、一个托架50、一个C形轨道60、X射线源70及影像探测器80。

所述固定平台10用于固定所述X射线成像机器人100，可以理解的是，根据所述X射线成像机器人100的具体使用情况，所述固定平台10可以固定于天花板、地面、墙壁或其他机台或装置的固定架上。本实施例中，所述固定平台10为平板结构。

所述动平台20具有一个平动自由度和两个转动自由度，用于实现相应的运动。

所述并联机构30设置于所述固定平台10和所述动平台20之间，所述并联机构30由多个支链31并联组成。请一并参阅图2，本实施例中，每一所述支链31均包括一个铰链座311、一个套杆313、一个移动杆315及一个球铰317；所述铰链座311固定连接于所述固定平台10上；所述套杆313的一端和所述铰链座311连接形成转动副，另一端套设于所述移动杆315的一端形成移动副；所述移动杆315的另一端连接于所述球铰317并通过所述球铰317和所述动平台20连接。具体地，所述多个支链31的铰链座311均固定连接于所述固定平台10的同一个表面，所述套杆313套设于所述移动杆315的外部。

可以理解的是，通过驱动所述支链31的移动副，即可有效地控制所述动平台20的运动和位姿，且可使所述动平台20有效地实现一个平动自由度和两个转动自由度的运动。

优选地，所述并联机构30包括三个所述支链31，所述三个支链31中心对称地布置于所述固定平台10，具体地，所述三个支链31的三个铰链座311中心对称地设置于所述固定平台10，所述三个支链31的三个球铰317中心对称地设置于所述动平台20。可以理解的是，所述并联机构30并不局限于本实施例，所述并联机构30也可以包括四个、五个或六个所述支链31，由此，可以使所述动平台20具有更多的运动自由度。此外，所述支链31中，所述套杆313也可以套设于所述移动杆315的内部。

所述串联机构40包括多个支臂，所述动平台20及所述多个支臂依次通过转动副串联。请一并参阅图3，本实施例中，所述串联机构40包括第一支臂41、第二支臂42及第三支臂43；所述第一支臂41的一端通过第一转动副连接于所述动平台20，另一端通过第二转动副连接所述第二支臂42的一端；所述第二支臂42的另一端通过第三转动副连接所述第三支臂43的一端；所述第三支臂43的另一端通过第四转动副连接所述托架50。

所述托架50用于安装所述C形轨道60，其通过转动副连接于所述串联机构40中远离所述动平台50的支臂的一端，即通过所述第四转动副连接于所述第三支臂43远离所述动平台50的端部。

所述C形轨道60和所述托架50以圆弧轨迹的滑动副连接，即所述C形轨道60可以相对于所述托架50做圆弧轨迹的滑动。

所述X射线源70和所述影像探测器80安装于所述C形轨道60的内壁，且相对设置。

请参阅图3，本实施例中，优选地，所述第一转动副的转动轴L1和所述第二转动副的转动轴L2相平行，且和所述第三转动副的转动轴L3及所述第四转动副的转动轴L4相垂直，所述第三转动副的转动轴L3和所述第四转动副的转动轴L4相垂直，所述C形轨道的滑动副的轨迹中心轴L5和所述第一转动副的转动轴L1平行。

可以理解的是，所述串联机构40通过驱动所述第一转动副、所述第二转动副、所述第三转动副和所述第四转动副即可完成多个自由度的运动，进而可以使所述C形轨道60在不同的方位变换位姿，并最终使所述X射线源70和所述影像探测器80可以有效地在三维空间进行不同方位的成像。

使用所述X射线成像机器人100时，控制所述并联机构30即可相应的调节所述X射线成像机器人100的高度和方位，而控制所述串联机构则可相应的在三维空间调节所述C形轨道60中所述X射线源70和所述影像探测器80的方位，进而可以实现不同方位的成像。

可以理解的是，所述X射线成像机器人100中，所述固定平台10、所述动平台20、所述并联机构30及所述串联机构40即构成一个机械臂，相应的执行件，如夹持件设置于所述第三支臂43的端部即可。

可以理解的是，所述机械臂的组成并不局限于本实施例，其还可以包括第四支臂、第五支臂或第六支臂。

相较于现有技术，本发明提供的所述X射线成像机器人100采用并联机构30和串联机构40混联的方式，实现所述C形轨道60多个自由度的运动，使其中的所述X射线源70和所述影像探测器80可以有效地在三维空间进行不同方位的成像，由此可知，所述X射线成像机器人100不仅具有传统串联机器人活动空间大的优点，而且还具有传统并联机器人高精度、高刚度的优点，可以通过冗余自由度的配置来提供更高的灵活度。同时，通过所述并联机构30，所述X射线成像机器人100可以有效地减小整体的惯量，进而可以提供较好的稳定性。此外，所述X射线成像机器人100通过所述固定平台10，可以悬吊安装于相应的手术室，减少手术室底层空间的占用，使其具有灵活、稳定以及紧凑的特点。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种X射线成像机器人，其特征在于，所述X射线成像机器人包括：

一个用于固定所述X射线成像机器人的固定平台；

一个动平台，其具有一个平动自由度和两个转动自由度；

一个并联机构，其设置于所述固定平台和所述动平台之间，所述并联机构由多个支链并联组成；

一个串联机构，其包括多个支臂，所述动平台及所述多个支臂依次通过转动副串联；

托架，其通过转动副连接于所述串联机构中远离所述动平台的支臂的一端；

C形轨道，其和所述托架以圆弧轨迹的滑动副连接；

X射线源及影像探测器，所述X射线源和所述影像探测器安装于所述C形轨道的内壁，且相对设置。

2.如权利要求1所述的X射线成像机器人，其特征在于，每一所述支链均包括一个铰链座、一个套杆、一个移动杆及一个球铰；所述铰链座固定连接于所述固定平台上；所述套杆的一端和所述铰链座连接形成转动副，另一端套设于所述移动杆的一端形成移动副；所述移动杆的另一端连接于所述球铰并通过所述球铰和所述动平台连接。

3.如权利要求2所述的X射线成像机器人，其特征在于，所述并联机构包括三个中心对称布置的所述支链，所述三个支链的三个铰链座中心对称地设置于所述固定平台，所述三个支链的三个球铰中心对称地设置于所述动平台。

4.如权利要求1所述的X射线成像机器人，其特征在于，所述串联机构包括第一支臂、第二支臂及第三支臂；所述第一支臂的一端通过第一转动副连接于所述动平台，另一端通过第二转动副连接所述第二支臂的一端；所述第二支臂的另一端通过第三转动副连接所述第三支臂的一端；所述第三支臂的另一端通过第四转动副连接所述托架。

5.如权利要求4所述的X射线成像机器人，其特征在于，所述第一转动副的转动轴和所述第二转动副的转动轴相平行，且和所述第三转动副的转动轴及所述第四转动副的转动轴相垂直，所述第三转动副的转动轴和所述第四转动副的转动轴相垂直，所述C形轨道的滑动副的轨迹中心轴和所述第一转动副的转动轴平行。

6.如权利要求1所述的X射线成像机器人，其特征在于，所述固定平台固定于天花板、地面、墙壁或固定架。