CN104146772B - 一种用于颌面疾病精确诊疗的机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于颌面疾病精确诊疗的机器人，属于微创医疗器械技术领域。机器人包括机器人支撑机构、机器人本体机构、通用接口和控制系统；机器人支撑机构实现机器人本体机构相对于手术床即患者的相对位置调整，此位置调整是对患者治疗部位的初步定位。机器人本体机构实现空间三个自由度的调整，由此实现末端机构对患者治疗部位的精确定位；通用接口用于连接三个实施手术治疗的末端机构，本发明可连接三种手术末端，从而完成三种不同的手术，拆卸方便，操作灵活；降低了创伤、提高了疗效、准确率高、重复性好，同时降低人员辐射，减少人员工作量。
Description
技术领域
发明涉及一种微创诊疗机器人，具体涉及一种用于颅底及面侧深区疾病的精确微创诊疗机器人，用于实现末端机构对患者的精确定位。属于微创医疗器械技术领域。
背景技术
颅底及面侧深区位置深，内含重要的神经血管。此区的病变，如肿瘤、神经疾患、炎症等在诊治上存在较大难度及风险，是头颈外科领域内最为疑难的解剖区域。颅底及面侧深区肿瘤软组织复杂，且通常存在形变、不同软组织以及软组织与肿瘤病灶之间边界模糊、血管和神经分布密集复杂，因此目前对于此类疾病通常采用医生一对一的手法治疗，效率低、强度大；目前市场上也没有应用于此类疾病的精确微创诊疗机器人。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于颌面疾病精确诊疗的机器人，由机器人本体机构实现末端机构对患者治疗部位的精确定位，通过末端机构完成穿刺针稳定前进、获取肿瘤组织、粒子植入、后退及种植体植入等操作。
一种用于颌面疾病精确诊疗的机器人，包括机器人支撑机构、机器人本体机构、通用接口和控制系统；其中，所述支撑机构包括固定患者并承载患者体重的手术床、起固定机器人本体机构作用的床架，起支撑作用的左底座和右底座；床架沿水平方向对称分布于手术床的两侧边且固定，左底座和右底座分别连接在床架上并且可以沿水平方向移动以调节机器人本体机构相对于手术床的位置，位置合适时通过螺栓Ⅰ固定；
所述机器人本体机构包括电机组件I、螺栓Ⅱ、右支撑件、圆弧导轨、左支撑件、电机组件Ⅱ、电机组件Ⅲ、法兰盘I、法兰盘Ⅱ、支撑板、齿轮、导轮、螺栓Ⅲ、法兰盘Ⅲ、线性模组固定件、线性模组、电机Ⅳ、电机连接件、滑块、滑块连接件、力学传感器和通用接口；
所述通用接口包括通用接口开放端和通用接口螺母；
所述圆弧导轨的内外圆周面上对称加工有沿圆弧导轨周向的凸起结构，外圆周面上还加工有周向齿，周向齿与凸起结构沿圆弧导轨的厚度方向并列设置；
所述导轮的外圆周面上设有周向的V型槽，V型槽与圆弧导轨上的凸起结构相配合；
所述控制系统与机器人本体机构中的电机组件Ⅱ、电机组件Ⅲ、电机组件Ⅰ、电机Ⅳ和力学传感器相连，控制系统通过安装在末端机构上的方位传感器得知末端机构的空间位置，根据患者治疗部位位置信息计算出控制量并传递给各电机；控制系统还根据力学传感器感受末端机构作用于患者的穿刺力大小来判断穿刺路径的正确性；
其整体连接关系为：电机组件Ⅰ固定连接在右底座上，电机组件Ⅰ的传动轴穿过右底座上的过孔与右支撑件固定连接，左底座与左支撑件铰接，圆弧导轨的两端分别固定在右支撑件和左支撑件上；
所述支撑板上设置有四个导轮，四个导轮上下对称设置并分别通过其上的V型槽嵌入圆弧导轨的凸起结构中，使支撑板与圆弧导轨之间产生滑动配合，电机组件Ⅱ固定在法兰盘Ⅰ上并通过支撑板与齿轮连接，齿轮与圆弧导轨上的周向齿啮合，电机组件Ⅱ驱动齿轮的转动，导轮作为从动件带动支撑板随着齿轮的转动沿圆弧导轨移动；
电机组件Ⅲ与法兰盘Ⅱ固定之后与支撑板固定连接，电机组件Ⅲ的输出轴与线性模组固定件通过法兰盘Ⅲ固定连接，电机组件Ⅲ驱动线性模组固定件使其转动以调节角度，线性模组固定在线性模组固定件上，滑块固定在线性模组上，电机Ⅳ通过电机连接件固定在线性模组的顶端，用以驱动滑块的上下移动，滑块连接件与滑块固定在一起随着滑块上下移动，力学传感器的上端与滑块连接件连接在一起，力学传感器的下端与通用接口中的通用接口开放端相连接，用以感知手术中穿刺力的大小。
进一步的，为了增强圆弧导轨的强度，与圆弧导轨相同尺寸的圆弧导轨支架与圆弧导轨的背面相贴合并且用螺栓Ⅳ固定在一起。
工作过程：所述通用接口用于连接三个实施手术治疗的末端机构，三个末端机构分别是可持续自动粒子植入器、颅底肿瘤穿刺活检机构和三叉神经节热凝治疗三叉神经痛末端机构；三个末端机构均具备与通用接口连接的连接结构，将连接结构插入通用接口开放端后用通用接口螺母锁紧，即可使末端机构与机器人本体实现连接。
在对患者实施手术治疗时，患者平躺在手术床上，通过调节左底座和右底座在床架上的移动来实现机器人本体机构相对于手术床即患者的相对位置调整，此位置调整是对患者治疗部位的初步定位。
精确定位由机器人本体机构实现，电机组件Ⅰ驱动右支撑件和左支撑件绕铰接点转动，由此带动圆弧导轨以及支撑板上的部件整体转动，实现末端机构绕该转动轴线相对于水平面的俯仰调节；电机组件Ⅱ驱动齿轮的转动，导轮作为从动件带动支撑板随着齿轮的转动沿圆弧导轨移动，实现末端机构沿圆弧导轨的弧度位移调节；电机组件Ⅲ驱动线性模组固定件使其转动以调节角度，实现末端机构绕垂直于支撑板平面方向的转动轴线旋转；电机Ⅳ通过线性模组驱动滑块做直线运动，实现末端机构沿滑块的运动方向做直线移动。上述位移均通过控制系统给出控制量后由电机驱动实现，因此能够实现末端机构对患者治疗部位的精确定位。
有益效果：
1、本发明的机器人固定在手术床上，通过机器人支撑机构实现机器人本体机构相对手术床位置的初步定位，通过机器人本体机构实现精确定位；在患者头颈部狭小的工作空间内通过实现了穿刺针精确定位、稳定前进、获取肿瘤组织、粒子植入、后退及种植体植入等操作，具备较高的刚度、操作灵活，完成了集高速伺服电机、微小型伺服驱动器、高效减速装置和轻量化关节于一体的新颖灵巧关节，同时力学传感器能实时感测和反馈穿刺力的大小，实现了机器人精确定位、灵活规划和小体积情况下的最佳可操作性和最大灵活工作空间；
2、本发明的通用接口采用了航空螺母式的通用接口设计，可连接三种手术末端，从而完成三种不同的手术，拆卸方便，操作灵活；降低了创伤、提高了疗效、准确率高、重复性好，同时降低人员辐射，减少人员工作量。
附图说明
图1为本发明颅底及面侧深区疾病的精确微创诊疗机器人的轴测图；
图2为本发明颅底及面侧深区疾病的精确微创诊疗机器人的左视图；
图3为本发明颅底及面侧深区疾病的精确微创诊疗机器人的主视图；
图4是本发明中通用接口的结构示意图；
图5是本发明中可持续自动粒子植入器的结构示意图；
图6是颅底肿瘤穿刺活检机构的结构示意图；
图7是三叉神经节热凝治疗三叉神经痛末端机构；
其中，1、床架；2、螺栓Ⅰ；3、右底座；4、手术床；5、螺栓Ⅱ；6、右支撑座；7、圆弧导轨支撑架；8、电机组件Ⅱ；9、电机组件Ⅲ；10、法兰盘I；11、法兰盘Ⅱ；12、支撑板；13、法兰盘Ⅲ；14、螺栓Ⅳ；15、线性模组固定件；16、线性模组；17、通用接口；18、力学传感器；19、滑块连接件；20、滑块；21、电机连接件；22、电机Ⅳ；23、电机组件Ⅰ；24、圆弧导轨；25、齿轮；26、导轮；27、左支撑件；28、左底座；29、螺栓Ⅲ；30、通用接口开放端；31、通用接口螺母；32、接口Ⅰ；33、粒子植入装置；34、接口Ⅱ；35、穿刺活检器；36、接口Ⅲ；37、热消融把持装置。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1、2和3所示，本发明提供了一种用于颌面疾病精确诊疗的机器人，包括机器人支撑机构、机器人本体机构、通用接口和控制系统；其中，所述支撑机构包括固定患者并承载患者体重的手术床4、起固定机器人本体机构作用的床架1，起支撑作用的左底座28和右底座3；床架1沿水平方向对称分布于手术床4的两侧边且固定，左底座28和右底座3分别连接在床架1上并且可以沿水平方向移动以调节机器人本体机构相对于手术床4的位置，位置合适时通过螺栓I2固定；
所述机器人本体机构包括电机组件Ⅰ23、螺栓Ⅱ5、右支撑件6、圆弧导轨24、左支撑件27、电机组件Ⅱ8、电机组件Ⅲ9、法兰盘I10、法兰盘Ⅱ11、支撑板12、齿轮25、导轮26、螺栓Ⅲ29、法兰盘Ⅲ13、线性模组固定件15、线性模组16、电机Ⅳ22、电机连接件21、滑块20、滑块连接件19、力学传感器18和通用接口17；
如附图4所示，所述通用接口17包括通用接口开放端30和通用接口螺母31；
所述圆弧导轨24的内外圆周面上对称加工有沿圆弧导轨24周向的凸起结构，外圆周面上还加工有周向齿，周向齿与凸起结构沿圆弧导轨24的厚度方向并列设置；
所述导轮26的外圆周面上设有周向的V型槽，V型槽与圆弧导轨24上的凸起结构相配合；
所述控制系统与机器人本体机构中的电机组件Ⅱ8、电机组件Ⅲ9、电机组件Ⅰ23、电机Ⅳ22相连，通过方位传感器得知末端机构的空间位置，根据患者治疗部位位置信息计算出控制量并传递给各电机；
其整体连接关系为：电机组件I23固定连接在右底座3上，电机组件Ⅰ23的传动轴穿过右底座3上的过孔与右支撑件6固定连接，左底座28与左支撑件27铰接，圆弧导轨24的两端分别固定在右支撑件6和左支撑件27上；
所述支撑板12上设置有四个导轮26，四个导轮26上下对称设置并分别通过其上的V型槽嵌入圆弧导轨24的凸起结构中，使支撑板12与圆弧导轨24之间产生滑动配合，电机组件Ⅱ8固定在法兰盘I10上并通过支撑板12与齿轮25连接，齿轮25与圆弧导轨24上的周向齿啮合，电机组件Ⅱ8驱动齿轮25的转动，导轮26作为从动件带动支撑板12随着齿轮25的转动沿圆弧导轨24移动；
电机组件Ⅲ9与法兰盘Ⅱ11固定之后与支撑板12固定连接，电机组件Ⅲ9的输出轴与线性模组固定件15通过法兰盘Ⅲ13固定连接，电机组件Ⅲ9驱动线性模组固定件15使其转动以调节角度，线性模组16固定在线性模组固定件15上，滑块20固定在线性模组16上，电机IV22通过电机连接件21固定在线性模组16的顶端，用以驱动滑块20的上下移动，滑块连接件19与滑块20固定在一起随着滑块上下移动，力学传感器18的上端与滑块连接件19连接在一起，力学传感器18的下端与通用接口17中的通用接口开放端30相连接，用以感知手术中穿刺力的大小。
进一步的，为了增强圆弧导轨的强度，与圆弧导轨24相同尺寸的圆弧导轨支架7与圆弧导轨24的背面相贴合并且用螺栓Ⅳ14固定在一起。
所述通用接口17用于连接三个实施手术治疗的末端机构，三个末端机构分别是可持续自动粒子植入器、颅底肿瘤穿刺活检机构和三叉神经节热凝治疗三叉神经痛末端机构；如附图5、6和7所示，所述的可持续自动粒子植入器包括与通用接口相连接的接口I32、粒子植入装置33等；所述的颅底肿瘤穿刺活检机构：包括与通用接口相连接的接口Ⅱ34、穿刺活检器35等；所述的三叉神经节热凝治疗三叉神经痛末端机构：包括与通用接口相连接的接口Ⅲ36、热消融把持装置37等。
三个末端机构均具备与通用接口17连接的连接结构，将连接结构插入通用接口开放端30后用通用接口螺母31锁紧，即可使末端机构与机器人本体实现连接。
在对患者实施手术治疗时，患者平躺在手术床4上，通过调节左底座28和右底座3在床架1上的移动来实现机器人本体机构相对于手术床4即患者的相对位置调整，此位置调整是对患者治疗部位的初步定位。
精确定位由机器人本体机构实现，电机组件Ⅰ23驱动右支撑件6和左支撑件27绕铰接点转动，由此带动圆弧导轨24以及支撑板12上的部件整体转动，实现末端机构绕该转动轴线相对于水平面的俯仰调节；电机组件Ⅱ8驱动齿轮25的转动，导轮24作为从动件带动支撑板12随着齿轮25的转动沿圆弧导轨24移动，实现末端机构沿圆弧导轨24的弧度位移调节；电机组件Ⅲ9驱动线性模组固定件15使其转动以调节角度，实现末端机构绕垂直于支撑板12平面方向的转动轴线旋转；电机Ⅳ22通过线性模组16驱动滑块20做直线运动，实现末端机构沿滑块20的运动方向做直线移动。上述位移均通过控制系统给出控制量后由电机驱动实现，因此能够实现末端机构对患者治疗部位的精确定位。在末端机构实施穿刺的过程中，力学传感器18感知穿刺力的大小并传递给控制系统，通过控制系统来判断穿刺路径正确与否，一旦穿刺路径发生错误，控制系统给出停止穿刺指令，并重新进行定位过程。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于颌面疾病精确诊疗的机器人，其特征在于，包括机器人支撑机构、机器人本体机构、通用接口和控制系统；其中，所述支撑机构包括固定患者并承载患者体重的手术床(4)、起固定机器人本体机构作用的床架(1)，起支撑作用的左底座(28)和右底座(3)；床架(1)沿水平方向对称分布于手术床(4)的两侧边且固定，左底座(28)和右底座(3)分别连接在床架(1)上并且可以沿水平方向移动以调节机器人本体机构相对于手术床(4)的位置，位置合适时通过螺栓I(2)固定；
所述机器人本体机构包括电机组件Ⅰ(23)、螺栓Ⅱ(5)、右支撑件(6)、圆弧导轨(24)、左支撑件(27)、电机组件Ⅱ(8)、电机组件Ⅲ(9)、法兰盘Ⅰ(10)、法兰盘Ⅱ(11)、支撑板(12)、齿轮(25)、导轮(26)、螺栓Ⅲ(29)、法兰盘Ⅲ(13)、线性模组固定件(15)、线性模组(16)、电机Ⅳ(22)、电机连接件(21)、滑块(20)、滑块连接件(19)、力学传感器(18)和通用接口(17)；
所述通用接口(17)包括通用接口开放端(30)和通用接口螺母(31)；
所述圆弧导轨(24)的内外圆周面上对称加工有沿圆弧导轨(24)周向的凸起结构，外圆周面上还加工有周向齿，周向齿与凸起结构沿圆弧导轨(24)的厚度方向并列设置；
所述导轮(26)的外圆周面上设有周向的V型槽，V型槽与圆弧导轨(24)上的凸起结构相配合；
所述控制系统与机器人本体机构中的电机组件Ⅱ(8)、电机组件Ⅲ(9)、电机组件Ⅰ(23)、电机Ⅳ(22)和力学传感器(18)相连，控制系统通过安装在末端机构上的方位传感器得知末端机构的空间位置，根据患者治疗部位位置信息计算出控制量并传递给各电机；控制系统还根据力学传感器感受末端机构作用于患者的穿刺力大小来判断穿刺路径的正确性；
电机组件Ⅰ(23)固定连接在右底座(3)上，电机组件Ⅰ(23)的传动轴穿过右底座(3)上的过孔与右支撑件(6)固定连接，左底座(28)与左支撑件(27)铰接，圆弧导轨(24)的两端分别固定在右支撑件(6)和左支撑件(27)上；
所述支撑板(12)上设置有四个导轮(26)，四个导轮(26)上下对称设置并分别通过其上的V型槽嵌入圆弧导轨(24)的凸起结构中，使支撑板(12)与圆弧导轨(24)之间产生滑动配合，电机组件Ⅱ(8)固定在法兰盘Ⅰ(10)上并通过支撑板(12)与齿轮(25)连接，齿轮(25)与圆弧导轨(24)上的周向齿啮合，电机组件Ⅱ(8)驱动齿轮(25)的转动，导轮(26)作为从动件带动支撑板(12)随着齿轮(25)的转动沿圆弧导轨(24)移动；
电机组件Ⅲ(9)与法兰盘Ⅱ(11)固定之后与支撑板(12)固定连接，电机组件Ⅲ(9)的输出轴与线性模组固定件(15)通过法兰盘Ⅲ(13)固定连接，电机组件Ⅲ(9)驱动线性模组固定件(15)使其转动以调节角度，线性模组(16)固定在线性模组固定件(15)上，滑块(20)固定在线性模组(16)上，电机Ⅳ(22)通过电机连接件(21)固定在线性模组(16)的顶端，用以驱动滑块(20)的上下移动，滑块连接件(19)与滑块(20)固定在一起随着滑块(20)上下移动，力学传感器(18)的上端与滑块连接件(19)连接在一起，力学传感器(18)的下端与通用接口(17)中的通用接口开放端(30)相连接。
2.如权利要求1所述的用于颌面疾病精确诊疗的机器人，其特征在于，与圆弧导轨(24)相同尺寸的圆弧导轨支架(7)与圆弧导轨(24)的背面相贴合并且用螺栓Ⅳ(14)固定在一起。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |