CN110652322A - 导向定位机器人 - Google Patents

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CN110652322A CN201810701645.6A CN201810701645A CN110652322A CN 110652322 A CN110652322 A CN 110652322A CN 201810701645 A CN201810701645 A CN 201810701645A CN 110652322 A CN110652322 A CN 110652322A
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Abstract

本发明提供了一种导向定位机器人，包括支架、操作臂和至少两组运动单元；支架具有至少两道同轴心地设置的圆环形滑道，一道圆环形滑道对应一组运动单元；支架具有位于各圆环形滑道中部的通过孔；每组运动单元包括：转动座，适于沿对应的圆环形滑道转动；配置于转动座上的导轨，导轨垂直于圆环形滑道的轴心；滑块，适于沿导轨移动；球铰，安装于滑块，且球铰的中心设置有安装孔；驱动装置，用于调整转动座相对于圆环形滑道的转动位置和/或滑块相对于导轨的移动位置；各组运动单元的球铰在轴向上彼此分离；操作臂穿设过支架的通过孔，且至少穿设过两组运动单元的球铰的安装孔。

Description

导向定位机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，更具体地，涉及一种导向定位机器人。
背景技术
癌症是当今人类健康的重大威胁。作为一种常用的诊断措施，活检是诊断癌症的黄金标准。活检手术通常由外科医生使用活检针或者活检枪手动操作。然而，病灶通常位于皮下组织或器官中，外科医生难以准确定位目标位置，因此经常导致出现假阴性结果，影响病情的及时控制和治疗。
医疗机器人因其精确性和稳定性越来越广泛的被用于各种手术中，随着技术的发展，医疗机器人会逐渐成为医院的基本配置。具有导向定位的活检机器人可以提高癌症诊断的准确性和有效性，然而目前很多活检机器人都是基于传统的串联机械手臂改造而成，系统结构复杂，不便于医生操作使用，且造价高昂，通用性差。另外，由于庞大的体积以及各种金属部件的存在无法做到核磁共振兼容。
发明内容
基于此，有必要提供一种结构紧凑，通用性强，造价低且具有灵活操作自由度的活检机器人。
根据本发明的一个方面，提供了一种导向定位机器人，包括支架、操作臂和至少两组运动单元；支架具有至少两道同轴心地设置的圆环形滑道，一道圆环形滑道对应一组运动单元；支架具有位于各圆环形滑道中部的通过孔；每组运动单元包括：转动座，适于沿对应的圆环形滑道转动；配置于转动座上的导轨，导轨垂直于圆环形滑道的轴心；滑块，适于沿导轨移动；球铰，安装于滑块，且球铰的中心设置有安装孔；驱动装置，用于调整转动座相对于圆环形滑道的转动位置和/或滑块相对于导轨的移动位置；各组运动单元的球铰在轴向上彼此分离；操作臂穿设过支架的通过孔，且至少穿设过两组运动单元的球铰的安装孔；操作臂配置成其工作姿态随着转动座的转动和/或滑块的移动而改变。
进一步地，转动座呈圆环形且与圆环形滑道同轴心地设置，驱动装置包括用于驱动转动座沿圆环形滑道转动的第一驱动机构。
进一步地，第一驱动机构为齿式回转驱动机构，其包括：与支架相对固定的第一电机；安装在第一电机的输出轴上的第一齿轮；配置于转动座的外周上的第二齿轮，第二齿轮与第一齿轮啮合配合；或者，第一驱动机构为蜗轮蜗杆式回转驱动机构，其包括：与支架相对固定的第二电机；安装在第二电机的输出轴上的蜗杆；配置于转动座的外周上的蜗轮，蜗轮与蜗杆相配合。
进一步地，转动座与对应的圆环形滑道之间设置有回转轴承。
进一步地，导轨为直线型导轨；滑块从直线型导轨的一端移动至另一端时，球铰的安装孔通过圆环形滑道的轴心；驱动装置包括用于驱动滑块沿导轨移动的第二驱动机构。
进一步地，直线型导轨的两端分别与转动座连接。
进一步地，第二驱动机构包括气缸，气缸的一端与转动座连接，气缸的另一端与滑块连接。
进一步地，第二驱动机构包括：与转动座相对固定的第三电机，与第三电机的输出轴连接的丝杠；直线型导轨由导杆形成，导杆与丝杠相平行且二者轴线所在的平面与圆环形滑道的轴心相垂直；滑块具有与丝杠螺纹配合的螺纹孔，以及与导杆滑动配合的导向孔。
进一步地，支架包括至少两个同轴心地设置且轴向上彼此分离的圆环形支撑座，一个圆环形支撑座配置有一道圆环形滑道，轴向上相邻的圆环形支撑座通过连接架连接；和/或，操作臂配置有手术器械。
进一步地，至少两道圆环形滑道及对应的各组运动单元的转动座布置于同一平面上，各组运动单元的导轨分别通过立架与对应的转动座连接，并使各组运动单元的球铰在轴向上彼此分离；和/或，操作臂配置有手术器械。
本发明实施例提供的导向定位机器人，其操作臂具有四个自由度，包括两个旋转自由度和两个平移自由度，通过驱动装置控制各转动座和各滑块的移动，可以灵活操作导向定位机器人的操作臂的工作姿态。另外，该导向定位机器人的结构紧凑，便携可穿戴，可以配置成例如与核磁共振等影像检查医疗设备兼容的形式，核磁共振实时自动扫描可疑区域并优化目标位置(病灶位置)，通过控制器向导向定位机器人的驱动装置发出动作指令，再由驱动装置驱动转动座和/或滑块的移动，可以使操作臂携带的手术器械快速、准确、有效地到达病灶位置以进行手术操作，这将极大的提高癌症的检出率，降低手术难度。此外，该导向定位机器人具有较大的刚度和承载力，良好的定位精度和足够的工作空间，通用性强且成本低，有利于该导向定位机器人在医疗领域的推广。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的导向定位机器人的立体图；
图2示出了本发明实施例提供的导向定位机器人的一组运动单元的部分零部件的立体图；
图3示出了本发明实施例提供的导向定位机器人的支架的立体图；
图4示出了本发明实施例提供的导向定位机器人的另一组运动单元的部分零部件的立体图。
具体实施方式
参见图1至图4，示出了本发明实施例提供的一种导向定位机器人的结构，该导向定位机器人例如可用作医疗导向定位机器人使用，特别是可以作为活检机器人使用。当然，该导向定位机器人的应用范围不限于医疗领域，还可以应用于各种合适的场合。如图所示，该导向定位机器人包括支架1，操作臂2和至少两组运动单元。
其中，在一种优选的实施方式中，支架1包括至少两道同轴心地设置的圆环形滑道，且支架1具有位于各圆环形滑道中部的通过孔100，该通过孔100优选地与各圆环形滑道同轴心地设置。
由图1和图3中可以看出，本实施例中支架1包括两道圆环形滑道110和120，圆环形滑道110配置于对应的圆环形支撑座11上，圆环形滑道120配置于对应的圆环形支撑座12上，圆环形支撑座11和圆环形支撑座12同轴心地设置且轴向上彼此分离，轴向上相邻的圆环形支撑座11和12之间连接有连接架13。第一圆环支撑座11和第二圆环支撑座12的结构可以大体相同，并采用背靠背的方式通过连接架13固定到一起。可以理解，连接架13的构型应不影响支架1的通过孔100的贯通。本实施例中优选地，连接架13采用多根沿周向均匀布置的连杆的形式，各连杆的两端分别与第一圆环支撑座11、第二圆环支撑座12连接。这样，可以降低该导向定位机器人的重量，使该导向定位机器人的设计满足轻型化要求。当然，在其他实施例中，支架1还可以有其他的构型。
当该导向定位机器人作为医疗用导向定位机器人使用时，操作臂2例如为配置有手术器械的手术工具，手术器械例如为活检针或者活检枪或者其他适用的手术器械。
上述的圆环形滑道和运动单元的对应关系是：一道圆环形滑道对应一组运动单元，也即，圆环形滑道和运动单元是一一对应的关系。在本实施例中示出了两道圆环形滑道，相应地配置了两组运动单元。其中一组运动单元至少包括转动座31、导轨32、滑块33、球铰34和驱动装置(图中未示出)，另一组运动单元也至少包括转动座31’、导轨32’、滑块33’、球铰34’和驱动装置(图中未示出)。
转动座31适于沿对应的圆环形滑道110转动，转动座31’适于沿对应的圆环形滑道120转动。导轨32配置于转动座31上，导轨32’配置于转动座31’上，导轨与对应的转动座之间是位置相对固定的关系，使得导轨能够随着转动座的转动而转动。导轨32垂直于圆环形滑道110的轴心，导轨32’垂直于圆环形滑道120的轴心。滑块33适于沿导轨32移动，滑块33’适于沿导轨32’移动。球铰34安装于滑块33，且球铰34的中心设置有安装孔340；球铰34’安装于滑块33’，且球铰34’的中心设置有安装孔(图中未标号)。
各组运动单元的驱动装置用于调整其组内的转动座相对于圆环形滑道的转动位置，和/或，其组内的滑块相对于导轨的移动位置。例如，上述的一组运动单元的驱动装置用于调整转动座31相对于圆环形滑道110的转动位置，和/或滑块33相对于导轨32的移动位置。上述的另一组运动单元的驱动装置用于调整转动座31’相对于圆环形滑道120的转动位置，和/或滑块33’相对于导轨32’的移动位置
各组运动单元的球铰在轴向上彼此分离，也即，不同组的球铰34和34’在轴向上保持彼此分离的关系。操作臂2穿设过支架1的通过孔100，且同时穿设过球铰34的安装孔340和球铰34’的安装孔，形成并联连接。该操作臂2配置成，使得操作臂2的工作姿态随着转动座31、31’的转动和/或滑块33、33’的移动而改变。可以理解，为使操作臂2能够穿设过通过孔100，又能随着各滑块的移动而改变工作姿态，各导轨分别具有自对应的转动座向该转动座的旋转内侧伸出的导轨段。操作臂2的工作姿态例如包括：穿设过通过孔100并与圆环形滑道的轴心相平行或相重合的工作姿态，穿设过通过孔100并与圆环形滑道的轴心属于异面直线关系的工作姿态。可以理解，随着滑块33和33’的相对位置的改变，球铰34和34’之间的距离也发生改变。可以理解，为适应两球铰之间距离的变化，操作臂2与各球铰的安装孔是滑动配合的关系，使操作臂2能在各球铰的作用下达到更大的倾斜角度范围。
本实施例提供的导向定位机器人，其操作臂具有四个自由度，包括两个旋转自由度和两个平移自由度，通过驱动装置控制各转动座和各滑块的移动，可以灵活操作导向定位机器人的操作臂的工作姿态。另外，该导向定位机器人的结构紧凑，便携可穿戴，可以配置成例如与核磁共振等影像检查医疗设备兼容的形式，核磁共振实时自动扫描可疑区域并优化目标位置(病灶位置)，通过控制器向导向定位机器人的驱动装置发出动作指令，再由驱动装置驱动转动座和/或滑块的移动，可以使操作臂携带的手术器械快速、准确、有效地到达病灶位置以进行手术操作，这将极大的提高癌症的检出率，降低手术难度。此外，该导向定位机器人具有较大的刚度和承载力，良好的定位精度和足够的工作空间，通用性强且成本低，有利于该导向定位机器人在医疗领域的推广。
由图1、图2和图4中可以看出，本实施例中，转动座31和31’优选地均为完整的圆环形，且与圆环形滑道110和120同轴心地设置。各组运动单元的驱动装置包括用于驱动组内转动座沿对应的圆环形滑道转动的第一驱动机构。适用于驱动圆环形转动座转动的第一驱动机构有多种实施方式，例如可以为齿式回转驱动机构或者蜗轮蜗杆式回转驱动机构。
下面以一组运动单元为例来分别说明这两种回转驱动机构。
齿式回转驱动机构包括第一电机、第一齿轮和第二齿轮。其中，第一电机与支架1相对固定，例如第一电机固定于支架1。第一齿轮安装在第一电机的输出轴上。第二齿轮配置于转动座31的外周上，该第二齿轮与第一齿轮啮合配合。通过控制第一电机的正转或者反转，即可方便地驱使转动座31相对圆环形滑道110的正反转。需要说明的是，第一齿轮和第二齿轮可以是直接啮合配合，也可以是通过中间齿轮传动的方式间接啮合配合。
蜗轮蜗杆式回转驱动机构包括第二电机、蜗杆和蜗轮。其中，第二电机与支架1相对固定，例如第二电机固定于支架1。蜗杆安装在第二电机的输出轴上。蜗轮配置于转动座31的外周上，蜗轮与蜗杆相配合。通过控制第二电机的正转或者反转，即可方便地驱使转动座31相对圆环形滑道110的正反转。
为使转动座相对于圆环形滑道的转动更加顺滑、阻力小，优选地，在转动座31、31’和对应的圆环形滑道110、120之间设置有回转轴承(图中未示出)。回转轴承与对应的转动座、圆环形滑道的连接结构可以参见已知技术。
再来参见图1、图2和图4中，本实施例中，导轨32和32’优选地为直线型导轨。而且，滑块33和33’从各自所在的直线型导轨的一端移动至另一端时，球铰34和34’的安装孔分别能够通过圆环形滑道的轴心。也即，球铰沿直线型导轨的往复移动是沿圆环形滑道的径向往复移动，使操作臂2能够经过各圆环形滑道的轴心。这样，通过控制各滑块的移动和各转动座的转动，有利于各球铰达到其所限定出的最大运动圆周内的任意位置，使穿设过通过孔100的操作臂2可以采用更多种工作姿态，更能适应手术需求。
直线型的导轨32和32’的两端优选地分别与对应的圆环形转动座31和31’连接，以使各导轨得到更稳定的支承。优选地，导轨32的两端可以分别与圆环形转动座31的内周壁连接，导轨32’的两端可以分别与圆环形转动座31’的内周壁连接，这样，有利于减小该导向定位机器人的轴向长度，节约轴向空间。
各组运动单元的驱动装置还包括用于驱动组内滑块沿导轨移动的第二驱动机构(图中未示出)。对于直线型导轨来说，第二驱动机构可以有多种实施方式，例如采用气缸驱动或者采用丝杠驱动。
下面以上述的一组运动单元为例来说明气缸驱动方式。具体地，第二驱动机构包括气缸，气缸的一端与转动座31铰接，气缸的另一端与滑块33连接。通过控制气缸的伸缩，即可容易地改变滑块33在导轨22上的位置，以使球铰34带动操作臂2移动。
当第二驱动机构采用丝杠驱动时，以上述的一组运动单元为例进行说明，第二驱动机构包括第三电机(图中未示出)和与第三电机的输出轴连接的丝杠4。第三电机与转动座31相对固定，例如固定在转动座31上。直线型的导轨32构造成导杆形状，导杆与丝杠4相平行且二者轴线所在的平面与圆环形滑道110的轴心相垂直。丝杠4优选地由转动座31旋转支承。滑块33具有与丝杠4螺纹配合的螺纹孔，以及与导杆滑动配合的导向孔。通过控制第三电机的正反转，会引发丝杠4的正反转，因滑块33在导杆的限制下不能随丝杠4一起转动，因此丝杠4的转动即转化为滑块33沿丝杠4和导杆的往复移动。图1中也示出了另一组运动单元所配置的丝杠4’，在此不再赘述。
可以理解，上文所述仅为本发明的优选实施例。在其他可替换的实施例中，本发明实施例提供的导向定位机器人可以采用下文中至少一种变形方案：
一、圆环形滑道可以配置成多于两道，相应地，运动单元也可以配置成多于两组。这种情况尤其适用于靠近操作臂2两端的球铰之间的长度较长时，通过设置多组运动单元以使操作臂2得到更多的来自球铰的支承。
二、各滑动座可以为非完整的圆环形。例如滑动座采用一截圆弧形结构，使直线型导轨只有一端与滑动座连接。针对于不同的滑动座结构，用于驱动滑动座转动的第一驱动结构可以采用不同的形式。
三、各圆环形滑道及对应的各组运动单元的转动座布置于同一平面上，使各组运动单元的导轨(例如与圆环形滑道的轴心垂直的直线型导轨)分别通过立架与对应的转动座连接，以使各组运动单元的球铰在轴向上彼此分离。
四、第一驱动机构、第二驱动机构的形式例如还可以是电机，电机驱动滚轮移动，电机组成的带传动，电机组成的齿轮传动，镍钛合金丝组成的绳索驱动，钢丝软轴组成的软轴驱动，或者是气动驱动，以及上述组合。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种导向定位机器人，其特征在于，包括支架(1)、操作臂(2)和至少两组运动单元；
所述支架(1)具有至少两道同轴心地设置的圆环形滑道，一道所述圆环形滑道对应一组所述运动单元；所述支架(1)具有位于各所述圆环形滑道中部的通过孔(100)；
每组所述运动单元包括：转动座(31)，适于沿对应的所述圆环形滑道转动；配置于所述转动座(31)上的导轨(32)，所述导轨(32)垂直于所述圆环形滑道的轴心；滑块(33)，适于沿所述导轨(32)移动；球铰(34)，安装于所述滑块(33)，且所述球铰(34)的中心设置有安装孔(340)；驱动装置，用于调整所述转动座(31)相对于所述圆环形滑道的转动位置和/或所述滑块(33)相对于所述导轨(32)的移动位置；
各组所述运动单元的球铰(34)在轴向上彼此分离；所述操作臂(2)穿设过所述支架(1)的通过孔(100)，且至少穿设过两组所述运动单元的球铰(34)的安装孔(340)；所述操作臂(2)配置成其工作姿态随着所述转动座(31)的转动和/或所述滑块(33)的移动而改变。
2.根据权利要求1所述的导向定位机器人，其特征在于，所述转动座(31)呈圆环形且与所述圆环形滑道同轴心地设置，所述驱动装置包括用于驱动所述转动座(31)沿所述圆环形滑道转动的第一驱动机构。
3.根据权利要求2所述的导向定位机器人，其特征在于，
所述第一驱动机构为齿式回转驱动机构，其包括：与所述支架(1)相对固定的第一电机；安装在所述第一电机的输出轴上的第一齿轮；配置于所述转动座(31)的外周上的第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合配合；
或者，所述第一驱动机构为蜗轮蜗杆式回转驱动机构，其包括：与所述支架(1)相对固定的第二电机；安装在所述第二电机的输出轴上的蜗杆；配置于所述转动座(31)的外周上的蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆相配合。
4.根据权利要求2所述的导向定位机器人，其特征在于，所述转动座(31)与对应的所述圆环形滑道之间设置有回转轴承。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的导向定位机器人，其特征在于，所述导轨(32)为直线型导轨；所述滑块(33)从所述直线型导轨的一端移动至另一端时，所述球铰(34)的安装孔通过所述圆环形滑道的轴心；所述驱动装置包括用于驱动所述滑块(33)沿所述导轨(32)移动的第二驱动机构。
6.根据权利要求5所述的导向定位机器人，其特征在于，所述直线型导轨的两端分别与所述转动座(31)连接。
7.根据权利要求5所述的导向定位机器人，其特征在于，所述第二驱动机构包括气缸，所述气缸的一端与所述转动座(31)连接，所述气缸的另一端与所述滑块(33)连接。
8.根据权利要求5所述的导向定位机器人，其特征在于，
所述第二驱动机构包括：与所述转动座(31)相对固定的第三电机，与所述第三电机的输出轴连接的丝杠(4)；
所述直线型导轨由导杆形成，所述导杆与所述丝杠(4)相平行且二者轴线所在的平面与所述圆环形滑道的轴心相垂直；
所述滑块(33)具有与所述丝杠(4)螺纹配合的螺纹孔，以及与所述导杆滑动配合的导向孔。
9.根据权利要求1所述的导向定位机器人，其特征在于，
所述支架包括至少两个同轴心地设置且轴向上彼此分离的圆环形支撑座，一个所述圆环形支撑座配置有一道所述圆环形滑道，轴向上相邻的圆环形支撑座通过连接架连接；
和/或，所述操作臂(2)配置有手术器械。
10.根据权利要求1所述的导向定位机器人，其特征在于，至少两道所述圆环形滑道及对应的各组运动单元的转动座(31)布置于同一平面上，各组所述运动单元的导轨(32)分别通过立架与对应的所述转动座(31)连接，并使各组所述运动单元的球铰(34)在轴向上彼此分离；
和/或，所述操作臂(2)配置有手术器械。
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