CN110711033B - 一种六自由度穿刺手术机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种六自由度穿刺手术机器人，其包括底板、XYZ三轴移动台、延伸杆单元、αβ角关节模组、六维力传感器模组和穿刺进针模组，XYZ三轴移动台固定在底板上，延伸杆单元一端与XYZ三轴移动台连接，另一端与αβ角关节模组、六维力传感器模组和穿刺进针模组依次连接。本发明的六自由度穿刺手术机器人能够在X光实时影像的引导下，代替医生在辐射环境下执行穿刺，并且由医生实时跟踪靶点的偏移，并且采用遥操作控制，及时调整进针角度，实现肺部的精准穿刺，并消除医生的手部颤动造成的不利影响，省去传统手术中分步骤进针、反复校验的流程，做到一次进针，提高了手术效率与精度，减小了气胸、出血等并发症的出现概率。
Description
技术领域
本发明涉及医疗实验领域，具体来说是一种六自由度穿刺手术机器人。
背景技术
肺癌作为最常见的原发性肺部肿瘤，是全球范围内发病率和死亡率增长最快、对人类健康和生命威胁最高的恶性肿瘤。经皮肺穿刺活检可用以诊断肺癌等肺部疾病，同时基于穿刺手术的各类肿瘤消融术(如微波消融、射频消融、氩氦刀等)与放射性粒子植入术是近些年来新发展出来的微创肿瘤治疗技术。故而肺部穿刺手术对肺部肿瘤的检测与治疗都具有重要意义。
然而，由于肺部的呼吸特性，导致肿瘤靶点在穿刺时不断运动，这给人工穿刺或机器人辅助穿刺都造成了巨大的麻烦，穿刺就像射击运动中的“运动打靶”，很难穿准。再加上很多医院由于医疗条件不足，往往需要医生凭借经验做“盲穿”，让穿刺手术的准确性进一步下降。即使有条件可以采用CT影像引导甚至采用一些穿刺定位装置，也会因为CT曝光时的吸气量和执行穿刺时的吸气量难以保持一致，仍然难以解决靶点偏移的问题。
更重要的是，肺部不像身体的其他组织，临床上肺部的穿刺是有数量限制的，一旦多次穿刺尚未成功，肺部很可能会出现严重并发症——气胸(气体随穿刺孔进入胸腔内)。因此如果能够设计一种穿刺手术辅助机器人，能够在X光实时影像的引导下，让机器人代替医生在辐射环境下执行穿刺，并且由医生实时跟踪靶点的偏移，并且采用遥操作控制，及时调整进针角度，实现肺部的精准穿刺，则将是一项有着重要社会价值的技术成果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种六自由度穿刺手术机器人，具体技术方案如下：
一种六自由度穿刺手术机器人，其特征在于，该机器人包括：
底板，所述的底板作为机器人基座，用于与减震平台固定；
XYZ三轴移动台，所述的XYZ三轴移动台固定在所述的底板上，用于调节机器人的XYZ方向上的位移；
延伸杆单元，所述的延伸杆单元一端与Y轴移动平台连接，且所述的延伸杆单元以与YOZ面夹角为30-45度的方向向斜下方延伸；
αβ角关节模组，所述的αβ角关节模组固定在所述的延伸杆的另一端，用于调节进针姿态角α和β，配合所述的XYZ三轴移动台的插补运动实现穿刺进针模组绕针尖转动；
六维力传感器模组，所述的六维力传感器模组安装在所述的αβ角关节模组的末端，用于采集穿刺过程中的穿刺进针模组受到的力信号；
穿刺进针模组，所述的穿刺进针模组与所述的六维力传感器模组相连，用于执行最后的穿刺进针。
进一步地，所述的XYZ三轴移动台的最大运动行程为：X轴600-1000mm，Y轴400-800mm，Z轴200-600mm；X轴移动台与底板连接，保持水平状态，Z轴移动台通过Z轴连接板与三角肋板与X轴移动台固定；Y轴移动台通过Y轴连接板与Z轴移动台固定；XYZ三轴移动台均由带抱闸与编码器的伺服电机或步进电机作为动力源，并由丝杆或同步带与高精度线性导轨作为传动部件，配装电缆链轨避免运动时与线缆发生干涉。
进一步地，所示的延长杆长度300-600mm，直径60-90mm。
进一步地，所示的αβ角关节模组由α角关节模组与β角关节模组以正交姿态连接组成，用于调节2个进针姿态角α、β；αβ角关节模组均由带抱闸与编码器的无框力矩电机或永磁同步伺服电机作为动力源，并由谐波减速器或RV减速器作为传动部件，并采用中空走线的方式避免运动时与线缆发生干涉。
进一步地，所述的六维力传感器模组包括六维力传感器、传感器采集卡、前端连接法兰、后端连接法兰，所述的六维力传感器和传感器采集卡固定在所述的六维力传感器模组内部，避免直接暴露在工作环境中，并起到一定的电磁屏蔽效果，从而有效采集穿刺过程中的穿刺进针模组受到的力信号。
进一步地，所述的穿刺进针模组包括进针模组连接法兰、进针直线模组、穿刺针、上紧定螺钉、进针滑块、针套定位架、下紧定螺钉、针套、直线模组下端盖，所述的进针模组连接法兰与所述的前端连接法兰固定，所述的进针直线模组固定在所述的进针模组连接法兰的工具面上，所述的针套定位架固定在所述的直线模组下端盖上，所述的进针滑块可沿进针直线模组进行直线运动；所述的进针直线模组为全封闭式直线模组，由带抱闸与编码器的微型伺服电机或微型步进电机作为动力源，并由丝杆与微型线性导轨作为传动部件；所述的进针滑块上有与所述的穿刺针外径相对应的安装孔，所述的穿刺针插在所述的安装孔内，并由所述的上紧定螺钉拧紧固定；所述的针套定位架上有与针套外径相对应的安装孔，所述的针套插入该孔并由所述的下紧定螺钉拧紧固定；所述的穿刺针与所述的针套为间隙配合，所述的穿刺针穿过所述的针套，并在所述的针套的引导下平稳进针。
进一步地，所述的穿刺进针模组上安装有按钮盒，医生可按下按钮对机器人进行拖拽控制，方便调节进针位姿。
进一步地，其还包括机器人控制系统，用于控制和驱动穿刺手术机器人各关节运动，从而实现精准执行穿刺手术的功能，该控制系统包括PC机、工控机、实时控制器、各关节的驱动器、六维力传感器和限位开关。
本发明的有益效果如下：
本发明的六自由度穿刺手术机器人，能够在X光实时影像的引导下，让机器人代替医生在辐射环境下执行穿刺，并且由医生实时跟踪靶点的偏移，并且采用遥操作控制，及时调整进针角度，实现肺部的精准穿刺，并消除医生的手部颤动造成的不利影响，省去传统手术中分步骤进针、反复校验的流程，做到一次进针，提高了手术效率与精度，减小了气胸、出血等并发症的出现概率，具有巨大的实用价值。
附图说明
图1是本发明的六自由度穿刺手术机器人的整体结构示意图一；
图2是本发明的手术操作布局示意图；
图3为本发明的六自由度穿刺手术机器人的整体结构示意图二；
图4是本发明的机器人末端结构示意图；
图5是本发明的六维力传感器模组与穿刺进针模组的结构示意图；
图6是本发明的机器人控制系统流程图。
图中，1-底板，2-XYZ三轴移动台，3-延伸单元，4-αβ角关节模组，5-六维力传感器模组，6-穿刺进针模组，7-机器人控制系统，8-手术床，9-C臂X光机，10-手术患者，11-减震平台，201-x轴滑块，202-x轴直线模块，203-X轴伺服电机，204-Z轴连接板，205-三角肋板，206-Z轴直线模块，207-Z轴伺服电机，208-同步带传动模块，209-Y轴伺服电机，210-Y轴连接板，211-Y轴直线模块，212-Y轴滑块，301-延伸杆连接板，302-弯头，303-第一密封圈，304-延伸杆，305-第二密封圈，401-关节轴一，402-关节轴二，501-传感器采集卡，502-后端连接法兰，503-六维力传感器，504-前端连接法兰，601-进针模组连接法兰，602-进针直线模组，603-穿刺针，604-上紧定螺钉，605-进针滑块，606针套定位架，607-下紧定螺钉，608-针套，609-直线模组下端盖，610-按钮盒。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的六自由度穿刺手术机器人包括底板1、XYZ三轴移动台2、延伸杆3、αβ角关节模组4、六维力传感器模组5、穿刺进针模组6、机器人控制系统7；其中，
XYZ三轴移动台2固定在底板1上，用于调节机器人的XYZ方向上的位移；
延伸单元3，其一端与Y轴移动平台连接，且延伸单元3以与YOZ面夹角为30-45度的方向向斜下方延伸；
αβ角关节模组4，固定在延伸单元3的另一端，用于调节进针姿态角α和β，配合XYZ三轴移动台2的插补运动实现穿刺进针模组6绕针尖转动；
六维力传感器模组5，安装在αβ角关节模组4的末端，用于采集穿刺过程中的穿刺进针模组6受到的力信号；
穿刺进针模组6，其与六维力传感器模组5相连，用于执行最后的穿刺进针。
如图2所示，本发明的手术操作布局示意图，手术患者10平躺在手术床8上，本发明的机器人的底板1固定在减震平台11上，本发明的机器人和C臂X光机9协同操作。
如图3所示，XYZ三轴移动台2包括X轴滑块201、X轴直线模块202、X轴伺服电机203、Z轴连接板204、三角肋板205、Z轴直线模块206、Z轴伺服电机207、同步带传动模块208、Y轴伺服电机209、Y轴连接板210、Y轴直线模块211、Y轴滑块212，X轴移动台保持水平状态，X轴直线模块202固定在底板1上，X轴滑块201由X轴伺服电机203驱动，可在X轴直线模块202上滑动；Z轴直线模块206通过Z轴连接板204和三角肋板205固定在X轴滑块201上，Y轴直线模块211通过Y轴连接板210固定在Z轴直线模块206上，Z轴伺服电机207通过同步带传动模块208带动Y轴连接板210沿Z轴方向移动，Y轴滑块212在Y轴伺服电机209的驱动下沿Y轴直线模块211滑动。移动台的最大运动行程为：X轴600-1000mm，Y轴400-800mm，Z轴200-600mm。X轴伺服电机203、Y轴伺服电机209和Z轴伺服电机207均为带抱闸与编码器的伺服电机，其也可以由步进电机代替，并由丝杆或同步带与高精度线性导轨作为传动部件，可配装电缆链轨避免运动时与线缆发生干涉。
如图3所示，延伸单元3包括、弯头302、第一密封圈303、延伸杆304和第二密封圈305，延伸单元3通过延伸杆连接板301固定在Y轴滑块212上，延伸杆304通过弯头302固定在延伸杆连接板301上，延伸单元3的末端连接αβ角关节模组4。延长杆304的长度300-600mm，直径60-90mm，应有足够的刚度，避免在XYZ三轴移动台运动时造成末端机构的抖动，弯头的倾角为30-45度，使末端的机构以30-45度向斜下方延伸，避免与C臂X光机9干涉。
如图4所示，αβ角关节模组4包括关节轴一401和关节轴二402，将αβ角关节模组通过外圆面上的螺钉固定在延伸杆304的末端，αβ角关节模组由α角关节模组与β角关节模组以正交姿态连接组成，将β角关节模组的基体通过外圆面上的螺钉固定在α角关节模组的输出端上，αβ角关节模组由带抱闸与编码器的无框力矩电机或永磁同步伺服电机作为动力源，并由谐波减速器或RV减速器作为传动部件，可采用中空走线的方式避免运动时与线缆发生干涉。
如图5所示，六维力传感器模组5包括传感器采集卡501、后端连接法兰502、六维力传感器503和前端连接法兰504，后端连接法兰502通过螺栓固定在αβ角关节模组4的输出端，传感器采集卡501通过铜柱固定在后端连接法兰502的内部，六维力传感器503通过定位销与螺钉固定在后端连接法兰502的安装面上，前端连接法兰504通过定位销与螺钉固定在六维力传感器503的工具面上。六维力传感器模组5将六维力传感器503与传感器采集卡501隐藏在机构内部，避免直接暴露在工作环境中，并起到一定的电磁屏蔽效果，从而有效采集穿刺过程中的穿刺进针模组受到的力信号。
如图5所示，穿刺进针模组6包括进针模组连接法兰601、进针直线模组602、穿刺针603、上紧定螺钉604、进针滑块605、针套定位架606、下紧定螺钉607、针套608、直线模组下端盖609和按钮盒610；进针模组连接法兰601通过外圆面上的螺钉与前端连接法兰504固定，其中，进针直线模组602通过背部的螺钉固定在进针模组连接法兰601的工具面上，针套定位架606通过螺钉固定在直线模组下端盖609上，进针滑块605可沿进针直线模组602进行直线运动；进针直线模组602为全封闭式直线模组，由带抱闸与编码器的微型伺服电机或微型步进电机作为动力源，并由丝杆与微型线性导轨作为传动部件。进针滑块605上有与穿刺针603外径相对应的安装孔，将穿刺针603插入该孔并拧紧上紧定螺钉604即可固定穿刺针603。针套定位架606上有与针套608外径相对应的安装孔，将针套608插入该孔并拧紧下紧定螺钉607即可固定针套608；穿刺针603与针套608为间隙配合，穿刺针603可穿过针套608，并在针套608的引导下平稳进针。穿刺进针模组6上安装有按钮盒610，医生可按下按钮对机器人进行拖拽控制，方便调节进针位姿。
如图1和6所示，本发明的六自由度穿刺手术机器人还包括机器人控制系统7，机器人控制系统7用于控制和驱动穿刺手术机器人各关节运动，从而实现精准执行穿刺手术的功能，机器人控制系统包括PC机、工控机、实时控制器、各关节的驱动器、六维力传感器、限位开关等。
该系统的决策层(医生控制)为PC机，PC机可放置在X光屏蔽室外，医生在PC机前操作避免受射线影响。PC机和X光实时成像系统连接(DICOM标准)，并带有便于医生操作的用户界面(UI)，医生在X光实时影像的引导下，在PC机的用户界面上进行相应的操纵(如调节α夹角的数值)，PC机将会把对应的姿态调节指令发送给工控机。
工控机内置运动学与动力学解算程序，具有电磁兼容性强、系统稳定的特点，可放置在机器人本体附近。工控机接受了来自PC机的指令(或通过六维力传感器采集到的拖拽力信号)之后，利用运动学与动力学模型求解出各轴的运动量，进行运动学规划，再将机器人的各运动部件的运动量通过总线技术实时发送给机器人实时控制器。
机器人实时控制器能够通过总线技术和各轴的驱动器实时通讯，发送实时的运动指令并实时读取编码器的值，并通过高精度的插补计算，使末端的运动轨迹更加平滑稳定，实现执行层层面的闭环控制。
驱动器的作用是执行实时控制器发出的运动指令，用大电流去驱动电机，驱动器的内部一般具有位置环、速度环、电流环，可使用改良过的PID算法控制。
限位开关的作用为限位与零位标定，从而在多次使用中及时清除累计的误差，XYZ轴的直线模组中可优先选用光电开关，原因是考虑到本机器人的应用环境，机械开关的防护等级不如光电开关，但在末端的进针直线模组中，可优先选用微型的机械式开关，便于整体的微型化。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种六自由度穿刺手术机器人，其特征在于，该机器人包括：
底板，所述的底板作为机器人基座，用于与减震平台固定；
XYZ三轴移动台，所述的XYZ三轴移动台固定在所述的底板上，用于调节机器人的XYZ方向上的位移，所述的XYZ三轴移动台的最大运动行程为：X轴600-1000mm，Y轴400-800mm，Z轴200-600mm；X轴移动台与底板连接，保持水平状态，Z轴移动台通过Z轴连接板和三角肋板与X轴移动台固定；Y轴移动台通过Y轴连接板与Z轴移动台固定；XYZ三轴移动台均由带抱闸与编码器的伺服电机或步进电机作为动力源，并由丝杆与高精度线性导轨作为传动部件，或者由同步带与高精度线性导轨作为传动部件，配装电缆链轨，避免运动时与线缆发生干涉；
延伸单元，所述的延伸单元包括弯头、第一密封圈、延伸杆和第二密封圈，延伸单元通过延伸杆连接板固定在Y轴滑块上，延伸杆通过弯头固定在延伸杆连接板上，延伸单元的末端连接αβ角关节模组；延伸杆的长度300-600mm，直径60-90mm，应有足够的刚度，避免在XYZ三轴移动台运动时造成末端机构的抖动，弯头的倾角为30-45度，使末端的机构以30-45度向斜下方延伸，避免与C臂X光机干涉；
αβ角关节模组，所述的αβ角关节模组固定在所述的延伸杆的另一端，用于调节进针姿态角α和β，配合所述的XYZ三轴移动台的插补运动实现穿刺进针模组绕针尖转动，所述的αβ角关节模组由α角关节模组与β角关节模组以正交姿态连接组成，αβ角关节模组均由带抱闸与编码器的无框力矩电机或永磁同步伺服电机作为动力源，并由谐波减速器或RV减速器作为传动部件，并采用中空走线的方式避免运动时与线缆发生干涉；
六维力传感器模组，所述的六维力传感器模组安装在所述的αβ角关节模组的末端，用于采集穿刺过程中的穿刺进针模组受到的力信号，所述的六维力传感器模组包括六维力传感器、传感器采集卡、前端连接法兰、后端连接法兰，所述的六维力传感器和传感器采集卡固定在所述的六维力传感器模组内部，避免直接暴露在工作环境中，并起到一定的电磁屏蔽效果；
穿刺进针模组，所述的穿刺进针模组与所述的六维力传感器模组相连，用于执行最后的穿刺进针；所述的穿刺进针模组包括进针模组连接法兰、进针直线模组、穿刺针、上紧定螺钉、进针滑块、针套定位架、下紧定螺钉、针套、直线模组下端盖，所述的进针模组连接法兰与所述的前端连接法兰固定，所述的进针直线模组固定在所述的进针模组连接法兰的工具面上，所述的针套定位架固定在所述的直线模组下端盖上，所述的进针滑块可沿进针直线模组进行直线运动；所述的进针直线模组为全封闭式直线模组，由带抱闸与编码器的微型伺服电机或微型步进电机作为动力源，并由丝杆与微型线性导轨作为传动部件；所述的进针滑块上有与所述的穿刺针外径相对应的安装孔，所述的穿刺针插在与穿刺针外径相对应的安装孔内，并由所述的上紧定螺钉拧紧固定；所述的针套定位架上有与针套外径相对应的安装孔，所述的针套插入与针套外径相对应的安装孔，并由所述的下紧定螺钉拧紧固定；所述的穿刺针与所述的针套为间隙配合，所述的穿刺针穿过所述的针套，并在所述的针套的引导下平稳进针；所述的穿刺进针模组上安装有按钮盒，医生可按下按钮对机器人进行拖拽控制，方便调节进针位姿。
2.根据权利要求1所述的六自由度穿刺手术机器人，其特征在于，其还包括机器人控制系统，用于控制和驱动穿刺手术机器人各关节运动，从而实现精准执行穿刺手术的功能，该控制系统包括PC机、工控机、实时控制器、各关节的驱动器和限位开关； PC机放置在X光屏蔽室外，医生在PC机前操作避免受射线影响；PC机和X光实时成像系统连接，并带有便于医生操作的用户界面，医生在X光实时影像的引导下，在PC机的用户界面上进行相应的操纵，PC机将会把对应的姿态调节指令发送给工控机；工控机内置运动学与动力学解算程序，放置在机器人本体附近；工控机接受来自PC机的指令之后，或通过六维力传感器采集到的拖拽力信号，利用运动学与动力学模型求解出各轴的运动量，进行运动学规划，再将机器人的各运动部件的运动量通过总线技术实时发送给实时控制器；实时控制器能够通过总线技术和各关节的驱动器实时通讯，发送实时的运动指令并实时读取编码器的值，并通过高精度的插补计算，使末端的运动轨迹更加平滑稳定，实现执行层层面的闭环控制；驱动器的作用是执行实时控制器发出的运动指令，用大电流去驱动电机，驱动器的内部具有位置环、速度环、电流环；限位开关的作用为限位与零位标定，从而在多次使用中及时清除累计的误差。
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