CN111467035A - 一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人 - Google Patents

一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人 Download PDF

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Abstract

一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，属于手术机器人技术领域。本发明为了解决现有脊柱微创手术机器人无法实现主动磨削及钻削功能的问题。包括滑动基座、四自由度并联结构和轴向进给结构，四自由度并联结构连接在两个滑动基座之间；所述四自由度并联结构包括上下两组同步带驱动的十字滑台，两组十字滑台可实现坐标系XYZ中XY方向的进给；两组十字滑台纵向分支的末端动平台连接轴向进给结构，所述轴向进给结构可在两组十字滑台被驱动后的带动下实现俯仰偏航运动；所述轴向进给结构连接手术器械，可提供手术器械在坐标系XYZ中Z方向的进给。本发明用于脊柱微创手术。

Description

一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人
技术领域
本发明涉及一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，属于手术机器人技术领域。
背景技术
脊柱微创手术机器人主要用于在脊柱微创手术中为手术器械进行导向。现有的脊柱微创手术机器人无法实现主动磨削及钻削功能；同时现有脊柱微创手术机器人通常为多个串联机构连接而成，其需要固定于台车，结构笨重响应慢，并且占用空间较大，会影响到医生的手术操作。
因此，需要提供一种新型的脊柱微创手术机器人，能够具备足够的刚度和精度，满足机器人辅助钻削磨削等手术操作的需求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有脊柱微创手术机器人无法实现主动磨削及钻削功能的问题，提供了一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人。
本发明所述一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，包括两个滑动基座1、四自由度并联结构2和轴向进给结构3，
所述滑动基座1包括滑道和支架，两个滑道分别对应连接在手术床长度方向的两侧导轨上，所述滑道连接支架，四自由度并联结构2连接在两个支架之间，并横跨在手术床的台面上方；
所述四自由度并联结构2包括上下两组同步带驱动的十字滑台，两组十字滑台可实现坐标系XYZ中XY方向的进给；两组十字滑台纵向分支的末端动平台连接轴向进给结构3，所述轴向进给结构3可在两组十字滑台被驱动后的带动下实现俯仰偏航运动；所述轴向进给结构3连接手术器械，可提供手术器械在坐标系XYZ中Z方向的进给。
根据本发明所述的一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，所述四自由度并联结构2包括夹紧装置2-1、电机2-2、驱动带轮2-3、上支链横向滑轨2-4、上支链嵌合滑台2-5、上支链纵向滑台2-6、上虎克铰2-7、并联部分动平台2-8、下虎克铰2-9、下支链纵向滑台2-10、下支链嵌合滑台2-11、下支链横向滑轨2-12和同步带2-13，
上支链横向滑轨2-4与上支链纵向滑台2-6呈十字连接，上支链横向滑轨2-4通过导轨滑块与上支链嵌合滑台2-5连接，形成上组十字滑台；
下支链横向滑轨2-12与下支链纵向滑台2-10呈十字连接，下支链横向滑轨2-12通过导轨滑块与下支链嵌合滑台2-11连接，形成下组十字滑台；
上组十字滑台和下组十字滑台上分别布设十字分布的同步带2-13，同步带在十字滑台的四个末端分别连接驱动带轮2-3，所述驱动带轮2-3通过对应的电机2-2驱动；
上组十字滑台纵向分支的末端设置上虎克铰2-7，下组十字滑台纵向分支的末端设置下虎克铰2-9，上虎克铰2-7和下虎克铰2-9连接并联部分动平台2-8，上虎克铰2-7和下虎克铰2-9的中心点可在同步带2-13的差速转动下，在各自十字滑台工作平面内相对交错移动，两个十字滑台工作平面相平行并且相对距离恒定，从而带动并联部分动平台2-8运动；并联部分动平台2-8的侧面连接轴向进给结构3；
上组十字滑台和下组十字滑台横向分支的两个末端分别通过夹紧装置2-1与对应的支架连接。
根据本发明所述的一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，所述轴向进给结构3通过丝杠3-1实现末端手术器械的轴向进给。
本发明的优点：本发明主要可应用于椎弓根钉固定术和椎板减压手术。本发明通过四自由度并联结构可以提供空间直线的四自由度定位，以及轴向进给结构提供沿直线方向的进给自由度。
本发明针对脊柱微创手术磨削及钻削操作提出，其基于同步带传动的十字滑台混联结构，符合人体生理结构特点，最大程度上利用了机构的工作空间，同时机构可完全解耦容易控制。本发明的结构设计便于获取同步带张力进而解算出机构驱动关节驱动力，为力控提供条件。
附图说明
图1是本发明所述一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人与手术床连接的结构示意图；
图2是四自由度并联结构的示意图；
图3是轴向进给结构的示意图；
图4是一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人的工作状态简图；
图5是机构驱动关节驱动力的示意图；
图6是工作轴线与人体横断面及矢状面的夹角图；
图7是人体各个平面的示意图；
图8是电机驱动十字滑台的示意图；
图9是并联部分动平台作俯仰角度运动，对应人体矢状面内运动的示意图；
图10是并联部分动平台摆动角度对应锥体横断面内运动的示意图；
图11是手术工具沿轴向进给的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，包括两个滑动基座1、四自由度并联结构2和轴向进给结构3，
所述滑动基座1包括滑道和支架，两个滑道分别对应连接在手术床长度方向的两侧导轨上，所述滑道连接支架，四自由度并联结构2连接在两个支架之间，并横跨在手术床的台面上方；
所述四自由度并联结构2包括上下两组同步带驱动的十字滑台，两组十字滑台可实现坐标系XYZ中XY方向的进给；两组十字滑台纵向分支的末端动平台连接轴向进给结构3，所述轴向进给结构3可在两组十字滑台被驱动后的带动下实现俯仰偏航运动；所述轴向进给结构3连接手术器械，可提供手术器械在坐标系XYZ中Z方向的进给。
所述十字滑台结构主要通过同步带驱动，结合图5所示，通过在十字滑台横纵向连接处的惰轮固定结构上粘贴应变片，检测同步带张力，可解算出十字滑台驱动力。图中，F1为同步带张力。
所述滑道固定于手术床滑台的导轨上，可带动所述十字滑台结构沿手术床纵向平行移动，由此增大手术器械的工作空间；十字滑台结构本身可为末端手术器械轴线提供四自由度空间定位，使工作轴线满足椎弓根轴线分别与人体横断面及矢状面的夹角要求所述夹角要求可结合图6及图7所示，图6中，θx′为置钉轴线工作轴线线与坐标轴Z′之间的夹角。所述θx′沿椎体矢状面工作角度范围为[-30°,+30°]，沿椎体横断面工作角度范围为[-18°,+18°]。
轴向进给结构3的轴向进给为手术器械的钻削及逐层铣削提供第5自由度。
本实施方式中的基于带传动的十字滑台结构作为并联结构支链的驱动系统。对于其单一支链，同步带结构可通过差速转动，实现十字滑台末端结构的两自由度平面移动，同时这种传动原理上属于并联结构，可将两自由度的驱动电机布置在基座上。上下两十字滑台末端相连形成闭环。具体结合图4所示。
进一步，结合图2至图5所示，所述四自由度并联结构2包括夹紧装置2-1、电机2-2、驱动带轮2-3、上支链横向滑轨2-4、上支链嵌合滑台2-5、上支链纵向滑台2-6、上虎克铰2-7、并联部分动平台2-8、下虎克铰2-9、下支链纵向滑台2-10、下支链嵌合滑台2-11、下支链横向滑轨2-12和同步带2-13，
上支链横向滑轨2-4与上支链纵向滑台2-6呈十字连接，上支链横向滑轨2-4通过导轨滑块与上支链嵌合滑台2-5连接，形成上组十字滑台；
下支链横向滑轨2-12与下支链纵向滑台2-10呈十字连接，下支链横向滑轨2-12通过导轨滑块与下支链嵌合滑台2-11连接，形成下组十字滑台；
上组十字滑台和下组十字滑台上分别布设十字分布的同步带2-13，同步带在十字滑台的四个末端分别连接驱动带轮2-3，所述驱动带轮2-3通过对应的电机2-2驱动；
上组十字滑台纵向分支的末端设置上虎克铰2-7，下组十字滑台纵向分支的末端设置下虎克铰2-9，上虎克铰2-7和下虎克铰2-9连接并联部分动平台2-8，上虎克铰2-7和下虎克铰2-9的中心点可在同步带2-13的差速转动下，在各自十字滑台工作平面内相对交错移动，两个十字滑台工作平面相平行并且相对距离恒定，从而带动并联部分动平台2-8运动；并联部分动平台2-8的侧面连接轴向进给结构3；上组十字滑台和下组十字滑台横向分支的两个末端分别通过夹紧装置2-1与对应的支架连接。
本实施方式中，上支链横向滑轨2-4通过导轨滑块与上支链嵌合滑台2-5连接，下支链横向滑轨2-12通过导轨滑块与下支链嵌合滑台2-11连接，可沿图2所示的Y方向移动；上支链纵向滑台2-6与上支链嵌合滑台2-5通过导轨滑块连接及下支链嵌合滑台2-11与下支链纵向滑台2-10通过导轨滑块连接，可相对嵌合滑台沿图示X方向移动。四组电机2-2通过齿轮传动，带动驱动带轮2-3驱动同步带2-13，可带动上组十字滑台和下组十字滑台XY方向的进给。上虎克铰2-7和下虎克铰2-9通过导轨滑块可沿并联部分动平台2-8纵向移动。
图9和图10所示，通过驱动上组十字滑台和下组十字滑台在空间中交错移动即可实现对并联部分动平台2-8位姿的控制。
图8所示，当1号电机与2号电机顺时针方向转动时，滑台的横向分支沿Y轴负向移动；当1号电机顺时针方向转动，2号电机逆时针方向转动时，滑台的纵向分支沿X轴正向移动；当1号电机与2号电机逆时针方向转动时，滑台的横向分支沿Y轴正向移动；当1号电机逆时针方向转动，2号电机顺时针方向转动时，滑台的纵向分支沿X轴负向移动。
上虎克铰2-7和下虎克铰2-9通过同步带差速转动，可使虎克铰中心点在两个相对距离恒定的平面内移动，实现并联部分动平台2-8的俯仰偏航运动；轴向进给结构3的轴线与两虎克铰中心点连线平行。轴向进给结构3可通过力传感器检测末端受力。
所述基于带传动的脊柱微创手术机器人在使用时，医生可待病人躺入病床后再进行各结构间的组装连接。
再进一步，结合图3所示，所述轴向进给结构3通过丝杠3-1实现末端手术器械的轴向进给。
结合图9和图10所示，轴向进给结构3连接在并联部分动平台2-8末端，继承其位姿，并通过丝杆3-1驱动可沿图3所示方向进给。图11中箭头所示为进给方向。
本发明的工作过程：
手术前，滑动基座1已连接在手术床上，将患者固定于手术床面后，由医生将机器人主体部分，即四自由度并联结构2通过快速夹紧装置固定于滑道上，并沿手术床移动机器人，寻找到合适的手术位置后将机器人滑动基座可靠固定，准备完毕。
手术时，通过术前定位与导航控制机器人使末端手术器械移动到合理位置，并通过术前规划进行手术操作。四自由度并联结构2可调整机器人末端手术器械平面位置，及轴线姿态角度。轴向进给结构3可提供沿手术器械轴向的进给运动。对于椎弓根钉植入手术，通过四自由度并联结构2调整手术器械至合适角度后，由轴向进给结构3完成钻削。对于椎板磨削手术，确定好手术器械位姿后，由四自由度并联结构2及轴向进给结构3联动实现自主磨削。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，其特征在于，包括两个滑动基座(1)、四自由度并联结构(2)和轴向进给结构(3)，
所述滑动基座(1)包括滑道和支架，两个滑道分别对应连接在手术床长度方向的两侧导轨上，所述滑道连接支架，四自由度并联结构(2)连接在两个支架之间，并横跨在手术床的台面上方；
所述四自由度并联结构(2)包括上下两组同步带驱动的十字滑台，两组十字滑台可实现坐标系XYZ中XY方向的进给；两组十字滑台纵向分支的末端动平台连接轴向进给结构(3)，所述轴向进给结构(3)可在两组十字滑台被驱动后的带动下实现俯仰偏航运动；所述轴向进给结构(3)连接手术器械，可提供手术器械在坐标系XYZ中Z方向的进给。
2.根据权利要求1所述的一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，其特征在于，所述四自由度并联结构(2)包括夹紧装置(2-1)、电机(2-2)、驱动带轮(2-3)、上支链横向滑轨(2-4)、上支链嵌合滑台(2-5)、上支链纵向滑台(2-6)、上虎克铰(2-7)、并联部分动平台(2-8)、下虎克铰(2-9)、下支链纵向滑台(2-10)、下支链嵌合滑台(2-11)、下支链横向滑轨(2-12)和同步带(2-13)，
上支链横向滑轨(2-4)与上支链纵向滑台(2-6)呈十字连接，上支链横向滑轨(2-4)通过导轨滑块与上支链嵌合滑台(2-5)连接，形成上组十字滑台；
下支链横向滑轨(2-12)与下支链纵向滑台(2-10)呈十字连接，下支链横向滑轨(2-12)通过导轨滑块与下支链嵌合滑台(2-11)连接，形成下组十字滑台；
上组十字滑台和下组十字滑台上分别布设十字分布的同步带(2-13)，同步带在十字滑台的四个末端分别连接驱动带轮(2-3)，所述驱动带轮(2-3)通过对应的电机(2-2)驱动；
上组十字滑台纵向分支的末端设置上虎克铰(2-7)，下组十字滑台纵向分支的末端设置下虎克铰(2-9)，上虎克铰(2-7)和下虎克铰(2-9)连接并联部分动平台(2-8)，上虎克铰(2-7)和下虎克铰(2-9)的中心点可在同步带(2-13)的差速转动下，在各自十字滑台工作平面内相对交错移动，两个十字滑台工作平面相平行并且相对距离恒定，从而带动并联部分动平台(2-8)运动；并联部分动平台(2-8)的侧面连接轴向进给结构(3)；
上组十字滑台和下组十字滑台横向分支的两个末端分别通过夹紧装置(2-1)与对应的支架连接。
3.根据权利要求2所述的一种十字滑台驱动式混联脊柱手术机器人，其特征在于，
所述轴向进给结构(3)通过丝杠(3-1)实现末端手术器械的轴向进给。
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