CN112869877A - 基于智能结构的介入手术机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能结构的介入手术机器人及其控制系统，包括箱体组件、升降立柱组件、箱门组件、Z轴线性模组组件、Y轴线性模组组件、介入机器人组件和末端执行器组件，多个升降立柱组件连接于箱体组件的下端，箱体组件的内侧安装有Z轴线性模组组件，Z轴线性模组组件的Z轴线性模组组件升降平台上连接有Y轴线性模组组件，Y轴线性模组组件设有能够横向移动的Y轴线性模组组件滑台，Y轴线性模组组件滑台上连接在介入机器人组件的一端，介入机器人组件的另一端连接有末端执行器组件，箱体组件连接有箱门组件。本专利可以在磁共振、CT等大型医学影像设备环境下，高效地、精准地完成介入手术治疗、穿刺取活检等微创手术。

Description

基于智能结构的介入手术机器人及其控制系统

技术领域

本发明属于手术机器人的技术领域，涉及一种在CT或MRI及其他医学影像设备环境下，用于穿刺提取活检、微创介入手术的机器人结构及其控制系统。

背景技术

随着科技的不断发展，越来越多的穿刺提取活检以及各种疾病的手术，向创伤小、出血量少、感染率低、疼痛轻和恢复快的微创手术方向发展。但传统的微创手术过程操作繁琐，劳动强度大，依赖于医生的经验、体力和熟练程度，在操作时要协调对肩膀、肘部、腕部以及手指的施力力度，特别是腕部与手指处的力矩控制，每个动作既要轻柔又要在微小的空间发出较大的力矩，所以微创介入手术对体力的消耗极大，人体受累到一定程度后很容易导致身体动作变形，严重影响手术质量，甚至发生事故。另外在CT、MRI或其他扫描放射设备环境下进行手术操作，空间狭窄，进行介入手术时，操作十分困难，手术完成的质量上也受到了严峻挑战。

近年来，随着机器人技术的创新发展，为解决上述难题提供了新思路，相关研究如下：

[CN 201510091184.1]发明了基于CT或MRI图像导航的胸腔穿刺手术机器人，具有实现进针倾向自由度、进针角度自由度和进针运动自由度，能够实现机械臂从胸腔外任意位置与角度进针。

[201521064681.4]发明了一种立式移动穿刺机器人，该机器人由旋转机构与升降机构、穿刺执行机构、平移机构连接组成，升降机构安装于底盘平台上，旋转机构安装在升降机构顶端，倾斜角度调节机构安装在旋转机构上，穿刺执行机构安装在平移机构上，用于穿刺操作。

上述2个专利所述穿刺机器人都有如下不足：刚性过强，缺少柔性，难以控制穿针力矩，另外结构复杂，整体体积过大，运动惯量大，重复定位精度低，同时缺少对机器人的腕部精细化控制功能，因为像在一些动脉瘤介入手术中，肿瘤非常不规则，若穿刺针控制不好，很有可能引发大出血等意外。

发明内容

发明目的

为解决现有技术精度不足，柔性差，医生解放程度不足的问题，本发明提供一种具有重复定位精度高、柔性高，穿针力矩控制精度高的机器人结构及控制方法，将医生从复杂的微创介入手术的体力消耗中解放出来，减轻劳动强度，提高了手术的操作精细精度与效率的基于智能结构的介入手术机器人及其控制系统。

技术方案

一种基于智能结构的介入手术机器人，包括箱体组件、升降立柱组件、箱门组件、Z轴线性模组组件、Y轴线性模组组件、介入机器人组件和末端执行器组件，多个升降立柱组件连接于箱体组件的下端，箱体组件的内侧安装有Z轴线性模组组件，Z轴线性模组组件设有能够上下移动的Z轴线性模组组件升降平台，Z轴线性模组组件升降平台上连接有Y轴线性模组组件，Y轴线性模组组件设有能够横向移动的Y轴线性模组组件滑台，Y轴线性模组组件滑台上连接在介入机器人组件的一端，介入机器人组件的另一端连接有末端执行器组件，箱体组件的前后或左右两侧转动连接有箱门组件。

所述箱门组件包括有箱门组件箱门和箱门组件传动轴，箱体组件的箱体组件箱体的前后或左右两侧分别固定连接有2个箱门组件门铰支座，箱门组件箱门的一侧设有供箱门组件门铰支座穿过的缺口，箱门组件双头步进电机固定于箱门组件箱门上并位于2个箱门组件门铰支座之间，箱门组件双头步进电机的两个传动轴分别通过箱门组件联轴器连接有箱门组件传动轴，箱门组件传动轴穿过了箱门组件门铰支座并且卡接固定于箱门组件安装板上，安装板固定于箱门组件箱门上。

所述升降立柱组件包括有能够升降的升降立柱组件升降立柱，升降立柱组件升降立柱的外壳上固定套有升降立柱组件导向槽，升降立柱组件的数量有4个，分别设置于箱体组件的下端 4角，箱体组件的箱体组件箱体竖直开有4个箱体组件升降柱安装槽孔，箱体组件升降柱安装槽孔为阶梯台状，升降立柱组件升降立柱的上端位于箱体组件升降柱安装槽孔内，升降立柱组件导向槽的上端面与阶梯台接触配合，升降立柱组件的下端固定有地轨滑块，地轨滑块与地轨滑动配合，地轨设有与地轨滑块滑动配合的滑道。

所述Z轴线性模组组件数量为2，平行固定于箱体组件的箱体组件箱体内部的两侧，Z轴线性模组组件包括有Z轴线性模组组件模体，Z轴线性模组组件模体一侧固定连接有Z轴线性模组组件底板，Z轴线性模组组件底板远离Z轴线性模组组件模体的一侧固定在箱体组件箱体内，Z轴线性模组组件模体的一端固定连接有Z轴线性模组组件电机安装座，Z轴线性模组组件电机安装座的另一端安装有Z轴线性模组组件伺服电机，Z轴线性模组组件伺服电机的电机轴连接有Z轴线性模组组件丝杠，Z轴线性模组组件模体上设有Z轴线性模组组件直线导轨，Z轴线性模组组件直线导轨上配合有Z轴线性模组组件滑块，Z轴线性模组组件升降平台固定在Z轴线性模组组件滑块上，Z轴线性模组组件升降平台设有Z轴线性模组组件丝母，Z 轴线性模组组件丝杠的两端转动连接在Z轴线性模组组件模体和Z轴线性模组组件电机安装座，Z轴线性模组组件丝杠与Z轴线性模组组件丝母螺纹配合，两个Z轴线性模组组件的Z 轴线性模组组件伺服电机同步联动。

所述Y轴线性模组组件包括有Y轴线性模组组件模体，Y轴线性模组组件模体的两端固定有Y 轴线性模组组件导轨保持架，2个Y轴线性模组组件导轨保持架分别固定于其两侧的2个Z 轴线性模组组件的Z轴线性模组组件升降平台上，Y轴线性模组组件模体的一侧位于两个Y 轴线性模组组件导轨保持架之间固定有Y轴线性模组组件直线导轨，Y轴线性模组组件直线导轨上滑动配合有Y轴线性模组组件滑块，Y轴线性模组组件滑块上固定有Y轴线性模组组件滑台，Y轴线性模组组件滑台通过其设有的内螺纹结构与Y轴丝杠螺纹配合，一端的Y轴线性模组组件导轨保持架上安装有Y轴线性模组组件伺服电机，Y轴线性模组组件伺服电机的电机转轴与Y轴丝杠的一端连接，Y轴丝杠的两端转动连接在Y轴线性模组组件导轨保持架，Y轴线性模组组件导轨保持架的内侧设有Y轴线性模组组件伺服电机安装底板。

所述介入机器人组件包括介入机器人组件底座、介入机器人组件腰部支架，介入机器人组件机械臂J、介入机器人组件机械臂K和介入机器人末端执行器平台,介入机器人组件腰部支架的下端连接有介入机器人组件托架，介入机器人组件托架的下端连接有介入机器人组件Y轴模组滑台安装底座，介入机器人组件Y轴模组滑台安装底座连接在Y轴线性模组组件的Y轴线性模组组件滑台上，介入机器人组件托架的内侧竖直固定有介入机器人组件底座压电伺服电机，介入机器人组件底座压电伺服电机的电机轴穿过了介入机器人组件底座和介入机器人组件腰部支架并连接有介入机器人组件底座电机法兰，介入机器人组件底座电机法兰的外周侧从上到下固定有介入机器人组件底座推动轴承和介入机器人组件底座深沟球轴承，介入机器人组件底座推动轴承和介入机器人组件底座深沟球轴承的外周侧固定在介入机器人组件底座上，介入机器人组件底座电机法兰的外周侧并位于介入机器人组件底座推动轴承的上端设有介入机器人组件轴承端盖，介入机器人组件轴承端盖与介入机器人组件底座连接在一起，介入机器人组件底座电机法兰的上端连接在介入机器人组件腰部支架上，介入机器人组件底座压电伺服电机的电机轴端部固定有介入机器人组件止动螺母，介入机器人组件止动螺母的下端紧贴介入机器人组件腰部支架，介入机器人组件腰部支架的上端两侧和介入机器人组件机械臂J的一端通过介入机器人组件底座传动轴转动连接，机器人组件腰部支架固定有介入机器人组件双通压电伺服电机，介入机器人组件双通压电伺服电机为双向伺服电机，介入机器人组件底座传动轴为介入机器人组件双通压电伺服电机的转轴，介入机器人组件双通压电伺服电机上连接有介入机器人组件谐波齿轮减速器，介入机器人组件双通压电伺服电机的主体和介入机器人组件谐波齿轮减速器之间设有介入机器人组件减速器轴端挡圈，介入机器人组件谐波齿轮减速器的中心处与介入机器人组件底座传动轴连接在一起，介入机器人组件底座传动轴的两端外侧连接有介入机器人组件机械臂法兰，介入机器人组件机械臂法兰与介入机器人组件机械臂J固定在一起，介入机器人组件底座传动轴的两端设有介入机器人组件圆螺母a和介入机器人组件圆螺母b，介入机器人组件圆螺母a和介入机器人组件机械臂J之间以及介入机器人组件圆螺母b和介入机器人组件机械臂J之间设有介入机器人组件传动轴端盖，介入机器人组件传动轴端盖固定在介入机器人组件机械臂J上，介入机器人组件机械臂J、介入机器人组件传动轴端盖和介入机器人组件机械臂法兰之间设有介入机器人组件机械臂端盖轴承，介入机器人组件机械臂端盖轴承通过设置在介入机器人组件机械臂法兰端部的轴端挡圈固定，介入机器人组件底座传动轴上紧贴介入机器人组件腰部支架的位置固定有介入机器人组件腰部支架轴向垫板，介入机器人组件机械臂J的内侧安装有介入机器人组件同步带轮伺服电机a，介入机器人组件同步带轮伺服电机a的介入机器人组件同步带轮轴a 和介入机器人组件机械臂轴a上固定有介入机器人组件机械别同步带轮a，两个介入机器人组件机械别同步带轮a通过传送带传动连接，介入机器人组件机械臂轴a与介入机器人组件机械臂K是固定连接在一起的，介入机器人组件机械臂K的内侧安装有介入机器人组件同步带轮伺服电机b，介入机器人组件同步带轮伺服电机b的介入机器人组件同步带轮轴b与介入机器人末端传动轴上固定有介入机器人组件机械臂同步带轮b，两个介入机器人组件机械臂同步带轮b通过传送带传动连接，介入机器人末端传动轴与介入机器人末端执行器平台是固定连接在一起的。

所述末端执行器组件包括有压电薄膜柔性臂和转向关节，压电薄膜柔性臂的数量大于等于2，转向关节位于其中2个相邻压电薄膜柔性臂之间。

所述压电薄膜柔性臂的数量为3，距离介入机器人末端执行器平台由近及远分别为末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a，末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a上分别安装有末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c传感器、末端执行器组件柔性臂b传感器和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器，末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a的端部安装有末端执行器组件穿刺针；

转向关节包括有末端执行器组件转向关节支架a和末端执行器组件转向关节支架b，末端执行器组件转向关节支架b的一端连接在末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c远离介入机器人末端执行器平台的一端，末端执行器组件转向关节支架a远离末端执行器组件转向关节支架 b的一端连接在末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b的一端，末端执行器组件转向关节支架b 内通过末端执行器组件转向传动平台固定有一个末端执行器组件转向压电直线电机，末端执行器组件转向压电直线电机的伸出端设置有末端执行器组件齿条，末端执行器组件转向关节支架b侧壁还铰接有末端执行器组件转向楔杆传动轴，末端执行器组件转向楔杆传动轴位于末端执行器组件转向关节支架b内的部分固定有末端执行器组件齿轮，末端执行器组件转向楔杆传动轴上位于末端执行器组件齿轮的内侧端部固定有末端执行器组件齿轮端盖，末端执行器组件齿条和末端执行器组件齿轮啮合，末端执行器组件转向楔杆传动轴位于末端执行器组件转向关节支架b外的部分固定有向下勾取状的末端执行器组件转向棘轮楔杆，末端执行器组件转向楔杆传动轴上位于末端执行器组件转向棘轮楔杆的外侧固定有末端执行器组件转向传动轴端盖，末端执行器组件转向关节支架a和末端执行器组件转向关节支架b通过末端执行器组件转向销轴转动连接在一起，末端执行器组件转向销轴的中间部位固定设置有末端执行器组件转向关节块，末端执行器组件转向销轴位于末端执行器组件转向关节支架b外的部分固定有与末端执行器组件转向棘轮楔杆单向旋转配合的末端执行器组件转向锁紧棘轮，末端执行器组件转向销轴上位于末端执行器组件转向锁紧棘轮的外侧固定有末端执行器组件转向销轴端盖。

所述箱体组件的箱体组件箱体内安装有箱体组件中央控制器和箱体组件数据接收器，箱体组件箱体外安装有箱体组件PLC控制器；介入机器人组件机械臂K的内侧安装有介入机器人组件控制器和介入机器人组件数据收集器，介入机器人组件机械臂J的内侧安装有介入机器人组件接近传感器和介入机器人组件信号放大器。

一种所述的基于智能结构的介入手术机器人的控制系统，控制器的信号接收端与扫描主机的信号输出端连接，控制器的信号输出端经过D/A转换连接信号放大器的信号接收端，信号放大器的信号输出端连接压电传感器的信号接收端，压电传感器的信号输出端连接经过D/A转换连接信号放大器的信号接收端并且同时连接执行机构的信号接收端，测量元件的信号输出端经过A/D转换连接扫描主机的信号接收端同时还连接压电传感器的信号接收端，压电传感器的信号输出端连接信号放大器的信号接收端同时与执行机构的信号输出端相连，信号放大器的信号输出端连接测量元件的信号输入端。

优点及效果

与现有技术相比，本发明优点如下：

本专利中机器人整体结构采用箱式结构，首先通过地轨移动到扫描主机前端，采用Y、Z 轴线性模组移动至扫描主机的工作区域，将介入手术机器人迅速送到目标位置，介入手术机器人采用串联机械手模式，进行精确微小的手术。

从控制角度来看，由中央控制器、压电伺服电机、压电传感器、信号放大器、可编程控制器PLC，执行机构、穿刺针、形成闭环反馈控制系统。在控制系统中，所用传感器是一种可实现机电转换的压电传感器，它的组成材质中包含压电薄膜，可以捕捉到压电结构表面收到的应力后产生的电荷，经过电荷放大器和测量元件放大与变换后向外界输出电场(电流、电压)，那么也反过来也可以相应的输出机械压力、应力，可高效率的实现电场与机械应力之间的能量相互转换。

使用压电伺服电机作为接受压电传感器传递信号的执行机构，这种电机所组成的材质采用压电聚合物，具有轻小化特点，与传统伺服电机相比可承受较大的压力并提供可促使结构变形的动力，不需要驱动器，结构简单且体积小，压电伺服电机作为执行机构，可驱动介入手术机器人本体以及穿刺针(机器人末端执行器)的姿态与位置、关节的转动进行微小的活动。

本专利整体在结构上以长玻纤增强塑料与压电聚合物组成的复合材料为基础，采用压电伺服电机与压电传感器取代原有普通的伺服电机与普通的传感器，使得介入手术机器人的运动姿态灵活，同时使用压电薄膜传感器捕捉穿刺针力矩信号，传递给压电伺服电机，驱动穿刺针(介入手术机器人的末端执行器)进行微创手术，有助于达到精细化的控制力矩大小，同时，将输出力矩大小反馈给传感器，转变为电场信号，实现了机电耦合控制，整套机电控制系统可以在磁共振、CT等大型医学影像设备环境下，高效地、精准地完成介入手术治疗、穿刺取活检等微创手术。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明专利正和逆压电效应示意图；

图2为本发明专利正和逆压电效应的压电元件原理示意图；

图3为介入手术机器人整体轴侧图；

图4为本发明专利箱体组件主视图；

图5为图4箱体组件B-B剖面视图；

图6为本发明专利箱体组件仰视图；

图7为图4箱体组件A-A剖面视图；

图8为本发明专利升降立柱组件轴侧图。

图9为本发明专利箱门组件轴侧图；

图10为本发明专利Z轴线性模组组件轴侧图；

图11为本发明专利Y轴线性模组组件轴侧图；

图12为本发明专利介入手术机器人组件轴侧图；

图13为图12中位置B-B剖结构示意图；

图14为图12中位置C-C剖结构示意图；

图15为本发明专利介入手术机器人组件A向视图；

图16为末端执行器组件的轴测图主视图；

图17为图16的A处转向关节局部放大轴侧图；

图18为转向关节中的棘轮和棘轮楔杆的主视图、剖视图与后视图；

图19为本发明专利介入手术机器人的末端执行器组件轴侧图；

图20为本发明专利介入手术机器人的工作状态主视图；

图21为本发明专利介入手术机器人的工作状态的轴测图；

图22为本发明专利控制系统通讯方式示意图；

图23为本发明控制系统原理图。

附图标记说明：1.箱体组件、2.升降立柱组件、3.箱门组件、4.Z轴线性模组组件、5.Y轴线性模组组件、6.介入机器人组件、7.末端执行器组件、8.箱体组件限位块、9.箱体组件箱体、 10.箱体组件PLC控制器、11.箱体组件中央控制器、12.箱体组件升降柱安装槽孔、13.箱体组件隔板、14.箱体组件数据接收器、15.升降立柱组件安装底板、16.升降立柱组件升降立柱、 17.升降立柱组件导向槽、18.箱门组件箱门、19.箱门组件安装板、20.箱门组件门铰支座、 21.箱门组件传动轴、22.箱门组件联轴器、23.箱门组件双头步进电机、24.Z轴线性模组组件底板、25.Z轴线性模组组件模体、26.Z轴线性模组组件直线导轨、27.Z轴线性模组组件丝母、28.Z轴线性模组组件升降平台、29.Z轴线性模组组件滑块、30.Z轴线性模组组件丝杠、31.Z轴线性模组组件电机安装座、32.Z轴线性模组组件伺服电机、33.Y轴线性模组组件伺服电机、34.Y轴线性模组组件伺服电机安装底板、35.Y轴线性模组组件导轨保持架、36.Y 轴线性模组组件模体、37.Y轴线性模组组件滑块、38.Y轴线性模组组件滑台、39.Y轴线性模组组件直线导轨、40.介入机器人组件底座、41.介入机器人组件腰部支架、42.介入机器人组件底座压电伺服电机、43.介入机器人组件圆螺母a、44.介入机器人组件机械臂端盖轴承、 45.介入机器人组件机械臂J.46、介入机器人组件同步带轮轴a.47、介入机器人组件机械臂轴a、48.介入机器人组件机械臂套筒、49.介入机器人组件同步带轮轴b、50.介入机器人组件双通压电伺服电机、51.介入机器人组件谐波齿轮减速器、52.介入机器人组件底座传动轴、 53.介入机器人组件信号放大器.54、介入机器人组件同步带轮伺服电机a、55.介入机器人组件控制器、56.介入机器人组件同步带轮伺服电机b.57、介入机器人末端执行器平台、58.介入机器人末端传动轴、59.介入机器人组件传动轴端盖、60.介入机器人组件圆螺母b、61.介入机器人组件腰部支架轴向垫板、62.介入机器人组件接近传感器、63.介入机器人组件机械别同步带轮a、64.介入机器人组件数据收集器、65.介入机器人组件机械臂同步带轮b、66. 介入机器人组件机械臂K、67.末端执行器组件穿刺针、68.末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a、69.末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器、70.末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b、71.末端执行器组件柔性臂b传感器、72末端执行器组件转向关节块、73.末端执行器组件转向关节支架a、74.末端执行器组件转向锁紧棘轮、75.末端执行器组件转向销轴端盖、 76.末端执行器组件转向销轴、77.末端执行器组件转向棘轮楔杆、78.末端执行器组件转向楔杆传动轴、79.末端执行器组件转向传动轴端盖、80.末端执行器组件转向关节支架b、81.末端执行器组件转向压电直线电机、82.末端执行器组件转向传动平台、83.末端执行器组件齿条、84.末端执行器组件齿轮、85.末端执行器组件齿轮端盖、86.末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c、87.末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c传感器、88.介入机器人组件压电伺服电机固定螺钉、89.介入机器人组件法兰固定螺钉、90.介入机器人组件底座推动轴承、91.介入机器人组件与Y轴模组组件滑台固定螺钉、92.介入机器人组件底座深沟球轴承、93.介入机器人组件底座电机法兰、94.介入机器人组件Y轴模组滑台安装底座、95、介入机器人组件底座固定螺钉、96.介入机器人组件减速器轴端挡圈、97.介入机器人组件传动轴端盖螺钉、98. 地轨、99.扫描主机、100.患者、101.扫描床床板、102.扫描床床体、103.介入手术机器人、 104.地轨滑块、105.介入机器人组件轴承端盖、106.介入机器人组件轴承端盖螺钉、107.介入机器人组件托架、108.介入机器人组件托架螺钉、109.介入机器人组件止动螺母、110.介入机器人组件双通压电伺服电机螺钉、111.介入机器人组件机械臂法兰、112.轴端挡圈。

具体实施方式

如图1-图22所示，一种基于智能结构的介入手术机器人，包括箱体组件1、升降立柱组件2、箱门组件3、Z轴线性模组组件4、Y轴线性模组组件5、介入机器人组件6和末端执行器组件7，多个升降立柱组件2连接于箱体组件1的下端，箱体组件1的内侧安装有Z轴线性模组组件4，Z轴线性模组组件4设有能够上下移动的Z轴线性模组组件升降平台28，Z轴线性模组组件升降平台28上连接有Y轴线性模组组件5，Y轴线性模组组件5设有能够横向移动的Y轴线性模组组件滑台38，Y轴线性模组组件滑台38上连接在介入机器人组件6的一端，介入机器人组件6的另一端连接有末端执行器组件7，箱体组件1的前后或左右两侧转动连接有箱门组件3。

箱门组件3包括有箱门组件箱门18和箱门组件传动轴21，箱体组件1的箱体组件箱体9 的前后或左右两侧分别固定连接有2个箱门组件门铰支座20，箱门组件箱门18的一侧设有供箱门组件门铰支座20穿过的缺口，箱门组件双头步进电机23固定于箱门组件箱门18上并位于2个箱门组件门铰支座20之间，箱门组件双头步进电机23的两个传动轴分别通过箱门组件联轴器22连接有箱门组件传动轴21，箱门组件传动轴21穿过了箱门组件门铰支座20 并且卡接固定于箱门组件安装板19上，安装板19固定于箱门组件箱门18上。优选在箱体组件1宽度较长的两侧面安装有箱门组件3，在介入机器人不工作时，箱门组件3处于关闭状态。

升降立柱组件2包括有能够升降的升降立柱组件升降立柱16(本具体实施方式中所使用的为EWELLIX公司CPMA2系列的升降柱)，升降立柱组件升降立柱16的外壳上固定套有升降立柱组件导向槽17，升降立柱组件升降立柱16的顶端连接有升降立柱组件安装底板15，可以用于连接箱体组件1，升降立柱组件2的数量有4个，分别设置于箱体组件1的下端4角，箱体组件1的箱体组件箱体9竖直开有4个箱体组件升降柱安装槽孔12，箱体组件升降柱安装槽孔12为阶梯台状，升降立柱组件升降立柱16的上端位于箱体组件升降柱安装槽孔12内，升降立柱组件导向槽17的上端面与阶梯台接触配合，升降立柱组件2的下端固定有地轨滑块 104，地轨滑块104与地轨98滑动配合，地轨98设有与地轨滑块104滑动配合的滑道。升降立柱组件导向槽17可以防止升降立柱组件2升降过程中发生偏移等形位、尺寸误差。

Z轴线性模组组件4数量为2，平行固定于箱体组件1的箱体组件箱体9内部的两侧，Z 轴线性模组组件4包括有Z轴线性模组组件模体25，Z轴线性模组组件模体25一侧固定连接有Z轴线性模组组件底板24，Z轴线性模组组件底板24远离Z轴线性模组组件模体25的一侧固定在箱体组件箱体9内，Z轴线性模组组件模体25的一端固定连接有Z轴线性模组组件电机安装座31，Z轴线性模组组件电机安装座31的另一端安装有Z轴线性模组组件伺服电机32，Z轴线性模组组件伺服电机32的电机轴连接有Z轴线性模组组件丝杠30，Z轴线性模组组件模体25上设有Z轴线性模组组件直线导轨26，Z轴线性模组组件直线导轨26上配合有 Z轴线性模组组件滑块29，Z轴线性模组组件升降平台28固定在Z轴线性模组组件滑块29 上，Z轴线性模组组件升降平台28设有Z轴线性模组组件丝母27，Z轴线性模组组件丝杠30 的两端转动连接在Z轴线性模组组件模体25和Z轴线性模组组件电机安装座31，Z轴线性模组组件丝杠30与Z轴线性模组组件丝母27螺纹配合，两个Z轴线性模组组件4的Z轴线性模组组件伺服电机32同步联动。

Y轴线性模组组件5包括有Y轴线性模组组件模体36，Y轴线性模组组件模体36的两端固定有Y轴线性模组组件导轨保持架35，2个Y轴线性模组组件导轨保持架35分别固定于其两侧的2个Z轴线性模组组件4的Z轴线性模组组件升降平台28上，Y轴线性模组组件模体36的一侧位于两个Y轴线性模组组件导轨保持架35之间固定有Y轴线性模组组件直线导轨39，Y轴线性模组组件直线导轨39上滑动配合有Y轴线性模组组件滑块37，Y轴线性模组组件滑块37上固定有Y轴线性模组组件滑台38，Y轴线性模组组件滑台38通过其设有的内螺纹结构与Y轴丝杠螺纹配合，一端的Y轴线性模组组件导轨保持架35上安装有Y轴线性模组组件伺服电机33，Y轴线性模组组件伺服电机33的电机转轴与Y轴丝杠的一端连接，Y轴丝杠的两端转动连接在Y轴线性模组组件导轨保持架35，Y轴线性模组组件导轨保持架35的内侧设有Y轴线性模组组件伺服电机安装底板34，既可以用于安装电机，也可以加固Y轴线性模组组件导轨保持架35。

介入机器人组件6包括介入机器人组件底座40、介入机器人组件腰部支架41，介入机器人组件机械臂J45、介入机器人组件机械臂K66和介入机器人末端执行器平台57,介入机器人组件腰部支架41的下端通过介入机器人组件托架螺钉108连接有介入机器人组件托架107，介入机器人组件托架107的下端通过介入机器人组件底座固定螺钉95连接有介入机器人组件Y轴模组滑台安装底座94，介入机器人组件Y轴模组滑台安装底座94通过介入机器人组件与Y 轴模组组件滑台固定螺钉91连接在Y轴线性模组组件5的Y轴线性模组组件滑台38上，介入机器人组件托架107的内侧通过介入机器人组件压电伺服电机固定螺钉88竖直固定有介入机器人组件底座压电伺服电机42，介入机器人组件底座压电伺服电机42的电机轴穿过了介入机器人组件底座40和介入机器人组件腰部支架41并通过键连接有介入机器人组件底座电机法兰93，介入机器人组件底座电机法兰93的外周侧从上到下固定有介入机器人组件底座推动轴承90和介入机器人组件底座深沟球轴承92，介入机器人组件底座推动轴承90和介入机器人组件底座深沟球轴承92的外周侧固定在介入机器人组件底座40上，介入机器人组件底座电机法兰93的外周侧并位于介入机器人组件底座推动轴承90的上端设有介入机器人组件轴承端盖105，介入机器人组件轴承端盖105通过介入机器人组件轴承端盖螺钉106与介入机器人组件底座40连接在一起，介入机器人组件底座电机法兰93的上端通过介入机器人组件法兰固定螺钉89连接在介入机器人组件腰部支架41上，介入机器人组件底座压电伺服电机42的电机轴端部固定有介入机器人组件止动螺母109，介入机器人组件止动螺母109的下端紧贴介入机器人组件腰部支架41，介入机器人组件腰部支架41的上端两侧和介入机器人组件机械臂J45的一端通过介入机器人组件底座传动轴52转动连接，机器人组件腰部支架 41通过介入机器人组件双通压电伺服电机螺钉110固定有介入机器人组件双通压电伺服电机 50，介入机器人组件传动轴端盖59与介入机器人组件机械臂J45是通过介入机器人组件传动轴端盖螺钉97固定连接的，介入机器人组件双通压电伺服电机50为双向伺服电机，介入机器人组件底座传动轴52为介入机器人组件双通压电伺服电机50的转轴，介入机器人组件双通压电伺服电机50上通过键连接有介入机器人组件谐波齿轮减速器51，介入机器人组件双通压电伺服电机50的主体和介入机器人组件谐波齿轮减速器51之间设有介入机器人组件减速器轴端挡圈96，介入机器人组件谐波齿轮减速器51的中心处与介入机器人组件底座传动轴52连接在一起，介入机器人组件底座传动轴52的两端外侧通过法兰键连接有介入机器人组件机械臂法兰111，介入机器人组件机械臂法兰111与介入机器人组件机械臂J45通过介入机器人组件传动轴端盖螺钉97固定在一起，介入机器人组件底座传动轴52的两端设有介入机器人组件圆螺母a43和介入机器人组件圆螺母b60，介入机器人组件圆螺母a43和介入机器人组件机械臂J45之间以及介入机器人组件圆螺母b60和介入机器人组件机械臂J45之间设有介入机器人组件传动轴端盖59，介入机器人组件传动轴端盖59通过介入机器人组件传动轴端盖螺钉97固定在介入机器人组件机械臂J45上，介入机器人组件机械臂J45、介入机器人组件传动轴端盖59和介入机器人组件机械臂法兰111之间设有介入机器人组件机械臂端盖轴承44，介入机器人组件机械臂端盖轴承44通过设置在介入机器人组件机械臂法兰111 端部的轴端挡圈112固定，介入机器人组件底座传动轴52上紧贴介入机器人组件腰部支架 41的位置固定有介入机器人组件腰部支架轴向垫板61，防止介入机器人组件底座传动轴52 径向跳动，介入机器人组件机械臂J45的内侧安装有介入机器人组件同步带轮伺服电机a54，介入机器人组件同步带轮伺服电机a54的介入机器人组件同步带轮轴a46和介入机器人组件机械臂轴a47上固定有介入机器人组件机械别同步带轮a63，两个介入机器人组件机械别同步带轮a63通过传送带传动连接，介入机器人组件机械臂轴a47与介入机器人组件机械臂K66 是固定连接在一起的，优选的，介入机器人组件机械臂轴a47上还固定套有介入机器人组件机械臂套筒48，加粗旋转整体旋转机构的直径，更加稳定。介入机器人组件机械臂K66的内侧安装有介入机器人组件同步带轮伺服电机b56，介入机器人组件同步带轮伺服电机b56的介入机器人组件同步带轮轴b49与介入机器人末端传动轴58上固定有介入机器人组件机械臂同步带轮b65，两个介入机器人组件机械臂同步带轮b65通过传送带传动连接，介入机器人末端传动轴58与介入机器人末端执行器平台57是固定连接在一起的。

末端执行器组件7包括有压电薄膜柔性臂和转向关节，压电薄膜柔性臂的数量大于等于 2，转向关节位于其中2个相邻压电薄膜柔性臂之间。本实施例中，压电薄膜柔性臂的数量为 3，距离介入机器人末端执行器平台57由近及远分别为末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂 c86、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b70和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a68，末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c86、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b70和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a68上分别安装有末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c传感器87、末端执行器组件柔性臂b传感器71和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器69，末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a68的端部安装有末端执行器组件穿刺针67；

转向关节包括有末端执行器组件转向关节支架a73和末端执行器组件转向关节支架b80，末端执行器组件转向关节支架b80的一端连接在末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c86远离介入机器人末端执行器平台57的一端，末端执行器组件转向关节支架a73远离末端执行器组件转向关节支架b80的一端连接在末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b70的一端，末端执行器组件转向关节支架b80内通过末端执行器组件转向传动平台82固定有一个末端执行器组件转向压电直线电机81，末端执行器组件转向压电直线电机81的伸出端设置有末端执行器组件齿条83，末端执行器组件转向关节支架b80侧壁还铰接有末端执行器组件转向楔杆传动轴 78，末端执行器组件转向楔杆传动轴78位于末端执行器组件转向关节支架b80内的部分固定有末端执行器组件齿轮84，末端执行器组件转向楔杆传动轴78上位于末端执行器组件齿轮 84的内侧端部固定有末端执行器组件齿轮端盖85，末端执行器组件齿条83和末端执行器组件齿轮84啮合，末端执行器组件转向楔杆传动轴78位于末端执行器组件转向关节支架b80 外的部分固定有向下勾取状的末端执行器组件转向棘轮楔杆77，末端执行器组件转向楔杆传动轴78上位于末端执行器组件转向棘轮楔杆77的外侧固定有末端执行器组件转向传动轴端盖79，末端执行器组件转向关节支架a73和末端执行器组件转向关节支架b80通过末端执行器组件转向销轴76转动连接在一起，末端执行器组件转向销轴76的中间部位固定设置有末端执行器组件转向关节块72，末端执行器组件转向销轴76位于末端执行器组件转向关节支架b80外的部分固定有与末端执行器组件转向棘轮楔杆77单向旋转配合的末端执行器组件转向锁紧棘轮74，末端执行器组件转向销轴76上位于末端执行器组件转向锁紧棘轮74的外侧固定有末端执行器组件转向销轴端盖75。末端执行器组件齿条83能够带动末端执行器组件齿轮84旋转，进而带动末端执行器组件转向棘轮楔杆77旋转并带动末端执行器组件转向锁紧棘轮74旋转，末端执行器组件转向锁紧棘轮74进而带动末端执行器组件转向关节支架a73 旋转。棘轮比普通齿轮具有防止逆转的功能，使得自锁的可靠性更高。

末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a68、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b70、末端执行器组件转向楔杆传动轴78和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c86材料表面镀覆压电薄膜。

箱体组件1的箱体组件箱体9内设有箱体组件隔板13，箱体组件隔板13安装有箱体组件中央控制器11和箱体组件数据接收器14，箱体组件箱体9外安装有箱体组件PLC控制器10；介入机器人组件机械臂K66的内侧安装有介入机器人组件控制器55和介入机器人组件数据收集器64，介入机器人组件机械臂J45的内侧安装有介入机器人组件接近传感器62和介入机器人组件信号放大器53。表面镀覆压电薄膜材末端执行器组件，柔性好，在传感器与信号放大器的作用下，实现其产生变形，易于控制其结构形态，运动时能转变为各种姿态。

基于智能结构的介入手术机器人在使用时，介入手术机器人103置于扫描主机99的前端，扫描主机99位于可以移动的扫描床床板101的上方，扫描床床体102位于扫描床床板101的下端，患者100躺于扫描床床板101上，箱体组件箱体9朝向扫描床床体102的一侧设有向外凸出的箱体组件限位块8。

基于智能结构的介入手术机器人的控制系统，控制器的信号接收端与扫描主机的信号输出端连接，控制器的信号输出端经过D/A转换连接信号放大器的信号接收端，信号放大器的信号输出端连接压电传感器的信号接收端，压电传感器的信号输出端连接经过D/A转换连接信号放大器的信号接收端并且同时连接执行机构的信号接收端，测量元件的信号输出端经过 A/D转换连接扫描主机的信号接收端同时还连接压电传感器的信号接收端，压电传感器的信号输出端连接信号放大器的信号接收端同时与执行机构的信号输出端相连，信号放大器的信号输出端连接测量元件的信号输入端。

如图23所示，图中符号释义：

sp(n):系统输入，为电流或电压时；

ev(n)：数据传输；

mv(n)：输出数字信号；

mv(t)：输出模拟信号；

c(t)：应力、压力、各种类型的动力、或连续变化的模拟量；

pv(t)：电流、电压模拟反馈信号；

pv(n)：电流、电压输出反馈数字量；

A/D：模拟数字转换器；

D/A：数字模拟转换器；

图中各个元件中所代表的部件：

控制器：11.箱体组件中央控制器、55.介入手术机器人组件控制器；

信号放大器：14.箱体组件数据接收器、64.介入机器人组件数据收集器；

压电传感器：62.介入机器人组件接近传感器、64.介入机器人组件数据收集器；

执行机构：10.箱体组件PLC控制器、1.箱体组件、2.升降立柱组件、3.箱门件、4.Z轴线性模组组件、5.Z轴线性模组组件、6.介入机器人组件、7.末端执行器组件；

测量元件：69.末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器、87.末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c传感器、71.末端执行器组件柔性臂b传感器。

介入手术机器人整体上采用长玻纤维与压电复合材料作为结构设计，但是像末端执行器组件齿条83、末端执行器组件齿轮84，末端执行器组件转向锁紧棘轮74、末端执行器组件转向销轴端盖75、末端执行器组件转向销轴76和末端执行器组件转向棘轮楔杆77则采用聚甲醛(POM)材料。

而地轨98及地轨滑块104、箱体组件1、箱体组件隔板13、升降立柱组件安装底板15、升降立柱16、升降立柱导向槽17、箱门组件箱门18、箱门组件安装板19、箱门组件门铰支座20、箱门组件传动轴21、Z轴线性模组组件底板24、介入机器人组件腰部支架41、介入机器人组件机械臂套筒48、介入机器人组件同步带轮轴b 49、介入机器人组件底座传动轴 52、介入机器人末端传动轴58、介入机器人组件传动轴端盖59、介入机器人组件圆螺母b 60、介入机器人组件腰部支架轴向垫板61、介入机器人组件机械别同步带轮a 63、介入机器人组件机械臂同步带轮b 65采用长玻纤维材料。

本专利提出将长玻纤增强塑料与压电聚合材料组合而成的一种新型复合材料。其中长玻纤增强塑料是在轻量化材料碳纤维复材的基础上开发的新型材料，不但具有轻量化，机械强度高，吸收冲击大、耐热性好，还具有玻璃纤维的耐腐蚀、隔热、电绝缘等特点。

压电聚合物是以偏氟乙烯(PVDF)(薄膜)为代表的其他有机压电(薄膜)材料。这类材料由柔韧，低密度，嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。

压电聚合物材料能够实现电场与机械压力互相转换，在其材料上施加压力时，会发生与应力成比例的介质极化，在材料周边产生正负电荷，使其产生电位差，称为“正压电效应”，反之在材料上施加电压，将产生与电场强度成比例的变形、机械应力，当电场消退时，所受应力与变形也将消退，这种现象称为“负压电效应”，这种材料被称之为智能材料(图1为正压电与逆压电效应的产生示意图)，所以将这种智能材料用于具体的结构设计中又被称之为“智能结构”。

依据正、逆压电效应可以用方程进行描述，体现了机械能与电能的关系

{σ}＝[e]{ε}-[d]^T{E}

{D}＝[d]{ε}+[I]{E}

其中，

应力矩阵；[e]为弹性矩阵；{ε}为应变矩阵，[d]为压电应力常数矩阵；{E}为电场强度向量；{D}为电位移常量；[I]为介电常数矩阵。

这种智能结构，具有轻量化、结构强度高、稳定性好、可靠性高，柔性高、可实现机电能量转换，易于控制的特点，由于长玻纤增强塑料和压电聚合物材料都是非金属，在医疗器械领域中，在磁共振扫描环境下，进行微创介入手术治疗时，可以避免MRI(磁共振)的磁场干扰；在CT扫描环境下具有防辐射的能力。另外由于压电聚合物材料形成的结构，具有电场与机械应力的互相转换的能力，那么将此材料应用于微创介入手术机器人的结构中，通过电流的放电，就可触发结构的变形，进而实现结构的微小移动，其精度可以达到微米甚至纳米级，结构运动产生的应力又能产生电场，形成了电场与应力的反复转换，对机器人在执行精细手术操作时起到了至关重要的作用。

在整个控制系统中由压电电机驱动，通过与压电传感器、可编辑逻辑控制器PLC、工控机构成闭环控制系统，实现结构运动微小变形的精确控制，如弯曲、收缩，扭曲等形变，在狭窄的扫描主机腔中进行微创手术，运动方式更加灵活，图2为控制系统原理图。这种智能结构并不完全局限于微创手术领域，也可推广应用至伤残病人康复、瘫痪病人治疗、老年人的骨关节病的保健与治疗、心脏起搏器，还可应用于地震救援、井下作业、管道检测与维修、跳跃机器人等特殊而又复杂的工作环境与领域中。

在闭环控制系统中，当sp(n)为伺服电机输入为电流或电压时，被控量c(t)为可以是应力、压力、各种类型的动力、或连续变化的模拟量，由控制器创建并进行变量调控、建立与 PLC通讯、电流和电压类型为直流或交流，经过信号放大器，与输出模拟信号mv(t)模拟量一同触发给传给器，驱动执行机构，并带动穿刺针，经过压电传感器，传递给测量元件与信号放大器，c(t)输出的微弱的电场或压力信号经过信号放大器，触发传感器，驱动穿刺针，反馈给传感器，将此信号传递给压电传感器(或测量元件)，随即转换为PLC的CPU所能识别的直流电流信号和直流电压信号pv(t)，PLC用A/D转换器将其转化为数字量pv(n)也是反馈量。

这里提到的输出反馈信号c(t)，是将压电薄膜贴附于执行机构、穿刺针等机构上的活动关节上，可以探测细微的信号，再经过信号放大器可以驱动执行机构，据有关文献表明压电薄膜可以经受数百万次的弯曲和振动，具有轻质、均匀等特点。

在进行介入手术操作时，位于箱体组件中的箱体组件中央控制器11发出指令，与箱体组件PLC控制器10通讯并传输指令，通过地轨移98动到达指定区域后，箱门组件3接收到指令后打开箱门，介入机器人组件6和末端执行器组件7从箱门组件中移出，可通过Z轴线性模组组件4与Y轴线性模组组件5大范围调整介入机器人组件66与CT或MRI等医学影像设备的扫描主机99之间的距离，CT或MRI等影像设备的扫描床床板101平移送入到扫描区域，通过多处压电伺服电机驱动机器人机械臂、腰。末端执行器组件7的运动以及末端执行器组件穿刺针67，通过闭环控制系统原理，将穿刺针的施力大小在经过D/A与A/D转换后反馈给压电伺服电机，不断修正穿刺针施力大小，使得穿刺针完成一系列精细化的动作。从材料本身来讲介入手术机器人采用非金属工程材质的长玻纤增强塑料与具有电场与机械应力转换的压电聚合物材料，这两种材料复合后用作机械结构，不仅仅具有轻量化、高强度、耐冲击、轻量化的，同时具有防磁场、防辐射的特点。由于采用这种复合材料，可以避免机器人运动时产生的冲击惯量，可有效的保证定位与重复定位精度。

一.整机运动控制：在扫描床床板将病人推入扫描主机时，随即介入手术机器人由箱体组件1中的箱体组件中央控制器11进行调控，采用主从总线通讯方式，通讯设备中各个PLC 开始进行介入手术的运动准备，图18为通讯方式的示意图，然后由箱门组件3中的箱门组件双头步进电机23驱动箱门组件3中的箱门组件箱门18开合；

当箱门打开时，Z轴线性模组组件4中的Z轴线性模组组件伺服电机32旋转带动Y轴线性模组组件5向上移动，Y轴线性模组组件5的Y轴线性模组组件伺服电机33旋转带动介入机器人组件6和末端执行器组件7横向移动，这两个线性模组组件可实现机器人较大范围移动。当扫描床床板101将患者移入至扫描主机99内部时，介入机器人组件接近传感器62识别出病人所在位置之后，由介入机器人组件数据收集器64捕捉到位置量，由介入手术机器人组件控制器55触发一个脉冲，传递出一个电流及电压信号给释放出初始量，再反馈给介入机器人组件腰部支架41的介入机器人组件双通压电伺服电机50并且驱动介入手术机器人的介入机器人组件腰部支架41，进行方向调整，释放出位置、压力的模拟量，由介入机器人组件信号放大器53将此模拟量的信号放大，经过D/A转换，再经过压电传感器后传递给介入机器人组件同步带轮伺服电机a 54和介入机器人组件同步带轮伺服电机b 56，由箱体组件PLC 控制器10控制驱动相应的同步带轮及传动轴，实现了介入机器人组件6和末端执行器组件7 的运动。

二.末端执行器组件控制：介入机器人末端执行器平台57的运动参数由介入机器人组件数据收集器64转换为电流或电压的初始量触发经过D/A转换,经由箱体组件PLC控制器10的控制以及信号放大器的传递，释放出位置、压力的模拟量传递给末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器69、末端执行器组件柔性臂b传感器71、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂 c传感器87，将此信号相继传递给末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a 68、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b 70、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c 86使得具有压电薄膜的末端执行器的柔性臂结构产生变形，不断的调整柔性臂的姿态与位姿，由柔性臂的姿态与位姿的变化所产生的压力与应力，经过压电薄膜释放反馈给上述传感器，释放出的电流、电压变量经过A/D转换，反馈给箱体组件1中的箱体组件中央控制器11，实现了应力与电流、电压的转换，在这两种能量的转换下驱动柔性臂的运动，能够非常灵活的进行微创介入手术操作、可实现末端执行器在狭窄环境下避障。

三.末端执行器组件-柔性臂自锁控制：在末端执行器组件7位于空间的某一位置保持静止状态时，或者是末端执行器组件穿刺针67在对某一处组织或某一处病变进行操作时其柔性臂需要保持静止时，在末端执行器组件转向锁紧棘轮74的旋转带动下，使得末端执行器组件转向末端执行器组件转向关节支架a 73和末端执行器组件转向关节支架b 80转动到某一个角度，其两支架之间转动的力矩，反馈给末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器69、末端执行器组件柔性臂b传感器71和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c传感器87，经过A/D 转换，将信号传递给末端执行器组件转向关节支架a 73和末端执行器组件转向关节支架b 80 所在的末端执行器组件转向销轴76和末端执行器组件转向楔杆传动轴78镀覆的压电薄膜上，由介入机器人组件数据收集器64捕捉到位置量，由介入手术机器人组件控制器55，触发一个脉冲，传递出一个初始量反馈给压力或应力释放出初始量，经过压电传感器由信号放大器将此模拟量的信号放大，经过比较，PLC将传递而来的应力、压力信号经过A/D转换为电流或电压驱动末端执行器组件转向直线电机81，末端执行器组件转向直线电机81推动末端执行器组件转向传动平台82，末端执行器组件转向传动平台82上的末端执行器组件齿条83以直线形式向着棘轮方向行走，带动末端执行器组件齿轮84朝着棘轮的方位顺向旋转运动，从而带动末端执行器组件转向棘轮楔杆77也朝着棘轮的方位顺向旋转，实现了将正反两侧方向的楔杆的“钩”状结构压紧在末端执行器组件转向锁紧棘轮74(正反两侧，棘齿朝向一上一下)转动到某一角度时的棘齿上，实现了棘轮的双向自锁。

在形成自锁后，由于末端执行器组件转向锁紧棘轮74与末端执行器组件转向棘轮楔杆 77之间会形成的压力，反馈给末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器69、末端执行器组件柔性臂b传感器71，末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c传感器87，经过D/A转换为电流、电压反馈给末端执行器组件转向直线电机81，末端执行器组件转向压电直线电机81启动后，带动末端执行器组件齿条83背离棘轮方向行走，从而带动末端执行器组件齿轮84朝着棘轮的方位逆向旋转运动，从而带动末端执行器组件转向棘轮楔杆77也被着棘轮的方位逆向旋转，将正反两侧方向的楔杆的“钩”状结构脱离开末端执行器组件转向锁紧棘轮(正反两侧) 74的棘齿上。那么在末端执行器组件转向关节支架b 80和末端执行器组件转向关节支架a 73 的轴孔里的三处末端执行器组件中的柔性臂；末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a68、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b 70、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c 86根据末端执行器组件转向锁紧棘轮74与末端执行器组件转向棘轮楔杆77的角度变化也在做着不同的位姿与姿态的变化。

周而复始的形成压力或应力转换电流或电压，以及电流或电压转换为压力或应力的能量转换过程，重复这种能量转换和自锁、脱落自锁的运动形式。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：包括箱体组件(1)、升降立柱组件(2)、箱门组件(3)、Z轴线性模组组件(4)、Y轴线性模组组件(5)、介入机器人组件(6)和末端执行器组件(7)，多个升降立柱组件(2)连接于箱体组件(1)的下端，箱体组件(1)的内侧安装有Z轴线性模组组件(4)，Z轴线性模组组件(4)设有能够上下移动的Z轴线性模组组件升降平台(28)，Z轴线性模组组件升降平台(28)上连接有Y轴线性模组组件(5)，Y轴线性模组组件(5)设有能够横向移动的Y轴线性模组组件滑台(38)，Y轴线性模组组件滑台(38)上连接在介入机器人组件(6)的一端，介入机器人组件(6)的另一端连接有末端执行器组件(7)，箱体组件(1)的前后或左右两侧转动连接有箱门组件(3)。

2.根据权利要求1所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述箱门组件(3)包括有箱门组件箱门(18)和箱门组件传动轴(21)，箱体组件(1)的箱体组件箱体(9)的前后或左右两侧分别固定连接有2个箱门组件门铰支座(20)，箱门组件箱门(18)的一侧设有供箱门组件门铰支座(20)穿过的缺口，箱门组件双头步进电机(23)固定于箱门组件箱门(18)上并位于2个箱门组件门铰支座(20)之间，箱门组件双头步进电机(23)的两个传动轴分别通过箱门组件联轴器(22)连接有箱门组件传动轴(21)，箱门组件传动轴(21)穿过了箱门组件门铰支座(20)并且卡接固定于箱门组件安装板(19)上，安装板(19)固定于箱门组件箱门(18)上。

3.根据权利要求1所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述升降立柱组件(2)包括有能够升降的升降立柱组件升降立柱(16)，升降立柱组件升降立柱(16)的外壳上固定套有升降立柱组件导向槽(17)，升降立柱组件(2)的数量有4个，分别设置于箱体组件(1)的下端4角，箱体组件(1)的箱体组件箱体(9)竖直开有4个箱体组件升降柱安装槽孔(12)，箱体组件升降柱安装槽孔(12)为阶梯台状，升降立柱组件升降立柱(16)的上端位于箱体组件升降柱安装槽孔(12)内，升降立柱组件导向槽(17)的上端面与阶梯台接触配合，升降立柱组件(2)的下端固定有地轨滑块(104)，地轨滑块(104)与地轨(98)滑动配合，地轨(98)设有与地轨滑块(104)滑动配合的滑道。

4.根据权利要求1所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述Z轴线性模组组件(4)数量为2，平行固定于箱体组件(1)的箱体组件箱体(9)内部的两侧，Z轴线性模组组件(4)包括有Z轴线性模组组件模体(25)，Z轴线性模组组件模体(25)一侧固定连接有Z轴线性模组组件底板(24)，Z轴线性模组组件底板(24)远离Z轴线性模组组件模体(25)的一侧固定在箱体组件箱体(9)内，Z轴线性模组组件模体(25)的一端固定连接有Z轴线性模组组件电机安装座(31)，Z轴线性模组组件电机安装座(31)的另一端安装有Z轴线性模组组件伺服电机(32)，Z轴线性模组组件伺服电机(32)的电机轴连接有Z轴线性模组组件丝杠(30)，Z轴线性模组组件模体(25)上设有Z轴线性模组组件直线导轨(26)，Z轴线性模组组件直线导轨(26)上配合有Z轴线性模组组件滑块(29)，Z轴线性模组组件升降平台(28)固定在Z轴线性模组组件滑块(29)上，Z轴线性模组组件升降平台(28)设有Z轴线性模组组件丝母(27)，Z轴线性模组组件丝杠(30)的两端转动连接在Z轴线性模组组件模体(25)和Z轴线性模组组件电机安装座(31)，Z轴线性模组组件丝杠(30)与Z轴线性模组组件丝母(27)螺纹配合，两个Z轴线性模组组件(4)的Z轴线性模组组件伺服电机(32)同步联动。

5.根据权利要求1所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述Y轴线性模组组件(5)包括有Y轴线性模组组件模体(36)，Y轴线性模组组件模体(36)的两端固定有Y轴线性模组组件导轨保持架(35)，2个Y轴线性模组组件导轨保持架(35)分别固定于其两侧的2个Z轴线性模组组件(4)的Z轴线性模组组件升降平台(28)上，Y轴线性模组组件模体(36)的一侧位于两个Y轴线性模组组件导轨保持架(35)之间固定有Y轴线性模组组件直线导轨(39)，Y轴线性模组组件直线导轨(39)上滑动配合有Y轴线性模组组件滑块(37)，Y轴线性模组组件滑块(37)上固定有Y轴线性模组组件滑台(38)，Y轴线性模组组件滑台(38)通过其设有的内螺纹结构与Y轴丝杠螺纹配合，一端的Y轴线性模组组件导轨保持架(35)上安装有Y轴线性模组组件伺服电机(33)，Y轴线性模组组件伺服电机(33)的电机转轴与Y轴丝杠的一端连接，Y轴丝杠的两端转动连接在Y轴线性模组组件导轨保持架(35)，Y轴线性模组组件导轨保持架(35)的内侧设有Y轴线性模组组件伺服电机安装底板(34)。

6.根据权利要求1所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述介入机器人组件(6)包括介入机器人组件底座(40)、介入机器人组件腰部支架(41)，介入机器人组件机械臂J(45)、介入机器人组件机械臂K(66)和介入机器人末端执行器平台(57),介入机器人组件腰部支架(41)的下端连接有介入机器人组件托架(107)，介入机器人组件托架(107)的下端连接有介入机器人组件Y轴模组滑台安装底座(94)，介入机器人组件Y轴模组滑台安装底座(94)连接在Y轴线性模组组件(5)的Y轴线性模组组件滑台(38)上，介入机器人组件托架(107)的内侧竖直固定有介入机器人组件底座压电伺服电机(42)，介入机器人组件底座压电伺服电机(42)的电机轴穿过了介入机器人组件底座(40)和介入机器人组件腰部支架(41)并连接有介入机器人组件底座电机法兰(93)，介入机器人组件底座电机法兰(93)的外周侧从上到下固定有介入机器人组件底座推动轴承(90)和介入机器人组件底座深沟球轴承(92)，介入机器人组件底座推动轴承(90)和介入机器人组件底座深沟球轴承(92)的外周侧固定在介入机器人组件底座(40)上，介入机器人组件底座电机法兰(93)的外周侧并位于介入机器人组件底座推动轴承(90)的上端设有介入机器人组件轴承端盖(105)，介入机器人组件轴承端盖(105)与介入机器人组件底座(40)连接在一起，介入机器人组件底座电机法兰(93)的上端连接在介入机器人组件腰部支架(41)上，介入机器人组件底座压电伺服电机(42)的电机轴端部固定有介入机器人组件止动螺母(109)，介入机器人组件止动螺母(109)的下端紧贴介入机器人组件腰部支架(41)，介入机器人组件腰部支架(41)的上端两侧和介入机器人组件机械臂J(45)的一端通过介入机器人组件底座传动轴(52)转动连接，机器人组件腰部支架(41)固定有介入机器人组件双通压电伺服电机(50)，介入机器人组件双通压电伺服电机(50)为双向伺服电机，介入机器人组件底座传动轴(52)为介入机器人组件双通压电伺服电机(50)的转轴，介入机器人组件双通压电伺服电机(50)上连接有介入机器人组件谐波齿轮减速器(51)，介入机器人组件双通压电伺服电机(50)的主体和介入机器人组件谐波齿轮减速器(51)之间设有介入机器人组件减速器轴端挡圈(96)，介入机器人组件谐波齿轮减速器(51)的中心处与介入机器人组件底座传动轴(52)连接在一起，介入机器人组件底座传动轴(52)的两端外侧连接有介入机器人组件机械臂法兰(111)，介入机器人组件机械臂法兰(111)与介入机器人组件机械臂J(45)固定在一起，介入机器人组件底座传动轴(52)的两端设有介入机器人组件圆螺母a(43)和介入机器人组件圆螺母b(60)，介入机器人组件圆螺母a(43)和介入机器人组件机械臂J(45)之间以及介入机器人组件圆螺母b(60)和介入机器人组件机械臂J(45)之间设有介入机器人组件传动轴端盖(59)，介入机器人组件传动轴端盖(59)固定在介入机器人组件机械臂J(45)上，介入机器人组件机械臂J(45)、介入机器人组件传动轴端盖(59)和介入机器人组件机械臂法兰(111)之间设有介入机器人组件机械臂端盖轴承(44)，介入机器人组件机械臂端盖轴承(44)通过设置在介入机器人组件机械臂法兰(111)端部的轴端挡圈(112)固定，介入机器人组件底座传动轴(52)上紧贴介入机器人组件腰部支架(41)的位置固定有介入机器人组件腰部支架轴向垫板(61)，介入机器人组件机械臂J(45)的内侧安装有介入机器人组件同步带轮伺服电机a(54)，介入机器人组件同步带轮伺服电机a(54)的介入机器人组件同步带轮轴a(46)和介入机器人组件机械臂轴a(47)上固定有介入机器人组件机械别同步带轮a(63)，两个介入机器人组件机械别同步带轮a(63)通过传送带传动连接，介入机器人组件机械臂轴a(47)与介入机器人组件机械臂K(66)是固定连接在一起的，介入机器人组件机械臂K(66)的内侧安装有介入机器人组件同步带轮伺服电机b(56)，介入机器人组件同步带轮伺服电机b(56)的介入机器人组件同步带轮轴b(49)与介入机器人末端传动轴(58)上固定有介入机器人组件机械臂同步带轮b(65)，两个介入机器人组件机械臂同步带轮b(65)通过传送带传动连接，介入机器人末端传动轴(58)与介入机器人末端执行器平台(57)是固定连接在一起的。

7.根据权利要求1所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述末端执行器组件(7)包括有压电薄膜柔性臂和转向关节，压电薄膜柔性臂的数量大于等于2，转向关节位于其中2个相邻压电薄膜柔性臂之间。

8.根据权利要求7所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述压电薄膜柔性臂的数量为3，距离介入机器人末端执行器平台(57)由近及远分别为末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c(86)、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b(70)和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a(68)，末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c(86)、末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b(70)和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a(68)上分别安装有末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c传感器(87)、末端执行器组件柔性臂b传感器(71)和末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a传感器(69)，末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂a(68)的端部安装有末端执行器组件穿刺针(67)；

转向关节包括有末端执行器组件转向关节支架a(73)和末端执行器组件转向关节支架b(80)，末端执行器组件转向关节支架b(80)的一端连接在末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂c(86)远离介入机器人末端执行器平台(57)的一端，末端执行器组件转向关节支架a(73)远离末端执行器组件转向关节支架b(80)的一端连接在末端执行器组件镀压电薄膜柔性臂b(70)的一端，末端执行器组件转向关节支架b(80)内通过末端执行器组件转向传动平台(82)固定有一个末端执行器组件转向压电直线电机(81)，末端执行器组件转向压电直线电机(81)的伸出端设置有末端执行器组件齿条(83)，末端执行器组件转向关节支架b(80)侧壁还铰接有末端执行器组件转向楔杆传动轴(78)，末端执行器组件转向楔杆传动轴(78)位于末端执行器组件转向关节支架b(80)内的部分固定有末端执行器组件齿轮(84)，末端执行器组件转向楔杆传动轴(78)上位于末端执行器组件齿轮(84)的内侧端部固定有末端执行器组件齿轮端盖(85)，末端执行器组件齿条(83)和末端执行器组件齿轮(84)啮合，末端执行器组件转向楔杆传动轴(78)位于末端执行器组件转向关节支架b(80)外的部分固定有向下勾取状的末端执行器组件转向棘轮楔杆(77)，末端执行器组件转向楔杆传动轴(78)上位于末端执行器组件转向棘轮楔杆(77)的外侧固定有末端执行器组件转向传动轴端盖(79)，末端执行器组件转向关节支架a(73)和末端执行器组件转向关节支架b(80)通过末端执行器组件转向销轴(76)转动连接在一起，末端执行器组件转向销轴(76)的中间部位固定设置有末端执行器组件转向关节块(72)，末端执行器组件转向销轴(76)位于末端执行器组件转向关节支架b(80)外的部分固定有与末端执行器组件转向棘轮楔杆(77)单向旋转配合的末端执行器组件转向锁紧棘轮(74)，末端执行器组件转向销轴(76)上位于末端执行器组件转向锁紧棘轮(74)的外侧固定有末端执行器组件转向销轴端盖(75)。

9.根据权利要求6所述的基于智能结构的介入手术机器人，其特征在于：所述箱体组件(1)的箱体组件箱体(9)内安装有箱体组件中央控制器(11)和箱体组件数据接收器(14)，箱体组件箱体(9)外安装有箱体组件PLC控制器(10)；介入机器人组件机械臂K(66)的内侧安装有介入机器人组件控制器(55)和介入机器人组件数据收集器(64)，介入机器人组件机械臂J(45)的内侧安装有介入机器人组件接近传感器(62)和介入机器人组件信号放大器(53)。

10.一种如权利要求1所述的基于智能结构的介入手术机器人的控制系统，其特征在于：控制器的信号接收端与扫描主机的信号输出端连接，控制器的信号输出端经过D/A转换连接信号放大器的信号接收端，信号放大器的信号输出端连接压电传感器的信号接收端，压电传感器的信号输出端连接经过D/A转换连接信号放大器的信号接收端并且同时连接执行机构的信号接收端，测量元件的信号输出端经过A/D转换连接扫描主机的信号接收端同时还连接压电传感器的信号接收端，压电传感器的信号输出端连接信号放大器的信号接收端同时与执行机构的信号输出端相连，信号放大器的信号输出端连接测量元件的信号输入端。

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