CN217090848U - 一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，包括柔索驱动模块、柔索、导轮组、套索、穿刺机架、球轮、球盖、球架、穿刺针、穿刺针夹具。柔索驱动模块集中布置在核磁共振仪远端，柔索从柔索驱动模块中引出后通向核磁共振仪里的穿刺机架，然后从机架上方的球轮定心输出，输出柔索末端连接穿刺针夹具，穿刺针夹具内固定有持穿刺针。穿刺针具有五个自由度，三个移动自由度实现穿刺针空间移动，除绕自身轴线的两个自由度转动实现穿刺针各种角度进针。在核磁共振仪内，装置不含铁磁性材料。本发明所涉及的穿刺定位手术机器人使用柔索驱动且可以实现柔索定心输出，穿刺针具有五个自由度，可以实现肾穿刺和肺穿刺。

Description

一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人

技术领域

本发明涉及一种穿刺定位手术机器人，特别涉及一种可以在核磁环境下工作的柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人。

背景技术

手术机器人是医疗机器人中最重要的类别，相比于传统手术中医生的徒手操作，医疗手术机器人的使用大大提高了手术的准确性和可控性。国内外对于手术机器人进行了广泛的研究。美国推出了目前世界上最为成功的通用微创外科手术机器人系统“达芬奇”和“ZEUS”机器人外科系统，可进行精确的微创远程手术，天津大学研制了主从式远程操作微创腹腔镜手术机器人“妙手”系统，可以在医生控制下完成切割、分离、剥离、缝合、打结之类的手术操作。

目前核磁兼容的穿刺机器人研究中，一种前列腺穿刺定位机器人(CN201821828818.2)由弹簧力作为驱动力可以使手术过程平稳、定位准确，且具有重力补偿装置减少对于底座压力冲击，不足之处是作用范围较小，刺入效果不理想。穿刺机器人(CN201920095918.7)是一个六自由度机械臂驱动的装置，机器人所占空间较大，刚度大。柔索驱动的穿刺机器人对于柔索驱动的准确性要求较高，如何保证柔索运动控制的准确性是当前研究重点，目前已知的柔索驱动装置大多数采用滚筒或者导向轮来导引或缠绕柔索，但柔索与滚筒或者导向轮的接触点会发生变化从而导致了驱动点的不确定性，进而影响穿刺针的工作准确性。如何实现柔索驱动装置在空间内定心输出是本发明解决的一个技术问题。一种具有自动收绳功能的柔索驱动装置(CN109279457A)柔索经过导向轮垂直向上输出，柔索输出方向改变较大会产生较大的摩擦。

目前穿刺机器人的结构，多为刚性构件，驱动形式大致分为电动、气动和液动，在核磁环境下，柔索驱动的穿刺定位机器人可以有效避免电磁干扰，且相对于现有机器人，有所占空间小，布局合理，工作空间大并且穿刺效果优良的特点。

发明内容

本发明的目的在于针对现存机器人构型多为刚性构件，提出一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人。

本发明提到的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，包括柔索驱动模块1、柔索2、导轮组3、套索4、穿刺机架5、球轮6、球盖7、球架8、穿刺针9、穿刺针夹具10。柔索2从位于核磁共振仪远处的柔索驱动模块1中引出，通入核磁共振仪内穿刺机架底部的导轮组3中，套索4底部与导轮组3相连，上部与球轮6连接，经过导轮组3的柔索2引入套索4内部，通过球轮6预留的入线口进入球内。六个球轮6受球盖7和球架8的包裹，约束在穿刺机架上部，六个球轮均布在六边形机架各边中心处。球轮6内的柔索2出线方向反向延长线过球心，球轮6的球心位置被球盖7和球架8固定约束在机架上方，柔索定心输出。柔索2从球轮6出线口引出，柔索末端连接着穿刺针夹具10，穿刺针夹具10内固定有穿刺针9。六条柔索末端交错连接在穿刺针夹具10的上端点和下端点，在柔索2的伸缩作用下，穿刺针9具有三个移动自由度和除绕自身轴线外的两个转动自由度。

柔索2缠绕在柔索牵引轮1-2上，柔索牵引轮1-2紧固在电机1-3的D型输出轴上，电机盖1-1、电机1-3、电机箱1-4通过螺栓紧固在一起。电机座1-5将电机各部件封闭在电机箱1-4内，留有部分空隙的电机盖1-1将柔索2引出电机1-3，然后通过电机箱1-4侧面留有的孔隙将柔索2引入核磁共振仪内。

导轮组3对称安装在穿刺机架5的两侧，每侧有三个高、中、低导轮基座3-4，由柔索驱动模块1引出的三条柔索2依次进入相对应的导轮基座3-4内，导轮基座3-4固定在穿刺机架5的底部，导线轮3-3由垫圈3-2轴向固定在塞打螺栓3-1上，塞打螺栓3-1安装在导轮基座内。导轮基座3-4的顶部留有套索4入线口。入线口安装有套索端口3-5。

球架8底部的凹槽与穿刺机架5上部的六边形边所契合，穿刺机架5的边嵌入凹槽内紧固。六个球架8均布在六边形机架各边中心处，球盖7与球架8紧固形成部分封闭的球槽，将球轮6约束在球架8上，球槽未封闭部分为柔索2的传动空间。

球轮6由侧球体6-1、中间球体6-2、半球体6-10、光栅传感器6-3、光栅码盘6-4、瓷眼6-5、出线导轮6-6、轴套6-7、心轴6-8、轴承6-9、入线导轮6-12、柔索2、套索端口6-13、垫圈6-14、塞打螺栓6-15、螺母6-11组成。球导轮的球体部分由侧球体6-1、中间球体6-2、半球体6-10组成，通过塞打螺栓6-15、螺母6-11、紧固螺栓和相应螺母将三部分球体紧固在一块。入线导轮6-12和两侧垫圈6-14通过塞打螺栓6-15和螺母6-11安装在入线口附近。出线导轮6-6、两侧轴套6-7、光栅码盘6-4安装在心轴6-8上，整体轴装配安装在出线口处附近，心轴6-8两侧由轴承6-9承载，轴承6-9安装在多段球体的轴承孔内。出线导轮6-6带动心轴6-8转动，心轴6-8靠侧球体方向固定了光栅码盘6-4，侧球体6-1内的光栅传感器6-3测定心轴6-8的转速。套索端口6-13和瓷眼6-5夹装在中间球体6-2和半球体6-10中间。

穿刺机架5顶部六边形支架上安装有六个球轮6，六个球轮6有两种位姿分别是高出口位姿球轮6-1-1和低处口位姿球轮6-1-2，高出口位姿球轮6-1-1连接穿刺针夹具10的上端点，低出口位姿球轮6-1-2连接穿刺针夹具10的下端点，穿刺针夹具10内固定有穿刺针9，不同位姿的球轮6交错安装在六边形机架各边中心处。通过改变穿刺针夹具10的长度，可以改变穿刺针9伸缩范围。

柔索2从套索端口6-13进入球轮6内部，沿入线导轮6-12切线、入线导轮6-12和出线导轮6-6内公切线、出线导轮6-6切线，从瓷眼6-5输出。柔索2输出方向的反向延长线过球心，球心位置受约束固定，柔索2定心输出，球心位置为运动学分析时的理论定点。

本发明与现有技术相比，其有益效果具体如下：

(1)本发明中球轮在跟随柔索转动过程中，柔索输出方向反向延长线始终经过球心，球心位置为运动学分析时的理论定点，为并联柔索机器人的运动学分析提供了位置固定的驱动点；

(2)本发明具有可变出绳方向功能，球轮跟随柔索传动方向的变化而转动，可使柔索流畅输出，避免柔索与驱动机构输出点之间的摩擦；

(3)本发明中球盖和球架用来约束球轮，六个球轮按出线口高低交错排列在穿刺机架的六边形顶部的各边的中心处，合理的球轮布局节省了机器人所占空间；

(4)本发明中柔索牵引轮键槽对侧留有豁口，通过螺栓和螺母压紧豁口，可使柔索牵引轮与电机输出轴之间紧密配合，柔索牵引轮表面的过孔可用于固定柔索初始端，防止柔索从牵引轮上脱落；柔索牵引轮上设计有螺旋凹槽，用于导引柔索排布，可使柔索收绳时缠绕紧密整齐，排布规则，避免压绳、缠绳现象的发生；

(5)本发明中导轮组到球轮的柔索传输过程由套索承担，球轮的旋转可以带动套索转动，避免了柔索传输时的干涉，使运动更加灵活；

(6)本发明中柔索驱动模块以集中布置的方式安装在远离核磁共振仪的平台上，避免了整体装置的电磁干扰。除了柔索驱动模块，其余材料均为非铁磁性材料，避免了电磁干扰，保证了安全的手术环境。

附图说明

图1为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人工作示意图；

图2为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人总体装配图；

图3为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人柔索驱动模块爆炸图；

图4为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人柔索牵引轮结构示意图；

图5为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人导轮组结构示意图；

图6为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人导轮组爆炸图；

图7为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人球轮与穿刺机架装配爆炸图；

图8为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人球轮爆炸图；

图9为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人测量装置装配图；

图10为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人球轮内柔索走线图；

图11为柔索驱动的核磁兼容手术穿刺定位机器人球轮内柔索定心输出原理图；

图12为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人球轮与穿刺针装配图；

图13为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人穿刺机架俯视示意图；

图14为一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人柔索与穿刺针夹具装配示意图；

图中：1-柔索驱动模块；2-柔索；3-导轮组；4-套索；5-穿刺机架；6-球轮；7-球盖；8-球架；9-穿刺针；10-穿刺针夹具；11-核磁共振仪；12-患者。

具体实施方式

结合附图1、附图2，对本发明作进一步的描述：

本发明提到的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，包括柔索驱动模块1、柔索2、导轮组3、套索4、穿刺机架5、球轮6、球盖7、球架8、穿刺针9、穿刺针夹具10、核磁共振仪11、患者12。

所述的三条柔索2自远离核磁共振仪的柔索驱动模块1引出，三条柔索2以高、中、低排列并行输入至导轮组3，经过安装在导轮组3顶部的套索4通向球轮6的入线口，球轮6被球盖7和球架8所形成的球形空间所约束在穿刺机架5的六边形上部，六个球轮6均布在六边形机架各边中心处，输出的六条柔索2交错连接在穿刺针夹具10的上端点和下端点，穿刺针夹具10内固定有穿刺针9。

结合附图3，对本发明做进一步的描述：

所述的柔索2缠绕在拥有螺旋凹槽的柔索牵引轮1-2上，柔索牵引轮1-2紧固安装在电机1-3的D型轴上，电机盖1-1、电机1-3、电机箱1-4紧固连接。电机箱1-4与电机座1-5将三个电机1-3封闭在盒内，柔索2依次通过电机盖1-1出线口和电机箱1-4出线口引出。

结合附图4，对本发明作进一步的描述：

所述的柔索牵引轮1-2键槽对侧有一道豁口，作用是与电机输出轴之间紧密配合；柔索牵引轮1-2侧面有轮毂孔，表面有过孔，过孔和其中的一个轮毂孔导通，柔索2初始端穿过过孔从轮毂孔露出，在柔索牵引轮1-2侧面打结固定。柔索牵引轮1-2表面具有螺旋凹槽，凹槽直径与柔索2直径相同，用于导引柔索2排布，避免缠绳、压绳现象的发生。

结合附图5、附图6，对本发明作进一步的描述：

所述的三条柔索2输入到核磁共振仪内穿刺机架5底部的导轮组3，三条柔索2依次穿过高、中、低三个导轮基座3-4。导轮基座3-4固定在穿刺机架5的底部，导轮基座3-4内部安装有塞打螺栓3-1、导线轮3-3、及垫片3-2。导线轮3-3将平行于穿刺机架5底面输入的柔索2垂直输出，位于导轮基座3-4的柔索输出口安装有套索端口3-5，外接套索4，将导轮组中的柔索2引入套索4中。

结合附图7，对本发明作进一步的描述：

所述的球轮6由球架8和球盖7形成的部分封闭的球形凹槽所约束，球架8和球盖7紧固连接，将球轮6包裹在其中。球架8底部留有的方形凹槽与穿刺机架5上部支架的六边形的边所契合，二者紧固连接将球架固定在穿刺机架5的上方。六个球轮6均布在六边形机架各边中心处。

结合附图8、附图9、附图10、附图11对本发明作进一步的描述：

上述球轮6由侧球体6-1、中间球体6-2、半球体6-10、光栅传感器6-3、光栅码盘6-4、瓷眼6-5、出线导轮6-6、轴套6-7、心轴6-8、轴承6-9、入线导轮6-12、柔索2、套索端口6-13、垫圈6-14、塞打螺栓6-15、螺母6-11组成。球轮6的球体部分由侧球体6-1、中间球体6-2、半球体6-10组成，通过塞打螺栓6-15、螺母6-11、紧固螺栓和相应螺母将三部分球体紧固在一块。中间球体6-2和半球体6-10之间夹装有入线导轮6-12、出线导轮6-6、瓷眼6-5、套索端口6-13。入线导轮6-12两侧安装有垫圈6-14，通过塞打螺栓6-15和其对应螺母6-11配合使其夹装在两个半球体中间，入线导轮6-12可随球轮6运动并绕自身轴线转动。出线导轮6-6、两侧轴套6-7、光栅码盘6-4安装在心轴6-8上，出线导轮6-6通过内部的顶丝与心轴6-8固定起来，中间球体6-2和半球体6-10将轴的装配夹装起来。轴装配由两侧轴承6-9承载，轴承6-9分别安装在两半球体的轴承孔中。心轴6-8靠侧球体方向的末端连接有光栅码盘6-4，侧球体内留有光栅传感器6-3的安装槽和定位孔，光栅传感器6-3监测区域正对光栅码盘6-4。当柔索2长度发生变化时，柔索2带动出线导轮6-6转动，光栅码盘6-4安装在心轴6-8靠侧球体方向的端面上，在侧球体6-1内安装有光栅传感器6-3，光栅传感器6-3测量柔索2输出速度和输出长度。柔索2传动方向发生变化时，柔索2带动球轮6转动，套索4跟随球轮6转动。

所述的柔索2从套索端口6-13引入到球轮6内部，从沿着入线导轮6-12切线方向传输至出线导轮6-6，柔索2经出线导轮6-6后从瓷眼6-5输出，输出的柔索2反向延长线经过球心。球架8和球盖7形成的裸露空间部分是柔索2的输入输出范围，当球轮6输出的柔索2向上转动时，球内6内部的出线导轮6-6和瓷眼6-5跟随向上转动，同时球轮也向上转动。以此类推，当输出的柔索方向发生转动时，球轮也发生相应转动。

柔索2从球轮6的入线口进入，沿着入线导轮6-12切线、入线导轮6-12和出线导轮6-6公切线、出线导轮6-6切线，然后从出线口输出。柔索2出线方向的反向延长线始终经过球心，球轮6的球心位置受球盖7和球架8约束固定在穿刺机架5上方，柔索2定心输出。

结合附图12、附图13、附图14，对本发明作进一步的描述：

所述柔索2通过套索4引入至穿刺机架5上部的球轮处6，而后从球轮6的出线口引出，球轮6按出线柔索角度分为：高出线球轮6-1-1和低出线球轮6-1-2，两种球轮交错安装六边形支架各条边的中心处，高出线球轮6-1-1引出的柔索2连接在穿刺针夹具10的上端点，低出线球轮6-1-1引出的柔索2连接在穿刺针夹具10的下端点，穿刺针夹具10内固定有穿刺针9。通过选择适合长度的穿刺针夹具10，可以改变穿刺针9的进退针范围。

所述穿刺针9和穿刺针夹具10的运动由柔索2提供的力来驱动，球轮601、球轮603、球轮605输出的三条柔索连接在穿刺针夹具上端点，当三条柔索收缩时，穿刺针夹具10带动穿刺针9向下运动，完成进针操作；球轮602、球轮604、球轮606输出的三条柔索连接在穿刺针夹具下端点，当三条柔索收缩时，穿刺针夹具10带动穿刺针9向上运动，完成退针操作；球轮601、球轮602、球轮603输出的柔索同时收缩时，穿刺针夹具10的顶端向球轮602侧倾斜，可以实现穿刺针9进针角度的变化。

本发明是一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其各项功能的实现方式如下：

定心输出功能：入线导轮6-12和出线导轮6-6安装在球导轮6的其中两个半球中间，柔索2从夹装在两半球中间的瓷眼6-5输出，输出的柔索2与出线导轮6-6相切且延长线始终经过球心，球轮6的球心位置受球盖7和球架8约束固定在穿刺机架5上方，球轮6的球心可视为柔索驱动点，为并联柔索机器人的运动学分析提供理论定点；

可变出绳方向功能：电机驱动过程中，瓷眼6-5处输出的柔索2方向发生变化，将会带动球轮6发生相应的转动，夹装在球导轮6两半球体中间的入线导轮6-12和出线导轮6-6也随之运动，瓷眼6-5方向与柔索2输出方向一致，从而使柔索2在出线导轮6-6的导引下从瓷眼6-5流畅输出，避免柔索2与驱动机构之间的摩擦，实现本机构的可变出绳方向功能；

柔索驱动下的穿刺定位功能：六条柔索2分别从穿刺机架5上方的六个球轮6输出，六个球轮6均布在六边形支架每条边的中心处，六条柔索2交错的连接在穿刺针夹具10的上端点和下端点，穿刺针夹具10内固定有穿刺针9，在柔索2驱动下，与穿刺针轴线方向垂直的两个移动自由度可以完成穿刺针位置移动，沿穿刺针轴线方向的移动自由度可以完成穿刺动作，与穿刺针轴线方向垂直的两个转动自由度可以完成手术时进针角度的改变，从而实现本机构的柔索驱动下的穿刺定位功能。

以上所述仅是本发明的部分较佳实例，任何熟悉本领域的技术人员均可利用以上阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案，因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，包括柔索驱动模块、柔索、导轮组、套索、穿刺机架、球轮、球盖、球架、穿刺针、穿刺针夹具，核磁共振仪内的装置均由非铁磁性材料制造，其特征在于，柔索从远离核磁共振仪的柔索驱动模块内引出后，通向核磁共振仪内的穿刺机架，经导轮组和套索后到达穿刺机架上方的球轮内部，六个球轮均布在六边形机架的各边中心处，从球轮输出的六条柔索末端间隔交错连接在穿刺针夹具的上端点和下端点，穿刺针夹具内固定有穿刺针，在柔索带动下，穿刺针具有三个自由度的移动和除绕自身轴线外的两个自由度的转动。

2.根据权利要求1所述的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其特征在于，球轮由侧球体、中间球体、半球体、光栅传感器、光栅码盘、瓷眼、出线导轮、轴套、心轴、轴承、入线导轮、垫圈、塞打螺栓、螺母组成，入线导轮和垫圈通过塞打螺栓安装于球内靠近柔索入线口处，出线导轮、轴套、轴承和光栅码盘安装在心轴上，整体轴装配安装在靠近柔索出线口处，当柔索长度发生变化时，柔索带动出线导轮转动，光栅码盘安装在心轴靠侧球体方向的端面上，在侧球体内安装有光栅传感器，光栅传感器测量柔索输出速度和输出长度，柔索传动方向发生变化时，柔索带动球轮转动，套索跟随球轮转动。

3.根据权利要求1所述的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其特征在于，柔索从套索端口输入球轮后，经入线导轮和出线导轮，从出线口的瓷眼输出，出线方向反向延长线始终过球轮的圆心，球轮被球盖和球架共同约束穿刺机架上方，球轮只可进行定心转动，柔索出线方向始终过球轮的定心，柔索在球轮处定心输出。

4.根据权利要求1所述的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其特征在于，穿刺机架底座紧固在核磁共振仪上，穿刺机架上部为六边形，六个球轮均布在六边形机架的每条边的中心上，从球轮输出的六条柔索间隔交错连接在穿刺针夹具的上端点和下端点，穿刺针夹具内固定有穿刺针，穿刺针具有三个移动自由度和除绕自身轴线外的两个转动自由度。

5.根据权利要求1所述的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其特征在于，整个柔索驱动模块的电机集中布置在远离核磁共振仪的平台，柔索驱动模块内的六个电机分为两个电机组，通过电机箱和电机盖将三个电机固定在箱内，柔索牵引轮固定在电机输出轴上，电机壳套在柔索牵引轮外，柔索牵引轮上有螺旋凹槽，柔索均匀缠绕在柔索牵引轮上，柔索经过电机壳和电机箱上的孔隙，穿出柔索驱动模块。

6.根据权利要求1所述的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其特征在于，一个电机组的三个电机按高、中、低位置排列，电机组引出的三条柔索平行输出至相对应的高、中、低导轮基座处，导轮基座安装在核磁共振仪内的穿刺机架底部，经过导线轮的导向，柔索进入安装在基座上方的套索内部，柔索通过套索到达球轮内部。

7.根据权利要求1所述的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其特征在于，套索一端卡在导轮基座顶部，一端被球轮内部预留的槽夹紧，套索将柔索从穿刺机架底部引入至球轮内，柔索在穿刺机架内走线不再依赖于导轮，套索可以跟随球轮转动。

8.根据权利要求1所述的一种柔索驱动核磁兼容穿刺定位手术机器人，其特征在于，通过改变穿刺机架与核磁共振仪的相对位置，可以改变穿刺针工作区域的范围，通过改变穿刺针夹具的长度，可以改变穿刺针伸缩范围。

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