CN218528882U - 一种与mri和ct环境兼容的微创手术机器人 - Google Patents

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Abstract

本案公开了一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，包括：拱门模块，其包括拱门本体和拱门滑块机构；穿刺针定位模块，其包括可沿圆弧状导向轨道径向运动的R平动机构、可实现绕Z轴旋转运动的Z旋转机构、至少用于提供绕X轴旋转运动的X旋转机构；以及穿刺针插入模块。本案提供的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，能够适应标准MRI和CT扫描仪的闭孔腔体尺寸，并能在闭孔腔体中实现穿刺针位置和姿态的精确调节，从而保证穿刺针按照规划路径在人体皮肤插入点进行穿刺；该微创手术机器人允许图像扫描和机器人运动实时同步进行，手术过程中不需要将病患反复移入或移出MRI或CT的闭孔腔体，可减少手术时间，提高手术精度。

Description

一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人
技术领域
本实用新型涉及医疗机器人技术领域，特别涉及一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人。
背景技术
经皮介入是一种常见的微创临床手术，涉及到将穿刺针头经患者皮肤插入到体内以进行病理诊断或治疗。经皮介入应用包括：活体组织检查、标记种子或药物胶囊植入、以及消融电极插入以进行肿瘤消融等微创手术等，其适用于人体的大部分器官，例如：乳房、前列腺、肺、肾脏和肝脏等。相比较于常规的手术治疗，经皮介入的特点在于依据医学影像规划针的穿刺路径引导针的插入。
手术期间，穿刺针通常在计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI) 等影像导航方法的引导下，穿过人体皮肤到达病变目标位置。尽管CT扫描仪会发出相对高剂量的电离辐射，并可能对患者造成进一步的健康风险；但相对较低的成本和适用性使得CT引导方法在世界范围内仍然被广泛使用。而MRI不仅在任意方向都具有出色的软组织对比度和空间分辨率，而且不会使患者暴露于电离辐射下。根据MRI影像诊断结果，医生可以确定手术目标位置、进行手术针插入路径规划及确定针头插入点、并将针头穿过皮肤引入目标解剖结构，例如关节间隙或神经根，以注射造影剂或止痛药等。医生还可以操作控制针头到达不同的内脏器官，以进行穿刺活检，或对癌变部位实施微创射频或冷冻消融治疗。因此，对于适用于MRI和CT环境的微创手术机器人的需求在不断增长。
然而，目前市场上与MRI和CT环境相兼容的手术机器人非常少，大多还处于研发阶段。其主要面临的挑战来自于：1)操作空间限制。由于目前较多使用的仍然是孔径为60cm的卧式闭孔MRI扫描仪、及70cm的卧式闭孔 CT扫描仪，所以在如此狭窄的空间中实施手术操作是极其困难的；2)驱动方式限制。即手术机器人运动时，不应干扰扫描仪正常工作、以及不应产生图像伪影；同样的，扫描仪工作时不应影响机器人的操作；3)精度限制。穿刺针的插入精度必须满足要求，因为对于15至20cm的插入深度，其目标通常是毫米级的。
迄今为止，已经开发了一些满足MRI和CT兼容性要求的微创手术机器人系统，但都存在着一定的局限性。例如，一些手术机器人系统利用气动或液压驱动机器人运动，但气动驱动其存在相对速度稳定性及位置精度较低、液压驱动则可能产生涡凹或液体渗漏，并且整个驱动系统或许较为庞大；另外，目前绝大部分微创手术机器人应用的穿刺针为刚性穿刺针，由于受到闭孔狭窄空间限制，所以通常此类机器人只能在MRI或CT引导下实现穿刺针的定位功能(即确保穿刺针插入方向与规划路径一致)，而难以在MRI或CT 闭孔内实时完成整个手术步骤，如穿刺针插入功能，尤其是在胸腔及腹部位置器官手术。在这种情况下，只有在病患移出MRI或CT闭孔后，由医生手动插入穿刺针，以避免在闭孔内常规长度的穿刺针与闭孔壁产生接触干涉现象。在一些特定情况下，穿刺针插入运动可以在闭孔内实现完成，此时为了避免干涉，穿刺针长度较短，因而插入深度非常有限；又例如，专利 CN113349896A公开的一种穿刺机构及穿刺机器人，其能够在CT和MRI的扫描闭孔的狭小空间内进行手术操作。但该机器人装置存在着以下几点不足： 1)、机架支撑机构结构型式对于不同体型病患的适用范围相对较小；2)、由于针穿刺机构、及针定位和引导机构安装于机架支撑机构的顶部平台，所以各执行机构的运动或操作空间较小。若为了满足较大体型病患需要，可考虑增加机架支撑机构高度，此时顶部平台愈加靠近CT或MRI的扫描闭孔顶部，致使其它机构运动空间更加受限；3)、一些关节的运动模式，也限定了其工作空间。比如针定位和引导机构的X轴旋转关节工作时，安装其上的针穿刺机构沿Z方向的前后端易与CT或MRI的扫描闭孔壁产生接触干涉现象；4)、该机器人装置结构复杂，且缺乏可重构特性，即难以根据具体不同手术器官位置和手术操作空间大小进行机器人各模块重构以满足手术需求。
因此，提供一种可与MRI和CT环境相兼容的微创机器人，该微创机器人不仅允许图像扫描和机器人运动实时同步进行，同时手术过程中病患不需要移入或移出扫描仪进行成像和针插入，并且该微创机器人能够克服现有机器人系统的上述不足之处，将是非常有益的。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人。本实用新型的微创手术机器人可与MRI和CT环境兼容，能适用于其标准闭孔空间，允许图像扫描和机器人运动实时同步进行，整个手术过程中不需要将病患反复移入或移出MRI 或CT的闭孔腔体，可减少手术时间，提高手术精度；其可用于腹部、胸部或其它器官的微创手术，如活检、标记物种子或药物胶囊递送以及肿瘤消融等。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，包括：
拱门模块，其包括具有圆弧状导向轨道的拱门本体以及可自主在所述圆弧状导向轨道上沿与XY平面平行的圆弧轨迹运动的拱门滑块机构；
穿刺针定位模块，其连接在所述拱门滑块机构上，所述穿刺针定位模块包括用于提供XY平面内沿圆弧状导向轨道半径R方向的直线运动的R平动机构、用于提供绕Z轴的旋转运动的Z旋转机构、至少用于提供绕X轴的旋转运动的X旋转机构，所述R平动机构、Z旋转机构、X旋转机构可按不同顺序串联连接，并在两端形成所述穿刺针定位模块的基端和输出端，所述穿刺针定位模块的基端连接在所述拱门滑块机构上；
以及穿刺针插入模块，其可拆卸连接在所述穿刺针定位模块的输出端，所述穿刺针插入模块用于进行穿刺针的穿刺。
优选的是，所述拱门本体包括一个非完整内齿轮以及连接在所述非完整内齿轮两端的两个侧向支架，所述非完整内齿轮的外轮廓表面形成所述圆弧状导向轨道，所述非完整内齿轮的内轮廓表面具有内齿轮部；
所述拱门滑块机构包括可活动套设在所述非完整内齿轮上的安装架、可转动设置在所述安装架上且与所述的内齿轮部啮合的外齿轮、可转动设置在所述安装架上且与所述非完整内齿轮的光滑的外轮廓表面接触的至少一个滚轮以及设置在所述安装架上的用于驱动所述外齿轮旋转的拱门滑块驱动电机。
优选的是，所述拱门本体还包括两个可提供Z向直线运动的Z1平动机构，两个侧向支架分别安装在两个Z1平动机构上，以通过两个Z1平动机构带动所述拱门模块在Z方向进行直线运动。
优选的是，所述R平动机构包括R安装座、可转动设置在所述R安装座上的R螺杆、配合螺纹套设在所述R螺杆上的R螺母以及用于驱动所述R 螺杆转动的R电机。
优选的是，所述Z旋转机构是可传递两交错轴运动和动力的蜗轮蜗杆机构，其包括Z安装座、可绕Z轴旋转设置在所述Z安装座上的Z转轴、驱动连接在所述Z转轴上的Z蜗轮、可转动设置在所述Z安装座上且与所述Z蜗轮啮合的Z蜗杆以及设置在所述Z安装座上的用于驱动所述Z蜗杆转动的Z 电机。
优选的是，所述X旋转机构包括X安装座、以及平行设置在所述X安装座上且沿Y方向具有间隔的可提供Z向直线运动的两个Z2平动机构以及与两个Z2平动机构连接的接口组件，两个Z2平动机构均具有可沿Z方向进行往复直线运动的输出部，两个输出部均与所述接口组件可转动连接；
当两个Z2平动机构的输出部沿相同方向以相同速度移动时，所述接口组件沿Z方向进行直线运动；
当两个Z2平动机构的输出部沿不同方向移动或是沿相同方向但以不同速度移动时，所述接口组件可实现：(1)仅绕X轴进行旋转运动；或(2) 既沿Z方向直线运动同时又绕X轴进行旋转运动。
优选的是，所述接口组件包括接口板以及沿所述接口板的长度方向间隔设置在所述接口板的背面的两个接口固定连接座及至少一个接口活动连接座，在两个接口固定连接座之间设置有两根沿长度方向布置的接口导向杆，接口活动连接座上开设有供所述接口导向杆配合穿过的接口导向孔，所述接口活动连接座设置在两个接口固定连接座之间并可以在所述接口导向杆上往复移动；
一个Z2平动机构的输出部与一个接口活动连接座可转动连接，另一个 Z2平动机构的输出部与一个接口固定连接座可转动连接。
优选的是，所述Z2平动机构包括设置在所述X安装座上的X支架、可转动设置在所述支架上的X螺杆、配合螺纹套设在所述X螺杆上的X螺母、用于驱动所述X螺杆转动的X电机以及连接在所述X螺母上的两X平动输出杆，两X平动输出杆形成所述Z2平动机构的输出部。
优选的是，所述R平动机构连接在所述拱门滑块机构上，所述Z旋转机构和X旋转机构依次连接在所述R平动机构上。
优选的是，所述Z旋转机构连接在所述拱门滑块机构上，所述R平动机构和X旋转机构依次连接在所述Z旋转机构上。
优选的是，所述R平动机构连接在所述拱门滑块机构上，所述X旋转机构和Z旋转机构依次连接在所述R平动机构上。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供了一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其能够适应标准MRI扫描仪和CT扫描仪的闭孔腔体的尺寸，该机器人能在闭孔腔体中实现穿刺针的位置和姿态的精确调节与确定，从而保证穿刺针能按照规划路径在人体皮肤插入点进行穿刺；该微创手术机器人能够在闭孔腔体内完成整个穿刺针插入步骤，穿刺针的移动、位姿调整，并不会与图像扫描发生干扰，能允许图像扫描和机器人运动实时同步进行，整个手术过程中不需要将病患反复移入或移除MRI或CT的闭孔腔体，可减少手术时间，提高手术精度；
本实用新型的微创手术机器人可以最大程度上满足各种体型病患的需要，实现最大化机器人手术操作空间；
本实用新型的微创手术机器人可在选定的插入点(枢轴点)实现任意方向的旋转运动，然后可通过自动或远程控制或手动方式将穿刺针针头经皮插入目标病变位置；
本实用新型的微创手术机器人具有模块化、可重构等特性，各模块能够根据不同的手术部位与器官、以及实际手术空间状况进行组合重构，以更好的实现其功能，具有更大的灵活性，且便于维护、更换、组装和拓展；
本实用新型的微创手术机器人可与刚性针自动插入机构、刚性针手动插入机构或柔性针自动插入机构组合使用，自动或手动完成活体组织检查、植入标记种子或药物胶囊、或插入消融电极等微创手术。
附图说明
图1为本实用新型的实施例中的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人的结构示意图；
图2为本实用新型的实施例中的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人的分解结构示意图；
图3为本实用新型的一种实施例中的拱门模块的结构示意图；
图4为本实用新型的实施例中的拱门滑块机构的结构示意图；
图5为本实用新型的一种实施例中拱门模块固定安装于MRI或CT床上的结构示意图；
图6为本实用新型的另一种实施例中的拱门模块可沿着平行于Z方向自主运动设置在MRI或CT床上的结构示意图；
图7为本实用新型的实施例中的拱门滑块机构移动到某一位置时的微创手术机器人的状态示意图；
图8为本实用新型的另一种实施例中的拱门模块的结构示意图；
图9为本实用新型的另一种实施例中的采用图8的拱门模块的微创手术机器人的结构示意图；
图10为本实用新型的实施例中的穿刺针定位模块的结构示意图；
图11为本实用新型的实施例中的穿刺针定位模块的分解结构示意图；
图12为本实用新型的实施例中的R平动机构的结构示意图；
图13为本实用新型的实施例中的Z旋转机构的结构示意图；
图14为本实用新型的实施例中的Z旋转机构的分解结构示意图；
图15为本实用新型的实施例中的X旋转机构的结构示意图；
图16为本实用新型的实施例中的X旋转机构的分解结构示意图；
图17为本实用新型的实施例中的接口组件的结构示意图；
图18为本实用新型的另一种实施例中的Z2平动机构的结构示意图；
图19为本实用新型的实施例中的采用气缸作为Z2平动机构的微创手术机器人的结构示意图；
图20(A)-20(C)为本实用新型的实施例中的微创手术机器人的三种不同的位姿状态的结构示意图；即穿刺针插入角度分别大于0、等于0、以及小于0的三种姿态；
图21为本实用新型的一种实施例中的穿刺针插入模块为刚性针自动插入机构的微创手术机器人；
图22为本实用新型的一种实施例中的穿刺针插入模块为柔性针自动插入机构的微创手术机器人；
图23为本实用新型的一种实施例中的穿刺针插入模块为刚性针手动插入机构的微创手术机器人；
图24为本实用新型的实施例2中的一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人的结构示意图；
图25为本实用新型的实施例3中的一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人的结构示意图。
附图标记说明：
1—拱门模块；10—拱门本体；11—拱门滑块机构；100—非完整内齿轮； 101—侧向支架；102—圆弧状导向轨道；103—Z1平动机构；110—安装架；111—外齿轮；112—滚轮；113—拱门滑块驱动电机；130—非完整外齿轮； 132—内圆弧状导向轨道；
2—穿刺针定位模块；20—R平动机构；200—R安装座；201—R螺杆； 202—R螺母；203—R电机；
21—Z旋转机构；210—Z安装座；211—Z转轴；212—Z蜗轮；213—Z 蜗杆；214—Z电机；
22—X旋转机构；220—X安装座；221—Z2平动机构；222—接口组件； 223—X支架；224—X螺杆；225—X螺母；226—X电机；227—X平动输出杆；228—气缸；
2220—接口板；2221—接口固定连接座；2222—接口活动连接座；2223—接口导向杆；2224—接口导向孔；
3—穿刺针插入模块；31—穿刺针；
4—MRI或CT扫描装置；40—扫描床。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
参照图1-2，本实施例的一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，包括：
拱门模块1，其包括具有圆弧状导向轨道102的拱门本体10以及可自主在圆弧状导向轨道上沿与XY平面平行的圆弧轨迹运动的拱门滑块机构11 (参照图3)；拱门模块1用以安装和支撑穿刺针定位模块2和穿刺针插入模块3，并实现其两个模块整体在MRI或CT床上方沿圆弧轨迹进行往复运动 (R1)；
穿刺针定位模块2，其连接在拱门滑块机构11上，穿刺针定位模块2(参照图10)包括用于提供沿圆弧状导向轨道102的径向直线运动的R平动机构 20(V2)、用于提供绕Z轴的旋转运动(R2)的Z旋转机构21、至少用于提供绕X轴的旋转运动的X旋转机构22。R平动机构20、Z旋转机构21和X 旋转机构22，可按不同顺序串联连接，并在两端形成穿刺针定位模块2的基端和输出端，穿刺针定位模块2的基端连接在拱门滑块机构11上；穿刺针定位模块2用以精确确定穿刺针插入模块3的穿刺针31的位姿，以保证穿刺针 31在人体皮肤插入点与规划路径保持一致，并允许穿刺针31绕着插入点(或枢轴点)做旋转运动；
以及穿刺针插入模块3，其可拆卸连接在穿刺针定位模块2的输出端，穿刺针插入模块3用于提供穿刺针31沿穿刺方向的插入与回缩运动(V5)，控制穿刺针31经皮穿刺，通过插入点、沿着规划路径到达手术目标位置。
参照图3-4，在一种优选的实施例中，拱门本体10包括一个非完整内齿轮100(即内齿轮的一部分)以及连接在非完整内齿轮100两端的两个侧向支架101，非完整内齿轮100的外轮廓表面形成圆弧状导向轨道102，非完整内齿轮100的内轮廓表面具有内齿轮部。
拱门滑块机构11包括可活动套设在非完整内齿轮100上的安装架110、可转动设置在安装架110上且与的内齿轮部啮合的外齿轮111、可转动设置在安装架110上且与非完整内齿轮100的光滑的外轮廓表面接触的至少一个滚轮112以及设置在安装架110上的用于驱动外齿轮111旋转的拱门滑块驱动电机113。当拱门滑块驱动电机113驱动外齿轮111旋转时，通过外齿轮111 与内齿轮部的啮合，使整个拱门滑块机构11在非完整内齿轮100上沿圆弧状导向轨道102运动，此时滚轮112相对非完整内齿轮100的外轮廓表面进行滚动。
参照图5，在一种实施例中，拱门模块1通过两个侧向支架101固定安装于MRI或CT扫描装置4的扫描床40上。
参照图6，在另一种实施例中，拱门模块1可以沿着平行于MRI或CT 扫描装置4的扫描床40的长度方向(即Z轴方向)自主运动(V1)，本实施例中，拱门本体10还包括两个可提供Z向直线运动的Z1平动机构103，两个侧向支架101分别安装在两个Z1平动机构103上，以通过两个Z1平动机构103带动拱门模块1在Z方向进行直线运动。Z1平动机构103为螺旋传动机构或其它线性驱动机构(如气缸、电动推杆等)，用以确保拱门模块1沿Z 轴方向进行自主直线运动。在一种可选的实施例中，Z1平动机构103与R平动机构20结构原理相同，以下会对R平动机构20进行详细说明，所以此处不再对Z1平动机构103的结构进行展开描述。
参照图7，为拱门滑块机构11移动到某一位置时的微创手术机器人的状态示意图，图中上下为两个不同视角的示意图。
参照图8和图9，为另外一种实施例中的拱门模块1的结构示意图，该实施例中，拱门本体10中采用一个非完整外齿轮130代替原来的非完整内齿轮100，非完整外齿轮130的内轮廓表面形成内圆弧状导向轨道132，其外轮廓表面具有外齿轮部；拱门滑块机构11安装方向改变，以使拱门滑块机构11 中的外齿轮111与非完整外齿轮130的外齿轮部啮合，使整个拱门滑块机构 11在非完整外齿轮130上沿内圆弧轨迹(圆周的一部分)状导向轨道132运动，此时滚轮112相对非完整外齿轮130的内轮廓表面进行滚动。
参照图10-11，分别为穿刺针定位模块2整体结构示意图和分解结构示意图。
在一种优选的实施例中，R平动机构20为螺旋传动机构或其它线性驱动机构，以下以螺旋传动机构为例展开描述：参照图12，该R平动机构20包括R安装座200、可转动设置在R安装座200上的R螺杆201、配合螺纹套设在R螺杆201上的R螺母202、以及用于驱动R螺杆201转动的R电机203； R电机203通过R螺杆201驱动R螺母202进行R方向(圆弧状导向轨道102径向)的往复直线运动。
在一种优选的实施例中，Z旋转机构21为蜗轮蜗杆机构或其它旋转机构，以下以蜗轮蜗杆机构为例展开描述：参照图13-14，该Z旋转机构21包括Z 安装座210、可绕Z轴旋转设置在Z安装座210上的Z转轴211、驱动连接在Z转轴211上的Z蜗轮212、可转动设置在Z安装座210上且与蜗轮212 啮合的Z蜗杆213、以及设置在Z安装座210上的用于驱动Z蜗杆213转动的Z电机214。Z电机214通过Z蜗杆213带动Z蜗轮212旋转，然后带动Z 转轴211实现绕Z轴的旋转运动。
参照图15-17，在一种优选的实施例中，X旋转机构22包括X安装座220、以及平行设置在X安装座220上且沿Y方向具有间隔的可提供Z向直线运动的两个Z2平动机构221以及与两个Z2平动机构221连接的接口组件222，两个Z2平动机构221具有可沿Z方向进行往复直线运动的输出部，两个输出部分别与接口组件222的上下两端可转动连接，且两个连接端中的一个能沿接口组件222的长度方向来回滑动，以保证能够实现接口组件222的旋转调节(后文会详细描述)；上下两个Z2平动机构221实现两组Z方向的直线运动(V3、V4)；
当两个Z2平动机构221的输出部沿相同方向以相同速度移动时，接口组件222沿Z方向进行直线运动；此时通过X旋转机构22还能够在一定范围内实现Z方向的位置调节；所以在一些实施例中，可藉由X旋转机构22的Z 方向位置调节功能而省去拱门模块1中为实现沿MRI或CT床长度方向进行移动而设置的两个Z1平动机构103；或者是两者进行相互配合：通过两个 Z1平动机构103进行拱门模块1、穿刺针定位模块2和穿刺针插入模块3整体在大范围内沿Z向的位置调整，然后藉由X旋转机构22的Z方向位置调节功再实现穿刺针插入模块3沿Z向位置的精确调整；
当两个Z2平动机构221的输出部沿不同方向移动或是沿相同方向但以不同速度移动时，接口组件222可实现：(1)仅绕X轴进行旋转运动(例如，其中一个Z2平动机构221不移动，另一个Z2平动机构221移动，则此时接口组件222只进行绕X轴的旋转运动)；或(2)既沿Z方向直线运动同时又绕X轴进行旋转运动(此时，两个Z2平动机构221均移动)。从而通过接口组件222能够控制连接在穿刺针定位模块2的输出端上的穿刺针模块3的穿刺针31的位姿或插入角度。
其中，Z2平动机构221为螺旋传动机构或其它线性驱动机构，继续参照图15-17，在一种实施例中，Z2平动机构221为螺旋传动机构，其包括设置在X安装座220上的X支架223、可转动设置在X支架223上的X螺杆224、配合螺纹套设在X螺杆224上的X螺母225、用于驱动X螺杆224转动的X 电机226以及连接在X螺母225上的两X平动输出杆227，两X平动输出杆227形成Z2平动机构的输出部，两X平动输出杆227与接口组件222可转动连接；X电机226通过X螺杆224驱动X螺母225进行Z方向的往复直线运动。
再参照图17，在一种优选的实施例中，接口组件222包括接口板2220 以及沿接口板的长度方向间隔设置在接口板2220的背面的两个接口固定连接座2221及至少一个接口活动连接座2222，在两个接口固定连接座2221之间设置有两根沿长度方向布置的接口导向杆2223，接口活动连接座2222上开设有供接口导向杆2223配合穿过的接口导向孔2224，接口活动连接座2222 设置在两个接口固定连接座2221之间并可以在接口导向杆2223上往复移动；一个Z2平动机构的输出部与一个接口活动连接座2222可转动连接，另一个 Z2平动机构的输出部与一个接口固定连接座2221可转动连接。
具体的，本实施例中，处于上方的一个Z2平动机构的输出杆227与处于上方的一个接口活动连接座2222可转动连接，处于下方的另一个Z2平动机构的输出杆227与处于下方的一个接口固定连接座2221可转动连接。在接口组件产生绕X轴的旋转运动的过程中，输出杆227推动接口活动连接座2222 沿Z向平动的同时，接口活动连接座2222会相对接口导向杆2223进行滑动，从而使得接口板2220能够绕X轴进行旋转运动，而不会卡死。
参照图18，在另一种实施例中，Z2平动机构221为气缸228，气缸228 的输出杆形成Z2平动机构221的输出部，气缸228的输出杆与接口组件222 可转动连接。对应的，参照图19，为采用气缸228作为Z2平动机构221的微创手术机器人的结构示意图，其中，上下两幅图为不同视角的示意图。
需要理解的是，本实用新型中的Z1平动机构、R平动机构、Z2平动机构等提供直线移动功能的机构，除采用上述结构外，也可以采用其它常规的可提供平动功能的驱动机构。
本实用新型的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人遵循了模块化和可重构特性，其中的R平动机构20、Z旋转机构21和X旋转机构22可根据不同的手术部位与器官、以及实际手术空间状况进行组合重构，按不同顺序串联连接，以满足实际手术要求，从而具有更大的灵活性和便于维护、更换、组装、拓展等特性。
图20(A)-20(C)显示了微创手术机器人的三种不同的位姿状态的立体图。图20(A)、20(B)、20(C)分别显示了穿刺针31的插入角度β分别为大于0、等于0、以及小于0的姿态；其中，上下两幅图为不同视角的示意图。
参照图1-2、图10-11，R平动机构20连接在拱门滑块机构11上，Z旋转机构21和X旋转机构22依次连接在R平动机构20上。具体的，R平动机构20的R安装座200连接在拱门滑块机构11的安装架110上，Z旋转机构21的Z安装座210连接在R平动机构20的R螺母202上，X旋转机构22 的X安装座220连接在Z旋转机构21的Z转轴211上，而穿刺针插入模块3 则连接在X旋转机构22中的接口组件222上。通过拱门滑块机构11带动穿刺针定位模块2和穿刺针插入模块3整体沿圆弧轨迹运动，通过R平动机构 20带动后端的Z旋转机构21、X旋转机构22、穿刺针插入模块3进行径向R 的直线移动，通过Z旋转机构21带动后端的X旋转机构22、穿刺针插入模块3进行绕Z轴的旋转运动，通过X旋转机构22实现穿刺针插入模块3绕X 轴的旋转运动，以调节穿刺针的位姿，且还可通过X旋转机构22实现穿刺针插入模块3在一定范围内的沿Z轴方向的直线运动。
其中，上述动力装置(各电机)均采用可磁兼容的电机，其它电气元器件及机械零部件也均选用可磁兼容的常规产品，以确保MRI或CT图像扫描和机器人运动能够同步进行。
需要理解的是，本实用新型的重点是通过拱门模块1、穿刺针定位模块2 的结构设计与配合，使穿刺针插入模块3上的穿刺针31能按照规划路径移动到需要的穿刺位置并调整至需要的角度；而其中，穿刺针插入模块3主要是用于进行穿刺针31的穿刺动作，穿刺针插入模块3可采用常规的刚性针自动插入机构、或刚性针手动插入机构、或柔性针自动插入机构等，所以本实用新型中对穿刺针插入模块3的具体结构不进行限制，也不展开描述。
参照图21，示意了一种穿刺针插入模块3为刚性针自动插入机构的微创手术机器人。
参照图22，示意了一种穿刺针插入模块3为柔性针自动插入机构的微创手术机器人；其中的，柔性针自动插入机构为中国专利CN216417288U公开的柔性针穿刺装置。
参照图23，示意了一种穿刺针插入模块3为刚性针手动插入机构的微创手术机器人。
实施例2
参照图24，作为实施例1的基础上的进一步改进，本实施例中，Z旋转机构21连接在拱门滑块机构11上，R平动机构20和X旋转机构22依次连接在Z旋转机构21上。各模块之间的具体连接方式以及工作原理与实施例1 基本相同，此处不再赘述。
实施例3
参照图25，作为实施例1的基础上的进一步改进，本实施例中，R平动机构20连接在拱门滑块机构11上，X旋转机构22和Z旋转机构21依次连接在R平动机构20上。各模块之间的具体连接方式以及工作原理与实施例1 基本相同，此处不再赘述。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，包括：
拱门模块，其包括具有圆弧状导向轨道的拱门本体以及可自主在所述圆弧状导向轨道上沿与XY平面平行的圆弧轨迹运动的拱门滑块机构；
穿刺针定位模块，其连接在所述拱门滑块机构上，所述穿刺针定位模块包括用于提供XY平面内沿圆弧状导向轨道半径R方向的直线运动的R平动机构、用于提供绕Z轴的旋转运动的Z旋转机构、至少用于提供绕X轴的旋转运动的X旋转机构；所述R平动机构、Z旋转机构、X旋转机构可按不同顺序串联连接，并在两端形成所述穿刺针定位模块的基端和输出端，所述穿刺针定位模块的基端连接在所述拱门滑块机构上；
以及穿刺针插入模块，其可拆卸连接在所述穿刺针定位模块的输出端，所述穿刺针插入模块用于进行穿刺针的穿刺。
2.根据权利要求1所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述拱门本体包括一个非完整内齿轮以及连接在所述非完整内齿轮两端的两个侧向支架，所述非完整内齿轮的外轮廓表面形成所述圆弧状导向轨道，所述非完整内齿轮的内轮廓表面具有内齿轮部；
所述拱门滑块机构包括可活动套设在所述非完整内齿轮上的安装架、可转动设置在所述安装架上且与所述的内齿轮部啮合的外齿轮、可转动设置在所述安装架上且与所述非完整内齿轮的光滑的外轮廓表面接触的至少一个滚轮以及设置在所述安装架上的用于驱动所述外齿轮旋转的拱门滑块驱动电机。
3.根据权利要求2所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述拱门本体还包括两个可提供Z向直线运动的Z1平动机构，两个侧向支架分别安装在两个Z1平动机构上，以通过两个Z1平动机构带动所述拱门模块在Z方向进行直线运动。
4.根据权利要求1所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述R平动机构包括R安装座、可转动设置在所述R安装座上的R螺杆、配合螺纹套设在所述R螺杆上的R螺母以及用于驱动所述R螺杆转动的R电机。
5.根据权利要求1所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述Z旋转机构包括Z安装座、可绕Z轴旋转设置在所述Z安装座上的Z转轴、驱动连接在所述Z转轴上的Z蜗轮、可转动设置在所述Z安装座上且与所述Z蜗轮啮合的Z蜗杆以及设置在所述Z安装座上的用于驱动所述Z蜗杆转动的Z电机。
6.根据权利要求1所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述X旋转机构包括X安装座、以及平行设置在所述X安装座上且沿Y方向具有间隔的可提供Z向直线运动的两个Z2平动机构以及与两个Z2平动机构连接的接口组件，两个Z2平动机构均具有可沿Z方向进行往复直线运动的输出部，两个输出部均与所述接口组件可转动连接；
当两个Z2平动机构的输出部沿相同方向以相同速度移动时，所述接口组件沿Z方向进行直线运动；
当两个Z2平动机构的输出部沿不同方向移动或是沿相同方向但以不同速度移动时，所述接口组件实现：仅绕X轴进行旋转运动，或既沿Z方向直线运动同时又绕X轴进行旋转运动。
7.根据权利要求6所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述Z2平动机构包括设置在所述X安装座上的X支架、可转动设置在所述X支架上的X螺杆、配合螺纹套设在所述X螺杆上的X螺母、用于驱动所述X螺杆转动的X电机以及连接在所述X螺母上的两X平动输出杆，两X平动输出杆形成所述Z2平动机构的输出部。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述R平动机构连接在所述拱门滑块机构上，所述Z旋转机构和X旋转机构依次连接在所述R平动机构上。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述Z旋转机构连接在所述拱门滑块机构上，所述R平动机构和X旋转机构依次连接在所述Z旋转机构上。
10.根据权利要求1-7中任意一项所述的与MRI和CT环境兼容的微创手术机器人，其特征在于，所述R平动机构连接在所述拱门滑块机构上，所述X旋转机构和Z旋转机构依次连接在所述R平动机构上。
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