基于丝传动的核磁兼容手术机器人

1.一种基于丝传动的核磁兼容手术机器人，其特征在于，包括底座、抬升部分、偏转部分和针刺部分；所述针刺部分安装在所述偏转部分上，所述偏转部分安装在所述抬升部分上，所述抬升部分安装在所述底座上；所述针刺部分、所述偏转部分和所述抬升部分均采用丝传动结构；
所述抬升部分为左右对称结构，其中包括左右对称的前滑动底板、后滑动底板、前固定底板和后固定底板，并且所述抬升部分的左侧结构包括从上至下依次设置的抬升约束杆、前抬升臂、后抬升臂、前导柱和后导柱；所述抬升约束杆的前端通过连杆与所述前抬升臂的上端连接，所述前抬升臂的下端与所述前滑动底板的左端固接，所述前滑动底板与所述前导柱滑动连接，所述前导柱的上端与顶板的左前角固接，所述前导柱的下端与所述前固定底板的左端固接；所述抬升约束杆的后端与所述后抬升臂的上端铰接，所述后抬升臂的下端与所述后滑动底板的左端固接，所述后滑动底板与所述后导柱滑动连接，所述后导柱的上端与所述顶板的左后角固接，所述后导柱的下端与所述后固定底板的左端固接；所述前滑动底板的中部与前抬升丝杠螺纹连接，所述前抬升丝杠的下端通过轴承支撑在所述底座上，所述前抬升丝杠的上端通过轴承支撑在所述顶板上，所述后滑动底板的中部与后抬升丝杠螺纹连接，所述后抬升丝杠的下端通过轴承支撑在所述底座上，所述后抬升丝杠的上端通过轴承支撑在所述顶板上，在所述前抬升丝杠和所述后抬升丝杠上均绕有抬升传动丝。
2.根据权利要求1所述的基于丝传动的核磁兼容手术机器人，其特征在于，所述偏转部分包括前偏转机构、后偏转机构和偏转平台；所述前偏转机构和后偏转机构均设有偏转丝传动机构；所述偏转丝传动机构包括支撑在两个所述抬升约束杆之间的偏转丝杠，所述偏转丝杠上设有与其转动连接的导向架，所述导向架上设有丝母导向槽，所述丝母导向槽内设有与其滑动连接的偏转丝母，所述偏转丝母螺纹连接在所述偏转丝杠上，所述偏转丝杠上缠绕有偏转传动丝；
所述前偏转机构还包括固定在相应所述偏转丝传动机构的偏转丝母下方的吊杆，所述吊杆设有与其固接的销轴，所述销轴上设有与其转动连接的铰接框；
所述后偏转机构还包括固定在相应所述偏转丝传动机构的偏转丝母下方的吊框，所述吊框的下边框内侧两端设有两个等长的与其转动连接的偏转连杆，两个所述偏转连杆的外端设有与其转动连接的偏转约束杆，所述吊框的下边框、两个等长的所述偏转连杆和一个所述偏转约束杆构成一平行四边形结构，在所述铰接框和所述偏转约束杆之间设有一个偏转平台，所述偏转平台的前端与所述铰接框固接，所述偏转平台的后端与所述偏转约束杆的中部铰接。
3.根据权利要求2所述的基于丝传动的核磁兼容手术机器人，其特征在于，所述针刺部分包括分别固接在所述偏转平台两端的两个支撑架，两个所述支撑架之间支撑有针刺丝杠，所述针刺丝杠上设有与其螺纹连接的针刺丝母，所述针刺丝母的上端设有外凸的滑块，所述滑块与一导向板中部的导向槽滑动连接，所述导向板的两端分别固接在两个所述支撑架上，所述针刺丝杠上缠绕有针刺传动丝，所述针刺丝母上固接有穿刺针，所述穿刺针横穿通过所述吊杆。

基于丝传动的核磁兼容手术机器人\n技术领域\n[0001] 本发明涉及精密医疗器械领域，属于机械与医学交叉的前沿学科，特别是将丝传动应用于核磁共振环境下的针刺机械手机构。\n背景技术\n[0002] 当前，利用微创近距离粒子放射进行前列腺手术的方式已经逐步成熟。在放射治疗中往往需要医生利用针刺的方法，手动将放射性粒子植入病灶，然而由于这种由医生手动操作的不稳定性，严重影响手术的成功率。现在开发出一种图像导航下的针刺手术机器人，成为国内外医疗器械领域的研究热点。\n[0003] 由于核磁共振成像(MRI)可以提供多方位，多参数信息，并且具有较高软组织分辨率特点，在MRI引导下，系统能够实时显示待手术软组织和手术器械的三维空间位置，从而产生诸多有利手术条件，所以目前核磁共振成像(MRI)下的手术机器人已经成为国内外诸多研究机构的重点研究对象。他们也发明了多种不同的手术机器人机构，为了实现核磁环境下既不影响核磁成像效果，又能实现较高精度的针刺过程，所以一般采用气动或者核磁兼容电机驱动方式。气动驱动具有迟滞性和非线性等缺点；核磁兼容电机扭矩通常太小，不能满足机器人动力要求。经过查阅各种资料，发现丝传动的驱动方式具有精度高、传动线性良好和扭矩可调等优点。\n发明内容\n[0004] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于丝传动的核磁兼容手术机器人，该机器人具有精度高、传动线性良好和扭矩可调的优点。\n[0005] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于丝传动的核磁兼容手术机器人，其特征在于，包括底座、抬升部分、偏转部分和针刺部分；所述针刺部分安装在所述偏转部分上，所述偏转部分安装在所述抬升部分上，所述抬升部分安装在所述底座上；所述针刺部分、所述偏转部分和所述抬升部分均采用丝传动结构。\n[0006] 所述抬升部分为左右对称结构，其中包括左右对称的前滑动底板、后滑动底板、前固定底板和后固定底板，并且所述抬升部分的左侧结构包括从上至下依次设置的抬升约束杆、前抬升臂、后抬升臂、前导柱和后导柱；所述抬升约束杆的前端通过连杆与所述前抬升臂的上端连接，所述前抬升臂的下端与所述前滑动底板的左端固接，所述前滑动底板与所述前导柱滑动连接，所述前导柱的上端与顶板的左前角固接，所述前导柱的下端与所述前固定底板的左端固接；所述抬升约束杆的后端与所述后抬升臂的上端铰接，所述后抬升臂的下端与所述后滑动底板的左端固接，所述后滑动底板与所述后导柱滑动连接，所述后导柱的上端与所述顶板的左后角固接，所述后导柱的下端与所述后固定底板的左端固接；所述前滑动底板的中部与前抬升丝杠螺纹连接，所述前抬升丝杠的下端通过轴承支撑在所述底座上，所述前抬升丝杠的上端通过轴承支撑在所述顶板上，所述后滑动底板的中部与后抬升丝杠螺纹连接，所述后抬升丝杠的下端通过轴承支撑在所述底座上，所述后抬升丝杠的上端通过轴承支撑在所述顶板上，在所述前抬升丝杠和所述后抬升丝杠上均绕有抬升传动丝。\n[0007] 所述偏转部分包括前偏转机构、后偏转机构和偏转平台；所述前偏转机构和后偏转机构均设有偏转丝传动机构；所述偏转丝传动机构包括支撑在两个所述抬升约束杆之间的偏转丝杠，所述偏转丝杠上设有与其转动连接的导向架，所述导向架上设有丝母导向槽，所述丝母导向槽内设有与其滑动连接的偏转丝母，所述偏转丝母螺纹连接在所述偏转丝杠上，所述偏转丝杠上缠绕有偏转传动丝；\n[0008] 所述前偏转机构还包括固定在相应所述偏转丝传动机构的偏转丝母下方的吊杆，所述吊杆设有与其固接的销轴，所述销轴上设有与其转动连接的铰接框；\n[0009] 所述后偏转机构还包括固定在相应所述偏转丝传动机构的偏转丝母下方的吊框，所述吊框的下边框内侧两端设有两个等长的与其转动连接的偏转连杆，两个所述偏转连杆的外端设有与其转动连接的偏转约束杆，所述吊框的下边框、两个等长的所述偏转连杆和一个所述偏转约束杆构成一平行四边形结构，在所述铰接框和所述约束杆之间设有一个偏转平台，所述偏转平台的前端与所述铰接框固接，所述偏转平台的后端与所述偏转约束杆的中部铰接。\n[0010] 所述针刺部分包括分别固接在所述偏转平台两端的两个支撑架，两个所述支撑架之间支撑有针刺丝杠，所述针刺丝杠上设有与其螺纹连接的针刺丝母，所述针刺丝母的上端设有外凸的滑块，所述滑块与一导向板中部的导向槽滑动连接，所述导向板的两端分别固接在两个所述支撑架上，所述针刺丝杠上缠绕有针刺传动丝，所述针刺丝母上固接有穿刺针，所述穿刺针横穿通过所述吊杆。\n[0011] 本发明具有的优点和积极效果是：在实际应用过程中，丝传动大大扩展了机器人的驱动可选范围，现有机构中不能选择的普通电机驱动在丝传动机构中可以得到应用，普通电机更容易实现高精度控制和输出可变扭矩；与现有机构中选择气动驱动相比，丝传动线性度良好，有效克服了气动驱动中的迟滞现象，也为提高针刺手术的精度提供了条件；此外，丝传动将驱动元件置于机构本体之外，使得机构本体设计更为紧凑，有效解决了核磁仪环境下手术空间有限的问题。\n附图说明\n[0012] 图1为本发明的整体结构示意图；\n[0013] 图2为本发明的抬升部分结构示意图；\n[0014] 图3为本发明的偏转部分结构示意图；\n[0015] 图4为本发明的吊杆与铰接框连接的结构示意图；\n[0016] 图5为本发明的针刺部分结构示意图。\n[0017] 图中：1、底座，2、后固定底板，3、固定板，4、前固定底板，5、前导柱，6、后导柱，7、前抬升丝杠，8、后抬升丝杠，9、前滑动底板，10、前抬升臂，11、后滑动底板，12、后抬升臂，13、顶板，14、连杆，15、抬升约束杆，16、第一丝导套，17、前偏转机构，18、后偏转机构，19、偏转平台，20、偏转丝杠，21、导向架，22、偏转丝母，23、第二丝导套，24、吊杆，25、铰接框，26、销轴，27、吊框，28、偏转连杆，29、偏转约束杆，30、支撑架，31、针刺丝杠，32、针刺丝母，33、导向板，34、第三丝导套，35、穿刺针。\n具体实施方式\n[0018] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：\n[0019] 请参阅图1～图5，一种基于丝传动的核磁兼容手术机器人,包括底座1、抬升部分、偏转部分和针刺部分；所述针刺部分安装在所述偏转部分上，所述偏转部分安装在所述抬升部分上，所述抬升部分安装在所述底座上；所述针刺部分、所述偏转部分和所述抬升部分均采用丝传动结构。\n[0020] 在本实施例中，上述抬升部分为左右对称结构，其中包括左右对称的前滑动底板\n9、后滑动底板11、前固定底板4和后固定底板2，并且所述抬升部分的左侧结构包括从上至下依次设置的抬升约束杆15、前抬升臂10、后抬升臂12、前导柱5和后导柱6；抬升约束杆\n15的前端通过连杆14与前抬升臂10的上端连接，所述前抬升臂10的下端与前滑动底板9的左端固接，前滑动底板9与前导柱5滑动连接，前导柱5的上端与顶板13的左前角固接，前导柱5的下端与前固定底板4的左端固接；抬升约束杆15的后端与后抬升臂12的上端铰接，所述后抬升臂12的下端与后滑动底板11的左端固接，后滑动底板11与后导柱6滑动连接，后导柱6的上端与顶板13的左后角固接，后导柱6的下端与后固定底板2的左端固接；前滑动底板9的中部与前抬升丝杠7螺纹连接，前抬升丝杠7的下端通过轴承支撑在底座1上，前抬升丝杠7的上端通过轴承支撑在顶板13上，后滑动底板11的中部与后抬升丝杠8螺纹连接，后抬升丝杠8的下端通过轴承支撑在底座1上，后抬升丝杠8的上端通过轴承支撑在顶板13上，在前抬升丝杠7和后抬升丝杠8上均绕有抬升传动丝，抬升传动丝穿装在第一丝导套16内，第一丝导套16固定在固定板3上，上述连杆14的一端与抬升约束杆15铰接，另一端与前抬升臂10铰接。\n[0021] 在本实施例中，上述偏转部分包括前偏转机构17、后偏转机构18和偏转平台19。\n所述前偏转机构17和后偏转机构18均设有偏转丝传动机构，所述偏转丝传动机构包括支撑在两抬升约束杆15之间的偏转丝杠20，所述偏转丝杠20上设有与其转动连接的导向架\n21，所述导向架21上设有丝母导向槽，丝母导向槽内设有与其滑动连接的偏转丝母22，所述偏转丝母22螺纹连接在偏转丝杠20上，所述偏转丝杠20上缠绕有偏转传动丝，所述偏转传动丝穿装在第二丝导套23内，第二丝导套23固定在导向架21上。所述前偏转机构17还包括固定在相应所述偏转丝传动机构的偏转丝母22下方的吊杆24，所述吊杆24下端设有与其固接的销轴26，所述销轴26上设有与其转动连接的铰接框25；所述后偏转机构18还包括固定在相应所述偏转丝传动机构的偏转丝母22下方的吊框27，所述吊框27的下边框内侧两端设有两个等长的与其转动连接的偏转连杆28，两个所述偏转连杆28的外端设有与其转动连接的偏转约束杆29，所述吊框27的下边框、两个等长的所述偏转连杆28和一个偏转约束杆29构成一平行四边形结构，用于补偿偏转部分的自由度。在所述前偏转机构\n17的铰接框25和所述后偏转机构18的偏转约束杆29之间设有一个偏转平台19，偏转平台19的前端与所述前偏转机构17的铰接框25固接，偏转平台19的后端与所述后偏转机构18的偏转约束杆29的中部铰接。\n[0022] 在本实施例中，上述针刺部分包括分别固接在偏转平台19两端的两个支撑架30，两个所述支撑架30之间支撑有针刺丝杠31，针刺丝杠31上设有与其螺纹连接的针刺丝母\n32，针刺丝母32的上端设有外凸的滑块，所述滑块与一导向板33中部的导向槽滑动连接，所述导向板33的两端分别固接在两个支撑架30上，针刺丝杠31上缠绕有针刺传动丝，针刺传动丝穿装在第三丝导套34内，第三丝导套34固定在导向板33上，所述针刺丝母32上固接有穿刺针35，所述穿刺针35横穿通过所述吊杆24。\n[0023] 本发明的工作原理：\n[0024] 手术之前先将该手术机器人放于患者两腿之间。如图1，该图中标号27的一端为机器人前端，前端将在手术中正对病灶。在手术中，进针之前应该先进行穿刺方向调整。从相应的手术图像导航系统中获取病患部位信息，并实时进行相应的机器人姿态调整，调整分为两个方向，即竖直方向的上下俯仰角调整和水平方向的左右偏转角调整。\n[0025] 其中竖直方向的上下俯仰角调整包括两个自由度的调整，这两个自由度的调整依靠抬升部分完成。如图2，两个远程电机通过第一丝导套16中的抬升传动丝分别带动前抬升丝杠7和后抬升丝杠8转动，前抬升丝杠7和后抬升丝杠8的转动通过丝杠螺母副的传动和导柱5、6的导向，分别带动前滑动底板9和后滑动底板11上下平动，固接在滑动底板上的前抬升臂10和后抬升臂12也将分别上下平动，同时，与后抬升臂12和连杆14转动连接的抬升约束杆15将实现上下平动或俯仰运动。当两个远程电机同向同速转动时，通过上述传动过程，抬升约束杆15将实现上下平动，否则，抬升约束杆15将实现上下俯仰运动。如图3，由于所述偏转部分整体通过前偏转机构17和后偏转机构18分别与抬升部分的抬升约束杆15的两端形成转动连接，所以偏转部分整体支撑于抬升部分上部，将随抬升约束杆15实现上下平动或上下俯仰，达到调整竖直方向上下俯仰角的目的。\n[0026] 水平方向的姿态调整也包括两个自由度的调整，这两个自由度的调整依靠偏转部分实现，如图3，两个远程电机通过第二丝导套23中的偏转传动丝分别带动前偏转机构17和后偏转机构18中的偏转丝杠20转动，偏转丝杠20的转动又通过丝杠螺母副的传动和导向架21的导向，带动偏转丝母22左右平动，前偏转机构17中的吊杆24和后偏转机构中的吊框27也将分别实现左右平动，随着所述吊杆24和吊框27的左右平动，偏转平台19将实现左右平动或左右偏转。当两个远程电机同向同速转动时，通过上述传动过程，偏转平台19将实现左右平动，否则，偏转平台19将实现左右偏转，从而达到调整水平方向左右偏转角的目的。\n[0027] 在姿态调整完毕后，进行穿刺进针，实现第五个自由度。如图5，带有医用放射性粒子的穿刺针35固定在针刺丝母32上，并通过图4中吊杆24上的小孔从机器人前端探出，一个远程电机通过第三丝导套34中的针刺传动丝带动针刺丝杠31转动，针刺丝杠31转动又通过丝杠螺母副的传动和导向板33的导向，带动针刺丝母32和安装于其上的穿刺针35前后平动，从而实现对病灶的穿刺进针或退针。\n[0028] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。