專利名稱：：五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的制作方法五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于醫(yī)療外科手術(shù)的輔助定位機(jī)械
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種應(yīng)用于脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)的輔助定位機(jī)構(gòu)，具體指五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：目前，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的研究已經(jīng)成為國際機(jī)器人領(lǐng)域前沿研究熱點(diǎn)之一，其中醫(yī)療外科機(jī)器人的研究最為突出。近年來，醫(yī)務(wù)工作人員與科學(xué)工程技術(shù)人員緊密配合，研究開發(fā)了許多類型的醫(yī)用外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，有的己經(jīng)應(yīng)用于臨床實踐。如美國IntuitiveSurgical公司開發(fā)的DaVinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)和以色列Mazor公司推出的"脊柱助理"脊柱手術(shù)用機(jī)器人等。微創(chuàng)外科手術(shù)是指經(jīng)非傳統(tǒng)手術(shù)途徑并借助醫(yī)學(xué)影像等特殊手術(shù)器械和儀器對疾患進(jìn)行診斷和治療的微創(chuàng)技術(shù)和方法，其目的在于將醫(yī)源性創(chuàng)傷減小到最低程度，同時獲得最佳療效。微創(chuàng)外科手術(shù)也具有前面所述微創(chuàng)外科手術(shù)的問題，而且脊柱的病變位置與重要生命器官相鄰，手術(shù)精度要求高，對醫(yī)生提出了更高的要求。高精度的手術(shù)定位技術(shù)始終是限制脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)推廣的瓶頸。目前脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)只能在我國的一些大醫(yī)院開展。機(jī)器人技術(shù)是解決上述問題的重要方法。利用機(jī)器人的高精度、穩(wěn)定性和可控性，來完成手術(shù)的定位，為醫(yī)生手術(shù)搭建一個穩(wěn)固的手術(shù)操作平臺，改變了過去醫(yī)生只能憑借主觀判斷和積累的手術(shù)經(jīng)驗來完成手術(shù)的局面，能夠減少人為因素引起的手術(shù)誤差，提高手術(shù)質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是解決脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)中的高精度手術(shù)定位的技術(shù)問題，提供一種五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)。本發(fā)明提供的五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，由基座、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、腕部組件、手部組件六大部分構(gòu)成；各部分在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下，能夠產(chǎn)生相對運(yùn)動或轉(zhuǎn)動。所述的機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動和控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器、減速器、控制盒、單片機(jī)和控制軟件組成。其中，X軸組件包括第一導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌分別通過其兩端的第一軌軸承架和第一軌電機(jī)座固定在基座上，第一導(dǎo)軌上設(shè)置有與第一絲杠動塊固定在一起的第一滑塊，第一絲杠動塊的一端與第一軌絲母固定在一起并套裝在第一軌絲杠上，第一軌絲杠的一端通過第一軌聯(lián)軸器與固定在第一軌電機(jī)座上的第一軌電機(jī)軸連接，第一軌絲杠的另一端通過第一軌軸承安裝在第一軌軸承架上；Y軸組件包括:通過第二導(dǎo)軌電機(jī)座固定在第一絲杠動塊上并與第一導(dǎo)軌垂直的第二導(dǎo)軌，第二導(dǎo)軌的兩端分別固定安裝有第二導(dǎo)軌電機(jī)座和第二導(dǎo)軌軸承架，第二導(dǎo)軌上設(shè)置有與第二絲杠動塊固定在一起的第二軌滑塊，第二絲杠動塊的一端與第二軌絲母固定在一起并套裝在第二軌絲杠上，第二軌絲杠的一端通過第二軌聯(lián)軸器與固定在第二導(dǎo)軌電機(jī)座上的第二導(dǎo)軌電機(jī)軸連接，第二軌絲杠的另一端通過第二導(dǎo)軌軸承安裝在第二導(dǎo)軌軸承架上；Z軸組件包括固定在第二絲杠動塊上并與第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌所在平面垂直的第三導(dǎo)軌，第三導(dǎo)軌的兩端分別固定安裝有第三導(dǎo)軌電機(jī)座和第三導(dǎo)軌軸承架，第三導(dǎo)軌上設(shè)置有第三導(dǎo)軌滑塊，第三導(dǎo)軌滑塊的一端與第三軌絲母固定在一起并套裝在第三軌絲杠上，第三軌絲杠的一端通過第三軌聯(lián)軸器與固定在第三軌電機(jī)座上的第三軌電機(jī)軸連接，第三軌絲杠的另一端通過第三軌軸承安裝在第三軌軸承架上；腕部組件包括固定在第三導(dǎo)軌一端的Z旋轉(zhuǎn)軸承座，Z旋轉(zhuǎn)軸承座上通過Z旋轉(zhuǎn)滾針軸承和Z旋轉(zhuǎn)軸承壓蓋安裝有其軸向與第三導(dǎo)軌平行的Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸，Z軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)和Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速器通過Z旋轉(zhuǎn)減速器座安裝在Z旋轉(zhuǎn)軸承座上，Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速器的輸出軸與Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸的一端連接，Z旋轉(zhuǎn)電位器座固定在Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸的另一端，其上安裝Z旋轉(zhuǎn)電位器；手部組件包括固定安裝在Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸的軸柄上的X旋轉(zhuǎn)軸承座，X旋轉(zhuǎn)軸承座上通過軸承和X旋轉(zhuǎn)軸承壓蓋安裝有其軸向與第一導(dǎo)軌平行的X旋轉(zhuǎn)帶柄軸，X旋轉(zhuǎn)電機(jī)和X旋轉(zhuǎn)減速器通過X旋轉(zhuǎn)減速器座安裝在X旋轉(zhuǎn)軸承座上，X旋轉(zhuǎn)減速器的輸出軸與X旋轉(zhuǎn)帶柄軸的一端連接，x旋轉(zhuǎn)帶柄軸的另一端上的軸柄上固定終端支架，終端支架上安裝手術(shù)工具。本發(fā)明操作機(jī)構(gòu)具有五個自由度，分別為I、II、III、IV和V關(guān)節(jié)，其中前三個為移動關(guān)節(jié)，后兩個為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。在預(yù)工作位置狀態(tài)，機(jī)器人基座沿著CT機(jī)檢查床導(dǎo)軌安裝，沿X軸運(yùn)動即為I關(guān)節(jié)運(yùn)動方向，其垂直于檢査床導(dǎo)軌，并平行于水平面；沿Y軸運(yùn)動即為n關(guān)節(jié)運(yùn)動方向，其垂直于I關(guān)節(jié)并垂直于水平面；沿Z軸運(yùn)動即為III關(guān)節(jié)運(yùn)動方向，其垂直于II關(guān)節(jié)并平行于水平面；繞腕部旋轉(zhuǎn)軸方向即為IV關(guān)節(jié)軸線，其與ffl關(guān)節(jié)平行；繞手部旋轉(zhuǎn)軸方向即為V關(guān)節(jié)軸線，其與IV關(guān)節(jié)垂直。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明機(jī)構(gòu)與機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)結(jié)合，可以在人的操作下按照醫(yī)生制定的手術(shù)入路自主實現(xiàn)高精度絕對定位，將機(jī)構(gòu)末端的手術(shù)工具準(zhǔn)確定位到病灶點(diǎn)位置，當(dāng)該機(jī)構(gòu)中各個關(guān)節(jié)被鎖定后，就能夠保持機(jī)構(gòu)末端手術(shù)工具的穩(wěn)定，為醫(yī)生建立一個穩(wěn)固的手術(shù)操作平臺。醫(yī)生可以沿著機(jī)器人末端執(zhí)行器的方向，進(jìn)行穿刺等微創(chuàng)手術(shù)。該機(jī)構(gòu)具有較大的工作空間和靈活性，以及較強(qiáng)的負(fù)載能力；能夠減輕醫(yī)生的工作強(qiáng)度，降低手術(shù)難度，減少操作誤差，提高手術(shù)成功率；能夠減少患者痛苦，加快術(shù)后恢復(fù)時間。圖1是本發(fā)明五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)原理簡圖2是本發(fā)明的X軸組件結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的Y軸組件結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的Z軸組件結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明的腕部組件結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明的手部組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖中A、基座，B、X軸組件，C、Y軸組件，D、Z軸組件，E、腕部組件，F(xiàn)、手部組件。1第一導(dǎo)軌2第一滑塊3第一軌絲杠4第一軌絲母5第一軌電機(jī)座6第一軌電機(jī)7第一軌聯(lián)軸器8第一軌軸承架9第一軌軸承10螺釘11第二導(dǎo)軌12第二導(dǎo)軌電機(jī)座13第一絲杠動塊14第二導(dǎo)軌電機(jī)15電機(jī)固定螺釘16第二軌聯(lián)軸器17第二軌絲杠18第二軌絲母19第二軌滑塊20第二絲杠動塊21第二導(dǎo)軌軸承架22第二導(dǎo)軌軸承23第三導(dǎo)軌24第三導(dǎo)軌滑塊25第三軌絲杠26第三軌絲母27第三軌聯(lián)軸器28第三軌電機(jī)座29第三軌電機(jī)30第三軌軸承架31第三軌軸承32Z旋轉(zhuǎn)軸承座33Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速器34Z軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)35Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸36Z旋轉(zhuǎn)減速器座37Z旋轉(zhuǎn)軸承壓蓋38Z旋轉(zhuǎn)滾針軸承39Z旋轉(zhuǎn)電位器40Z旋轉(zhuǎn)電位器座41X旋轉(zhuǎn)軸承座42X旋轉(zhuǎn)減速器43X旋轉(zhuǎn)電機(jī)44X旋轉(zhuǎn)減速器座45X旋轉(zhuǎn)軸承壓蓋46X旋轉(zhuǎn)帶柄軸47X旋轉(zhuǎn)電位器座48X旋轉(zhuǎn)電位器49終端支架50線路板座51穿刺用針。具體實施方式實施例h下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1說明了該機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)。即該機(jī)構(gòu)由基座A、X軸組件B、Y軸組件C、Z軸組件D、腕部組件E和手部組件F六大部分組成。其X、Y、Z軸組件的組成基本相同，即由滾珠絲杠、絲杠螺母、高精度軸承、導(dǎo)軌、滑塊、滑座、驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動板等組成。滾珠絲杠安裝在支撐架上，之間利用高精度軸承連接，導(dǎo)軌通過滑塊連接到支撐架的滑塊座上，驅(qū)動電機(jī)用螺釘固定在滾珠絲杠頂端電機(jī)座上，用于驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動板裝在基座上。腕部和手部組成基本相同，即由軸承座、減速器、高精度電位器、限位開關(guān)、驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動板等組成。腕部軸承座于z軸固連，減速器座于軸承座相連，其上裝有減速器和驅(qū)動電機(jī)，三者軸線共線，并且為了獲得實時的轉(zhuǎn)動角度，在軸承座另外一側(cè)安裝高精度電位器，另外在手術(shù)工具支架末端安裝檢測手術(shù)針進(jìn)入深度的光電傳感器(因與本發(fā)明無關(guān)圖中略)。X軸通過支架與基座固連，X軸與Y軸之間、Y軸與Z軸之間由滑塊連接，腕部與Z軸、手部與腕部之間由轉(zhuǎn)動軸連接，各部分在電機(jī)驅(qū)動下能夠產(chǎn)生相對運(yùn)動，機(jī)構(gòu)驅(qū)動和電氣控制由驅(qū)動電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌、光柵尺和單片機(jī)組成。該機(jī)構(gòu)具有五個自由度，分別為i、n、m、iv和v關(guān)節(jié)，其中前三個為移動關(guān)節(jié)，后兩個為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。在預(yù)工作位置狀態(tài)，機(jī)器人基座沿著CT機(jī)檢査床導(dǎo)軌安裝，沿x軸運(yùn)動即為i關(guān)節(jié)運(yùn)動方向，其垂直于檢査床導(dǎo)軌，并平行于水平面；沿Y軸運(yùn)動即為II關(guān)節(jié)運(yùn)動方向，其垂直于i關(guān)節(jié)并垂直于水平面；沿z軸運(yùn)動即為ni關(guān)節(jié)運(yùn)動方向，其垂直于ii關(guān)節(jié)并平行于水平面；繞腕部旋轉(zhuǎn)軸方向即為iv關(guān)節(jié)軸線，其與m關(guān)節(jié)平行；繞手部旋轉(zhuǎn)軸方向即為v關(guān)節(jié)軸線，其與iv關(guān)節(jié)垂直。圖2說明了該機(jī)構(gòu)x軸組件的結(jié)構(gòu)。第一導(dǎo)軌i通過螺釘10固定在第一軌軸承架8上，其中第一軌軸承架8安裝在基座上，另外一端上固連第一軌電機(jī)座5;第一軌電機(jī)6(電機(jī)參數(shù)見附表l)安裝在第一軌電機(jī)座5上，通過第一軌聯(lián)軸器7與第一軌絲杠3連接，第一軌絲杠3另外一端承接于第一軌軸承9;第一絲杠動塊13通過第一絲母4與第一軌絲杠3連接，第一軌滑塊2固定在第一絲杠動塊13上；第二絲杠電機(jī)座12連接在第一絲杠動塊13上。圖3說明了該機(jī)構(gòu)Y軸組件的結(jié)構(gòu)。第二導(dǎo)軌11通過螺釘固定在第二導(dǎo)軌軸承架21上并與第一導(dǎo)軌垂直，另外一端上固連第二軌電機(jī)座12;第二軌電機(jī)14通過電機(jī)固定螺釘15安裝在第二軌電機(jī)座12上，經(jīng)過第二軌聯(lián)軸器16與第二軌絲杠17連接，第二軌絲杠17另外一端承接于第二軌軸承22;第二絲杠動塊20通過第二軌絲母18與第二軌絲杠17連接，第二軌滑塊19固定在第二絲杠動塊20上；第二絲杠動塊20由第二導(dǎo)軌17和第三導(dǎo)軌23公用。圖4說明了該機(jī)構(gòu)Z軸組件的結(jié)構(gòu)。第三導(dǎo)軌23固定在第三軌電機(jī)座28上，另一端上固連Z旋轉(zhuǎn)軸承座32;第三軌電機(jī)29安裝在第三軌電機(jī)座28上，經(jīng)過第三軌聯(lián)軸器27與第三軌絲杠25連接，第三軌絲杠25另外一端承接于第三軌軸承31;第三軌滑塊24固定在第二絲杠動塊20上。圖5說明了該機(jī)構(gòu)腕部組件的結(jié)構(gòu)。Z旋轉(zhuǎn)軸承座32固定在第三導(dǎo)軌23上；Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸35穿過Z旋轉(zhuǎn)滾針軸承38;Z旋轉(zhuǎn)減速器座36通過Z旋轉(zhuǎn)軸承壓蓋連接到Z旋轉(zhuǎn)軸承座32上，其上安裝Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速器33,末端裝有Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)34;在Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸35另外一端通過Z旋轉(zhuǎn)電位器座40安裝Z旋轉(zhuǎn)電位器，這個電位器能夠檢測實時旋轉(zhuǎn)角度。圖6說明了該機(jī)構(gòu)手部組件的結(jié)構(gòu)。X旋轉(zhuǎn)軸承座41連接Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸35;X旋轉(zhuǎn)減速器42通過X旋轉(zhuǎn)減速器座44固定在軸承壓蓋45上;X旋轉(zhuǎn)電機(jī)43同軸安裝到X旋轉(zhuǎn)減速器42上；X旋轉(zhuǎn)電位器48通過X旋轉(zhuǎn)電位器座47安裝在X旋轉(zhuǎn)帶柄軸46上；終端支架49與X旋轉(zhuǎn)帶柄軸46固連；線路板極座50固定在終端支架49上，用于進(jìn)針測試；穿刺用針(手術(shù)工具)51可以穿過終端支架49的導(dǎo)孔上下移動完成穿刺手術(shù)。附表1驅(qū)動電機(jī)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，其特征在于該機(jī)構(gòu)由基座、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、腕部組件、手部組件六大部分構(gòu)成；X軸組件包括第一導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌分別通過其兩端的第一軌軸承架和第一軌電機(jī)座固定在基座上，第一導(dǎo)軌上設(shè)置有與第一絲杠動塊固定在一起的第一滑塊，第一絲杠動塊的一端與第一軌絲母固定在一起并套裝在第一軌絲杠上，第一軌絲杠的一端通過第一軌聯(lián)軸器與固定在第一軌電機(jī)座上的第一軌電機(jī)軸連接，第一軌絲杠的另一端通過第一軌軸承安裝在第一軌軸承架上；Y軸組件包括通過第二導(dǎo)軌電機(jī)座固定在第一絲杠動塊上并與第一導(dǎo)軌垂直的第二導(dǎo)軌，第二導(dǎo)軌的兩端分別固定安裝有第二導(dǎo)軌電機(jī)座和第二導(dǎo)軌軸承架，第二導(dǎo)軌上設(shè)置有與第二絲杠動塊固定在一起的第二軌滑塊，第二絲杠動塊的一端與第二軌絲母固定在一起并套裝在第二軌絲杠上，第二軌絲杠的一端通過第二軌聯(lián)軸器與固定在第二導(dǎo)軌電機(jī)座上的第二導(dǎo)軌電機(jī)軸連接，第二軌絲杠的另一端通過第二導(dǎo)軌軸承安裝在第二導(dǎo)軌軸承架上；Z軸組件包括固定在第二絲杠動塊上并與第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌所在平面垂直的第三導(dǎo)軌，第三導(dǎo)軌的兩端分別固定安裝有第三導(dǎo)軌電機(jī)座和第三導(dǎo)軌軸承架，第三導(dǎo)軌上設(shè)置有第三導(dǎo)軌滑塊，第三導(dǎo)軌滑塊的一端與第三軌絲母固定在一起并套裝在第三軌絲杠上，第三軌絲杠的一端通過第三軌聯(lián)軸器與固定在第三軌電機(jī)座上的第三軌電機(jī)軸連接，第三軌絲杠的另一端通過第三軌軸承安裝在第三軌軸承架上；腕部組件包括固定在第三導(dǎo)軌一端的Z旋轉(zhuǎn)軸承座，Z旋轉(zhuǎn)軸承座上通過Z旋轉(zhuǎn)滾針軸承和Z旋轉(zhuǎn)軸承壓蓋安裝有其軸向與第三導(dǎo)軌平行的Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸，Z軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)和Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速器通過Z旋轉(zhuǎn)減速器座安裝在Z旋轉(zhuǎn)軸承座上，Z旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速器的輸出軸與Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸的一端連接，Z旋轉(zhuǎn)電位器座固定在Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸的另一端，其上安裝Z旋轉(zhuǎn)電位器；手部組件包括固定安裝在Z旋轉(zhuǎn)帶柄軸的軸柄上的X旋轉(zhuǎn)軸承座，X旋轉(zhuǎn)軸承座上通過軸承和X旋轉(zhuǎn)軸承壓蓋安裝有其軸向與第一導(dǎo)軌平行的X旋轉(zhuǎn)帶柄軸，X旋轉(zhuǎn)電機(jī)和X旋轉(zhuǎn)減速器通過X旋轉(zhuǎn)減速器座安裝在X旋轉(zhuǎn)軸承座上，X旋轉(zhuǎn)減速器的輸出軸與X旋轉(zhuǎn)帶柄軸的一端連接，X旋轉(zhuǎn)帶柄軸的另一端上的軸柄上固定終端支架，終端支架上安裝手術(shù)工具。全文摘要一種五自由度脊柱微創(chuàng)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)，屬于醫(yī)療外科手術(shù)的輔助定位機(jī)械。該機(jī)構(gòu)由基座、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、腕部組件和手部組件六大部分組成，X軸通過支架與基座固連，X軸與Y軸之間、Y軸與Z軸之間由滑塊連接，腕部與Z軸、手部與腕部之間由轉(zhuǎn)動軸連接，各部分在電機(jī)驅(qū)動下能夠產(chǎn)生相對運(yùn)動，機(jī)構(gòu)驅(qū)動和電氣控制由滾珠絲杠、導(dǎo)軌、滑塊、驅(qū)動電機(jī)和單片機(jī)等組成。本發(fā)明能夠按照醫(yī)生規(guī)劃的手術(shù)入路實現(xiàn)高精度的手術(shù)工具定位，從而減少醫(yī)生的工作強(qiáng)度，提高手術(shù)成功率，減小對患者造成的創(chuàng)傷，減輕患者痛苦，并且結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。文檔編號A61B17/00GK101411631SQ20081015317公開日2009年4月22日申請日期2008年11月21日優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日發(fā)明者剛安,宋銀灝,娜張,張建勛,彬李,李大成,原雪,碩高申請人:南開大學(xué);天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院