一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人的制作方法

1.本发明涉及医疗机器人领域，特别是应用于核磁环境下的穿刺手术机器人。


背景技术：

2.在核磁共振成像帮助下，医生可以很好地识别病人体内的肿瘤、炎症、坏死病灶等病变，对于神经系统、胸部、腹部及四肢各种疾病的诊断提供了很大的帮助。在穿刺手术中，由于核磁共振仪内空间较小，需要多次扫描判断是否穿刺准确，并且要在核磁仪外完成穿刺手术。这一过程大大提高了手术的复杂程度，且对于医生的手术经验有较高要求，延长了不必要的手术的时间，降低了手术成功率。
3.目前，国内的核磁兼容的穿刺机器人研究中，一种基于仰卧位核磁兼容的乳腺活检装置(cn 207886219 u)机构采用双叉形机构来定位和穿刺，不仅实现了双侧乳腺组织在仰卧位的全方位介入治疗，并且减少了装置的占用空间，不足之处是，整体装置采用串联结构，整体手术中精度较低且输出力较小。一种基于丝传动的核磁兼容手术机器人(cn 103417303a)利用丝传导和电机外置解决了核磁环境下驱动兼容和空间兼容问题，缺点是手术作用面积较小，无法进行复杂的手术。
4.目前穿刺机器人要在核磁环境下进行稳定而准确的穿刺工作，需要解决驱动兼容、材料兼容和空间兼容的问题。在应对驱动兼容方面，目前机器人驱动可分为电机驱动、液压驱动和气压驱动，液压驱动容易出现泄露现象，不适于整洁的手术环境，气压驱动由于控制迟滞原因，不适于精密的手术操作，电机的铁磁性材料在核磁共振仪内会对成像产生影响，因此外置电机可以作为解决驱动兼容的有效方案；在应对空间兼容方面，由于核磁空间较为狭窄，要求机器人布局紧凑，绳索传动相对于传统的刚性构件传动，具有精度高和空间占比小的优点。在应对材料兼容方面，铁磁性材料会对核磁共振成像产生影响，而且在强大的磁场环境下，铁磁性材料容易发生危险，因此核磁共振仪内部的机器人组件应采用非铁磁性材料。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现存机器人在核磁环境下工作的兼容问题，提出一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人。
6.本发明提到的一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人，包括绳索1、驱动模块2、传动模块3、导向模块4、机架5、穿刺装置6、初始定位夹具7、穿刺定位夹具8。其中驱动模块2安装在核磁共振仪床的尾部，从驱动模块2中输出的驱动绳索1经过传动模块3，之后到达导向模块4，导向模块4成正六边形排布在机架5上方，从导向模块4输出的六条绳索1末端交错连接在穿刺装置6上下两端，两个初始定位夹具7安装在机架5上，两夹具末端的半圆形夹持器共同约束穿刺装置6的初始位置在机架5中央。穿刺定位夹具8安装在机架5的支撑腿上，调节关节角度，使末端穿刺孔正对穿刺位置，穿刺装置6穿过穿刺孔，穿刺装置在穿刺孔约束下进行穿刺。
7.驱动模块2通过电机箱2-1的两个支撑臂固定在核磁床的尾端，绳索1末端缠绕在绳轮2-2上，绳轮2-2固定在电机2-3的输出轴上，电机2-3安装在电机箱2-1中，绳索1从驱动模块2中输出。
8.输出的绳索1经过传动模块3通向核磁共振仪内部的机架5，其中四条绳索按核磁床的中轴线两两对称分布在两侧，通向安装在核磁床尾部的双层导线轮3-1，原本垂直于床面的两组绳索从不同高度水平通向核磁共振仪内部；第五条绳索通过安装在核磁床上的高层导线轮3-2，通向核磁共振仪内部，第六条绳索安装在核磁床底部的低层导线轮3-3，沿着床底部的导线通道通向核磁床的头部。6条通向核磁床内的驱动绳索1尾部安装有接线公头3-4-1，牵引穿刺装置6的绳索头端安装有接线母头3-4-2，接线公头3-4-1和接线母头3-4-2通过螺纹连接组成连接扣3-4将驱动模块2到穿刺装置6间的绳索连接起来。
9.机架5安装在核磁共振仪内部，底部的四条支撑腿与核磁床紧固，从驱动模块2输出的绳索1分别从核磁床两端、上侧、底部通向机架5内，然后进入安装在机架5上方的导向球4-2，通向机架5底部的四条绳索先经过安装在机架四条支撑腿上的方形导线轮3-5和导轮3-6，沿着机架支撑腿通向导向模块4，然后经过支撑架4-1上的导线轮，绳索从导向球的入线口进入。
10.从核磁床底部通向头部方向的绳索，在到达核磁床头部后，经过低层导线轮3-3，将原来平行于床面的绳索方向变为垂直于床的方向，而后到达高层导线轮3-2，再将方向变为平行于床面，经过安装在支撑架4-1上的导线轮进入导向球。
11.从驱动模块2输出直接连接高层导线轮3-2的绳索，通过高层导线轮3-2将输出方向变为平行于床面方向通向核磁共振仪内部，而后经过支撑架4-1上的导线轮进入导向球。
12.导向模块4由支撑架4-1、导向球4-2、球盖4-3组成。其中导向球4-2内部由入线瓷眼4-2-1、出线瓷眼4-2-2、半球体4-2-3组成，入线瓷眼4-2-1安装在球心入口处，出线瓷眼4-2-2安装在球面出口处，两个半球体4-2-3闭合形成一个球扇形缺口的球体，两个瓷眼安装在两个半球体4-2-3闭合形成的内部凹槽中，绳索1从导向球4-2的球扇形缺口处进入，经过球心处的入线瓷眼4-2-1，从球面处的出线瓷眼4-2-2输出，绳索1输出方向过球心。支撑架4-1固定在机架5上，支撑架4-1上部与球盖4-3形成的球型凹槽将导向球4-2的球心约束在固定位置，导向球4-2定心转动，在导向球4-2转动时，支撑架4-1上导线轮到出线瓷眼4-2-2之间的绳索1长度始终保持不变。六个导向球4-2以正六边形位置排布在机架5上方，从导向球4-2输出的六条绳索1交错连接在穿刺装置6的上下两端。
13.穿刺装置6由穿刺针6-1、穿刺针固定帽6-2、支撑杆6-3、端帽6-4组成，其中穿刺针6-1穿过穿刺针固定帽6-2，穿刺针6-1尾端与支撑杆6-3下端贴合，穿刺针固定帽6-2与支撑杆6-3下端通过螺纹紧固，穿刺针6-1固定在支撑杆6-3下端，从三个间隔导向球输出的绳索通过末端的绳扣连接在穿刺针固定帽6-2与支撑杆6-3之间的凹槽上；端帽6-4通过螺纹固定在支撑杆6-3上部，从另外三个间隔导向球输出的绳索通过末端的绳扣连接在端帽6-4与支撑杆6-3之间的凹槽上，从导向球4-2输出的六条绳索1交错连接在穿刺装置6的上下两端，穿刺装置6具有三个移动自由度和除绕轴线转动的两个转动自由度。
14.两个初始定位夹具7安装在四边形机架5长对边中心处，两夹具末端的半圆形夹持器共同约束穿刺装置6的初始位置在机架5中央，穿刺定位夹具8安装在机架5支撑腿上，具有两个关节转动自由度，调整关节角度，末端穿刺孔正对穿刺位置，穿刺装置6穿过穿刺孔，
在穿刺孔约束下完成穿刺。
15.本发明与现有技术相比，其有益效果具体如下：
16.(1)本发明中导向球在支撑架和球盖的定心约束下始终随跟随绳索转动，绳索输出方向始终过导向球球心，球心位置作为并联机器人运动学分析的位置驱动定点。
17.(2)本发明中借助电机驱动和绳索驱动，利用电机输出的稳定性和绳索良好的线性度，相较于其他机器人的液动和气动，避免了气动在手术操作中的迟滞现象和液压缸泄露污染环境的问题出现，保证了手术过程中机器人设备的可靠性，解决了目前核磁环境下机器人驱动兼容问题。
18.(3)本发明中利用驱动模块外置和导向系统，驱动模块安装在核磁床尾端和多种导线轮配合完成绳索驱动，导向系统正六边形排布在机架上方，输出的绳索交错连接在穿刺装置的上下两端，依靠简单结构设计实现了穿刺针五自由度的运动，节省了机器人的所占空间，利于在狭窄环境下完成复杂手术操作，解决了目前核磁环境下机器人空间兼容问题。
19.(4)本发明中设计的初始定位夹具和穿刺定位夹具，初始定位夹具保证了穿刺装置的初始位置位于机架中央，穿刺定位夹具约束穿刺装置按照规定位置稳定进针，保证了整个手术操作中的手术定位精度。
20.(5)本发明中核磁共振仪内的机器人材料均使用工程塑料，最大程度避免了铁磁性材料带来的成像和安全问题，解决了目前核磁环境下机器人材料兼容问题。
附图说明
21.图1为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人工作示意图；
22.图2为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人总体装配图；
23.图3为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人绳索驱动模块爆炸图；
24.图4为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人床尾部绳索传动结构示意图；
25.图5为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人双层导线轮结构示意图；
26.图6为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人高层导线轮结构示意图；
27.图7为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人低层导线轮结构示意图；
28.图8为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人连接扣结构示意图；
29.图9为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人核磁床头部绳索传动结构示意图；
30.图10为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人核磁仪内绳索传动结构示意图；
31.图11为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人导向模块结构示意图；
32.图12为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人导向模块结构侧视图；
33.图13为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人导向模块爆炸图；
34.图14为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人绳索连接穿刺装置上部结构示意图
35.图15为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人绳索连接穿刺装置下部结构示意图
36.图16为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人穿刺装置爆炸图；
37.图17为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人绳索与穿刺装置装配图
38.图18为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人绳索与穿刺装置俯视图；
39.图19为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人穿刺定位示意图；
40.图20为一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人穿刺手术示意图；
41.图中：1-绳索；2-驱动模块；3-传动模块；4-导向模块；5-机架；6-穿刺装置；7-初始定位夹具；8-穿刺定位夹具。
具体实施方式
42.结合附图1、附图2，对本发明作进一步的描述：
43.本发明提到的一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人，包括绳索1、驱动模块2、传动模块3、导向模块4、机架5、穿刺装置6、初始定位夹具7、穿刺定位夹具8。
44.所述的驱动模块2安装在核磁床尾端，从驱动模块2中输出的六条驱动绳索1经过传动模块3，到达导向模块4，导向模块4成正六边形排布在机架5上方，从导向模块4输出的六条绳索1末端交错连接在穿刺装置6上，初始定位夹具7安装在机架5的长对边中心处，两初始定位夹具7末端的半圆形夹持器共同约束穿刺装置6的初始位置位于机架5中央，穿刺定位夹具8安装在机架5的支撑腿上。
45.结合附图3，对本发明做进一步的描述：
46.所述的驱动模块2由电机箱2-1、绳轮2-2和电机2-3组成，电机箱2-1的两个支撑臂通过螺栓紧固在核磁床表面，整个驱动模块2安装在核磁床尾端，绳索1缠绕在绳轮2-2上，绳轮2-2紧固在电机2-3输出轴上，电机2-3安装在电机箱2-1内的电机孔中，六条绳索1沿着垂直于床面的方向从驱动模块2输出。
47.结合附图4、附图5、附图6、附图6、附图7、附图8、附图9，对本发明作进一步的描述：
48.从驱动模块2输出的六条驱动绳索1中的四条按核磁床的轴线两两对称分布在两侧，一侧的两条绳索经过安装在核磁床尾端的双层导线轮3-1，两条绳索以不同高度平行于床面通向核磁共振仪内部；第五条驱动绳索通过安装在核磁床底的低层导线轮3-3，沿着床底部的导线通道传输至核磁床的头部；第六条驱动绳索沿着高层导线轮3-2，通向核磁共振仪内部。6条驱动绳索1尾部均安装有接线公头3-4-1，六条牵引穿刺装置6的绳索1头部均安装有接线母头3-4-2，接线公头3-4-1和接线母头3-4-2通过螺纹紧固组成连接扣3-4将绳索1从驱动模块2到穿刺装置6整段连接起来。
49.结合附图10、附图11、附图12、附体13，对本发明作进一步的描述：
50.机架5上部安装有六个导向模块4和两个初始定位夹具7，底部四条支撑腿与核磁床紧固，每条支撑腿上都安有方形导线轮3-5和导轮3-6，其中一条支撑腿上安装有穿刺定位夹具8，通向机架5底部的四条绳索经过方形导线轮3-5和导轮3-6后通向导向模块4，到达安装在机架5上部的支撑架4-1上的导线轮，而后经过导线轮进入导向球4-2。
51.导向模块4由支撑架4-1、导向球4-2、球盖4-3组成。导向球4-2由入线瓷眼4-2-1、出线瓷眼4-2-2、半球体4-2-3，入线瓷眼4-2-1安装在球心入口处，出线瓷眼4-2-2安装在球面出口处，两个半球体4-2-3闭合形成了一个球扇形缺口的球体，入线瓷眼4-2-1和出线瓷眼4-2-2安装在两个半球体4-2-3闭合形成的内部凹槽中，绳索1从导向球4-2的球扇形缺口处进入，经过球心处的入线瓷眼4-2-1，从球面处的出线瓷眼4-2-2输出，绳索1输出方向始
终经过球心。支撑架4-1固定在机架5上，支撑架4-1与球盖4-3形成球型凹槽将导向球4-2的球心约束在固定位置，当导向球4-2定心转动时，从支撑架4-1导线轮到出线瓷眼4-2-2之间的绳索1长度始终不变。六个导向球4-2以正六边形排布在机架5上方，从导向球4-2输出的六条绳索1通过末端绳扣连接在穿刺装置6上下两端。
52.结合附图14、附图15、附图16对本发明作进一步的描述：
53.穿刺装置6由穿刺针6-1、穿刺针固定帽6-2、支撑杆6-3、端帽6-4组成，其中穿刺针6-1穿过穿刺针固定帽6-2，穿刺针6-1尾端与支撑杆6-3下端贴合，穿刺针固定帽6-2与支撑杆6-3下端通过螺纹紧固，穿刺针6-1固定在支撑杆6-3下端，从三个间隔导向装置输出的绳索通过末端的绳扣连接在穿刺针固定帽6-2与支撑杆6-3之间的凹槽上；端帽6-4通过螺纹固定在支撑杆6-3上部，从另外三个间隔导向模块输出的绳索通过末端的绳扣连接在端帽6-4与支撑杆6-3之间的凹槽上，从导向模块4输出的六条绳索1交错连接在穿刺装置6的上下两端。
54.结合附图17、附图18、附图19、附图20对本发明作进一步的描述：
55.两个初始定位夹具7安装在四边形机架5长对边中心处，两夹具末端的半圆形夹持器共同约束穿刺装置6的初始位置在机架5中央，穿刺定位夹具8安装在机架5支撑腿上，具有两个关节转动自由度，调整关节角度，末端穿刺孔正对穿刺位置，穿刺装置6穿过穿刺孔，在穿刺孔约束下完成穿刺。
56.导向球4-201、导向球4-203、导向球4-205输出的绳索连接在端帽6-4与支撑杆6-3之间的凹槽上，导向球4-202、导向球4-204、导向球4-206输出的绳索连接在了穿刺针固定帽6-2与支撑杆6-3之间的凹槽上，导向球4-201、导向球4-203、导向球4-205输出的绳索同时收缩带动穿刺装置6完成进针操作；导向球4-202、导向球4-204、导向球4-206输出的绳索同时收缩带动穿刺装置6完成退针操作；导向球4-201和导向球4-203输出的绳索同时收缩，穿刺装置6朝着导向球4-202方向移动；导向球4-201输出的绳索收缩，实现穿刺装置6上部向导向球4-201方向倾斜；导向球4-202输出的绳索收缩，可实现穿刺装置6下部向导向球4-202方向倾斜，穿刺装置6具有三个移动自由度和除绕轴线旋转的两个转动自由度。
57.本发明是一种床体固定式柔索驱动穿刺手术机器人，其各项功能的实现方式如下：
58.绳索定心输出功能：导向球4-2由入线瓷眼4-2-1、出线瓷眼4-2-2、半球体4-2-3组成，入线瓷眼4-2-1安装在球心处，出线瓷眼4-2-2安装在球面处，两个半球体4-2-3闭合形成一个具有球扇形缺口的球体，绳索1从缺口处进入，经过球心处的入线瓷眼4-2-1，从球面处的出线瓷眼4-2-2输出，出绳方向始终过球心，导向球4-2被支撑架4-1和球盖4-3定心约束在机架5上方，绳索1从导向球4-2定心输出，导向球4-2定心转动时，支撑架4-1导线轮到出线瓷眼4-2-2之间绳索1长度始终保持不变。
59.核磁环境下的驱动兼容功能：绳索1缠绕在绳轮2-2上，绳轮2-2紧固在电机2-3的输出轴上，电机2-3安装在电机箱2-1中，驱动模块2固定在核磁床尾端，从驱动模块2输出的六条绳索1经过传动模块3，从导向模块4输出，输出的绳索1末端连接在穿刺装置6上，电机2-2驱动外置和绳索1传动，充分利用了电机驱动稳定性和绳索传动良好线性度，保证了整个机器人驱动模块在核磁环境下的可靠性。
60.核磁环境下的空间兼容功能：六条绳索1经过传动模块3、导向模块4后到达机架5，
机架5上方安装有六个导向球4-2，六个导向球4-2成正六边形排布在机架5上，导向球4-2输出的六条绳索1交错连接在穿刺装置6的上下两端，六个导向球4-2的布局充分利用了机架5的结构，绳索1传动和导向模块4保证了在狭窄的核磁环境下，机器人具有较大的工作空间。
61.核磁环境下的穿刺定位功能：穿刺针6-1在手术前进行初始位置标定，而后在设备约束下稳定进针，首先两个初始定位夹具7共同约束将穿刺装置6初始位置在机架5中央，调节穿刺定位夹具8，使穿刺定位夹具8末端的穿刺孔正对所需穿刺位置，将穿刺装置6穿过穿刺孔，穿刺装置6在穿刺孔约束下完成穿刺，穿刺装置6具有三个方向的移动自由度和除绕自身轴线转动的两个转动自由度。
62.核磁环境下的材料兼容功能：核磁共振仪内部均为工程塑料制成，避免了铁磁性材料在核磁共振成像时可能带来的阴影问题。
63.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。