專利名稱：微創血管介入手術機器人的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種醫療設備，特別是涉及在機械臂末端安裝了六維力傳感器， 操作人員通過拖拽六維力傳感器可以隨時調整機械臂的位置，避免了定位控制的固定程序化，符合人性化操作的微創血管介入手術機器人。
背景技術：
伴隨著當今生活節奏的加快，人們的健康問題屢屢引起公眾的關心和注意，同時隨著社會的日益進步和人們生活水平的不斷提高，人們對醫療手段也提出了更高的要求， 除了關注治療效果外，還對康復速度提出了更高的要求。這就要求醫生不僅要在傳統生理醫學上有所突破，還要應用操作靈活、定位精確的醫療器械，這為醫療機器人的研究提供了客觀條件，醫療機器人的應用降低了手術的風險，改善了手術的環境。傳統的手術由于需要大創口來暴露手術視野，手術操作給患者帶來巨大的痛苦，同時導致術后康復速度很慢，越來越不能滿足人們的需要。微創外科的出現及其臨床應用為醫學領域開辟了新的天地，它以手術切口小、出血量小、術后疤痕小、創傷輕、痛苦少、恢復快為特點被應用于臨床手術， 早期的微創外科手術是以腹腔鏡和胸腔鏡等內窺鏡為基礎的一種外科手術，微創血管介入手術是微創外科的一個新方向。然而，目前，它還存在著諸多不足(1)內鏡需要專人扶持， 很難保證定位的準確性和圖像的穩定性；( 由于操作對象較小，人體血管的直徑一般小于2mm，而且手術工作時間很長，使得醫生感覺非常疲憊，可能會出現醫生手的顫動、疲勞、 肌肉神經的反饋，導致動作的不準確，加大了患者的痛苦，降低了手術的成功率；(3)現有手術方法技巧性較強，風險性較高，這些缺點限制了血管介入手術的廣泛應用。二十世紀機器人技術進入微創外科手術領域后，利用機器人的高精度、穩定性、靈活性、可控性以及不怕輻射和感染，來完成手術的定位，為醫生手術搭建一個穩固的手術操作平臺，改善了過去醫生只能憑借主觀判斷和積累的手術經驗來完成手術的狀況，能夠減少人為因素引起的手術誤差，提高手術質量。醫療外科機器人不僅可以協助醫生完成手術部位的精確定位，解決外科醫生手部的顫動、疲勞、肌肉神經的反饋，而且可以實現手術最小損傷，提高疾病診斷、手術治療的精度與質量，增加手術安全系數，縮短治療時間，降低醫療成本。近年來微創手術機器人的研究已經成為機器人應用的新領域，尤其是多功能醫療機器人系統已經成為醫療機器人發展的一個新方向。國內醫療機器人的研究和開發受到了越來越多的關注，能夠應用于臨床的手術機器人越來越多，但微創血管介入手術機器人尚未得到全面的研究和推廣應用。傳統的機器人操作是通過計算機控制各個電機運動，但是這種方法太過于程式化，不利于醫生根據實際情況做出應變。再者，傳統的機械臂使用時， 需要首先通過軟件對其進行原點復歸，占用手術時間，降低手術效率。發明專利內容本發明專利針對現有技術的不足，提供了一種用于微創血管介入手術中輔助末端執行器定位的定位機械臂手術機器人。為實現以上目的，本發明專利采用的技術方案是
微創血管介入手術機器人，由底座、升降立柱、五自由度機械臂及六維力傳感器組成；其中升降立柱固定在底座上，五自由度機械臂中的外座套通過卡快座套固連，座套與升降立柱連接，實現機械臂整體的高度調節，五自由度機械臂末端安裝六維力傳感器。所述的五自由度機械臂包括四個臂和五個轉動關節，其中四個臂為肩關節、大臂、后小臂、前小臂，五個轉動關節包括肩關節回轉、肩關節屈曲、肘關節屈曲、前小臂回轉、腕關節屈曲，其中肩關節通過座套與升降立柱連接，肩關節回轉通過回轉電機、減速器及主動直齒輪傳遞到肩關節被動直齒輪，肩關節被動直齒輪與肩關節屈曲固連，大臂與肩關節屈曲連接，肘關節屈曲通過鍵固定在大臂前端，后小臂通過螺釘固連在肘關節屈曲被動錐齒輪上，前小臂回轉固定在后小臂的前端，前小臂與前小臂回轉固連，前小臂前端安裝有腕關節屈曲。所述的肩關節和肩關節回轉包括回轉電機、箱體、座套、護罩、轉動叉筒、肩關節被動直齒輪、架板、連接板、第三絕對值編碼器、第三絕對值編碼器支架、聯軸器、防轉盤、第一絕對值編碼器、第一絕對值編碼器支架、第一繩輪、第二繩輪、第二絕對值編碼器、第一深溝球軸承、第二深溝球軸承、小隔套、肩關節軸承透蓋、外套筒、卡塊、肩關節屈曲電機、肩關節屈曲減速器、肩關節主動錐齒輪；其中回轉電機經過減速器及主動直齒輪傳遞到肩關節被動直齒輪，肩關節被動直齒輪與轉動叉筒固連，主動直齒輪與肩關節被動直齒輪安裝在箱體內，箱體一端與座套相連，一端與護罩相連，架板與肩關節被動直齒輪通過連接板固連，第三絕對值編碼器通過第三絕對值編碼器支架固定在架板上，第三絕對值編碼器的輸出軸通過聯軸器延伸至防轉盤內，防轉盤固定在護罩上；第一絕對值編碼器通過第一絕對值編碼器支架固定在連接板上，第一繩輪直接連在第一絕對值編碼器的伸出軸上；第二絕對值編碼器固定在架板上，第二繩輪直接連在第二絕對值編碼器的伸出軸上；座套與轉動叉筒之間安裝有第一深溝球軸承和第二深溝球軸承，第一深溝球軸承內圈依靠小隔套固定，第二深溝球軸承外圈依靠肩關節軸承透蓋固定；肩關節軸承透蓋與外套筒通過螺栓固連，外套筒通過卡塊與座套固連，座套與升降立柱連接；座套內安裝肩關節屈曲電機，肩關節屈曲電機通過肩關節屈曲減速器與肩關節主動錐齒輪連接。所述的肩關節屈曲包括肩關節被動錐齒輪、大臂機架、肩關節屈曲軸、第三繩輪、 肩關節軸承端蓋、繩一；其中肩關節被動錐齒輪與肩關節主動錐齒輪嚙合，大臂機架固連在肩關節被動錐齒輪上，肩關節屈曲軸與肩關節被動錐齒輪通過鍵連接，肩關節屈曲軸上安裝有第三繩輪作為繩傳動的中間輪，肩關節屈曲軸的一端安裝有肩關節軸承端蓋，肩關節被動錐齒輪上設計有繩輪槽，將繩一的一端放入該槽內，另一端套在第二繩輪上。所述的大臂和肘關節屈曲包括肘關節屈曲編碼器、肘關節屈曲電機、肘關節屈曲減速器、肘關節減速器支架、肘關節主動錐齒輪、肘關節被動錐齒輪、肘關節屈曲軸、第四繩輪、繩二、肘關節軸承端蓋；其中肘關節屈曲編碼器、肘關節屈曲電機和肘關節屈曲減速器通過肘關節減速器支架與大臂機架相連，肘關節屈曲電機通過肘關節屈曲減速器與肘關節主動錐齒輪相連，肘關節主動錐齒輪與肘關節被動錐齒輪嚙合，肘關節屈曲軸通過鍵與肘關節被動錐齒輪連接，后小臂通過螺釘固連在肘關節被動錐齒輪上，肘關節屈曲軸上裝有第四繩輪，繩二通過第三繩輪作為繩傳動的中間輪，一端套在第四繩輪上，另一端套在第一繩輪上，肘關節屈曲軸的一端安裝有肘關節軸承端蓋。所述的腕關節屈曲的驅動方式與肩關節屈曲和肘關節屈曲相同。
所述的前小臂回轉和腕關節屈曲的校正通過光電開關來實現。所述的六維力傳感器通過USB接口與計算機相連，計算機通過控制器和驅動器與肩關節屈曲電機和肘關節屈曲電機相連。本發明專利的機械臂采用仿人設計，各個部件的長度和人體臂膀的各個關節的長度類似，且各個關節的設計也非常類似人的臂膀；傳動裝置采用內置式，把傘齒輪、編碼器， 電機全部放在機械臂內部，使外表光滑、柔和、不顯突兀，顯現出人性化設計；設計上將機械臂中部分部件后置，使整體的重心盡量靠近升降臂，避免了其自身重量對其承重能力的影響，大大提高其承重能力；在機械臂末端安裝了六維力傳感器，操作人員通過拖拽六維力傳感器可以隨時調整機械臂的位置和姿態，避免了定位控制的固定程序化，符合人性化操作； 肩關節回轉、肩關節屈曲、肘關節屈曲三個動作模塊中安裝有高精度絕對位置編碼器，絕對位置編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響，在啟動時，這三個關節可以直接獲得絕對位置而不需要進行復位，只對后兩個轉動幅度小的關節進行復位。 由于前三個關節擺動幅度較大，復位時需要較長的時間，但是裝有絕對位置編碼器后，既節約了復位時間也節約了復位空間，非常適用于醫院這種場合。
圖1為本發明專利系統簡圖；圖2為本發明專利各關節傳動及復位簡圖；圖3為本發明專利機械臂與升降立柱的連接方式示意圖；圖4為本發明專利后置部分簡圖；圖5為本發明專利六維力傳感器控制機械臂運動的原理框圖。圖中標記為肘關節屈曲軸1、肘關節被動錐齒輪2、肘關節主動錐齒輪3、肘關節減速器支架4、 肘關節屈曲減速器5、肘關節屈曲電機6、肘關節屈曲編碼器7、肩關節被動錐齒輪8、肩關節主動錐齒輪9、繩一 10、肩關節屈曲減速器11、肩關節屈曲電機12、第一深溝球軸承13、肩關節被動直齒輪14、第一絕對編碼器15、第一繩輪16、第二絕對值編碼器17、第二繩輪18、第三絕對值編碼器19、聯軸器20、防轉盤21、第三絕對值編碼器支架22、架板23、第一絕對值編碼器支架對、連接板25、小隔套沈、升降立柱27、座套觀、第二深溝球軸承四、肩關節軸承透蓋30、肩關節軸承端蓋31、肩關節屈曲軸32、第三繩輪33、繩二 34、大臂機架35、肘關節軸承端蓋36、第四繩輪37、回轉電機38、箱體39、轉動叉筒40、護罩41、外套筒42、卡塊 43、底座44、肩關節回轉45、肩關節46、肩關節屈曲47、大臂48、肘關節屈曲49、后小臂50、 前小臂回轉51、前小臂52、腕關節屈曲53、六維力度傳感器M、送管機構55。
具體實施例方式如圖1所示，其中升降立柱27固定在底座45上，五自由度機械臂通過座套觀與升降立柱27連接，實現機械臂整體的高度調節，五自由度機械臂末端安裝六維力傳感器54， 五自由度機械臂包括四個臂和五個轉動關節，其中四個臂為肩關節46、大臂48、后小臂 50、前小臂52，五個轉動關節包括肩關節回轉45、肩關節屈曲47、肘關節屈曲49、前小臂回轉51、腕關節屈曲53，其中肩關節46通過座套28與升降立柱27連接，肩關節回轉45通過回轉電機、減速器及主動直齒輪傳遞到肩關節被動直齒輪，肩關節被動直齒輪與肩關節屈曲47固連，大臂48與肩關節屈曲47連接，肘關節屈曲49通過鍵固定在大臂48前端，后小臂50通過螺釘固連在肘關節屈曲49被動錐齒輪上，前小臂回轉51固定在后小臂50的前端，前小臂52與前小臂回轉51固連，前小臂52前端安裝有腕關節屈曲53。如圖2、3、4所示，啟動肩關節回轉電機38，電機動力經過減速器及主動直齒輪傳遞到肩關節被動直齒輪14，肩關節被動直齒輪14與轉動叉筒40固連，轉動叉筒40亦隨之轉動，肩關節內部各零部件均直接或間接安裝在轉動叉筒上，一起隨之轉動，從而實現肩關節回轉動作。相互嚙合的直齒輪副密封在箱體39內，箱體39 —端與座套觀相連，一端與護罩41相連，從而將后置部分與肩關節通過外套筒和箱體連接起來。肩關節回轉一定角度，架板23與肩關節被動直齒輪14通過連接板25固連，做相同角度的轉動，第三絕對值編碼器19固定在架板上23上隨之轉動，而第三絕對值編碼器19的輸出軸通過聯軸器20延伸至防轉盤21內，通過一緊定螺釘限制軸的轉動，防轉盤21固定在護罩41上，沒有發生轉動。進而，通過對第三絕對值編碼器19進行讀數，可以隨時確定肩關節回轉的角度，當重啟電源時無需復位。啟動肩關節屈曲電機12，動力經過肩關節屈曲減速器11減速傳遞到肩關節主動錐齒輪9，進而帶動與之嚙合的肩關節被動錐齒輪8轉動，大臂機架35固連在肩關節被動錐齒輪8上隨之轉動，肩關節屈曲軸32與肩關節被動錐齒輪8通過鍵連接，肩關節屈曲軸32 隨錐齒輪8同步轉動，從而實現肩關節屈曲動作。肩關節被動錐齒輪8上設計有繩輪槽，將繩一 10的一端放入該槽內，另一端套在第二繩輪18上，這樣，肩關節被動錐齒輪8轉動，通過繩傳動帶動第二繩輪18同步轉動，第二繩輪18直接連在第二絕對值編碼器17的伸出軸上，第二絕對值編碼器17就可以記錄第二繩輪18轉動的角度，從而隨時讀取肩關節屈曲的角度，下次使用時，無需復位就可知道該關節所處的位置。啟動肘關節屈曲電機6，動力經過肘關節屈曲減速器5傳遞到肘關節主動錐齒輪3 及與之嚙合的肘關節被動錐齒輪2，后小臂50通過螺釘固連在肘關節被動錐齒輪2上，隨之同步轉動，實現肘關節屈曲動作。包括肘關節屈曲編碼器7在內的肘關節電機組件通過肘關節減速器支架4與大臂機架35相連。肘關節屈曲軸1通過鍵連接跟隨肘關節被動錐齒輪2轉動，肘關節屈曲軸1上裝有第四繩輪37，繩二 34 —端套在第四繩輪37上，另一端套在第一繩輪16上，第一繩輪16直接連在第一絕對值編碼器15的伸出軸上，第一絕對值編碼器15就可以記錄第一繩輪16轉動的角度，從而實現隨時讀取肘關節屈曲的角度，下次使用時無需復位。由于第一絕對值編碼器15組件后置，測肘關節屈曲的角度時，繩二 34需要經過肩關節，而肩關節屈曲動作會影響繩的傳動，因此在肩關節屈曲軸32上安裝有第三繩輪33作為繩傳動的中間輪，避免肩關節屈曲時繩二 34碰到肩關節屈曲軸32上，影響其傳動，造成第一絕對值編碼器15讀數失誤。前小臂回轉51通過電機帶動諧波減速器實現，腕關節屈曲53的驅動方式與肩關節屈曲47和肘關節屈曲49相同，前小臂回轉51和腕關節屈曲53的校正通過光電開關來實現，前小臂52前端安裝有腕關節屈曲53，通過五個關節轉動不同的角度實現對機械臂末端所連接送管機構55的定位。如圖6所示，操作人員沿某一指定方向拖拽六維力傳感器，六維力傳感器將六維應變信號轉換成空間坐標系中的六維力(三維力，三維力矩)信號，進而轉變為六維電壓信號經USB接口輸出至計算機，計算機將六維電壓信號轉換為空間的六維位移(三移動，三轉動)，并將移動合并成一條空間直線，將該直線作為目標軌跡進行路徑規劃，計算出各關節在相應時間內的位置和速度，通過電機控制器和驅動器協調控制各個關節電機的運動，實現借助六維力傳感器對機械臂的位置和姿態控制。
權利要求
1.微創血管介入手術機器人，由底座、升降立柱、五自由度機械臂及六維力傳感器組成；其特征在于其中升降立柱固定在底座上，五自由度機械臂中的外座套通過卡快座套固連，座套與升降立柱連接，五自由度機械臂末端安裝六維力傳感器。
2.根據權利要求1所述的微創血管介入手術機器人，其特征在于五自由度機械臂包括四個臂和五個轉動關節，其中四個臂為肩關節、大臂、后小臂、前小臂，五個轉動關節包括肩關節回轉、肩關節屈曲、肘關節屈曲、前小臂回轉、腕關節屈曲，其中肩關節通過座套與升降立柱連接，肩關節回轉通過回轉電機、減速器及主動直齒輪傳遞到肩關節被動直齒輪，肩關節被動直齒輪與肩關節屈曲固連，大臂與肩關節屈曲連接，肘關節屈曲通過鍵固定在大臂前端，后小臂通過螺釘固連在肘關節屈曲被動錐齒輪上，前小臂回轉固定在后小臂的前端，前小臂與前小臂回轉固連，前小臂前端安裝有腕關節屈曲。
3.根據權利要求2所述的微創血管介入手術機器人，其特征在于肩關節和肩關節回轉包括回轉電機、箱體、座套、護罩、轉動叉筒、肩關節被動直齒輪、架板、連接板、第三絕對值編碼器、第三絕對值編碼器支架、聯軸器、防轉盤、第一絕對值編碼器、第一絕對值編碼器支架、第一繩輪、第二繩輪、第二絕對值編碼器、第一深溝球軸承、第二深溝球軸承、小隔套、 肩關節軸承透蓋、外套筒、卡塊、肩關節屈曲電機、肩關節屈曲減速器、肩關節主動錐齒輪； 其中回轉電機經過減速器及主動直齒輪傳遞到肩關節被動直齒輪，肩關節被動直齒輪與轉動叉筒固連，主動直齒輪與肩關節被動直齒輪安裝在箱體內，箱體一端與座套相連，一端與護罩相連，架板與肩關節被動直齒輪通過連接板固連，第三絕對值編碼器通過第三絕對值編碼器支架固定在架板上，第三絕對值編碼器的輸出軸通過聯軸器延伸至防轉盤內，防轉盤固定在護罩上；第一絕對值編碼器通過第一絕對值編碼器支架固定在連接板上，第一繩輪直接連在第一絕對值編碼器的伸出軸上；第二絕對值編碼器固定在架板上，第二繩輪直接連在第二絕對值編碼器的伸出軸上；座套與轉動叉筒之間安裝有第一深溝球軸承和第二深溝球軸承，第一深溝球軸承內圈依靠小隔套固定，第二深溝球軸承外圈依靠肩關節軸承透蓋固定；肩關節軸承透蓋與外套筒通過螺栓固連，外套筒通過卡塊與座套固連，座套與升降立柱連接；座套內安裝肩關節屈曲電機，肩關節屈曲電機通過肩關節屈曲減速器與肩關節主動錐齒輪連接。
4.根據權利要求2所述的微創血管介入手術機器人，其特征在于肩關節屈曲包括 肩關節被動錐齒輪、大臂機架、肩關節屈曲軸、第三繩輪、肩關節軸承端蓋、繩一；其中肩關節被動錐齒輪與肩關節主動錐齒輪嚙合，大臂機架固連在肩關節被動錐齒輪上，肩關節屈曲軸與肩關節被動錐齒輪通過鍵連接，肩關節屈曲軸上安裝有第三繩輪作為繩傳動的中間輪，肩關節屈曲軸的一端安裝有肩關節軸承端蓋，肩關節被動錐齒輪上設計有繩輪槽，將繩一的一端放入該槽內，另一端套在第二繩輪上。
5.根據權利要求2所述的微創血管介入手術機器人，其特征在于大臂和肘關節屈曲包括肘關節屈曲編碼器、肘關節屈曲電機、肘關節屈曲減速器、肘關節減速器支架、肘關節主動錐齒輪、肘關節被動錐齒輪、肘關節屈曲軸、第四繩輪、繩二、肘關節軸承端蓋；其中肘關節屈曲編碼器、肘關節屈曲電機和肘關節屈曲減速器通過肘關節減速器支架與大臂機架相連，肘關節屈曲電機通過肘關節屈曲減速器與肘關節主動錐齒輪相連，肘關節主動錐齒輪與肘關節被動錐齒輪嚙合，肘關節屈曲軸通過鍵與肘關節被動錐齒輪連接，后小臂通過螺釘固連在肘關節被動錐齒輪上，肘關節屈曲軸上裝有第四繩輪，繩二通過第三繩輪作為繩傳動的中間輪，一端套在第四繩輪上，另一端套在第一繩輪上，肘關節屈曲軸的一端安裝有肘關節軸承端蓋。
6.根據權利要求1或3或5所述的微創血管介入手術機器人，其特征在于所述的六維力傳感器通過USB接口與計算機相連，計算機通過控制器和驅動器與肩關節屈曲電機和肘關節屈曲電機相連。
全文摘要
本發明公開了一種微創血管介入手術機器人，由底座、升降立柱、五自由度機械臂及六維力傳感器組成；其中升降立柱固定在底座上，五自由度機械臂中的外座套通過卡快座套固連，座套與升降立柱連接，實現機械臂整體的高度調節，五自由度機械臂末端安裝六維力傳感器；操作人員通過拖拽六維力傳感器可以隨時調整機械臂的位置和姿態，避免了定位控制的固定程序化，符合人性化操作；肩關節回轉、肩關節屈曲、肘關節屈曲三個動作模塊中安裝有高精度絕對位置編碼器，絕對位置編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響，在啟動時，這三個關節可以直接獲得絕對位置而不需要進行復位，只對后兩個轉動幅度小的關節進行復位。
文檔編號A61B19/00GK102274077SQ20111011769
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者王洪波 申請人:無錫佑仁科技有限公司