专利名称：用于夹持微创血管介入手术推进机构的机械臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于机器人的机械臂，特别是夹持微创血管介入手术推进机构的机械臂。
背景技术：
血管介入手术是指医生在数字减影血管造影成像(DSA)系统的导引下，操控导管 (一种带有刚性的软管)在人体血管内运动，将导管推进到目标位置，然后对病灶进行相关治疗，达到栓塞畸形血管、溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。与传统手术相比，本方法无需开刀，具有出血少、创伤小、并发症少、安全可靠、术后恢复快等优点。目前医生进行血管介入手术的主要步骤如图Ia-If所示A、穿刺针按照适合位姿穿透皮肤进入血管内，并将导丝插入针管；B、将血管鞘顺着导丝并在其支撑下送入血管，将导管顺着血管鞘导入血管，缓缓向前推进。血管鞘起到引导导管进入血管以及防止导管抽出血管时动脉血液流出的作用；C、医生在DSA图像的引导下，观察导管的路径以及管尖的位置，并手工旋转和推进导管，调整其位置与方向，直至导管到达病灶部位；D、手术1 在DSA图像监控下，施行导管诊断及治疗操作，于室间隔缺损处放置室间隔缺损封堵器；E、手术2 在DSA图像监控下，于动脉狭窄处放置支架；F、手术3 在DSA图像监控下，行动脉瘤⑶C栓塞。根据上述手术流程，血管介入手术存在的突出问题是1)医生始终在高强度射线环境下工作，长期操作对身体损害很大；2)手术操作可控性差，时间长，医生疲劳和人手操作不稳定等因素会直接影响手术质量；3)手术操作复杂，技巧性强，风险性高，医生难于掌握，手术培训时间长。针对上述问题，将机器人技术引入到血管介入手术中，具有重要的现实意义。如图2为DSA图像导引下机器人辅助血管介入手术系统结构图各单元主要功能介绍如下手术室操作台对手术系统进行总体控制、有限旋转DSA投影条件下血管三维重建处理，并进行术前三维图像和术中二维图像的匹配，完成对机器人的图像导航和手术规划，并在术中对辅助机器人进行实时控制。此操作台与患者治疗手术室隔离，所以可以避免医生受到射线的辐射。多功能手术床患者躺在此手术床上，有与之配套的造影机将造影剂推入患者体内，通过C形臂等辅助设备的操作，可在DSA图像显示器上清楚显示患者血管，并可实时显示推进推进导管在患者血管内的位置。同时，在多功能床上要粘贴相应的标示Mark点，以对患者部位、DSA图像、双目图像、机器人进行坐标系的标定。双目摄像头观测患者、手术床、末端推进机构Mark点的位置信息，并对其进行图像处理，从而确定患者病灶部位，指导辅助机器人对患者进行治疗。
机器人本体由手术室操作台控制，按规划的数据运动，实现对患者病灶部位的治疗。辅助机器人本体由定位把持机器人和末端推进机构组成。定位把持机器人按照规划数据把末端推进机构送至指定位置后把持。末端推进机构按照DSA图像引导推进导管在患者体内运动。 由此可见，系统结构中的机器人本体需要一种用于夹持血管介入手术推进机构的机械臂。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于血管介入手术推进机构的机械臂，实现了机器人的精确定位、灵活规划和手术器械的稳固把持，从而提高了手术精度和稳定性，避免医生受到长时间辐射。本发明的目的还在于具有上述机械臂的医疗机器人。本发明通过如下的技术方案实现。一种机械臂，其特征在于，包括底座臂，其通过腰转关节与大臂底座相连，内部装有动力机构和传动机构，所述大臂底座能够在所述底座臂上转动；所述大臂底座通过大臂关节与第一大臂的一端相连接；所述第一大臂的另一端通过小臂关节与小臂相连接；所述小臂的一端连接于与所述第一大臂平行的第二大臂的一端；所述小臂的另一端连接有手部连接件，并通过腕摆关节与末端座相连接；所述末端座通过腕转关节与末端套筒连接。根据上述技术方案的机械臂，其特征在于，所述动力机构是电机组件，所述传动机构是谐波减速器；所述底座臂上安装有电机固定座、深沟球轴承、谐波减速器钢轮以及轴承压座，在其底部有用于固定的联接螺纹孔；所述电机组件的减速器输出轴与谐波输入轴的输入端通过紧定螺钉紧固；谐波输出轴通过键与谐波减速器的波形发生器连接；谐波输入轴的输入端做成波纹管样式；谐波减速器的输出钢轮与谐波输出轴通过内六角螺钉联接紧固；谐波输出轴依靠深沟球轴承支撑在底座臂上，轴承之间靠轴承内圈挡圈和轴承外圈挡圈定位；电机组件驱动其自带的减速器运动，从而使谐波输入轴带动谐波减速器转动，继而带动谐波输出轴运动；谐波输出轴通过其上的键与大臂底座联接，这样，电机组件转动时就会带动大臂底座运动，从而实现腰转关节的转动根据上述技术方案的机械臂，其特征在于，所述大臂关节为曲柄滑块机构；其中， 所述大臂底座上可枢转地连接有大臂连杆，所述大臂连杆的另一端能够在所述第一大臂上平动，从而实现所述第一大臂的摆动。根据上述技术方案的机械臂，其特征在于，所述小臂关节为曲柄滑块带动平行四边形机构；其中，所述小臂上可枢转地连接有小臂连杆，所述小臂连杆的另一端可在与所述第一大臂平行的第二大臂上平动，从而实现所述小臂的摆动.
根据上述技术方案的机械臂，其特征在于，所述大臂连杆与所述小臂连杆的平动端分别通过丝杠传动。根据上述技术方案的机械臂，其特征在于，所述手部连接件与小臂的连接采用螺杆、止动垫圈、螺母的连接方式，电机支座通过螺钉与手部连接件相连，用以固定腕摆电机组件；整个末端座通过半轴-驱动侧零件和半轴-尾部零件来固定，而这两个零件通过轴承与手部连接件相连；腕摆电机组件输出端通过紧定套、压紧螺塞与半轴-驱动侧零件连接； 腕摆电机组件工作时，带动半轴-驱动侧零件转动，从而实现腕摆关节的驱动。根据上述技术方案的机械臂，其特征在于，所述末端座一端与半轴-驱动侧、半轴-尾部通过螺栓、止动垫圈、螺母连接；另一端通过轴承安装在末端套筒上，两轴承之间依靠轴承内挡圈、轴承外挡圈、轴用弹性挡圈定位；腕转电机组件通过螺钉与末端座的末端连接；末端套筒上有连接推进机构的接口，末端套筒的前端与末端压盖通过紧定套连接， 端盖上有压紧螺帽，当腕转电机组件工作时，会带动末端套筒转动，从而实现腕转关节的转动。一种医疗机器人，具有至少5自由度，其特征在于，具有根据上述技术方案之一的机械臂。与现有技术相比，本发明实现了如下益的技术效果(1)首次将机器人定位系统应用于介入手术中，提高了手术的自动化程度，避免了医生长时间在辐射环境下工作。(2)运用机械臂代替医生实现手术器械的定位和把持，提高了手术精度和稳定性， 降低了医生工作难度和强度。(3)大臂和小臂关节的丝杠-螺母传动设计，不仅机构尺寸小，而且实现了大力矩传动。
图1是血管介入手术的主要步骤示意图；图2是DSA图像导引下机器人辅助血管介入手术系统结构图；图3是应用了本发明的机械臂的机器人本体模型图；图4是应用了本发明的机械臂的机器人结构简图；图5是本发明的机械臂的腰转关节结构图；图6是本发明的机械臂的大臂、小臂关节结构图；图6a是本发明的机械臂的传动螺母与小臂连杆的连接处的剖面视6b是本发明的机械臂的两个小臂对边板与支撑杆的连接处的剖面视图；图7a、7b是图4中关节的剖面视图；图8a、8b、8c、8d是本发明的机械臂的腕摆、腕转关节结构图。其中各附图标记含义如下1.底座臂2.底电机座3.谐波输入轴4.轴肩垫
5.谐波输出轴6.轴承外圈挡圈7.轴承内圈挡圈8.轴承压座9.圆螺母10. 6202深沟球轴承11.键12.谐波减速器13.内六角圆柱头螺钉14. 6201深沟球轴承15.紧定螺钉16内六角螺钉17.开槽沉头螺钉18.电机组件(减速器、电机、制动器、编码器)19.大臂底座20.大臂下铰销21.长铰销垫套22. 6008深沟球轴承23. 6202深沟球轴承24.小臂对边板25.支撑筒26.短铰销垫套27.铰销轴28. 6202深沟球轴承29.轴承端盖30.轴用弹性挡圈31.开槽沉头螺钉32.大臂短铰座33.花套34.圆柱头螺钉35.螺杆开槽套筒
36. 6004深沟球轴承37.大臂传动丝杠38.传动螺母39.螺杆紧固轴套40.内六角螺钉41冲间连接套42.紧定螺钉43.开槽沉头螺钉
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44.电机安装盘45.沉头螺钉46.圆柱头螺钉47.电机组件48.大臂长铰座49.小臂连杆50.大臂连杆51.轴用弹性挡圈52.大垫片53.连杆螺母销轴54.内六角螺钉55.支撑杆56.小臂57.手部连接件58.电机支座59.半轴-驱动侧60.紧定套61.压紧螺塞(母)62.半轴-尾部63.末端座64.末端套筒65.轴承外挡圈66.轴承内挡圈67.末端端盖68.压紧螺帽69.沉头螺钉70.轴用弹性挡圈71.深沟球轴承72.腕转电机组件73.深沟球轴承74.沉头螺钉75.内六角螺钉76.内六角螺钉77.腕摆电机组件78.内六角螺钉
具体实施例方式对于面向微创手术的医疗外科机器人，其结构通常由手腕和手臂两部分组成，在微创手术中的作用是(1)将手腕末端和手术器械定位到穿刺点；( 对手术器械定向，使其穿过切点到达手术部位。定位主要用在切点产生后的手术开始阶段，而将手术器械定向， 使其穿过切点却贯穿整个手术的全过程，这两项任务在运动方式和在手术中的应用都不相同，因此一个合理的设计应不仅能完成这两项任务，而且能减小或消除手臂关节和手腕关节在运动中的相互依赖。为了达到这一目的，定位机构和定向机构应采用分离的结构，使其在运动上独立。通过分析医生的操作流程和各种手术约束条件，考虑满足实际需求、简化机构和降低控制难度，设计了具有五自由度的机械臂。具体结构如图3所示。各关节详细设计1.腰转关节设计腰关节结构如图5所示。底座臂上安装有电机固定座、深沟球轴承、谐波减速器钢轮以及轴承压座等，在其底部有用于固定的联接螺纹孔。电机组件的减速器输出轴与谐波输入轴的输入端通过紧定螺钉紧固。谐波输出轴通过键与谐波减速器的波形发生器连接。谐波输入轴的输入端做成波纹管样式，在底座臂加工同轴度稍低的情况下，电机组件仍可以正常运转。谐波减速器的输出钢轮与谐波输出轴通过内六角螺钉联接紧固。而谐波输出轴依靠深沟球轴承支撑在底座臂上，轴承之间靠轴承内圈挡圈和轴承外圈挡圈定位。动力源(电机)驱动其自带的减速器运动，从而使谐波输入轴带动谐波减速器转动，继而带动谐波输出轴运动。谐波输出轴通过其上的键与二、 三关节的底座联接。这样，电机转动时就会带动二、三关节的底座运动，从而实现腰转关节的转动。2.大臂、小臂关节设计大臂、小臂旋转关节所承受的转矩最大，如果采用腰转关节的方案，则谐波减速器的尺寸较大，最大可能到200mm以上，显然，这么大尺寸外观上不美，且由于在失电状态下， 不能保持位置，因此，采用上述结构显然不合适。另一方面，如果采用蜗轮蜗杆传动，虽然解决了自锁问题，但结构尺寸大的问题仍不能解决，显然不可行。经过查阅相关资料，进行机构综合与优化比较后，采用丝杠传动结构形式，从结构上解决了大转矩输出的问题。大臂、小臂关节结构如图6、图6a和图6b所示。大臂底座为此两关节的固定座，通过自身的键槽与1关节的输出轴联接，大臂连杆、大臂通过深沟球轴承和铰销与大臂底座连接，构成曲柄滑块结构。大臂由大臂短铰座、 花套、大臂连接件、大臂长铰座等安装组成。大臂具体结构大臂长铰座通过深沟球轴承、销与大臂底座和两个小臂连接板相连接，可自由绕销中心线转动。在其上用螺钉连接有中间连接套筒，中间连接套筒的作用是固定电机安装盘，以实现动力源(伺服电机)的安装与定位。中间连接套筒的另一端与螺杆开槽套筒用螺钉连接。由于开槽套筒臂比较薄，又要保证其连接与支撑强度，故在连接部位增加一个螺杆紧固轴套。开槽套筒内部安装有大臂传动丝杠，两端用深沟球轴承定位，在丝杠上安装有传动螺母。传动螺母通过轴用弹性挡圈、大垫片、连杆螺母销轴与大臂连杆或者小臂连杆相连接。传动螺母依靠开槽套筒的开槽实现定向运动。开槽套筒的另一端用螺钉与大臂短铰座连接。电机通过减速器与丝杠相连。因为大臂是众多零部件的组装体，由于加工及装配条件的限制，无法保证丝杠与电机减速器输出轴的对中性。因此，传动丝杠与传动电机连接段做成波纹管结构形式。这样在对中性不太好的情况下，依然可以保证此传动结构的可靠运行。这样，电机转动时会带动丝杠转动，从而使得螺母定向运动，螺母的运用又会引起连杆的转动，进而实现整个关节的运动。两大臂结构组成相同，安装位置相反。外侧大臂末端通过销钉、深沟球轴承与小臂对边板连接，实现四边形传动结构。为了防止小臂对边板的变形，保证两大臂的平面运动， 两个小臂对边板中间通过内六角螺钉、支撑杆相连接，从而增加了小臂对边板的刚度。小臂与两个大臂以及大臂连杆连接，实现绕关节轴线的旋转。小臂末端留有安装孔，可与腕摆关节连接。3.腕摆、腕转关节设计腕摆、腕转结构设计如图8a、8b、8c、8d所示。腕摆关节通过手部连接件，与小臂连接。由于末端负载较重，而采用螺钉连接方式的连接强度不高，故手部连接件与小臂的连接采用螺杆、止动垫圈、螺母的连接方式。电机支座通过螺钉与手部连接件相连，用以固定传动电机组件。整个末端座通过半轴-驱动侧零件和半轴-尾部零件来固定，而这两个零件通过轴承与手部连接件相连。电机组件输出端通过紧定套、压紧螺塞(母)与半轴-驱动侧零件连接。电机组件工作时，带动半轴-驱动侧零件转动，从而实现腕摆关节的驱动。腕转关节结构设计与腕摆关节设计相似。末端座一端与半轴-驱动侧、半轴-尾部通过螺栓、止动垫圈、螺母连接；另一端通过轴承安装在末端套筒上，两轴承之间依靠轴承内挡圈、轴承外挡圈、轴用弹性挡圈定位。电机组件通过螺钉与末端座的末端连接。末端套筒上有连接推进机构的接口，末端套筒的前端与末端压盖通过紧定套连接，端盖上有压紧螺帽。这样就实现了电机组件输出轴与末端套筒、紧定套、压紧螺帽的连接。当电机组件工作时，会带动末端套筒转动，从而实现腕转关节的转动。以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式
的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种机械臂，其特征在于，包括底座臂，其通过腰转关节与大臂底座相连，内部装有动力机构和传动机构，所述大臂底座能够在所述底座臂上转动；所述大臂底座通过大臂关节与第一大臂的一端相连接；所述第一大臂的另一端通过小臂关节与小臂相连接；所述小臂的一端连接于与所述第一大臂平行的第二大臂的一端；所述小臂的另一端连接有手部连接件，并通过腕摆关节与末端座相连接；所述末端座通过腕转关节与末端套筒连接。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述动力机构是电机组件，所述传动机构是谐波减速器；所述底座臂上安装有电机固定座、深沟球轴承、谐波减速器钢轮以及轴承压座，在其底部有用于固定的联接螺纹孔；所述电机组件的减速器输出轴与谐波输入轴的输入端通过紧定螺钉紧固；谐波输出轴通过键与谐波减速器的波形发生器连接；谐波输入轴的输入端做成波纹管样式；谐波减速器的输出钢轮与谐波输出轴通过内六角螺钉联接紧固；谐波输出轴依靠深沟球轴承支撑在底座臂上，轴承之间靠轴承内圈挡圈和轴承外圈挡圈定位；电机组件驱动其自带的减速器运动，从而使谐波输入轴带动谐波减速器转动，继而带动谐波输出轴运动；谐波输出轴通过其上的键与大臂底座联接，这样，电机组件转动时就会带动大臂底座运动，从而实现腰转关节的转动
3.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述大臂关节为曲柄滑块机构；其中， 所述大臂底座上可枢转地连接有大臂连杆，所述大臂连杆的另一端能够在所述第一大臂上平动，从而实现所述第一大臂的摆动。
4.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述小臂关节为曲柄滑块带动平行四边形机构；其中，所述小臂上可枢转地连接有小臂连杆，所述小臂连杆的另一端可在与所述第一大臂平行的第二大臂上平动，从而实现所述小臂的摆动.
5.根据权利要求3或4所述的机械臂，其特征在于，所述大臂连杆与所述小臂连杆的平动端分别通过丝杠传动。
6.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述手部连接件与小臂的连接采用螺杆、止动垫圈、螺母的连接方式，电机支座通过螺钉与手部连接件相连，用以固定腕摆电机组件；整个末端座通过半轴-驱动侧零件和半轴-尾部零件来固定，而这两个零件通过轴承与手部连接件相连；腕摆电机组件输出端通过紧定套、压紧螺塞(母)与半轴-驱动侧零件连接；腕摆电机组件工作时，带动半轴-驱动侧零件转动，从而实现腕摆关节的驱动。
7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述末端座一端与半轴-驱动侧、半轴-尾部通过螺栓、止动垫圈、螺母连接；另一端通过轴承安装在末端套筒上，两轴承之间依靠轴承内挡圈、轴承外挡圈、轴用弹性挡圈定位；腕转电机组件通过螺钉与末端座的末端连接；末端套筒上有连接推进机构的接口，末端套筒的前端与末端压盖通过紧定套连接， 端盖上有压紧螺帽，当腕转电机组件工作时，会带动末端套筒转动，从而实现腕转关节的转动。
8.—种医疗机器人，具有至少5自由度，其特征在于，具有根据权利要求1-7之一所述的机械臂。
全文摘要
本发明公开了一种用于夹持微创血管介入手术推进机构的机械臂，包括底座臂，其通过腰转关节与大臂底座相连，内部装有动力机构和传动机构，所述大臂底座能够在所述底座臂上转动；所述大臂底座通过大臂关节与第一大臂的一端相连接；所述第一大臂的另一端通过小臂关节与小臂相连接；所述小臂的一端连接于与所述第一大臂平行的第二大臂的一端；所述小臂的另一端连接有手部连接件，并通过腕摆关节与末端座相连接；所述末端座通过腕转关节与末端套筒连接。本发明提高了手术的自动化程度，还提高了手术精度和稳定性。本发明的大臂关节和小臂关节不仅机构尺寸小，而且实现了大力矩传动。
文档编号A61B19/00GK102462533SQ20101054051
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者段星光, 王兴涛, 赵洪华, 陈悦, 黄强 申请人:北京理工大学