专利名称：微创血管介入手术机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种医疗设备，特别是涉及在机械臂末端安装了六维力传感器， 操作人员通过拖拽六维力传感器可以随时调整机械臂的位置，避免了定位控制的固定程序化，符合人性化操作的微创血管介入手术机器人。
背景技术：
伴随着当今生活节奏的加快，人们的健康问题屡屡引起公众的关心和注意，同时随着社会的日益进步和人们生活水平的不断提高，人们对医疗手段也提出了更高的要求， 除了关注治疗效果外，还对康复速度提出了更高的要求。这就要求医生不仅要在传统生理医学上有所突破，还要应用操作灵活、定位精确的医疗器械，这为医疗机器人的研究提供了客观条件，医疗机器人的应用降低了手术的风险，改善了手术的环境。传统的手术由于需要大创口来暴露手术视野，手术操作给患者带来巨大的痛苦，同时导致术后康复速度很慢，越来越不能满足人们的需要。微创外科的出现及其临床应用为医学领域开辟了新的天地，它以手术切口小、出血量小、术后疤痕小、创伤轻、痛苦少、恢复快为特点被应用于临床手术， 早期的微创外科手术是以腹腔镜和胸腔镜等内窥镜为基础的一种外科手术，微创血管介入手术是微创外科的一个新方向。然而，目前，它还存在着诸多不足(1)内镜需要专人扶持， 很难保证定位的准确性和图像的稳定性；( 由于操作对象较小，人体血管的直径一般小于2mm，而且手术工作时间很长，使得医生感觉非常疲惫，可能会出现医生手的颤动、疲劳、 肌肉神经的反馈，导致动作的不准确，加大了患者的痛苦，降低了手术的成功率；(3)现有手术方法技巧性较强，风险性较高，这些缺点限制了血管介入手术的广泛应用。二十世纪机器人技术进入微创外科手术领域后，利用机器人的高精度、稳定性、灵活性、可控性以及不怕辐射和感染，来完成手术的定位，为医生手术搭建一个稳固的手术操作平台，改善了过去医生只能凭借主观判断和积累的手术经验来完成手术的状况，能够减少人为因素引起的手术误差，提高手术质量。医疗外科机器人不仅可以协助医生完成手术部位的精确定位，解决外科医生手部的颤动、疲劳、肌肉神经的反馈，而且可以实现手术最小损伤，提高疾病诊断、手术治疗的精度与质量，增加手术安全系数，缩短治疗时间，降低医疗成本。近年来微创手术机器人的研究已经成为机器人应用的新领域，尤其是多功能医疗机器人系统已经成为医疗机器人发展的一个新方向。国内医疗机器人的研究和开发受到了越来越多的关注，能够应用于临床的手术机器人越来越多，但微创血管介入手术机器人尚未得到全面的研究和推广应用。传统的机器人操作是通过计算机控制各个电机运动，但是这种方法太过于程式化，不利于医生根据实际情况做出应变。再者，传统的机械臂使用时， 需要首先通过软件对其进行原点复归，占用手术时间，降低手术效率。
实用新型内容本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种用于微创血管介入手术中辅助末端执行器定位的定位机械臂手术机器人。[0005]为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案是微创血管介入手术机器人，由底座、升降立柱、五自由度机械臂及六维力传感器组成；其中升降立柱固定在底座上，五自由度机械臂中的外座套通过卡快座套固连，座套与升降立柱连接，实现机械臂整体的高度调节，五自由度机械臂末端安装六维力传感器。所述的五自由度机械臂包括四个臂和五个转动关节，其中四个臂为肩关节、大臂、后小臂、前小臂，五个转动关节包括肩关节回转、肩关节屈曲、肘关节屈曲、前小臂回转、腕关节屈曲，其中肩关节通过座套与升降立柱连接，肩关节回转通过回转电机、减速器及主动直齿轮传递到肩关节被动直齿轮，肩关节被动直齿轮与肩关节屈曲固连，大臂与肩关节屈曲连接，肘关节屈曲通过键固定在大臂前端，后小臂通过螺钉固连在肘关节屈曲被动锥齿轮上，前小臂回转固定在后小臂的前端，前小臂与前小臂回转固连，前小臂前端安装有腕关节屈曲。所述的肩关节和肩关节回转包括回转电机、箱体、座套、护罩、转动叉筒、肩关节被动直齿轮、架板、连接板、第三绝对值编码器、第三绝对值编码器支架、联轴器、防转盘、第一绝对值编码器、第一绝对值编码器支架、第一绳轮、第二绳轮、第二绝对值编码器、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承、小隔套、肩关节轴承透盖、外套筒、卡块、肩关节屈曲电机、肩关节屈曲减速器、肩关节主动锥齿轮；其中回转电机经过减速器及主动直齿轮传递到肩关节被动直齿轮，肩关节被动直齿轮与转动叉筒固连，主动直齿轮与肩关节被动直齿轮安装在箱体内，箱体一端与座套相连，一端与护罩相连，架板与肩关节被动直齿轮通过连接板固连，第三绝对值编码器通过第三绝对值编码器支架固定在架板上，第三绝对值编码器的输出轴通过联轴器延伸至防转盘内，防转盘固定在护罩上；第一绝对值编码器通过第一绝对值编码器支架固定在连接板上，第一绳轮直接连在第一绝对值编码器的伸出轴上；第二绝对值编码器固定在架板上，第二绳轮直接连在第二绝对值编码器的伸出轴上；座套与转动叉筒之间安装有第一深沟球轴承和第二深沟球轴承，第一深沟球轴承内圈依靠小隔套固定，第二深沟球轴承外圈依靠肩关节轴承透盖固定；肩关节轴承透盖与外套筒通过螺栓固连，外套筒通过卡块与座套固连，座套与升降立柱连接；座套内安装肩关节屈曲电机，肩关节屈曲电机通过肩关节屈曲减速器与肩关节主动锥齿轮连接。所述的肩关节屈曲包括肩关节被动锥齿轮、大臂机架、肩关节屈曲轴、第三绳轮、 肩关节轴承端盖、绳一；其中肩关节被动锥齿轮与肩关节主动锥齿轮啮合，大臂机架固连在肩关节被动锥齿轮上，肩关节屈曲轴与肩关节被动锥齿轮通过键连接，肩关节屈曲轴上安装有第三绳轮作为绳传动的中间轮，肩关节屈曲轴的一端安装有肩关节轴承端盖，肩关节被动锥齿轮上设计有绳轮槽，将绳一的一端放入该槽内，另一端套在第二绳轮上。所述的大臂和肘关节屈曲包括肘关节屈曲编码器、肘关节屈曲电机、肘关节屈曲减速器、肘关节减速器支架、肘关节主动锥齿轮、肘关节被动锥齿轮、肘关节屈曲轴、第四绳轮、绳二、肘关节轴承端盖；其中肘关节屈曲编码器、肘关节屈曲电机和肘关节屈曲减速器通过肘关节减速器支架与大臂机架相连，肘关节屈曲电机通过肘关节屈曲减速器与肘关节主动锥齿轮相连，肘关节主动锥齿轮与肘关节被动锥齿轮啮合，肘关节屈曲轴通过键与肘关节被动锥齿轮连接，后小臂通过螺钉固连在肘关节被动锥齿轮上，肘关节屈曲轴上装有第四绳轮，绳二通过第三绳轮作为绳传动的中间轮，一端套在第四绳轮上，另一端套在第一绳轮上，肘关节屈曲轴的一端安装有肘关节轴承端盖。[0011]所述的腕关节屈曲的驱动方式与肩关节屈曲和肘关节屈曲相同。所述的前小臂回转和腕关节屈曲的校正通过光电开关来实现。所述的六维力传感器通过USB接口与计算机相连，计算机通过控制器和驱动器与肩关节屈曲电机和肘关节屈曲电机相连。本实用新型的机械臂采用仿人设计，各个部件的长度和人体臂膀的各个关节的长度类似，且各个关节的设计也非常类似人的臂膀；传动装置采用内置式，把伞齿轮、编码器， 电机全部放在机械臂内部，使外表光滑、柔和、不显突兀，显现出人性化设计；设计上将机械臂中部分部件后置，使整体的重心尽量靠近升降臂，避免了其自身重量对其承重能力的影响，大大提高其承重能力；在机械臂末端安装了六维力传感器，操作人员通过拖拽六维力传感器可以随时调整机械臂的位置和姿态，避免了定位控制的固定程序化，符合人性化操作； 肩关节回转、肩关节屈曲、肘关节屈曲三个动作模块中安装有高精度绝对位置编码器，绝对位置编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响，在启动时，这三个关节可以直接获得绝对位置而不需要进行复位，只对后两个转动幅度小的关节进行复位。 由于前三个关节摆动幅度较大，复位时需要较长的时间，但是装有绝对位置编码器后，既节约了复位时间也节约了复位空间，非常适用于医院这种场合。
图1为本实用新型系统简图；图2为本实用新型各关节传动及复位简图；图3为本实用新型机械臂与升降立柱的连接方式示意图；图4为本实用新型后置部分简图；图5为本实用新型六维力传感器控制机械臂运动的原理框图。图中标记为 肘关节屈曲轴1、肘关节被动锥齿轮2、肘关节主动锥齿轮3、肘关节减速器支架4、 肘关节屈曲减速器5、肘关节屈曲电机6、肘关节屈曲编码器7、肩关节被动锥齿轮8、肩关节主动锥齿轮9、绳一 10、肩关节屈曲减速器11、肩关节屈曲电机12、第一深沟球轴承13、肩关节被动直齿轮14、第一绝对编码器15、第一绳轮16、第二绝对值编码器17、第二绳轮18、第三绝对值编码器19、联轴器20、防转盘21、第三绝对值编码器支架22、架板23、第一绝对值编码器支架对、连接板25、小隔套沈、升降立柱27、座套观、第二深沟球轴承四、肩关节轴承透盖30、肩关节轴承端盖31、肩关节屈曲轴32、第三绳轮33、绳二 34、大臂机架35、肘关节轴承端盖36、第四绳轮37、回转电机38、箱体39、转动叉筒40、护罩41、外套筒42、卡块 43、底座44、肩关节回转45、肩关节46、肩关节屈曲47、大臂48、肘关节屈曲49、后小臂50、 前小臂回转51、前小臂52、腕关节屈曲53、六维力度传感器M、送管机构55。
具体实施方式如图1所示，其中升降立柱27固定在底座45上，五自由度机械臂通过座套观与升降立柱27连接，实现机械臂整体的高度调节，五自由度机械臂末端安装六维力传感器54， 五自由度机械臂包括四个臂和五个转动关节，其中四个臂为肩关节46、大臂48、后小臂 50、前小臂52，五个转动关节包括肩关节回转45、肩关节屈曲47、肘关节屈曲49、前小臂回转51、腕关节屈曲53，其中肩关节46通过座套观与升降立柱27连接，肩关节回转45通过回转电机、减速器及主动直齿轮传递到肩关节被动直齿轮，肩关节被动直齿轮与肩关节屈曲47固连，大臂48与肩关节屈曲47连接，肘关节屈曲49通过键固定在大臂48前端，后小臂50通过螺钉固连在肘关节屈曲49被动锥齿轮上，前小臂回转51固定在后小臂50的前端，前小臂52与前小臂回转51固连，前小臂52前端安装有腕关节屈曲53。如图2、3、4所示，启动肩关节回转电机38，电机动力经过减速器及主动直齿轮传递到肩关节被动直齿轮14，肩关节被动直齿轮14与转动叉筒40固连，转动叉筒40亦随之转动，肩关节内部各零部件均直接或间接安装在转动叉筒上，一起随之转动，从而实现肩关节回转动作。相互啮合的直齿轮副密封在箱体39内，箱体39 —端与座套观相连，一端与护罩41相连，从而将后置部分与肩关节通过外套筒和箱体连接起来。肩关节回转一定角度，架板23与肩关节被动直齿轮14通过连接板25固连，做相同角度的转动，第三绝对值编码器19固定在架板上23上随之转动，而第三绝对值编码器19的输出轴通过联轴器20延伸至防转盘21内，通过一紧定螺钉限制轴的转动，防转盘21固定在护罩41上，没有发生转动。进而，通过对第三绝对值编码器19进行读数，可以随时确定肩关节回转的角度，当重启电源时无需复位。启动肩关节屈曲电机12，动力经过肩关节屈曲减速器11减速传递到肩关节主动锥齿轮9，进而带动与之啮合的肩关节被动锥齿轮8转动，大臂机架35固连在肩关节被动锥齿轮8上随之转动，肩关节屈曲轴32与肩关节被动锥齿轮8通过键连接，肩关节屈曲轴32 随锥齿轮8同步转动，从而实现肩关节屈曲动作。肩关节被动锥齿轮8上设计有绳轮槽，将绳一 10的一端放入该槽内，另一端套在第二绳轮18上，这样，肩关节被动锥齿轮8转动，通过绳传动带动第二绳轮18同步转动，第二绳轮18直接连在第二绝对值编码器17的伸出轴上，第二绝对值编码器17就可以记录第二绳轮18转动的角度，从而随时读取肩关节屈曲的角度，下次使用时，无需复位就可知道该关节所处的位置。启动肘关节屈曲电机6，动力经过肘关节屈曲减速器5传递到肘关节主动锥齿轮3 及与之啮合的肘关节被动锥齿轮2，后小臂50通过螺钉固连在肘关节被动锥齿轮2上，随之同步转动，实现肘关节屈曲动作。包括肘关节屈曲编码器7在内的肘关节电机组件通过肘关节减速器支架4与大臂机架35相连。肘关节屈曲轴1通过键连接跟随肘关节被动锥齿轮2转动，肘关节屈曲轴1上装有第四绳轮37，绳二 34 —端套在第四绳轮37上，另一端套在第一绳轮16上，第一绳轮16直接连在第一绝对值编码器15的伸出轴上，第一绝对值编码器15就可以记录第一绳轮16转动的角度，从而实现随时读取肘关节屈曲的角度，下次使用时无需复位。由于第一绝对值编码器15组件后置，测肘关节屈曲的角度时，绳二 34需要经过肩关节，而肩关节屈曲动作会影响绳的传动，因此在肩关节屈曲轴32上安装有第三绳轮33作为绳传动的中间轮，避免肩关节屈曲时绳二 34碰到肩关节屈曲轴32上，影响其传动，造成第一绝对值编码器15读数失误。前小臂回转51通过电机带动谐波减速器实现，腕关节屈曲53的驱动方式与肩关节屈曲47和肘关节屈曲49相同，前小臂回转51和腕关节屈曲53的校正通过光电开关来实现，前小臂52前端安装有腕关节屈曲53，通过五个关节转动不同的角度实现对机械臂末端所连接送管机构55的定位。如图6所示，操作人员沿某一指定方向拖拽六维力传感器，六维力传感器将六维应变信号转换成空间坐标系中的六维力(三维力，三维力矩)信号，进而转变为六维电压信号经USB接口输出至计算机，计算机将六维电压信号转换为空间的六维位移(三移动，三转动)，并将移动合并成一条空间直线，将该直线作为目标轨迹进行路径规划，计算出各关节在相应时间内的位置和速度，通过电机控制器和驱动器协调控制各个关节电机的运动，实现借助六维力传感器对机械臂的位置和姿态控制。
权利要求1.微创血管介入手术机器人，由底座、升降立柱、五自由度机械臂及六维力传感器组成；其特征在于其中升降立柱固定在底座上，五自由度机械臂中的外座套通过卡快座套固连，座套与升降立柱连接，五自由度机械臂末端安装六维力传感器。
2.根据权利要求1所述的微创血管介入手术机器人，其特征在于五自由度机械臂包括四个臂和五个转动关节，其中四个臂为肩关节、大臂、后小臂、前小臂，五个转动关节包括肩关节回转、肩关节屈曲、肘关节屈曲、前小臂回转、腕关节屈曲，其中肩关节通过座套与升降立柱连接，肩关节回转通过回转电机、减速器及主动直齿轮传递到肩关节被动直齿轮，肩关节被动直齿轮与肩关节屈曲固连，大臂与肩关节屈曲连接，肘关节屈曲通过键固定在大臂前端，后小臂通过螺钉固连在肘关节屈曲被动锥齿轮上，前小臂回转固定在后小臂的前端，前小臂与前小臂回转固连，前小臂前端安装有腕关节屈曲。
3.根据权利要求2所述的微创血管介入手术机器人，其特征在于肩关节和肩关节回转包括回转电机、箱体、座套、护罩、转动叉筒、肩关节被动直齿轮、架板、连接板、第三绝对值编码器、第三绝对值编码器支架、联轴器、防转盘、第一绝对值编码器、第一绝对值编码器支架、第一绳轮、第二绳轮、第二绝对值编码器、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承、小隔套、 肩关节轴承透盖、外套筒、卡块、肩关节屈曲电机、肩关节屈曲减速器、肩关节主动锥齿轮； 其中回转电机经过减速器及主动直齿轮传递到肩关节被动直齿轮，肩关节被动直齿轮与转动叉筒固连，主动直齿轮与肩关节被动直齿轮安装在箱体内，箱体一端与座套相连，一端与护罩相连，架板与肩关节被动直齿轮通过连接板固连，第三绝对值编码器通过第三绝对值编码器支架固定在架板上，第三绝对值编码器的输出轴通过联轴器延伸至防转盘内，防转盘固定在护罩上；第一绝对值编码器通过第一绝对值编码器支架固定在连接板上，第一绳轮直接连在第一绝对值编码器的伸出轴上；第二绝对值编码器固定在架板上，第二绳轮直接连在第二绝对值编码器的伸出轴上；座套与转动叉筒之间安装有第一深沟球轴承和第二深沟球轴承，第一深沟球轴承内圈依靠小隔套固定，第二深沟球轴承外圈依靠肩关节轴承透盖固定；肩关节轴承透盖与外套筒通过螺栓固连，外套筒通过卡块与座套固连，座套与升降立柱连接；座套内安装肩关节屈曲电机，肩关节屈曲电机通过肩关节屈曲减速器与肩关节主动锥齿轮连接。
4.根据权利要求2所述的微创血管介入手术机器人，其特征在于肩关节屈曲包括 肩关节被动锥齿轮、大臂机架、肩关节屈曲轴、第三绳轮、肩关节轴承端盖、绳一；其中肩关节被动锥齿轮与肩关节主动锥齿轮啮合，大臂机架固连在肩关节被动锥齿轮上，肩关节屈曲轴与肩关节被动锥齿轮通过键连接，肩关节屈曲轴上安装有第三绳轮作为绳传动的中间轮，肩关节屈曲轴的一端安装有肩关节轴承端盖，肩关节被动锥齿轮上设计有绳轮槽，将绳一的一端放入该槽内，另一端套在第二绳轮上。
5.根据权利要求2所述的微创血管介入手术机器人，其特征在于大臂和肘关节屈曲包括肘关节屈曲编码器、肘关节屈曲电机、肘关节屈曲减速器、肘关节减速器支架、肘关节主动锥齿轮、肘关节被动锥齿轮、肘关节屈曲轴、第四绳轮、绳二、肘关节轴承端盖；其中肘关节屈曲编码器、肘关节屈曲电机和肘关节屈曲减速器通过肘关节减速器支架与大臂机架相连，肘关节屈曲电机通过肘关节屈曲减速器与肘关节主动锥齿轮相连，肘关节主动锥齿轮与肘关节被动锥齿轮啮合，肘关节屈曲轴通过键与肘关节被动锥齿轮连接，后小臂通过螺钉固连在肘关节被动锥齿轮上，肘关节屈曲轴上装有第四绳轮，绳二通过第三绳轮作为绳传动的中间轮，一端套在第四绳轮上，另一端套在第一绳轮上，肘关节屈曲轴的一端安装有肘关节轴承端盖。
6.根据权利要求1或3或5所述的微创血管介入手术机器人，其特征在于所述的六维力传感器通过USB接口与计算机相连，计算机通过控制器和驱动器与肩关节屈曲电机和肘关节屈曲电机相连。
专利摘要本实用新型公开了一种微创血管介入手术机器人，由底座、升降立柱、五自由度机械臂及六维力传感器组成；其中升降立柱固定在底座上，五自由度机械臂中的外座套通过卡快座套固连，座套与升降立柱连接，实现机械臂整体的高度调节，五自由度机械臂末端安装六维力传感器；操作人员通过拖拽六维力传感器可以随时调整机械臂的位置和姿态，避免了定位控制的固定程序化，符合人性化操作；肩关节回转、肩关节屈曲、肘关节屈曲三个动作模块中安装有高精度绝对位置编码器，绝对位置编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响，在启动时，这三个关节可以直接获得绝对位置而不需要进行复位，只对后两个转动幅度小的关节进行复位。
文档编号A61B19/00GK202143653SQ20112014328
公开日2012年2月15日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者王洪波 申请人:无锡佑仁科技有限公司