一种脊柱微创手术机器人的制作方法

本发明涉及一种脊柱微创手术机器人，特别涉及一种混联脊柱微创手术机器人机构。

背景技术：

骨科手术是外科手术中数量最多的术种，脊柱外科手术是其中一个重要的分支，包括外伤、感染、脊柱畸形、肿瘤等病种，与其相对应的手术主要有椎弓根螺钉内固定术、经皮椎体成形术、椎间盘镜、椎间盘摘除术等。手术过程中病人体位固定后，后续手术均涉及到内植物的植入，因此如何精确地沿预定路径完成植入过程显得至关重要。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种混联脊柱微创手术机器人机构，能够通过电机的协同配合调整末端执行器的位姿。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种混联脊柱微创手术机器人机构，该机器人机构包括：三自由度串联部分和三自由度并联部分组成。

串联部分的第一自由度为移动自由度，包括：固定平台，第一丝杠套筒，第一电机，第一丝杠，第一导杆，第一丝杠螺母，被动伸缩杆。

串联部分的第一个自由度零部件之间的连接：第一导杆和第一电机分别和固定平台通过螺钉连接。第一电机和第一丝杠通过联轴器进行连接。第一丝杠螺母和被动伸缩杆通过螺钉同轴心连接。然后将固定平台和第一丝杠套筒通过螺钉连接。将第一丝杠螺母的两个孔和第一导杆、第一电机分别对应对齐，启动电机带动第一丝杠螺母移动。这样在第一电机转动的时候，被动伸缩杆就可以沿着第一丝杠套筒上下移动。

串联部分的第二个自由度为转动自由度，包括：被动伸缩杆，伸缩杆盖，第一套筒，第一转轴，第一轴承，第二轴承，第三轴承，第一端盖，第二电机和第一转臂。

串联部分的第二个自由度零部件之间的连接：将第二轴承和第一转臂同轴心放入，下部和第一转臂接触，上部和第一转轴的阶梯轴下部接触。再将第一轴承和第一转臂同轴心下部放入，第一轴承上部和第一转臂接触，下部和第一套筒接触。再将第一套筒和第一转轴同轴心底部放入，固定第一轴承。将第一转轴放入伸缩杆盖的中凹部位，将这两部分用螺钉连接。而后将伸缩杆盖和被动伸缩杆通过螺钉连接。将第三轴承和第一转轴同轴心放入上部和第一转轴的阶梯轴接触。然后将第二电机和第一端盖进行螺钉连接。然后将第二电机和第一转轴中凹部分对齐插入，将第一端盖和第一转臂通过螺钉连接。在第二电机启动后，第一转轴不动，第二电机带动第一端盖，第一端盖带动第一转臂进行转动，形成转动副。

串联部分的第三个自由度为转动自由度，包括：第一转臂，第二转臂，第三电机，第二端盖，第四轴承，第五轴承，第二转轴。

串联部分的第三个自由度零部件之间的连接：将第一转臂和第二转臂同轴心放置，将第二转轴同轴心从下部放入，使得第二转轴的阶梯轴和第二转臂接触。再将第五轴承同轴心底部放入，第五轴承上部和第二转轴的阶梯轴接触。将第二端盖底部同轴心放入，和第一转臂螺钉连接，并且轴向限制第五轴承的向下移动。将第四轴承上部同轴心放入，下部和第二转臂接触。然后将第三电机和第二端盖进行螺钉连接。然后将第三电机和第二转轴中凹部分对齐插入，将第二端盖和第一转臂通过螺钉连接。第二转轴和第二转臂通过销进行连接。在第三电机启动后，电机不动，第二转轴带动第二转臂进行转动，形成转动副。

串联部分的末端，即第二转臂的末端和并联平台通过螺钉固连在一起。

并联部分分为五部分：并联平台，两条支链，丝杠和万向平台组成。

其中，两条支链相同，这里用第一条支链进行说明。

支链的第一个自由度是万向副，万向副的第一个转动副零部件包括：并联平台，第一螺母，第二套筒，第六轴承，第三转轴，第一旋转零件。

并联部分的第一个万向副的第一个转动副零部件之间的连接：将两个第六轴承分别从两侧同轴心放入并联平台第一条支链的孔中，卡在孔的内阶梯轴上。将第三转轴和第一旋转零件同轴心连接。再将第三转轴从并联平台前端安装在第六轴承的轴承孔内。将第二套筒从并联平台后端安装到第三转轴上和第六轴承内环接触。然后将第一螺母旋入第三转轴和第二套筒接触。

支链的第一个万向副的第二个转动副零部件包括：第一旋转零件，第三套筒，第七轴承，第一螺钉，第三端盖，第一键，第四转轴，连接件。

支链的第一个万向副的第二个转动副零部件之间的连接：将第一键放入第四转轴的键槽。第一旋转零件和连接件同轴心配合，将添加好键的第四转轴对齐连接件的键槽插入。第三套筒分别自第四转轴两端插入，和连接件接触。将两个第七轴承分别自第四转轴两端插入，和第三套筒接触。将两个第三端盖分别自第四转轴两端插入，和第七轴承接触。

支链的第二个自由度是移动自由度，零部件包括：连接件，丝杠底座，第一支撑座，第四电机，第一带轮，第一皮带，第二带轮，第八轴承，第四端盖，第二导杆，第二丝杠，第二丝杠螺母，第二支撑座，直线轴承，第二被动伸缩杆。

支链的第二个自由度，移动自由度零部件之间的连接：连接件和丝杠底座通过螺钉连接在一起。第四电机和第一支撑座通过螺钉连接。第四电机和第一带轮连接。第八轴承和第一支撑座同轴心配合，第八轴承外侧通过第四端盖固定外圈。第一支撑座和丝杠底座通过螺钉连接。第二丝杠细端插入第八轴承中，轴阶和第八轴承的内圈接触。第二丝杠突出细端和第二带轮配合。第一皮带和第一带轮与第二带轮配合，传递转矩。第二导杆的两端分别和第一支撑座与第二支撑座配合固定。第二丝杠螺母和第二导杆与第二丝杠分别对应配合。第二丝杠螺母和第二被动伸缩杆螺钉连接。直线轴承固定在丝杠底座和第二支撑座之间。

支链的第三个自由度是万向副，零部件包括：第二被动伸缩杆，第二旋转零件，第九轴承，第十轴承，第二螺母，第三螺母，第十一轴承，第四套筒，第二丝杠套筒。

支链的第三个自由度，万向副零部件之间的连接：第九轴承和第十轴承分别从第二旋转零件两端同轴心配合，外圈和第二旋转零件接触配合。第二被动伸缩杆细端安装在第九轴承和第十轴承的轴承孔内，轴阶固定第九轴承的内圈。第二螺母自第二被动伸缩杆细端旋入，将第十轴承固定。

第十一轴承和第二旋转零件同轴心配合，外圈和第二旋转零件接触。第二丝杠套筒和第四套筒同轴心配合。安装好的第二丝杠套筒安装在第十一轴承孔内。第三螺母自第二丝杠套筒的另一端旋入，将第十一轴承固定。

万向平台的零部件包括：并联平台，第十二轴承，第一挡板，万向内平台，第五电机，第三丝杠套筒，第三带轮，第二皮带，第四带轮，第二挡板，第十三轴承，第十四轴承，第三挡板，第十五轴承，第四挡板。

万向平台零部件之间的连接：第十二轴承和第十三轴承分别同轴心内侧放入并联平台，外圈定位。将第一挡板和第二挡板分别放入第十二轴承和第十三轴承的轴承孔内，阶梯固定轴承内圈，将两个轴承进行定位。第十四轴承和第十五轴承分别同轴心内侧放入第三挡板和第四挡板，外圈定位。将万向内平台两轴分别放入第十四轴承和第十五轴承的轴承孔内，轴阶固定轴承内圈，将两个轴承进行定位。然后用螺钉将第一挡板、第二挡板、第三挡板和第四挡板用螺钉连接固定。第三丝杠套筒放入万向内平台中固定。第五电机和万向内平台螺钉连接。第三带轮和第三丝杠套筒连接固定。第四带轮和第五电机固定。第二皮带和第三带轮，第四带轮配合。当第五电机带动第四带轮转动时，通过第二皮带带动第三带轮和第三丝杠套筒转动，进而丝杠转动，形成移动。

本发明和已有技术相比所具有的增益效果：

本发明通过第一到第三电机驱动进行串联部分的移动，调节并联平台的位置。两条支链上的两个第四电机来调节末端执行器的位姿，第五电机的转动，调节末端执行器的工作深度

提供一种混联脊柱微创手术机器人机构，可以用来实现脊柱微创手术。

附图说明

图1一种混联脊柱微创手术机器人机构的组件示意图。

图2并联部分的组件示意图。

图3第一移动副和第一转动副组件爆炸示意图。

图4第一移动副和第一转动副组件剖视示意图。

图5第二转动副组件爆炸示意图。

图6第二转动副组件剖视示意图。

图7并联机构支链第一万向副爆炸示意图。

图8并联机构支链第一万向副剖视位置示意图。

图9 A-A剖视示意图。

图10 B-B剖视示意图。

图11并联机构支链移动副爆炸示意图。

图12并联机构支链移动副斜视示意图。

图13并联机构支链移动副剖视位置示意图。

图14并联机构支链移动副C-C剖视示意图。

图15并联机构支链第二万向副爆炸示意图。

图16并联机构支链第一万向副剖视位置示意图。

图17 D-D，E-E剖视示意图。

图18万向平台爆炸示意图。

图19万向平台斜视图。

图20万向平台剖视位置示意图。

图21 G-G剖视示意图。

图22 F-F剖视示意图。

图23固定平台零件示意图。

图24丝杠套筒零件示意图。

图25被动伸缩杆零件示意图。

图26第一丝杠螺母零件示意图。

图27第一转臂零件示意图。

图28第二转臂零件示意图。

图29并联平台零件示意图。

图30丝杠零件示意图。

图31第一丝杠零件示意图。

图32第一导杆零件示意图。

图33伸缩杆盖零件示意图。

图34第一套筒零件示意图。

图35第一转轴零件示意图。

图36第一端盖零件示意图。

图37第二端盖零件示意图。

图38第二转轴零件示意图。

图39第二套筒零件示意图。

图40第三转轴零件示意图。

图41第一旋转零件示意图。

图42第三套筒零件示意图。

图43第三端盖零件示意图。

图44第一键零件示意图。

图45第四转轴零件示意图。

图46连接件零件示意图。

图47丝杠底座零件示意图。

图48第一支撑座零件示意图。

图49第一带轮零件示意图。

图50第一皮带零件示意图。

图51第二带轮零件示意图。

图52第四端盖零件示意图。

图53第二导杆零件示意图。

图54第二丝杠零件示意图。

图55第二丝杠螺母零件示意图。

图56第二支撑座零件示意图。

图57第二被动伸缩杆零件示意图。

图58第二旋转零件示意图。

图59第四套筒零件示意图。

图60第二丝杠套筒零件示意图。

图61第一挡板零件示意图。

图62万向内平台零件示意图。

图63第三丝杠套筒零件示意图。

图64第三带轮零件示意图。

图65第二皮带零件示意图。

图66第四带轮零件示意图。

图67第四挡板零件示意图。

图中：固定平台1，第一丝杠套筒2，移动副3，被动伸缩杆4，转动副5，第一转臂6，转动副7，第二转臂8，并联结构部分9，并联平台10，两条支链11-1,11-2，丝杠12，万向平台13，第一电机14，第一丝杠螺母15，第一丝杠16，第一导杆17，伸缩杆盖18，第一套筒19，第一轴承20，第二轴承21，第一转轴22，第三轴承23，第一端盖24，第二电机25，第三电机26，第二端盖27，第四轴承28，第二转轴29，第五轴承30，第一螺母31-1，第二套筒32-1，第六轴承33-1，第三转轴34-1，第一旋转零件35-1，第三套筒36-1，第七轴承37-1，第一螺钉38-1，第三端盖39-1，第一键40-1，第四转轴41-1，连接件42-1，丝杠底座43-1，第一支撑座44-1，第四电机45-1，第一带轮46-1，第一皮带47-1，第二带轮48-1，第八轴承49-1，第四端盖50-1，第二导杆51-1，第二丝杠52-1，第二丝杠螺母53-1，第二支撑座54-1，直线轴承55-1，第二被动伸缩杆56-1，第二旋转零件57-1，第三螺母58-1，第十一轴承59-1，第四套筒60-1，第二丝杠套筒61-1，第九轴承62-1，第十轴承63-1，第二螺母64-1，第十二轴承65，第一挡板66，万向内平台67，第五电机68，第三丝杠套筒69，第三带轮70，第二皮带71，第四带轮72，第二挡板73，第十三轴承74，第十四轴承75，第三挡板76，第十五轴承77，第四挡板78。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步说明。

一种混联脊柱微创手术机器人机构，如图1所示，该机器人机构包括：三自由度3,5,7串联部分和三自由度并联部分9(如图2所示)组成。

串联部分的第一自由度3为移动自由度，如图3，图4所示，包括：固定平台1，第一丝杠套筒2，第一电机14，第一丝杠16，第一导杆17，第一丝杠螺母15，被动伸缩杆4。

串联部分的第一个自由度3零部件之间的连接：第一导杆17和第一电机14分别和固定平台1通过螺钉连接。第一电机14和第一丝杠16通过联轴器进行连接。第一丝杠螺母15和被动伸缩杆4通过螺钉同轴心连接。然后将固定平台1和第一丝杠套筒2通过螺钉连接。将第一丝杠螺母15的两个孔和第一导杆17、第一电机14分别对应对齐，启动电机带动第一丝杠螺母15移动。这样在第一电机14转动的时候，被动伸缩杆4就可以沿着第一丝杠套筒2上下移动。

串联部分的第二个自由度5为转动自由度，如图3，图4所示，包括：被动伸缩杆4，伸缩杆盖18，第一套筒19，第一转轴22，第一轴承20，第二轴承21，第三轴承23，第一端盖24，第二电机25和第一转臂6。

串联部分的第二个自由度5零部件之间的连接：将第二轴承21和第一转臂6同轴心放入，下部和第一转臂6接触，上部和第一转轴22的阶梯轴下部接触。再将第一轴承20和第一转臂6同轴心下部放入，第一轴承20上部和第一转臂6接触，下部和第一套筒19接触。再将第一套筒19和第一转轴22同轴心底部放入，固定第一轴承20。将第一转轴22放入伸缩杆盖18的中凹部位，将这两部分用螺钉连接。而后将伸缩杆盖和被动伸缩杆4通过螺钉连接。将第三轴承23和第一转轴22同轴心放入上部和第一转轴22的阶梯轴接触。然后将第二电机25和第一端盖24进行螺钉连接。然后将第二电机25和第一转轴22中凹部分对齐插入，将第一端盖24和第一转臂6通过螺钉连接。在第二电机25启动后，第一转轴22不动，第二电机25带动第一端盖24，第一端盖24带动第一转臂6进行转动，形成转动副。

串联部分的第三个自由度7为转动自由度，如图5，图6包括：第一转臂6，第二转臂8，第三电机26，第二端盖27，第四轴承28，第五轴承30，第二转轴29。

串联部分的第三个自由度7零部件之间的连接：将第一转臂6和第二转臂8同轴心放置，将第二转轴29同轴心从下部放入，使得第二转轴29的阶梯轴和第二转臂8接触。再将第五轴承30同轴心底部放入，第五轴承上部和第二转轴29的阶梯轴接触。将第二端盖27底部同轴心放入，和第一转臂6螺钉连接，并且轴向限制第五轴承30的向下移动。将第四轴承28上部同轴心放入，下部和第二转臂8接触。然后将第三电机26和第二端盖27进行螺钉连接。然后将第三电机26和第二转轴29中凹部分对齐插入，将第二端盖27和第一转臂6通过螺钉连接。第二转轴29和第二转臂8通过销进行连接。在第三电机26启动后，电机不动，第二转轴带动第二转臂8进行转动，形成转动副。

串联部分的末端，即第二转臂8的末端和并联平台10通过螺钉固连在一起。

并联部分分为五部分：如图2所示：并联平台10，两条支链11-1,11-2，丝杠12和万向平台13组成。

其中，两条支链相同，这里用第一条支链11-1进行说明。

支链的第一个自由度是万向副，如图7，图8,所示，万向副的第一个转动副零部件如图9所示，包括：并联平台10，第一螺母31-1，第二套筒32-1，第六轴承33-1，第三转轴34-1，第一旋转零件35-1。

并联部分的第一个万向副的第一个转动副零部件之间的连接，如图9所示：将两个第六轴承33-1分别从两侧同轴心放入并联平台10第一条支链11-1的孔中，卡在孔的内阶梯轴上。将第三转轴34-1和第一旋转零件35-1同轴心连接。再将第三转轴34-1从并联平台10前端安装在第六轴承33-1的轴承孔内。将第二套筒32-1从并联平台10后端安装到第三转轴34-1上和第六轴承33-1内环接触。然后将第一螺母31-1旋入第三转轴34-1和第二套筒32-1接触。

支链的第一个万向副的第二个转动副零部件如图10所示，包括：第一旋转零件35-1，第三套筒36-1，第七轴承37-1，第一螺钉38-1，第三端盖39-1，第一键40-1，第四转轴41-1，连接件42-1。

支链的第一个万向副的第二个转动副零部件之间的连接，如图10所示：将第一键40-1放入第四转轴41-1的键槽。第一旋转零件35-1和连接件42-1同轴心配合，将添加好键的第四转轴41-1对齐连接件42-1的键槽插入。第三套筒36-1分别自第四转轴41-1两端插入，和连接件42-1接触。将两个第七轴承37-1分别自第四转轴41-1两端插入，和第三套筒36-1接触。将两个第三端盖39-1分别自第四转轴41-1两端插入，和第七轴承37-1接触。

支链的第二个自由度是移动自由度，如图11，图12，图13，图14所示，零部件包括：连接件42-1，丝杠底座43-1，第一支撑座44-1，第四电机45-1，第一带轮46-1，第一皮带47-1，第二带轮48-1，第八轴承49-1，第四端盖50-1，第二导杆51-1，第二丝杠52-1，第二丝杠螺母53-1，第二支撑座54-1，直线轴承55-1，第二被动伸缩杆56-1。

支链的第二个自由度，移动自由度零部件之间的连接：连接件42-1和丝杠底座43-1通过螺钉连接在一起。第四电机45-1和第一支撑座44-1通过螺钉连接。第四电机45-1和第一带轮46-1连接。第八轴承49-1和第一支撑座44-1同轴心配合，第八轴承49-1外侧通过第四端盖50-1固定外圈。第一支撑座44-1和丝杠底座43-1通过螺钉连接。第二丝杠52-1细端插入第八轴承49-1中，轴阶和第八轴承49-1的内圈接触。第二丝杠52-1突出细端和第二带轮48-1配合。第一皮带47-1和第一带轮46-1与第二带轮48-1配合，传递转矩。第二导杆51-1的两端分别和第一支撑座44-1与第二支撑座54-1配合固定。第二丝杠螺母53-1和第二导杆51-1与第二丝杠52-1分别对应配合。第二丝杠螺母53-1和第二被动伸缩杆56-1螺钉连接。直线轴承55-1固定在丝杠底座43-1和第二支撑座54-1之间。

支链的第三个自由度是万向副，如图15，图16，图17所示，零部件包括：第二被动伸缩杆56-1，第二旋转零件57-1，第九轴承62-1，第十轴承63-1，第二螺母64-1，第三螺母58-1，第十一轴承59-1，第四套筒60-1，第二丝杠套筒61-1。

支链的第三个自由度，万向副零部件之间的连接：第九轴承62-1和第十轴承63-1分别从第二旋转零件57-1两端同轴心配合，外圈和第二旋转零件接触配合。第二被动伸缩杆56-1细端安装在第九轴承62-1和第十轴承63-1的轴承孔内，轴阶固定第九轴承62-1的内圈。第二螺母64-1自第二被动伸缩杆56-1细端旋入，将第十轴承63-1固定。

第十一轴承59-1和第二旋转零件57-1同轴心配合，外圈和第二旋转零件57-1接触。第二丝杠套筒61-1和第四套筒60-1同轴心配合。安装好的第二丝杠套筒61-1安装在第十一轴承59-1孔内。第三螺母58-1自第二丝杠套筒61-1的另一端旋入，将第十一轴承59-1固定。

万向平台13的零部件如图18，图19，图20，图21，图22所示，包括：并联平台10，第十二轴承65，第一挡板66，万向内平台67，第五电机68，第三丝杠套筒69，第三带轮70，第二皮带71，第四带轮72，第二挡板73，第十三轴承74，第十四轴承75，第三挡板76，第十五轴承77，第四挡板78。

万向平台13零部件之间的连接：第十二轴承65和第十三轴承74分别同轴心内侧放入并联平台10，外圈定位。将第一挡板66和第二挡板73分别放入第十二轴承65和第十三轴承74的轴承孔内，阶梯固定轴承内圈，将两个轴承进行定位。第十四轴承75和第十五轴承77分别同轴心内侧放入第三挡板76和第四挡板78，外圈定位。将万向内平台67两轴分别放入第十四轴承75和第十五轴承77的轴承孔内，轴阶固定轴承内圈，将两个轴承进行定位。然后用螺钉将第一挡板66、第二挡板73、第三挡板76和第四挡板78用螺钉连接固定。第三丝杠套筒69放入万向内平台67中固定。第五电机68和万向内平台67螺钉连接。第三带轮70和第三丝杠套筒连接固定。第四带轮72和第五电机68固定。第二皮带71和第三带轮70，第四带轮72配合。当第五电机68带动第四带轮72转动时，通过第二皮带71带动第三带轮70和第三丝杠套筒69转动，进而丝杠12转动，形成移动。

本发明采用混联结构，串联部分提高机构的灵活性。执行器采用并联机构，结构紧凑，体积较小，比较适合在CT等空间有限的条件下进行手术。并且并联机构刚度较高，承载力较大，比较适合微创脊柱这种需要较大进给力的手术。

主要的工作模式：在CT下确定好患者的生病位置和进给角度，然后通过并联平台两个支链调节末端执行器的姿态，然后通过串联平台移动到手术位置，最后通过末端平台上的转动副进行手术操作。

以上所述，仅为本发明的一种工作模式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者结构的替换，都应该在本发明的保护范围之内。