专利名称：光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机械臂的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗用具领域，特别涉及
特征的医用机械臂。
种光动力治疗中具有主被动自由度相结合
背景技术：
激光光动力疗法治疗鲜红斑痣的手术过程 1)病人躺下，尽量使红斑区朝上，医生观察病人红斑部位，对红斑区按平面划分治疗区，并用白胶布将治疗区外的部分遮挡起来； 2)用厚布将病人面部非病灶区保护起来，以防被激光灼伤； 3)注射光敏剂，至此，术前准备工作全部结束，接下来是手术治疗过程； 4)手术过程长达数十分钟甚至一小时以上，在治疗过程中医生需要不断地调整激
光的照射位置与角度； 5)照射结束后，拆掉厚布和胶布，即完成了本次手术的治疗。 在治疗中，主要依靠医生手拿激光光纤，根据病灶分级、位置、反应进行调整照射，医生长时间进行人工操作，劳动强度极大。当前的手术方案中，存在以下影响手术治疗效果的因素 1)手术对医生经验要求较高，从术前照射平面的划分到术中入射位置与角度的不断调整都需要操作医生有较丰富的经验，这严重影响了治疗的效果和治疗方法的普及；
2)治疗过程时间较长，而且治疗过程中医生需要一直拿着激光笔，并不断调整照射角度和位置，同时这是一项很枯燥的劳动，医生容易疲劳、困倦，影响治疗效果，甚至导致医疗事故； 3)手术中，为减轻医生劳动强度而使用支架，但支架用久以后会出现锁不紧的现象，而且利用支架时，激光笔是停止不动的，这样势必会降低照射效果。 为了使光动力治疗标准化，提高治疗精确性，须将该技术建立在更精确、更稳定和程序化的基础上，减少人为因素和经验因素的影响，减轻医生劳动强度，以此保证整个治疗的精确均匀实施。因此现有技术中开展了机器人辅助光动力治疗手术，此方法虽然能解决上述的技术问题，但又存在系统复杂，难于控制，不能起到精确定位和治疗过程精确均匀实施的作用。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的不足，提供了一种结构简单、易于控制、能够起到精确定位和治疗过程精确均匀实施的作用的光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机械臂。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机械臂，包括导航臂，所述导航臂上依次设置被动式关节A、被动式关节B、被动式关节C、被动式关节D、主动式关节E、主动式关节F，所述导航臂上设有控制被动式关节的通断电开关，所述主动式关节E能够实现圆周上的转动，所述主动式关节F能够实 现半径方向的摆动。 所述被动式关节A与被动式关节B之间通过伸縮臂关节相连。
所述伸縮臂关节与被动式关节B之间设有所述通断电开关。 所述被动式关节A —端连接接口管，所述被动式关节A包括外套筒，所述外套筒一
端设有轴承外端盖，另一端设有接口管，所述外套筒内部设有制动器定子，所述制动器定子
与外套筒接触的侧壁设有调整垫圈，所述制动器定子一端与所述接口管固定连接，另一端
设有制动器转子，所述制动器转子与转动轴固定连接，所述转动轴设置在轴承上。 所述被动式关节A通过接头与伸縮固定臂相连，所述伸縮固定臂内连接伸縮臂，
所述伸縮固定臂与伸縮臂为阶梯结构，所述伸縮固定臂与所述伸縮臂的接头设有固定套。 所述被动式关节B包括相对设置的套筒I、套筒II和谐波减速器，所述的谐波减速
器由谐波发生器、谐波柔轮、谐波刚轮组成，所述谐波发生器与所述谐波柔轮配合，所述谐
波柔轮与所述谐波刚轮配合，所述套筒I 一端设有定子支撑，所述定子支撑与固定臂相连，
所述套筒II与转动臂相连；所述定子支撑固定连接制动器定子，所述制动器定子一边设有
制动器转子，所述制动器转子固定在转子支撑件上，所述转子支撑件固定在转动轴上，所述
转动轴设置在轴承支撑上，所述转动轴与设置在套筒II内的谐波发生器相连，所述谐波柔
轮与套筒II相连，所述的谐波刚轮与连接件、轴承支撑固定在一起； 所述被动式关节C与所述被动式关节B的结构相同。 所述被动式关节D包括与臂相连的支撑件及制动器定子，所述制动器定子一边设 有制动器转子，所述制动器转子与转动轴相连，所述转动轴设置在轴承上，所述轴承设置在 支撑件上，所述转动轴上设有接头。 所述主动式关节E包括与臂相连的电机支撑件，所述电机支撑件上固定电机组 件，所述电机组件与转动轴一端相连，所述转动轴另一端设有螺纹，所述转动轴设置在轴承
上，所述轴承固定在套筒ni，所述套筒ni上固定霍尔定位盘，所述套筒iii与电机支撑件
以及臂连接在一起。 所述主动式关节F包括套筒VI、电机支撑件，所述电机支撑件上固定电机组件，所 述电机组件与转动轴一端相连，所述转动轴另一端设有外螺纹，所述转动轴设置在轴承上， 所述转动轴通过所述的外螺纹连接夹持器，所述套筒VI分别与转臂、电机支撑件和霍尔安 装盘相连。
本发明技术方案带来的有益效果 (1)将"主动"自由度与"被动"自由度有机结合可降低对控制系统的要求，控制系 统复杂度降低，从而提高了系统控制精度； (2)"被动"自由度实现粗定位，可进行大范围运动，"主动"自由度可实现精确定 位，提高手术治疗精度，保证治疗的精确实施，减轻医生劳动强度，提高手术效果；
(3)被动自由度可实现运动范围内任意位置自锁，提高了系统刚度和可靠性。
本发明主要应用于光动力疗法(Photodynamic ther即y， PDT)治疗手术中。
图1为本发明实施例的装置示意4
图2为图1中的I处放大图；
图3为图1的俯视图； 图4为本发明实施例被动式关节A的结构示意图；
图5为图4中的A-A向视图； 图6为本发明实施例被动式关节A插入激光器接口的示意图；
图7为本发明实施例伸縮臂的结构示意图；
图8为本发明实施例被动式关节B的结构示意图；
图9为本发明实施例被动式关节C的结构示意图；
图10为图9中的A向视图； 图11为本发明实施例主动式关节D的结构示意图；
图12为本发明实施例主动式关节E的结构示意图；
图13为图12的俯视图； 图14为本发明实施例机器人的运动结构简图；图15为机器人典型手臂结构及性 能。 图中01内六角圆柱螺钉，02六角锁紧螺母，03开槽沉头螺钉，04开槽长圆柱紧定 螺钉； 1被动式关节A， 2被动式关节B， 3被动式关节C， 4被动式关节D， 5主动式关节E，
6主动式关节F， 7伸縮臂关节，8通断电开关，9接头，10伸縮臂，11摆动臂，12腕部，13制动
器定子，14制动器转子，15转动轴，16轴承，17调整垫圈；18轴承内挡圈，19轴承外挡圈； 1. 4灯臂内护管，1. 1接口管，1. 2外套筒，1. 3轴承外端盖； 1-1伸縮固定臂，1-2固定套，1-3按钮安装件，1-4按钮组件； 20套筒1，21套筒II， 22定子支撑，23轴承支撑，24谐波发生器，25谐波柔轮，26
谐波刚轮，27连接件，28转子支撑件； 30电机支撑件，31电机组件； 40臂，41支撑件，42接头； 50转动臂，51套筒III，52霍尔定位盘；60套筒，61霍尔安装盘，62夹持器1，63激光组件，64夹持器11，65转臂。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。 参见图1、图2和图3，一种光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机 械臂，包括导航臂，导航臂上依次设置被动式关节A1、伸縮臂关节7、控制被动式关节的通 断电开关8、被动式关节B2、被动式关节C3、被动式关节D4、主动式关节E5、主动式关节F6， 被动式关节Al通过接头9连接伸縮臂关节7，伸縮臂关节7通过伸縮臂10连接被动式关 节B2，被动式关节B2通过摆动臂11连接被动式关节C3，被动式关节D4通过内六角圆柱螺 钉01连接腕部12，腕部12连接主动式关节E5，主动式关节E5通过六角锁紧螺母02连接 主动式关节F6 ;主动式关节E5能够实现半径方向的摆动，主动式关节F6能够实现圆周上 的转动。 被动式关节由制动装置控制，通电时各个被动式关节可以很方便地被拉动，可使
5主动部分被置于病灶上方适当位置，断电后每个被动式关节都被自动锁紧，保证系统安全 可靠。主动式关节由电机经传动系统驱动，实现照射动作；该机器人的主要技术参数描述如 表l。 表1机器人参数表
被动自由度4主动自由度2各关节臂长度( )500-1000可调长度、300、 200、 150、 40总重量2.5kg0057]驱动方式步进电机驱动电源12V直流制动方式屯磁制动器制动电源24V直流关节数单轴最大工作范围最大单轴速度
被动式关节A90° (-45°到+45。)人手缓慢拉动
被动式关节B90° (-60。到+30° )人手缓慢拉动
被动式关节c180° (-90°到+90° )人手缓慢拉动
被动式关节D180° (-90°到+90° )人手缓慢拉动
主动式关节E360° (-180°到+180° )90。 /s
主动式关节F30° (-丄5°到+15° )90° /s 在光动力治疗中，被动的手臂的作用是将主动的手腕置于病灶区域的上方合适位 置处。被动的手臂可随时手工调整，调整后自动锁死不动；主动的手腕的作用是带动光纤 固定杆按预定的治疗模式进行动作，以达到均匀照射的目的。被动的手臂是指由所有被动 式关节(4个)组成部分，主动的手腕是指由所有主动式关节(2个)组成部分。治疗过程 中，被动式关节不动，激光笔放置在机械臂末端的主动式关节F上，两个主动式关节通过运 动合成带动激光笔运动。 本发明实施例的机械臂应用目的是在激光光动力治疗鲜红斑痣手术过程中用机 器人代替医生完成重复性劳动，并利用机器人定位精度高，运动准确等特点提高治疗效果。 因此，根据医生实际的治疗过程，本发明设计了 4个被动自由度，2个主动自由度，4个被动 自由度起初步定位作用，主要将2个主动自由度置于病灶部位上方，然后通过程序控制两 个主动自由度的电机，使其中一个主动自由度做旋转运动，另一个主动自由度做来回的摆 动运动，两个运动合成后即可实现医生实际治疗中的治疗模式，以此实现病灶区域的均匀 照射，精确治疗，以提高治疗效果。 当按下被动自由度通断电开关后，被动自由度便可被随意拖动，当松开按钮后被 动自由度就自动锁死，不能再被拖动，被动自由度通过制动器实现自锁功能，主动自由度通 过步进电机实现主动式驱动，可编程控制电机运动，在治疗过程中被动式关节调整好位置 后锁死不动，主动自由度通过设定好的程序完成一定轨迹的运动，实现不同治疗模式。因
6此，根据实际应用要求和目的，本发明将2个主动自由度放置在机械臂末端。 本发明的被动自由度采用关节坐标型结构形式，主动自由度采用转动+摆动的关
节型结构。本发明机器人的运动简图如图14所示。 参见图4和图5，被动式关节A为水平摆动关节，没有重力矩的作用，采用单制动器 的定位方式。被动式关节A包括外套筒1. 2，外套筒1. 2 —端通过开槽沉头螺钉03与轴承 外端盖1. 3连接，另一端连接接口管1. l，接口管1. 1为阶梯轴，可以实现轴向平动的定位， 外套筒1. 2内部设有制动器定子13，制动器定子13 —端与接口管1. 1通过内六角圆柱螺钉 01固定，另一端设有制动器转子14，制动器定子13与制动器转子14通电时吸附在一起，不 通电时两个中间有间隙，制动器转子14通过内六角圆柱螺钉01与转动轴15固定连接，转 动轴15通过两个轴承16支撑，两个轴承16之间设有轴承内挡圈18，被动式关节A整个结 构装在外套筒1. 2的内部，并由轴承外端盖1. 3封住。制动器定子13与外套筒1. 2接触的 侧壁设有调整垫圈17，其中调整垫圈17用来调整外套筒1. 2的位置。在制动器断电的状态 下，转动轴15便可以带动制动器转子14转动；通电后锁死。 机器人的被动式关节A作为机器人的固定端，要与激光器相连接并固定。激光器 接口如图6所示。机器人插入激光器的灯臂内护管1. 4中，需要固定轴向的转动和平动。在 激光器的灯臂内护管1. 4和接口管1. 1的配合处打一个径向通孔，用销将两者固定，即可实 现接口管1. 1在轴向的转动和平动定位。 参见图7，被动式关节A1通过内六角圆柱螺钉Ol固定连接接头9，接头9通过内 六角圆柱螺钉Ol与伸縮固定臂1-1相连，伸縮固定臂1-1与伸縮臂io均为阶梯孔结构，可 以实现互锁，伸縮臂10只能先从伸縮固定臂i-i的左侧装入，伸縮固定臂i-i与伸縮臂10 的接头通过六角锁紧螺母02固定有固定套l-2，按钮安装件1-3和按钮组件1-4通过内六 角圆柱螺钉01安装在伸縮臂10上。固定套1-2为橡胶结构，当六角锁紧螺母02拧紧时， 固定套l-2轴向受压縮，径向必然膨胀，与伸縮臂IO摩擦力增大，实现规定作用。
可调整的伸縮臂使机器人可以适用不同的工作环境，在空间比较大的病房，激光 器可以离病人远一些，在空间比较小的病房，只能将激光器置于病床跟前。这样，机械臂设 计为可伸縮的就能够满足上述要求，即长度是可以调整的，长度调整后便固定不变，使用时 不用再次调整，因此机器人仍只有四个被动自由度，而且还不增加关节制动时的制动力矩。
参见图8，被动式关节B的结构示意图，被动式关节B是从被动式关节A开始的第 二个关节，轴向为水平，承受重力矩，是所有关节中所需制动力矩最大的关节。因此被动式 关节B的可靠制动，是整个机器人的关键。由于制动器的制动力矩小于所需的制动力矩，因 此采用制动器+谐波减速器的制动方案。 被动式关节B包括相对设置的套筒120和套筒1121，套筒120 —端通过开槽沉头 螺钉03连接定子支撑22，套筒120与定子支撑22接触处设有调整垫圈17，定子支撑22上 面加工有两圈的螺钉固定孔，内圈的固定孔和制动器的定子固定，外圈的固定孔和套筒120 固定，套筒120与前向的固定臂是一体的，套筒1121与后向转动臂是一体的；定子支撑22 通过内六角圆柱螺钉01固定连接制动器定子13，制动器定子13 —边设有制动器转子14， 断电时，制动器定子13与制动器转子14之间有一定的间隙，通电时，制动器定子13将制动 器转子14紧紧地吸附在一起，制动器转子14与转子支撑件28通过内六角圆柱螺钉01连 接固定，转子支撑件28与转动轴15通过内六角圆柱螺钉01连接固定，图8中共有两组轴圈与连接件27内表面配合，内圈与转动轴15配合，转动轴15在连 接件27内孔中通过里面的两个轴承形成相互转动关系，此组轴承中上面的轴承内圈与转 动轴15中间部分的阶梯形成定位关系，下面的轴承外圈与连接件27形成定位关系，两个轴 承之间设有轴承内挡圈18 ;谐波减速器为一个零件，由三个部分组成，包括谐波发生器24， 谐波柔轮25，谐波刚轮26，转动轴15与谐波发生器24相连，谐波发生器24设置在套筒I121 内，谐波柔轮25通过内六角圆柱螺钉01与套筒1121相连，谐波刚轮24通过内六角圆柱螺 钉01与连接件27、轴承支撑23固定在一起，即，谐波刚轮24、连接件27、轴承支撑23这三 个零件通过内六角圆柱螺钉Ol紧固成一体；转动轴15通过内六角圆柱螺钉01和弹簧垫圈 29固定连接，套筒1121通过开槽沉头螺钉03和轴承外挡圈19连接，套筒120通过内六角 圆柱螺钉01和连接件27连接固定。 断电后，在后向转动臂转动时，通过套筒1121带动谐波柔轮25转动，谐波柔轮25
增速带动谐波发生器24高速转动，谐波发生器24通过转动轴15带动制动器转子14运动。
通电后，制动力矩通过相反的方向传递，实现制动力矩的放大。 被动式关节C与被动式关节B相连，其结构与被动式关节B的相同。 被动式关节D是承受重力矩的，经计算采用单制动器的制动方案即可满足要求。
详细结构如图9所示。 参见图9和图10，被动式关节D包括支撑件41及制动器定子13，支撑件41通过内 六角圆柱螺钉01连接臂40，制动器定子13连接制动器转子14，制动器转子14通过内六角 圆柱螺钉01与转动轴15相连，转动轴15设置在轴承16上，轴承16上设有轴承内挡圈18 和轴承外挡圈19，轴承16设置在支撑件41上，转动轴15上设有接头42，转动轴15通过内 六角圆柱螺钉01和接头42连接固定，开槽沉头螺钉03连接轴承外挡圈19和支撑件41。
参见图ll，主动式关节E是机器人的转动关节，主要负责与被动部分的连接，以及 带动摆动关节。转动臂50通过内六角圆柱螺钉01与电机支撑件30相连，电机支撑件30 上通过内六角圆柱螺钉01固定电机组件31，电机组件31与转动轴15 —端相连，用开槽长 圆柱紧定螺钉04顶紧，转动轴15另一端设有螺纹，负责与主动式关节F连接，S卩两个主动 关节之间通过螺纹连接，外螺纹设计在主动式关节E上，即转动轴15右端，内螺纹设计在主 动式关节F上，转动轴15设置在轴承16上，轴承16固定在套筒11151，套筒III51上通过 开槽沉头螺钉03固定霍尔定位盘52，套筒III51与电机支撑件30以及转动臂50通过内六 角圆柱螺钉01连接在一起。 参见图12和图13，主动式关节F是机器人的末端关节，即摆动关节，主要负责与 主动式关节E连接，并夹持激光笔。主动式关节F包括套筒60、电机支撑件30，电机支撑件 30通过内六角圆柱螺钉Ol固定电机组件31，电机组件31与转动轴15—端相连，用开槽长 圆柱紧定螺钉04顶紧，转动轴15另一端设有外螺纹，负责连接夹持器，转动轴15设置在轴 承16上，轴承16上设有轴承外挡圈19，夹持器分为两部分，夹持器162和夹持器1164，将 激光组件63夹在夹持器162和夹持器1164中间，并通过螺钉连接。转臂65通过内六角圆 柱头螺钉01与套筒60连接，套筒60通过内六角圆柱头螺钉01连接电机支撑件30，通过开 槽沉头螺钉03连接霍尔安装盘61，并支撑整个主动式关节F。调整垫圈17设置在转动轴
815与夹持器162之间，用来调剂激光笔的空间位置。 同样是四个被动自由度和两个主动自由度组成的柔性医疗机械臂，如果改变手臂 关节的结构形式同样可以实现本方案的目的。典型的手臂结构及性能的比较如图15所示
本方案结合光动力疗法治疗手术现场的工作情况与工作空间要求，采用了关节坐 标型结构形式，如果采用其他坐标形式，以及四主动自由度和两被动自由度相结合的形式， 也可实现同样的发明目的。 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
一种光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机械臂，包括导航臂，其特征在于，所述导航臂上设有4个被动式关节与2个主动式关节，所述2个主动式关节位于导航臂末端。
2. 根据权利要求1所述的医用机械臂，其特征在于，所述导航臂上依次设置被动式关 节A、被动式关节B、被动式关节C、被动式关节D、主动式关节E、主动式关节F，所述导航臂 上设有控制被动式关节的通断电开关，所述主动式关节E能够实现圆周上的转动，所述主 动式关节F能够实现半径方向的摆动。
3. 根据权利要求2所述的医用机械臂，其特征在于，所述被动式关节A与被动式关节B 之间通过伸縮臂关节相连。
4. 根据权利要求3所述的医用机械臂，其特征在于，所述伸縮臂关节与被动式关节B之 间设有所述通断电开关。
5. 根据权利要求1 、2或3所述的医用机械臂，其特征在于，所述被动式关节A —端连接 接口管，所述被动式关节A包括外套筒，所述外套筒一端设有轴承外端盖，另一端设有接口 管，所述外套筒内部设有制动器定子，所述制动器定子与外套筒接触的侧壁设有调整垫圈， 所述制动器定子一端与所述接口管固定连接，另一端设有制动器转子，所述制动器转子与 转动轴固定连接，所述转动轴设置在轴承上。
6. 根据权利要求3所述的医用机械臂，其特征在于，所述被动式关节A通过接头与伸縮 固定臂相连，所述伸縮固定臂内连接伸縮臂，所述伸縮固定臂与伸縮臂为阶梯结构，所述伸 縮固定臂与所述伸縮臂的接头设有固定套。
7. 根据权利要求1 、2或3所述的医用机械臂，其特征在于，所述被动式关节B包括相对 设置的套筒1、套筒II和谐波减速器，所述的谐波减速器由谐波发生器、谐波柔轮、谐波刚 轮组成，所述谐波发生器与所述谐波柔轮配合，所述谐波柔轮与所述谐波刚轮配合，所述套 筒I一端设有定子支撑，所述定子支撑与固定臂相连，所述套筒II与转动臂相连；所述定子 支撑固定连接制动器定子，所述制动器定子一边设有制动器转子，所述制动器转子固定在 转子支撑件上，所述转子支撑件固定在转动轴上，所述转动轴设置在轴承支撑上，所述转动 轴与设置在套筒II内的谐波发生器相连，所述谐波柔轮与套筒II相连，所述的谐波刚轮与 连接件、轴承支撑固定在一起；所述被动式关节C与所述被动式关节B的结构相同。
8. 根据权利要求1 、2或3所述的医用机械臂，其特征在于，所述被动式关节D包括与臂 相连的支撑件及制动器定子，所述制动器定子一边设有制动器转子，所述制动器转子与转 动轴相连，所述转动轴设置在轴承上，所述轴承设置在支撑件上，所述转动轴上设有接头。
9. 根据权利要求1 、2或3所述的医用机械臂，其特征在于，所述主动式关节E包括与臂 相连的电机支撑件，所述电机支撑件上固定电机组件，所述电机组件与转动轴一端相连，所 述转动轴另一端设有螺纹，所述转动轴设置在轴承上，所述轴承固定在套筒III，所述套筒 III上固定霍尔定位盘，所述套筒III与电机支撑件以及臂连接在一起。
10. 根据权利要求1、2或3所述的医用机械臂，其特征在于，所述主动式关节F包括套 筒VI、电机支撑件，所述电机支撑件上固定电机组件，所述电机组件与转动轴一端相连，所 述转动轴另一端设有外螺纹，所述转动轴设置在轴承上，所述转动轴通过所述的外螺纹连 接夹持器，所述套筒VI分别与转臂、电机支撑件和霍尔安装盘相连。
全文摘要
本发明公开了一种光动力治疗中具有主被动自由度相结合特征的医用机械臂，包括导航臂，所述导航臂上依次设置被动式关节A、被动式关节B、被动式关节C、被动式关节D、主动式关节E、主动式关节F，所述导航臂上设有控制被动式关节的通断电开关，所述主动式关节E能够实现圆周上的转动，所述主动式关节F能够实现半径方向的摆动。所述被动式关节A与被动式关节B之间通过伸缩臂关节相连。所述伸缩臂关节与被动式关节B之间设有所述通断电开关。本发明将“主动”自由度与“被动”自由度有机结合可降低对控制系统的要求，控制系统复杂度降低，从而提高了系统控制精度、提高手术效果及系统刚度和可靠性。
文档编号A61N5/01GK101703826SQ20091009234
公开日2010年5月12日 申请日期2009年9月10日 优先权日2009年9月10日
发明者段星光, 王兴涛, 边桂彬, 黄强 申请人:北京理工大学