一种适用于临床人体截石位靶向粒子植入机器人的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域，具体是一种适用于临床人体截石位靶向粒子植入机器人。

背景技术：

据2018年癌症报告统计，中国每年新发癌症病例429万，占全球20％，死亡281万例。近距离放射性治疗适用于治疗泌尿生殖系统肿瘤、腹部肿瘤、消化系统肿瘤以及颅内肿瘤。临床该类手术通过腺体腔道作为手术入路，医生手持粒子植入器械经过导向模板到表皮，以表皮作为入口，刺破腺体硬膜，最后抵达肿瘤腺体靶区进行局部精准放射。通过大量临床手术评估，证实了该类手术靶向性强、创伤小、疗效快、副作用少等优势。当前国内外的粒子植入多为手动进行，操作中医生需要反复调整穿刺入口到靶点的路径，刺入过程必须保持手眼完全一致以及持续力控制，才能确保粒子放入放置位置。手工近距离放射性治疗存在问题：一方面医生为了保证手术质量，对于经皮刺入点到靶点路径都要调整，一般肿瘤患者需植入上百个粒子，长时间疲劳操作造成手灵敏度下降，难以保证≤2mm精度。另一方面长时间手术操作导致的手眼疲劳，难以实现恶性肿瘤的精准治疗，缺乏具备一定自主能力的治疗手段。

达芬奇手术机器人成功应用表明，手术机器人在操作准确性、可靠性及减少肌体损伤等方面都优于外科医生徒手操作。

国内外靶向粒子植入机器人始于21世纪初期，美国罗彻斯特大学研制了一种直角坐标式粒子植入机器人，采用移动关节组成直角坐标悬臂结构会降低整体刚度，其自身占用空间较大和运动响应能力也欠佳。罗马尼亚克卢日·纳波卡技术大学研制crru+cru模块化并联式粒子植入机器人，控制时存在工作奇异点的问题，天津大学设计了混合式并联粒子植入机器人，它的结构和材料都适用于核磁兼容环境，整体结构过于复杂，控制起来较为困难。一般采用悬臂关节式机器人更适合人体截石位狭窄空间操作，但悬臂关节式构型在低速高精度操作时，时变重力矩会造成驱动力矩波动较大，恶化机器人低速运动平稳性能。另外，机器人操控介入器械在软组织中定位时，如果穿刺过程遇到血管、动脉和骨骼时，机器人完全缺乏实时触力感知能力，依然采用固定程序进行穿刺必然会造成严重的医疗事故。因此，一种驱动过程平稳、种植精度高、带有触力感知装置、适用用于人体截石位狭窄空操作的靶向粒子植入机器人具有重要理论价值和现实意义。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种适用于临床人体截石位靶向粒子植入机器人。

一种适用于临床人体截石位靶向粒子植入机器人,包括机架，还包括：

位姿调整机构，设置在机架上，用于实现动态条件下运动和力的传递；

触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器，设置在位姿调整机构上，用于与使用者配合提高靶向粒子植入过程的力信息感知能力；

正弦弹力放大力矩补偿机构，设置在机架上且与位姿调整机构配合，通过正弦将弹力放大进行力矩补偿。

所述的位姿调整机构包括大臂、与大臂连接的大臂减速电机、设置在大臂上的主动齿轮、设置在大臂上的小臂、通过铰链与小臂连接的腕部、设置在腕部的连接法兰。

所述的触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器包括与连接法兰配合的外针驱动机构和摩擦轮式内针驱动机构、与摩擦轮式内针驱动机构配合的粒子装载过渡装置、与粒子装载过渡装置配合的触力反馈式外针。

所述的摩擦轮式内针驱动机构包括设置在外针驱动机构上的滑台、设置在滑台上的底板、设置在底板上的内针，内针与摩擦轮配合进行传输。

所述的粒子装载过渡装置为粒子植入通道，所述的触力反馈式外针为空心状的多维力传感器，外针与多维力传感器配合用于注射。

所述的正弦弹力放大力矩补偿机构包括与主动齿轮啮合的被动齿轮、与被动齿轮配合的曲柄滑块机构、与曲柄滑块机构配合实现弹力的放大补偿的弹力放大机构。

所述的曲柄滑块机构包括曲柄、与曲柄配合的连杆；所述的弹力放大机构包括与连杆配合的下滑动齿条、设置在下滑动齿条上的直线滑轨、与下滑动齿条上啮合的小齿轮、与小齿轮配合的大齿轮、与大齿轮通过齿轮齿条副配合的上滑动齿条、设置在上滑动齿条上的滑块、与滑块配合的直线导杆、设置在直线导杆上的若干组压缩弹簧。

一种适用于临床人体截石位靶向粒子植入机器人的使用方法,其具体步骤如下：

s1：驱动：驱动大臂减速电机分别使得使得主动齿轮和大臂动作；

s2：啮合：主动齿轮与被动齿轮啮合；

s3：摆动：被动齿轮与曲柄配合通过转动副与连杆连接，当主动齿轮进行转动时，带动曲柄转动，曲柄通过转动副带动连杆摆动，连杆末端驱动上滑动齿条运动；

s4：横向运动：下滑动齿条横向水平运动时，带动上滑动齿条反向水平运动；

s5：补偿力矩：

a：上滑动齿条运动压缩若干组压缩弹簧，压缩弹簧的弹力经过小齿轮和与小齿轮配合的大齿轮得到放大；

b：放大的弹力反作用于上滑动齿条上，并通过大臂与小臂将力矩传送至触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器上；

s6：直线运动：当外针驱动机构动作时，带动外针作直线运动，通过控制滑台的移动距离，实现外针的精确定位；

s7：回转运动：当外针到达指定位置时，摩擦轮式内针驱动机构带动两组左右对称布置的摩擦轮做回转运动，内针在摩擦轮提供的滚动摩擦力的作用下往复进出粒子植入通道并往复进入粒子装载过渡装置；

s8：检测：进入固接在触力反馈式外针的空心的多维力传感器后，经镂空的外针到达指定位置，空心状的多维力传感器在外针动作时，实时测量外针所受到的力和力矩；

s9：传递信息：将受力信息传输到控制器中，控制器根据受力情况控制外针驱动机构、摩擦轮式内针驱动机构的运动状态并进行粒子植入。

本发明的有益效果是：采用正弦弹力放大力矩补偿机构可以实现大臂任意位形下重力矩的补偿，减少驱动力矩波动，提高机器人末端低速操作的平稳性，结合位姿调整机构，使得植入器的外针在进入表皮入射点时，可以定点调整外针的入射角度，这样可更加灵活的规划进针路径，另外位姿调整机构末端安装的触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器，提高了靶向粒子植入过程的力信息感知能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的正弦弹力放大力矩补偿机构立体结构示意图；

图4为本发明的触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器立体构示意图；

图5为本发明的正弦弹力放大力矩补偿机构原理结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图5所示，一种适用于临床人体截石位靶向粒子植入机器人,包括机架1，还包括：

位姿调整机构2，设置在机架1上，用于实现动态条件下运动和力的传递；

触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器3，设置在位姿调整机构2上，用于与使用者配合提高靶向粒子植入过程的力信息感知能力；

正弦弹力放大力矩补偿机构4，设置在机架1上且与位姿调整机构2配合，通过正弦将弹力放大进行力矩补偿。

所述的位姿调整机构2包括大臂22、与大臂22连接的大臂减速电机23、设置在大臂22上的主动齿轮21、设置在大臂22上的小臂24、通过铰链与小臂24连接的腕部25、设置在腕部25的连接法兰251。

采用正弦弹力放大力矩补偿机构4可以实现大臂22任意位形下重力矩的补偿，减少驱动力矩波动，提高机器人末端低速操作的平稳性，结合位姿调整机构，使得植入器的外针342在进入表皮入射点时，可以定点调整外针的入射角度，这样可更加灵活的规划进针路径，另外位姿调整机构2的末端安装的触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器3，提高了靶向粒子植入过程的力信息感知能力。

所述的触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器3包括与连接法兰251配合的外针驱动机构31和摩擦轮式内针驱动机构32、与摩擦轮式内针驱动机构32配合的粒子装载过渡装置33、与粒子装载过渡装置33配合的触力反馈式外针34。

所述的外针驱动机构31为通用的线性滑台，通过伺服电机驱动丝杠螺母进行外针342的直线传输。

所述的摩擦轮式内针驱动机构32包括设置在外针驱动机构31上的滑台312、设置在滑台312上的底板321、与内针322配合且左右对称分布的两组摩擦轮323，内针322与摩擦轮323配合进行传输。

所述的粒子装载过渡装置33为粒子植入通道331，所述的触力反馈式外针34为空心状的多维力传感器341，外针342与多维力传感器341配合用于注射。

所述的触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器3上设置的摩擦轮式内针驱动机构32，通过控制摩擦轮323转向，实现摩擦轮式内针驱动机构32安装的内针322的往复运动，提高了轴向尺寸设计的紧凑性。

如图4所示，通过驱动电机使得若干组相互配合的齿轮与摩擦轮323配合控制摩擦轮323转向，摩擦轮323转动并进行动力传输。

所述的内针322与粒子装载过渡装置33的粒子植入通道331同轴式配合，内针322往复进出粒子植入通道331同轴式配合，能实现粒子连续上弹。

所述的内针322与外针342同轴安装，所述的内针322可以沿着粒子植入通道331、空心的多维力传感器341、外针342到达外针342的针尖，将粒子推到外针342针尖前方实现粒子放置。

所述的触力反馈式外针34能实时采集外针342针尖接触软组织时的多维力和力矩信息，提高靶向粒子植入过程的力信息感知能力。

所述的正弦弹力放大力矩补偿机构4包括与主动齿轮21啮合的被动齿轮41、与被动齿轮32配合的曲柄滑块机构41、与曲柄滑块机构41配合实现弹力的放大补偿的弹力放大机构43。

正弦弹力放大力矩补偿机构原理：当大臂22上同轴式安装的主动齿轮21逆时针旋转θ角度时，通过减速比为2比1的齿轮副带动被动齿轮4-1顺时针转动θ/2角度，固结在被动齿轮41上的曲柄滑块机构42位形随之变化，此时曲柄滑块机构42上的曲柄421和连杆422之间的夹角变化为θ角度，同时带动连杆422的下端铰接的下滑动齿轮431向右移动距离x下＝2lsin(θ/2)，即曲柄421长度＝连杆422长度＝l，上滑动齿轮436通过弹力放大机构43向左移动距离x上＝2lsin(θ/2)r2/r1，即小齿轮4-3-4半径r1，大齿轮4-3-5半径r2，2组压缩弹簧439沿着直线导杆438向右压缩量x弹簧＝x上，至此大臂22减小的重力势能完全转化为2组压缩弹簧439增加的弹性势能；反之，当大臂22逆时针旋转θ角度时，2组压缩弹簧439的减小弹性势能完全转化为大臂22增加的重力势能。

所述主动齿轮21通过齿轮副与正弦弹力放大力矩补偿机构4连接，正弦弹力放大力矩补偿机构4可以实现大臂22重力矩的补偿，减少大臂减速电机23的驱动力矩的波动和功率，提高机器人低速运动时的平稳性。

所述的曲柄滑块机构41包括曲柄421、与曲柄421配合的连杆422；所述的弹力放大机构43包括与连杆422配合的下滑动齿条431、设置在下滑动齿条431上的直线滑轨432、与下滑动齿条431上啮合的小齿轮434、与小齿轮434配合的大齿轮435、与大齿轮435通过齿轮齿条副配合的上滑动齿条436、设置在上滑动齿条436上的滑块437、与滑块437配合的直线导杆438、设置在直线导杆438上的若干组压缩弹簧439。

所述的下滑动齿轮431通过齿轮齿条副与小齿轮434啮合.

所述的小齿轮434与大齿轮435通过同轴433配合。

所述的大齿轮435通过齿轮齿条副与上滑动齿条436连接。

所述的上滑动齿条436与滑块437固结.

所述的滑块437安装在直线导杆438上，沿着直线导杆438左右滑动.

所述的直线导杆438上安装的2组压缩弹簧439置于滑块437与直线导杆438右端之间。

一种适用于临床人体截石位靶向粒子植入机器人的使用方法,其具体步骤如下：

s1：驱动：驱动大臂减速电机23分别使得使得主动齿轮21和大臂22动作；

s2：啮合：主动齿轮21与被动齿轮41啮合；

s3：摆动：被动齿轮41与曲柄421配合通过转动副与连杆422连接，当主动齿轮21进行转动时，带动曲柄421转动，曲柄421通过转动副带动连杆422摆动，连杆422末端驱动上滑动齿条436运动；

s4：横向运动：下滑动齿条431横向水平运动时，带动上滑动齿条436反向水平运动；

s5：补偿力矩：

a：上滑动齿条436运动压缩若干组压缩弹簧439，压缩弹簧439的弹力经过小齿轮434和与小齿轮434配合的大齿轮435得到放大；

b：放大的弹力反作用于上滑动齿条436上，并通过大臂22与小臂24将力矩传送至触力反馈摩擦轮式靶向粒子植入器3上；

s6：直线运动：当外针驱动机构31动作时，带动外针342作直线运动，通过控制滑台312的移动距离，实现外针342的精确定位；

s7：回转运动：当外针342到达指定位置时，摩擦轮式内针驱动机构32带动两组左右对称布置的摩擦轮323做回转运动，内针322在摩擦轮323提供的滚动摩擦力的作用下往复进出粒子植入通道331并往复进入粒子装载过渡装置33；

s8：检测：进入固接在触力反馈式外针34的空心的多维力传感器341后，经镂空的外针342到达指定位置，空心状的多维力传感器341在外针342动作时，实时测量外针342所受到的力和力矩；

s9：传递信息：将受力信息传输到控制器中，控制器根据受力情况控制外针驱动机构31、摩擦轮式内针驱动机构32的运动状态并进行粒子植入。

所述的步骤s9的控制器为嵌入式运动控制器。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。