[发明专利]五自由度脊柱微创机器人操作机构

说明书

【技术领域】：本发明属于医疗外科手术的辅助定位机械技术领域，特别涉及一种应用于脊柱微创外科手术的辅助定位机构，具体指五自由度脊柱微创机器人操作机构。

【背景技术】：目前，医疗机器人技术的研究已经成为国际机器人领域前沿研究热点之一，其中医疗外科机器人的研究最为突出。近年来，医务工作人员与科学工程技术人员紧密配合，研究开发了许多类型的医用外科手术机器人系统，有的已经应用于临床实践。如美国Intuitive Surgical公司开发的DaVinci外科手术机器人系统和以色列Mazor公司推出的“脊柱助理”脊柱手术用机器人等。

微创外科手术是指经非传统手术途径并借助医学影像等特殊手术器械和仪器对疾患进行诊断和治疗的微创技术和方法，其目的在于将医源性创伤减小到最低程度，同时获得最佳疗效。微创外科手术也具有前面所述微创外科手术的问题，而且脊柱的病变位置与重要生命器官相邻，手术精度要求高，对医生提出了更高的要求。高精度的手术定位技术始终是限制脊柱微创外科手术推广的瓶颈。目前脊柱微创外科手术只能在我国的一些大医院开展。

机器人技术是解决上述问题的重要方法。利用机器人的高精度、稳定性和可控性，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，改变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局面，能够减少人为因素引起的手术误差，提高手术质量。

【发明内容】：本发明目的是解决脊柱微创外科手术中的高精度手术定位的技术问题，提供一种五自由度脊柱微创机器人操作机构。

本发明提供的五自由度脊柱微创机器人操作机构，由基座、X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、腕部组件、手部组件六大部分构成；各部分在步进电机的驱动下，能够产生相对运动或转动。所述的机器人操作机构的驱动和控制系统由步进电机、驱动器、减速器、控制盒、单片机和控制软件组成。其中，

X轴组件包括：第一导轨，该导轨分别通过其两端的第一轨轴承架和第一轨电机座固定在基座上，第一导轨上设置有与第一丝杠动块固定在一起的第一滑块，第一丝杠动块的一端与第一轨丝母固定在一起并套装在第一轨丝杠上，第一轨丝杠的一端通过第一轨联轴器与固定在第一轨电机座上的第一轨电机轴连接，第一轨丝杠的另一端通过第一轨轴承安装在第一轨轴承架上；

Y轴组件包括：通过第二导轨电机座固定在第一丝杠动块上并与第一导轨垂直的第二导轨，第二导轨的两端分别固定安装有第二导轨电机座和第二导轨轴承架，第二导轨上设置有与第二丝杠动块固定在一起的第二轨滑块，第二丝杠动块的一端与第二轨丝母固定在一起并套装在第二轨丝杠上，第二轨丝杠的一端通过第二轨联轴器与固定在第二导轨电机座上的第二导轨电机轴连接，第二轨丝杠的另一端通过第二导轨轴承安装在第二导轨轴承架上；

Z轴组件包括：固定在第二丝杠动块上并与第一导轨和第二导轨所在平面垂直的第三导轨，第三导轨的两端分别固定安装有第三导轨电机座和第三导轨轴承架，第三导轨上设置有第三导轨滑块，第三导轨滑块的一端与第三轨丝母固定在一起并套装在第三轨丝杠上，第三轨丝杠的一端通过第三轨联轴器与固定在第三轨电机座上的第三轨电机轴连接，第三轨丝杠的另一端通过第三轨轴承安装在第三轨轴承架上；

腕部组件包括：固定在第三导轨一端的Z旋转轴承座，Z旋转轴承座上通过Z旋转滚针轴承和Z旋转轴承压盖安装有其轴向与第三导轨平行的Z旋转带柄轴，Z轴旋转电机和Z旋转电机减速器通过Z旋转减速器座安装在Z旋转轴承座上，Z旋转电机减速器的输出轴与Z旋转带柄轴的一端连接，Z旋转电位器座固定在Z旋转带柄轴的另一端，其上安装Z旋转电位器；

手部组件包括：固定安装在Z旋转带柄轴的轴柄上的X旋转轴承座，X旋转轴承座上通过轴承和X旋转轴承压盖安装有其轴向与第一导轨平行的X旋转带柄轴，X旋转电机和X旋转减速器通过X旋转减速器座安装在X旋转轴承座上，X旋转减速器的输出轴与X旋转带柄轴的一端连接，X旋转带柄轴的另一端上的轴柄上固定终端支架，终端支架上安装手术工具。

本发明操作机构具有五个自由度，分别为I、II、III、IV和V关节，其中前三个为移动关节，后两个为转动关节。在预工作位置状态，机器人基座沿着CT机检查床导轨安装，沿X轴运动即为I关节运动方向，其垂直于检查床导轨，并平行于水平面；沿Y轴运动即为II关节运动方向，其垂直于I关节并垂直于水平面；沿Z轴运动即为III关节运动方向，其垂直于II关节并平行于水平面；绕腕部旋转轴方向即为IV关节轴线，其与III关节平行；绕手部旋转轴方向即为V关节轴线，其与IV关节垂直。

本发明的优点和积极效果：