一种五自由度前列腺针刺手术机器人

摘要

本发明公开了一种五自由度前列腺针刺手术机器人，包括机架、手术针、带动手术针实施针刺的进给装置以及用于控制进给装置姿态的并联支链系统；进给装置包括进给平台、针座以及带动针座实现直线往复运动的进给机构；机架包括斜向撑板及与斜向撑板的顶端固连的水平撑板，并联支链系统包括一条第一机械臂和四条分立的第二机械臂，第一机械臂的一端与斜向撑板摆动连接、另一端与进给平台的一侧相铰接，各第二机械臂的顶端均与水平撑板摆动连接、底端均与进给平台相铰接，第一机械臂和第二机械臂共同作用，使所述进给平台保持平衡。利用本发明实现了机械穿针的自动化和智能化，减轻了医生的工作强度，提高了手术的精确度和成功率。

权利要求

1.一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，包括机架、用于实施手术的手术针、带动手术针实施针刺的进给装置以及用于控制进给装置姿态的并联支链系统；进给装置包括进给平台、设置在进给平台下方的针座以及带动针座实现直线往复运动的进给机构，手术针安装在所述针座上；并联支链系统安装在所述机架上，机架包括斜向撑板及与斜向撑板的顶端固连的水平撑板，并联支链系统包括一条第一机械臂和四条分立的第二机械臂，第一机械臂的一端与斜向撑板摆动连接、另一端与进给平台的一侧相铰接，各第二机械臂的顶端均与水平撑板摆动连接、底端均与进给平台相铰接，且其中两条第二机械臂位于进给平台的一侧、另外两条第二机械臂位于进给平台的另一侧，所述第一机械臂的整体长度以及四条第二机械臂的各自的整体长度均可调，第一机械臂和第二机械臂共同作用，使所述进给平台保持平衡；

所述并联支链系统还包括一个万向节、一个第一双转动机构、四个球铰链和四个第二双转动机构，所述第一机械臂的一端通过一个第一双转动机构与所述斜向撑板相连、另一端通过万向节与进给平台的一侧相铰接，一个球铰链对应一根第二机械臂，一个第二双转动机构对应一根第二机械臂，各所述第二机械臂的一端分别通过对应的第二双转向机构与所述水平撑板相连、另一端通过球铰链与进给平台相铰接；

所述第一双转动机构包括设置在所述斜向撑板上的第一阶梯轴以及设置在第一阶梯轴一端的第一转动铰链，第一机械臂的一端与第一转动铰链相连；各所述第二双转动机构均包括设置在所述水平撑板上的第二阶梯轴及设置在第二阶梯轴底端的第二转动铰链，四个第二双转动机构的四根第二阶梯轴相互平行，各第二机械臂的一端与所述第二转动铰链相连。

2.根据权利要求1所述的一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，所述第一机械臂和各所述第二机械臂均包括下臂体、上臂体及用于驱动所述下臂体作直线往复运动的直线驱动机构，该直线驱动机构同时起到连接所述下臂体和上臂体的作用；第一机械臂的下臂体的一端与直线驱动机构相连、另一端与所述万向节相连，第一机械臂的上臂体的一端与所述第一双转动机构相连；第二机械臂的下臂体的一端与直线驱动机构相连、另一端与球铰链相连，第二机械臂的上臂体的一端与所述第二双转动机构相连。

3.根据权利要求2所述的一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，各所述直线驱动机构均包括第一电机及由第一电机驱动的第一滚珠丝杠副，第一电机安装在上臂体内，第一滚珠丝杠副包括第一丝杠及与第一丝杠相适配的第一丝杠螺母，第一丝杠螺母套置在第一丝杠上，且第一丝杠螺母设置在下臂体上，第一丝杠与第一电机的输出轴相连，第一电机通过第一丝杠和第一丝杠螺母带动所述下臂体作往复直线运动。

4.根据权利要求2所述的一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，所述第一机械臂和各所述第二机械臂的一侧均设置有第一导向机构，各第一导向机构均包括第一导向杆、导向套筒和第一联动块，导向套筒设置在上臂体一侧且与上臂体固连，第一导向杆的上部从导向套筒内穿过，第一导向杆的下部与第一联动块固连，第一联动块与下臂体固连，下臂体运动时，通过第一联动块带动所述第一导向杆沿导向套筒滑移。

5.根据权利要求4所述的一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，所述第一机械臂和各所述第二机械臂的一侧还均设置有限位机构，各限位机构均包括限位杆、光电传感器、设置在限位杆上的上限位开关和下限位开关，光电传感器设置在导向套筒的一侧，且导向套筒的一侧开设有与所述限位杆相适配的导向滑槽，限位杆的底端与所述第一联动块相连且限位杆的下部设置有所述下限位开关，限位杆的顶端穿过所述导向滑槽且限位杆的顶部设置有所述上限位开关。

6.根据权利要求1所述的一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，所述进给机构包括设置在进给平台下方的第二联动块、第二电机及由第二电机驱动的第二滚珠丝杠副，第二联动块与所述针座相连，第二滚珠丝杠副包括彼此适配的第二丝杠和第二丝杠螺母，第二丝杠螺母套置在第二丝杠上且第二丝杠螺母设置在第二联动块上，第二丝杠与第二电机的输出轴相连，第二电机通过第二丝杠、第二丝杠螺母及第二联动块带动所述针座及设置在针座上的手术针来回移动以实现穿刺动作。

7.根据权利要求6所述的一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，所述进给装置还包括第二导向机构，第二导向机构包括第二导向杆，第二导向杆设置在第二丝杠的一侧且与第二丝杠相互平行，第二联动块套置在第二导向杆上并沿第二导向杆来回滑移。

8.根据权利要求7所述的一种五自由度前列腺针刺手术机器人，其特征在于，所述第二导向杆的左侧设置有左限位开关、右侧设置有右限位开关。

说明书

一种五自由度前列腺针刺手术机器人

技术领域

[0001] 本发明属于手术器械技术领域，尤其涉及一种五自由度前列腺针刺手术机器人。

背景技术

[0002] 前列腺中的恶性肿瘤是最常见的类型，并且是男性中癌症死亡的第二主要原因。为了降低死亡率，早期发现和治疗是非常重要的。因此，有效的诊断技术和治疗前列腺癌是
必不可少的。用于前列腺癌诊断的最常见的临床方法是经直肠超声(TRUS)引导的活组织检
查，其中针插入前列腺中以收集组织样品用于临床分析。TRUS指导活检的癌症检出率仅为
40％。前列腺中的早期肿瘤通常是等回声损伤并且不能在超声图像中可视化。磁共振(MR)
成像增强了前列腺的可视化，早期病变可以被定位。MR和TRUS成像融合的MR靶向活检是一
个有前途的实践，并且与传统的TRUS引导的前列腺活检相比，可以呈现更好的结果，但仍需
要进一步的临床验证。前列腺针刺手术机器人的提出可以提高前列腺癌症检出率，综合利
用TRUS和磁共振成像，发挥各自优势，有利于早期的发现和治疗。

[0003] 前列腺癌在包膜内生长时，CT难于确诊，只有当侵破包膜向周围脂肪组织中浸润时才可能诊断。表现为前列腺轮廓不整，密度不均。直肠前壁及膀胱壁可被浸润，精囊角消
失。CT还可发现淋巴结转移和盆骨转移。CT对前列腺癌的分期有帮助MRI上，因前列腺增生
主要发生于中央区，故T2WI上显示中区央增大。而前列腺癌多发生于周围区，致使周围区在
T2WI上信号有局限低或稍低信号的结节影。因此MRI比CT更具诊断价值。但前列腺癌的MRI
表现不典型时，诊断仍较困难。

[0004] 由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种通过机械配合实现各个角度面的摆幅调节，以到达三维空间内的任意角度，通过自动式的机器动作实现高度精
准针刺的的五自由度前列腺针刺手术机器人。

[0006] 本发明所采用的技术方案为：

[0007] 一种五自由度前列腺针刺手术机器人，包括机架、用于实施手术的手术针、带动手术针实施针刺的进给装置以及用于控制进给装置姿态的并联支链系统；进给装置包括进给
平台、设置在进给平台下方的针座以及带动针座实现直线往复运动的进给机构，手术针安
装在所述针座上；并联支链系统安装在所述机架上，机架包括斜向撑板及与斜向撑板的顶
端固连的水平撑板，并联支链系统包括一条第一机械臂和四条分立的第二机械臂，第一机
械臂的一端与斜向撑板相铰接、另一端与进给平台的一侧相铰接，各第二机械臂的顶端均
与水平撑板摆动连接、底端均与进给平台相铰接，且其中两条第二机械臂位于进给平台的
一侧、另外两条第二机械臂位于进给平台的另一侧，所述第一机械臂的整体长度以及四条
第二机械臂的各自的整体长度均可调，第一机械臂和第二机械臂共同作用，使所述进给平
台保持平衡。

[0008] 所述并联支链系统还包括一个万向节、一个第一双转动机构、四个球铰链和四个第二双转动机构，所述第一机械臂的一端通过一个第一双转动机构与所述斜向撑板相连、
另一端通过万向节与进给平台的一侧相铰接，一个球铰链对应一根第二机械臂，一个第二
双转动机构对应一根第二机械臂，各所述第二机械臂的一端分别通过对应的第二双转向机
构与所述水平撑板相连、另一端通过球铰链与进给平台相铰接。

[0009] 所述第一双转动机构包括设置在所述斜向撑板上的第一阶梯轴以及设置在第一阶梯轴一端的第一转动铰链，第一机械臂的一端与第一转动铰链相连；各所述第二双转动
机构均包括设置在所述水平撑板上的第二阶梯轴及设置在第二阶梯轴底端的第二转动铰
链，四个第二双转动机构的四根第二阶梯轴相互平行，各第二机械臂的一端与所述第二转
动铰链相连。

[0010] 所述第一机械臂和各所述第二机械臂均包括下臂体、上臂体及用于驱动所述下臂体作直线往复运动的直线驱动机构，该直线驱动机构同时起到连接所述下臂体和上臂体的
作用；第一机械臂的下臂体的一端与直线驱动机构相连、另一端与所述万向节相连，第一机
械臂的上臂体的一端与所述第一双转动机构相连；第二机械臂的下臂体的一端与直线驱动
机构相连、另一端与球铰链相连，第二机械臂的上臂体的一端与所述第二双转动机构相连。

[0011] 所述直线驱动机构均包括第一电机及由第一电机驱动的第一滚珠丝杠副，第一电机安装在上臂体内，第一滚珠丝杠副包括第一丝杠及与第一丝杠相适配的第一丝杠螺母，
第一丝杠螺母套置在第一丝杠上，且第一丝杠螺母设置在下臂体上，第一丝杠与第一电机
的输出轴相连，第一电机通过第一丝杠和第一丝杠螺母带动所述下臂体作往复直线运动。

[0012] 所述第一机械臂和各所述第二机械臂的一侧均设置有第一导向机构，各第一导向机构均包括第一导向杆、导向套筒和第一联动块，导向套筒设置在上臂体一侧且与上臂体
固连，第一导向杆的上部从导向套筒内穿过，第一导向杆的下部与第一联动块固连，第一联
动块与下臂体固连，下臂体运动时，通过第一联动块带动所述第一导向杆沿导向套筒滑移。

[0013] 所述第一机械臂和各所述第二机械臂的一侧还均设置有限位机构，各限位机构均包括限位杆、光电传感器、设置在限位杆上的上限位开关和下限位开关，光电传感器设置在
导向套筒的一侧，且导向套筒的一侧开设有与所述限位杆相适配的导向滑槽，限位杆的底
端与所述第一联动块相连且限位杆的下部设置有所述下限位开关，限位杆的顶端穿过所述
导向滑槽且限位杆的顶部设置有所述上限位开关。

[0014] 所述进给机构包括设置在进给平台下方的第二联动块、第二电机及由第二电机驱动的第二滚珠丝杠副，第二联动块与所述针座相连，第二滚珠丝杠副包括彼此适配的第二
丝杠和第二丝杠螺母，第二丝杠螺母套置在第二丝杠上且第二丝杠螺母设置在第二联动块
上，第二丝杠与第二电机的输出轴相连，第二电机通过第二丝杠、第二丝杠螺母及第二联动
块带动所述针座及设置在针座上的手术针来回移动以实现穿刺动作。

[0015] 所述进给装置还包括第二导向机构，第二导向机构包括第二导向杆，第二导向杆设置在第二丝杠的一侧且与第二丝杠相互平行，第二联动块套置在第二导向杆上并沿第二
导向杆来回滑移。

[0016] 所述第二导向杆的左侧设置有左限位开关、右侧设置有右限位开关。

[0017] 由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

[0018] 1、本发明结构紧凑，适于在针刺空间内实现多自由度运动。本发明的工作空间大，适合多种人群手术的需要。本发明中手术针的定位精度高，配合限位机构实现器官位置的
精确获取，运行平稳，可靠性高。

[0019] 2、利用本发明可以实现机械穿针的自动化和智能化，规范手术过程，减轻医师工作强度，提高医师工作效率，从而提高了手术的精确度和成功率。

[0020] 3、使用本发明进行前列腺穿刺手术时，综合利用TRUS和磁共振成像，发挥各自的优势，有利于早期的发现和治疗，提高了前列腺癌症的检出率。

附图说明

[0021] 图1为本发明的轴测图。

[0022] 图2为本发明的主视图。

[0023] 图3为本发明的仰视图。

[0024] 图4为本发明的左视图。

[0025] 图5为本发明中第二机械臂的结构示意图。

[0026] 其中，

[0027] 1、斜向支撑 2、水平支撑 3、第一机械臂 4、第二机械臂 41、上臂体 42、下臂体 43、连接块 44、第一电机 45、第一丝杠 46、第一丝杠螺母 47、导向套筒 48、第一导向杆 
49、第一联动块 410、光电传感器 411、限位杆 412、上限位开关 413、下限位开关 5、第一阶梯轴 6、第一转动铰链 7、第二阶梯轴 8、第二转动铰链 9、进给机构 91、第二电机 92、联轴器 93、第二丝杠 94、第二联动块 95、第二导向杆 10、球铰链 11、进给平台 12、手术针 13、针座 14、万向节 15、第一轴承 16、第二轴承 a、第一双转动机构 b、第二双转动机构

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

[0029] 如图1至图5所示，一种五自由度前列腺针刺手术机器人，包括机架、用于实施手术的手术针12、带动手术针12实施针刺的进给装置以及用于控制进给装置姿态的并联支链系
统。

[0030] 所述进给装置包括进给平台11、设置在进给平台11下方的针座13以及带动针座13实现直线往复运动的进给机构，手术针12安装在所述针座13上。

[0031] 具体地来说，所述进给机构包括设置在进给平台11下方的第二联动块94、第二电机91及由第二电机91驱动的第二滚珠丝杠副。第二联动块94与所述针座13相连，第二滚珠
丝杠副包括彼此适配的第二丝杠93和第二丝杠螺母，第二丝杠螺母套置在第二丝杠93上且
第二丝杠螺母设置在第二联动块94上。第二电机91的输出轴通过联轴器92与第二丝杠93相
连。所述手术针12的穿刺方向与第二联动块94的进给方向平行。第二电机91的输出轴的旋
转运动通过第二丝杠93、第二丝杠螺母及第二联动94块转换为针座13的直线运动，从而带
动设置在针座13上的手术针12来回移动以实现穿刺动作。

[0032] 需要说明的是，所述进给机构并不仅仅局限于上述的电机+滚珠丝杠副的结构形式，还可以是其它组成方式，例如，采用液压缸或气缸驱动第二联动块94运动的方式，使第
二联动块94与液压缸或气缸的活塞杆相连，由液压缸或气缸直接驱动第二联动块94平移，
又如可以采用将第二联动块94设置在微型直线电机上的方式，由微型直线电机直接带动第
二联动块94作往复直线运动，当然，也可以采用其他的结构方式，只要能够带动所述第二联
动块94作直线运动即可。

[0033] 所述进给装置还包括第二导向机构，第二导向机构包括两根第二导向杆95，两根第二导向杆95分别设置在第二丝杠93的两侧且均与第二丝杠93相互平行。进给平台11的下
方设置有用于安装所述两根第二导向杆95的安装架。第二联动块94套置在第二导向杆95上
并沿第二导向杆95来回滑移。

[0034] 所述第二导向杆95的左侧设置有左限位开关、右侧设置有右限位开关，使用过程中，当第二联动块94碰触到左限位开关或右限位开关时，相应的限位开关可以通过电信号
控制第二电机91停机，进而控制针座13的进给程度。

[0035] 所述并联支链系统安装在所述机架上，机架包括斜向撑板1及与斜向撑板1的顶端固连的水平撑板2。所述斜向撑板1与水平撑板2之间的夹角为60°～70°。所述并联支链系统
包括一条第一机械臂3、一个万向节14、一个第一双转动机构a、四条分立的第二机械臂4、四个第二双转动机构b及四个球铰链10。

[0036] 具体地来说，所述第一双转动机构a包括通过第一轴承15安装在斜向撑板1上的第一阶梯轴5以及设置在第一阶梯轴5一端的第一转动铰链6，第一机械臂3的一端与第一转动
铰链6相连，可以实现两个转动自由度，第一机械臂3的另一端通过万向节14与进给平台11
的右侧相铰接，可以实现两个转动自由度。各所述第二双转动机构b均包括通过第二轴承16
安装在水平撑板2上的第二阶梯轴7以及设置在第二阶梯轴7底端的第二转动铰链8，四个第
二双转动机构的四根第二阶梯轴相互平行。一根第二机械臂4对应连接一条第二阶梯轴7，
一个第二双转动机构对应连接一根第二机械臂。各第二机械臂4的顶端和与其相对应的第
二阶梯轴7底端的第二转动铰链8相连，可以实现两个转动自由度，各第二机械臂的底端均
通过球铰链10与进给平台11相铰接，可以实现三个转动自由度。其中两条第二机械臂4位于
进给平台11的前侧且该两条第二机械臂4相互平行、另外两条第二机械臂4位于进给平台11
的后侧且该两条第二机械臂4相互平行。

[0037] 所述第一机械臂3的整体长度以及四条第二机械臂4的各自的整体长度均可调，在第一机械臂3和第二机械臂4的悬吊作用下，使所述进给平台11保持平衡。

[0038] 所述第一机械臂3和各所述第二机械臂4均包括连接块43、下臂体42、上臂体41及用于驱动所述下臂体42作直线往复运动的直线驱动机构。该直线驱动机构同时起到连接所
述下臂体42和上臂体41的作用。第一机械臂3的下臂体42的一端与直线驱动机构相连、另一
端与所述万向节14相连，第一机械臂3的上臂体41的一端与第一机械臂3的连接块43相连，
第一机械臂3的连接块43与所述第一转动铰链6相连。第二机械臂4的下臂体42的一端与直
线驱动机构相连、另一端与球铰链10相连，第二机械臂4的上臂体41的一端与第二机械臂4
的连接块43相连，第二机械臂4的连接块43与所述第二转动铰链8相连。

[0039] 各所述直线驱动机构均包括第一电机44及由第一电机44驱动的第一滚珠丝杠副，第一电机44安装在上臂体41内。第一滚珠丝杠副包括第一丝杠45及与第一丝杠45相适配的
第一丝杠螺母46，第一丝杠螺母46套置在第一丝杠45上，且第一丝杠螺母46设置在下臂体
42上，第一丝杠45与第一电机44的输出轴相连。第一电机44通过第一丝杠45和第一丝杠螺
母46带动所述下臂体42作往复直线运动。

[0040] 需要说明的是，所述直线驱动机构并不仅仅局限于上述的电机+滚珠丝杠副的结构形式，还可以是其它组成方式，例如，采用液压缸或气缸驱动下臂体42运动的方式，将液
压缸或气缸安装在上臂体41内，使下臂体42与液压缸或气缸的活塞杆相连，由液压缸或气
缸直接驱动下臂体42平移。当然，也可以采用其他的结构方式，只要能够带动所述下臂体42
作直线运动即可。

[0041] 所述第一机械臂3和各所述第二机械臂4的一侧均设置有第一导向机构，各第一导向机构均包括第一导向杆48、导向套筒47和第一联动块49，导向套筒47设置在上臂体41一
侧且与上臂体41固连，第一导向杆48的上部从导向套筒47内穿过，第一导向杆48的下部与
第一联动块49固连，第一联动块49与下臂体42固连，下臂体42运动时，通过第一联动块49带
动所述第一导向杆48沿导向套筒47滑移。

[0042] 所述第一机械臂3和各所述第二机械臂4的一侧还均设置有限位机构，各限位机构均包括限位杆411、光电传感器410、设置在限位杆411上的上限位开关412和下限位开关
413，光电传感器410设置在导向套筒47的一侧，且导向套筒47的一侧开设有与所述限位杆
411相适配的导向滑槽，限位杆411的底端与所述第一联动块49相连且限位杆411的下部设
置有所述下限位开关413，限位杆411的顶端穿过所述导向滑槽且限位杆411的顶部设置有
所述上限位开关412。使用时，当下臂体42运动，使光电传感器410触碰到上限位开关412或
下限位开关413时，光电传感器410通过电信号控制第一电机44停机，进而达到调节控制姿
态的目的。

[0043] 本发明通过第一机械臂3、第二机械臂4的协同作用，提供给了进给平台11五个自由度，用来控制进针装置的姿态，实现了机械穿针的自动化和智能化。

[0044] 本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

[0045] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。

[0046] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0047] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的
方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。