一种基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人，该机器人包括两个正交的平面机构，分别记为平面机构1和平面机构2，其中平面机构1具有一个旋转自由度和一个平移自由度，平面机构2具有一个旋转自由度，两个平面机构分别连接在各自的机架上，并与底板连接；该机器人包括三个伺服电机，用于控制机器人的三个自由度；整个机器人在两个平面机构的轴向方向的正交点O形成一个远程运动中心，其旋转和平移均围绕此点。本发明专利技术相比之前已有的远程运动中心机器人，对于眼科手术具有更大的优势和安全性。的优势和安全性。的优势和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人


[0001]本专利技术属于机械和机器人
，特别是眼科手术机器人
，尤其涉及一种基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人。

技术介绍

[0002]随着微创眼科手术(minimally invasive ophthalmic surgery，MIOS)的发展，针对黄斑变性等视网膜疾病的玻璃体视网膜手术应运而生。目前这些手术已通过动物体实验证明了安全性，且已成功开展一些针对人体的临床试验。然而，视网膜手术有极高的准确度要求：手术在直径不足1mm的巩膜切口内进行，目标视网膜组织薄至25μm，而医生生理性手部震颤的振幅在182μm左右，无法满足精度要求。因此，视网膜内干细胞的注射难以用传统的手动方式进行，需要研发视网膜手术机器人来实施或辅助手术。
[0003]在MIOS过程中，手术器械通过巩膜切口插入眼内，并在整个手术过程中通过该切口进行各种操作。针对这种特点，Taylor等人提出了远程运动中心机构(Taylor RH,Funda J,Grossman D D,et al.remote center
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of
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motion robot for surgery[P].US patent 5397323,1995,Oct.)RCM机构的末端器械会围绕一个固定点运动，而该点不存在实际的机械结构。基于RCM的机器人比传统串联机械臂更适合MIOS，因为它通过机械结构限制了机器人末端的运动，从而减少了自由度和运动耦合。在各种RCM机构中，基于平行四边形的RCM机构具有结构简单、稳定、运动一致性等优势，已被广泛地应用于眼科手术机器人中。
[0004]对于应用于手术机器人的平行四边形RCM机构，末端执行器一般有2或3个旋转自由度和1个平移自由度。目前，大部分平行四边形RCM手术机器人的驱动电机都置于末端器械或者其近端，这不仅会增加末端器械的体积，压缩手术空间，还会使驱动器的自锁装置等结构难以安装。因此，设计新的机构以实现驱动器置于远端，是此类机器人机械结构的研发中首要关注的问题。
[0005]在最近的研究中，有提出了一些平行四边形RCM机构，其线性致动器安装在更靠近底座的地方。Lin等人提出了一种被动杆机构，实现了驱动器置于基座的远端。(Lin RF,Guo W Z,Cheng S S.Type synthesis of2R1T remote center ofmotionparallel mechanisms with apassive limb for minimally invasive surgical robot[J].Mechanism and Machine Theory,2022,172:104766.)。Zhang等在传统的平行四边形机构中引入了额外的平行连杆，从而将底座的旋转运动转换为手术器械的平移运动(Zhang F,Zhang X,Hang L B,et al.Type synthesis of n
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parallelogram
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based surgical arm with remote actuated configuration[M].Lecture Notes in Electrical Engineering,2017,408:183
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194)。Gijbels等通过增加平行四边形的数量，设计了新型平行四边形RCM机构，该机构在底座附近引入了平移关节，控制起来更简单(Gijbels A,Wouters N,Stalmans P,et al.Design and realization ofa novel robotic manipulator for retinal surgery[C].IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS),2013:3598
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3603.)。
[0006]对于上述改良过的机构，其平移运动通常由一个以上的执行器实现，这导致了运动耦合，并引入了MIOS中不能忽略的轻微控制误差。
[0007]综上所述，现有的基于远程运动中心的眼科手术机器人主要缺陷是：驱动器不能置于远端、末端手术器械笨重、运动耦合、控制难度大等。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的问题，基于平行四边形远程运动中心机构，提出一种由两个平面机构组成的、可实现驱动器置于基座远端的、针对玻璃体视网膜手术的眼科手术机器人。
[0009]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人，该机器人包括两个正交的平面机构，分别记为平面机构1和平面机构2，其中平面机构1具有一个旋转自由度和一个平移自由度，平面机构2具有一个旋转自由度，两个平面机构分别连接在各自的机架上，并与底板连接；该机器人包括三个伺服电机，分别用于控制机器人的三个自由度；整个机器人在两个平面机构的轴向方向的正交点O形成一个远程运动中心，其旋转和平移均围绕此点。
[0010]进一步地，所述平面机构1包括设置于其机架上的第一基座以及第一电机，设置于第一基座上的第一杆件组和第二电机；所述第一杆件组包括驱动平行四边形杆组、随动平行四边形杆组和末端平行四边形杆组，所述末端平行四边形杆组上安装手术时需要的器械，所述第二电机驱动所述驱动平行四边形杆组沿平行于平面机构1的轴向方向旋转，带动所述随动平行四边形杆组沿相同方向旋转，进而带动末端平行四边形杆组沿相同方向旋转并进行上下平移；所述第一电机驱动所述第一基座绕平面机构1的轴向旋转，进而带动第一杆件组同步旋转。
[0011]进一步地，所述平面机构1的机架包括安装在所述底板上并且同轴依次设置的第一轴承座、第二轴承座和第一电机座，所述第一轴承座靠近所述正交点O；所述第一基座两端的伸出轴分别通过轴承安装在第一轴承座、第二轴承座上，所述第一电机安装在第一电机座上，第一电机的输出轴通过联轴器连接第二轴承座上第一基座的伸出轴。
[0012]进一步地，所述驱动平行四边形杆组包括第一摇杆、第二摇杆、第三摇杆和第一水平杆8，所述随动平行四边形杆组包括第四摇杆、第五摇杆、第二水平杆以及所述第一水平杆8，所述末端平行四边形杆组包括第六摇杆、第三水平杆、器械座和所述第二水平杆；所述器械座上安装手术所需器械；所述第一基座为矩形框架结构，所述第一摇杆和第三摇杆分别安装在第一基座上沿平面机构1轴向方向的对侧内壁上，且平行相对设置，其中，所述第一摇杆的一端与第一基座铰接并设有伸出轴，该伸出轴通过联轴器与第二电机的伸出轴连接；所述第一摇杆、第三摇杆安装的两个内壁之间设置两个平行的第一法兰轴和第二法兰轴，所述第二摇杆与第三摇杆位于同一直线上且平行设置，所述第二摇杆的一端与第二法兰轴铰接；所述第一摇杆的另一端和第三摇杆的另一端之间通过第三法兰轴连接，所述第四摇杆的一端、第一水平杆的一端均与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人，其特征在于，该机器人包括两个正交的平面机构，分别记为平面机构1和平面机构2，其中平面机构1具有一个旋转自由度和一个平移自由度，平面机构2具有一个旋转自由度，两个平面机构分别连接在各自的机架上，并与底板连接；该机器人包括三个伺服电机，用于控制机器人的三个自由度；整个机器人在两个平面机构的轴向方向的正交点O形成一个远程运动中心，其旋转和平移均围绕此点。2.根据权利要求1所述的基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人，其特征在于，所述平面机构1包括设置于其机架上的第一基座以及第一电机，设置于第一基座上的第一杆件组和第二电机；所述第一杆件组包括驱动平行四边形杆组、随动平行四边形杆组和末端平行四边形杆组，所述末端平行四边形杆组上安装手术时需要的器械，所述第二电机驱动所述驱动平行四边形杆组沿平行于平面机构1的轴向方向旋转，带动所述随动平行四边形杆组沿相同方向旋转，进而带动末端平行四边形杆组沿相同方向旋转并进行上下平移；所述第一电机驱动所述第一基座绕平面机构1的轴向旋转，进而带动第一杆件组同步旋转。3.根据权利要求2所述的基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人，其特征在于，所述平面机构1的机架包括安装在所述底板上并且同轴依次设置的第一轴承座、第二轴承座和第一电机座，所述第一轴承座靠近所述正交点O；所述第一基座两端的伸出轴分别通过轴承安装在第一轴承座、第二轴承座上，所述第一电机安装在第一电机座上，第一电机的输出轴通过联轴器连接第二轴承座上第一基座的伸出轴。4.根据权利要求3所述的基于双平面远程运动中心机构的视网膜手术机器人，其特征在于，所述驱动平行四边形杆组包括第一摇杆、第二摇杆、第三摇杆和第一水平杆8，所述随动平行四边形杆组包括第四摇杆、第五摇杆、第二水平杆以及所述第一水平杆8，所述末端平行四边形杆组包括第六摇杆、第三水平杆、器械座和所述第二水平杆；所述器械座上安装手术所需器械；所述第一基座为矩形框架结构，所述第一摇杆和第三摇杆分别安装在第一基座上沿平面机构1轴向方向的对侧内壁上，且平行相对设置，其中，所述第一摇杆的一端与第一基座铰接并设有伸出轴，该伸出轴通过联轴器与第二电机的伸出轴连接；所述第一摇杆、第三摇杆安装的两个内壁之间设置两个平行的第一法兰轴和第二法兰轴，所述第二摇杆与第三摇杆位于同一直线上且平行设置，所述第二摇杆的一端与第二法兰轴铰接；所述第一摇杆的另一端和第三摇杆的另一端之间通过第三法兰轴连接，所述第四摇杆的一端、第一水平杆的一端均与第三法兰轴通过轴承形成铰接，所述第四摇杆的另一端与第二水平杆的一端铰接，所述第一水平杆的另一端与第二摇杆的另一端铰接，所述第五摇杆的两端分别与第二水平杆的中部、第二摇杆的另一端铰接；所述第一法兰轴上铰接安装第一直线轴承座，该第一直线轴承座上固定安装第一直线轴承，所述第一直线轴承上设置第一导杆，形成滑动副，所述第一导杆沿所述第一直线轴承的轴向移动；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云耀，蒋天亮，唐宁，樊金宇，邢利娜，史国华，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：