專利名稱：用于提高磁定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機器人的腕關節(jié)，特別涉及一種用于用于提高磁定位儀定位 精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，能夠提高其磁定位儀的定位精度。
技術背景醫(yī)療機器人系統(tǒng)通常由圖像導航子系統(tǒng)和機械臂子系統(tǒng)組成。圖像空間 與機械臂工作空間需要實現(xiàn)位姿轉換，這種位姿轉換通過定位裝置實現(xiàn)。因 此定位裝置對于醫(yī)療機器人系統(tǒng)有著重要的意義。機器人的定位裝置主要包括光學定位儀、超聲定位儀、機械定位儀和磁 定位儀。機械定位儀和光學定位儀在臨床環(huán)境中顯得笨重而不方便使用故很 少采用。目前，醫(yī)學上常用的定位裝置是光學定位儀和磁定位儀。光學定位 儀定位精度高，但是受空間局限大，光線不能阻礙，故在使用上存在一定的 局限性。磁定位儀使用靈活，定位精度較高，不易受周圍物體的遮擋，在臨 床得到廣泛應用。由于磁定位儀的基本原理是靠自身的磁發(fā)射器與接收器建 立的磁場進行定位的，但是，在臨床應用中，除磁定位儀自身的磁場外還有 其它磁場的存在，諸如鐵磁材料的存在，使得磁定位儀自身建立的磁場產(chǎn)生 失真或者變形，進而影響到磁定位儀的定位精度。目前，醫(yī)療機器人的磁定 位問題比較大，因此，如何有效減小外在磁場的影響，進而提高磁定位的定 位精度，是一個重要問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種用于用于提高磁 定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，能夠提高其磁定位儀的定位精度。 為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術方案是由于磁定位儀是靠自身建立的磁場進行定位。這里我們定義磁定位儀自 身建立的磁場以外的其它磁場為外在磁場。臨床應用中，磁定位儀定位精度 要受到外在磁場以及其它鐵磁材料的影響。對于醫(yī)療機器人，磁定位儀的外 在磁場主要是關節(jié)電機形成的磁場。因此，在進行醫(yī)療機器人腕關節(jié)關節(jié)的 設計時， 一是選擇材料時避開含鐵磁性元素的材料；二是對關節(jié)電機進行合理布置，使得關節(jié)電機的外在磁場對磁定位儀的干擾限定到有一個合理的范圍內(nèi)。進而保證磁定位儀的定位精度，滿足臨床需求。一種用于提高磁定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，包括相互連接的 軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)，軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)通過磁定位儀進行定位，所述 腕擺關節(jié)安裝在所述軸轉關節(jié)上并且它們的軸線相互垂直，所述磁定位儀 的接收器與所述軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)的電機保持距離。因此本發(fā)明能夠提高 其磁定位儀的定位精度。所述磁定位儀的接收器中心相對所述軸轉關節(jié)的電機中心的橫向距離為180 200腿、縱向距離為45 60mm，所述磁定位儀的接收器中心相對所 述腕擺關節(jié)的電機中心的橫向距離為90 110mm、縱向距離為45 60mm。所述磁定位儀的接收器中心相對所述軸轉關節(jié)的電機中心的橫向距離 為195mm、縱向距離為50mm，所述磁定位儀的接收器中心相對所述腕擺關 節(jié)的電機中心的橫向距離為IOO腿、縱向距離為50mm。所述軸轉關節(jié)的電機軸線方向順序設有諧波減速器組件、轉軸及部分套 接在轉軸上的支架，支架用于安裝所述腕擺關節(jié)；其中，所述電機的電機軸 外部依次套接有彈簧夾套、諧波減速器組件和連接板，諧波減速器通過彈簧 夾套、彈性墊圈及螺母與電機軸固定；轉軸外部順次套接有軸承及減速器外 殼，軸承為兩個、它們之間設有用于軸向定位轉軸的內(nèi)、外套筒，外套筒通 過緊定螺釘與減速器外殼定位；轉軸、諧波減速器組件及連接板通過螺栓連 接。所述腕擺關節(jié)的電機軸線方向順序設有腕擺關節(jié)的諧波減速器組件、腕 擺關節(jié)的轉軸及套接在腕擺關節(jié)的轉軸上并通過鍵連接的連接件，連接件用 于連接外部組件；其中，所述腕擺關節(jié)的電機軸外部依次套接有腕擺關節(jié)的 彈簧夾套、腕擺關節(jié)的諧波減速器組件和端蓋，腕擺關節(jié)的諧波減速器組件 通過腕擺關節(jié)的彈簧夾套、腕擺關節(jié)的彈簧墊圈及鎖緊螺母與電機軸固定； 腕擺關節(jié)的轉軸外部順次套接有腕擺關節(jié)的軸承及殼體，腕擺關節(jié)的軸承為 兩個、它們之間設有用于軸向定位轉軸的腕擺關節(jié)套筒；腕擺關節(jié)的轉軸、 腕擺關節(jié)的諧波減速器組件及端蓋通過螺栓連接。本發(fā)明的有益效果是相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明用于提高磁定位儀定位精 度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，采用了合理的布局方式，能夠提高其磁定位儀的定 位精度。


圖1是本發(fā)明所述的磁定位儀的接收器與關節(jié)電機的布置關系圖；圖2是本發(fā)明用于提高磁定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)的結構簡圖；圖3是本發(fā)明所述的軸轉關節(jié)的結構簡圖； 圖4是本發(fā)明所述的腕擺關節(jié)結構簡圖。圖中40軸轉關節(jié)，l小臂連桿、2軸轉關節(jié)的電機、3連接板、4諧波 減速器組件、5橡膠墊圈、6減速器外殼、7緊定螺釘、8支架、9轉軸、10 軸承、ll外套筒、12內(nèi)套筒、13彈簧墊圈、14螺母、15彈簧夾套，20腕擺關節(jié)，21腕擺關節(jié)的電機、22端蓋、23腕擺關節(jié)的軸承、24殼 體、25腕擺關節(jié)的套筒、26軸承蓋、27腕擺關節(jié)的轉軸、28腕擺關節(jié)的螺 母、29鍵、30腕擺關節(jié)的彈簧夾套、31腕擺關節(jié)的彈簧墊圈、32鎖緊螺母、 33腕擺關節(jié)的諧波減速器組件，50磁定位儀的接收器，51關節(jié)電機。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為對本發(fā)明 的限定。如圖1所示本發(fā)明所述的磁定位儀的接收器50與關節(jié)電機51的布置關 系圖，磁定位的醫(yī)療機器人腕關節(jié)結構設計時，主要考慮兩點因素， 一是腕 部結構和機械臂的其他關節(jié)組合起來是運動學解耦的，二是考慮關節(jié)電機51 及磁定位儀接收器50的布置，使得磁定位儀的定位精度受關節(jié)電機磁干擾限 定在一個預定的范圍內(nèi)。關節(jié)電機51產(chǎn)生的外部磁場跟接收器50與關節(jié)電機51的距離1和d(如 圖l)的關系如式l所示$ =與+與，(公式U其中kl、 K為影響系數(shù)。由于磁定位儀的精度誤差跟關節(jié)電機51產(chǎn)生的外部磁場0成正比關系，所以 定位精度跟距離l和d成反比關系。如圖2所示本發(fā)明用于提高磁定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)的結 構簡圖，所述醫(yī)療機器人腕關節(jié)，包括相互連接的軸轉關節(jié)40和腕擺關節(jié)20，軸轉關節(jié)40和腕擺關節(jié)20通過磁定位儀進行定位。所述腕擺關節(jié)20 安裝在所述軸轉關節(jié)40上并且它們的軸線相互垂直，所述磁定位儀的接收 器與所述軸轉關節(jié)40和腕擺關節(jié)20的電機保持距離。機器人腕關節(jié)結構設 計選擇參數(shù)如下，表1所示，具體的所述磁定位儀的接收器中心相對所述軸 轉關節(jié)40的電機中心的橫向距離11為180 200mm最佳值為195mm、縱向 距離dl為45 60mm最佳值為50mm，所述磁定位儀的接收器中心相對所述 腕擺關節(jié)20的電機中心的橫向距離12為90 110腿最佳值為100mm、縱向 距離d2為45 60mm最佳值為50mm。經(jīng)過實驗驗證，此選擇可以使得磁定位 儀的定位精度達到0. 05mm，符合醫(yī)療穿刺要求。因此本發(fā)明能夠有效提高 其磁定位儀的定位精度。表l磁定位儀與腕部關節(jié)電機的位置關系1 (讓)d (匪)關節(jié)電機1(軸轉關節(jié)40)11=180 200dl=45 60關節(jié)電機2(腕擺關節(jié)20)12=90 110d2=45 60如圖3所示的軸轉關節(jié)40，除軸轉關節(jié)40標準件、軸承IO、諧波減速 器組件4外，其余自制件均采用了沒有鐵磁性的硬鋁2A12-T4。所述軸轉關節(jié) 的電機2軸線方向順序設有諧波減速器組件4、轉軸9及局部套接在轉軸9上 的支架8，支架8用于安裝所述腕擺關節(jié)20;其中，所述軸轉關節(jié)的電機2 的電機軸外部依次套接有彈簧夾套15、諧波減速器組件4和連接板3，諧波 減速器通過彈簧夾套15、彈簧墊圈13及螺母14與電機軸固定；轉軸9外部 順次套接有軸承10及減速器外殼6，軸承10為兩個、它們10之間設有用于 軸向定位轉軸9的內(nèi)、外套筒12、 11，外套筒11通過緊定螺釘7與減速器外 殼6定位；轉軸9、諧波減速器組件4及連接板3通過螺栓連接。軸轉關節(jié)的 電機2外部套接有小臂連桿1，小臂連桿1的端面與連接板3的端面相接觸， 與諧波減速器組件4相接觸的轉軸9端面上設有橡膠墊圈5。如圖4所示的腕擺關節(jié)20，除腕擺關節(jié)20的標準件、腕擺關節(jié)的軸承 23、腕擺關節(jié)的諧波減速器組件33外，其余自制件均采用了沒有鐵磁性的硬鋁2A12-T4。所述腕擺關節(jié)的電機21軸線方向順序設有腕擺關節(jié)的諧波減速 器組件33、腕擺關節(jié)的轉軸27及套接在腕擺關節(jié)的轉軸27上并通過鍵29連 接的連接件，連接件用于連接外部組件；其中，所述腕擺關節(jié)的電機軸外部 依次套接有腕擺關節(jié)的彈簧夾套30、腕擺關節(jié)的諧波減速器組件33和端蓋 22，腕擺關節(jié)的諧波減速器組件33通過腕擺關節(jié)的彈簧夾套30、腕擺關節(jié)的 彈簧墊圈31及鎖緊螺母32與電機軸固定；腕擺關節(jié)的轉軸27外部順次套接 有腕擺關節(jié)的軸承23及殼體24，腕擺關節(jié)的軸承23為兩個、它們之間設有 用于軸向定位轉軸的腕擺關節(jié)套筒25;腕擺關節(jié)的轉軸27、腕擺關節(jié)的諧波 減速器組件33及端蓋22通過螺栓連接。腕擺關節(jié)的軸承23外側設有與殼體 24相連的軸承蓋26。腕擺關節(jié)的轉軸27的末端設有腕擺關節(jié)的螺母28。本發(fā)明采用了合理的布局方式，能夠提高其磁定位儀的定位精度，易于 實現(xiàn)整個機械臂的運動學解耦。以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式
的一種，本領域 的技術人員在本發(fā)明技術方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應包含在本發(fā) 明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于提高磁定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，包括相互連接的軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)，軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)通過磁定位儀進行定位，其特征在于所述腕擺關節(jié)安裝在所述軸轉關節(jié)上并且它們的軸線相互垂直，所述磁定位儀的接收器與所述軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)的電機保持距離。
2. 根據(jù)權利要求1所述的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，其特征在于所述磁定位儀的接收器中心相對所述軸轉關節(jié)的電機中心的橫向距離為180 200mm、縱 向距離為45 60ram，所述磁定位儀的接收器中心相對所述腕擺關節(jié)的電機中 心的橫向距離為90 110mm、縱向距離為45 60mrn。
3. 根據(jù)權利要求2所述的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，其特征在于所述磁定位 儀的接收器中心相對所述軸轉關節(jié)的電機中心的橫向距離為195mm、縱向距 離為50mm，所述磁定位儀的接收器中心相對所述腕擺關節(jié)的電機中心的橫 向距離為100mm、縱向距離為50mm。
4. 根據(jù)權利要求3所述的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，其特征在于所述軸轉關 節(jié)的電機軸線方向順序設有諧波減速器組件、轉軸及部分套接在轉軸上的支 架，支架用于安裝所述腕擺關節(jié)；其中，所述電機的電機軸外部依次套接有 彈簧夾套、諧波減速器組件和連接板，諧波減速器通過彈簧夾套、彈性墊圈 及螺母與電機軸固定；轉軸外部順次套接有軸承及減速器外殼，軸承為兩個、 它們之間設有用于軸向定位轉軸的內(nèi)、外套筒，外套筒通過緊定螺釘與減速 器外殼定位；轉軸、諧波減速器組件及連接板通過螺栓連接。
5. 根據(jù)權利要求4所述的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，其特征在于所述腕擺關 節(jié)的電機軸線方向順序設有腕擺關節(jié)的諧波減速器組件、腕擺關節(jié)的轉軸及 套接在腕擺關節(jié)的轉軸上并通過鍵連接的連接件，連接件用于連接外部組件; 其中，所述腕擺關節(jié)的電機軸外部依次套接有腕擺關節(jié)的彈簧夾套、腕擺關 節(jié)的諧波減速器組件和端蓋，腕擺關節(jié)的諧波減速器組件通過腕擺關節(jié)的彈 簧夾套、腕擺關節(jié)的彈簧墊圈及鎖緊螺母與電機軸固定；腕擺關節(jié)的轉軸外 部順次套接有腕擺關節(jié)的軸承及殼體，腕擺關節(jié)的軸承為兩個、它們之間設 有用于軸向定位轉軸的腕擺關節(jié)套筒；腕擺關節(jié)的轉軸、腕擺關節(jié)的諧波減 速器組件及端蓋通過螺栓連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提高磁定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，包括相互連接的軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)，軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)通過磁定位儀進行定位，所述腕擺關節(jié)安裝在所述軸轉關節(jié)上并且它們的軸線相互垂直，所述磁定位儀的接收器與所述軸轉關節(jié)和腕擺關節(jié)的電機保持距離。本發(fā)明用于提高磁定位儀定位精度的醫(yī)療機器人腕關節(jié)，采用了合理的布局方式，能夠提高其磁定位儀的定位精度。
文檔編號B25J7/00GK101401743SQ20081022456
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權日2008年10月20日
發(fā)明者段星光, 邊桂彬, 陳茂剛, 強 黃 申請人:北京理工大學