[0001] 本发明涉及医疗外科手术的辅助操作器械技术领域，具体涉及一种基于混联结构的术像一体化手术机器人。

[0002] 在众多微创神经外科手术中，准确的定位和引导对于手术成功和患者安全非常重要。传统手术过程中，医生通过大程度磨损颞骨，从而暴露神经大概位置，然后凭借经验避开神经从而钻制到达圆窗的植入通道，最终将电极序列植入到耳蜗内。此手术创伤大，神经损伤风险高，且有产生伤口感染、皮瓣坏死、面瘫、脑膜炎和电极脱出等并发症的风险。由于手术机器人拥有精确度高、稳定性强、灵巧度好等优点，可以有效地增强手术效果，目前被广泛地应用于多种临床医学领域。人工耳蜗植入手术机器人系统基于高定位精度机器人、影像导航定位和多源信息安全监测等技术，确保了其在植入通道钻制和电极植入过程中拥有较高的精确性和稳定性，使手术更加安全与微创，降低了相关并发症的风险，从而可以有效辅助医生突破目前面临的问题进行手术操作。

[0003] 现有的国家公开发明专利文献CN112006780A，公开一种微创手术机器人系统及人工耳蜗微创植入手术装置，机器人为6‑DOF，满足手术要求，但是自由度冗余，结构为CBCT和机械臂分离式，机构复杂，串联型机械臂，体积较大。本发明采用术像一体化设计，兼具串并联优点，结构体积小，整体简单，结构更加稳定，精度高。

[0004] 本发明的目的是为了解决现有的人工耳蜗微创植入手术装置存在自由度冗余，机构复杂，体积较大的问题，进而提供一种基于混联结构的术像一体化手术机器人。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种基于混联结构的术像一体化手术机器人，它包括台车1、机械臂大臂2和2‑DOF并联末端执行器3，台车1包括移动底座1‑1和支撑立柱1‑2，支撑立柱1‑2竖直安装在移动底座1‑1上表面中心，支撑立柱1‑2、机械臂大臂2和2‑DOF并联末端执行器3由首端至末端依次首位顺次连接，通过机械臂大臂2的运动实现带动2‑DOF并联末端执行器3在机器人基坐标系yoz平面内的转动和移动，通过2‑DOF并联末端执行器3的运动使得机械臂实现机器人基坐标系内沿x轴的往复运动和绕y轴的转动。

[0007] 进一步地，2‑DOF并联末端执行器3包括末端执行器本体3‑1和骨钻3‑2，末端执行器本体3‑1包括第一直线运动驱动组件3‑1‑1、第二直线运动驱动组件3‑1‑2、第一转动副3‑1‑3、第二转动副3‑1‑4、末端直线导轨3‑1‑5、横向支撑板3‑1‑6、末端执行器底板3‑1‑7和工具架3‑1‑8，横向支撑板3‑1‑6右侧面与末端执行器底板3‑1‑7后侧面连接，第一直线运动驱动组件3‑1‑1和第二直线运动驱动组件3‑1‑2沿末端执行器底板3‑1‑7长度方向上下平行安装在末端执行器底板3‑1‑7左侧面，第一直线运动驱动组件3‑1‑1和第二直线运动驱动组件
3‑1‑2的动力输出端分别与第一转动副3‑1‑3和第二转动副3‑1‑4右侧面固定连接，末端执行器本体3‑1左侧设有竖直布置的工具架3‑1‑8，工具架3‑1‑8为L形工具架，工具架3‑1‑8右侧面下部凸起部分与第二转动副3‑1‑4左侧面转动连接，工具架3‑1‑8右侧面上部安装有末端直线导轨3‑1‑5，末端直线导轨3‑1‑5的滑块与第一转动副3‑1‑3左侧面转动连接，工具架
3‑1‑8左侧面安装有骨钻3‑2。

[0008] 进一步地，骨钻3‑2包括骨钻钻头3‑2‑1、骨钻套筒3‑2‑2和钻头固定件，骨钻套筒3‑2‑2竖直安装在工具架3‑1‑8的左侧面，骨钻钻头3‑2‑1插装在骨钻套筒3‑2‑2的内孔中，骨钻套筒3‑2‑2侧面沿径向开设有径向固定螺纹孔，径向固定螺纹孔与骨钻套筒3‑2‑2的内孔垂直连通，钻头固定件为钻头固定螺钉，钻头固定螺钉螺旋安装在径向固定螺纹孔中，钻头固定螺钉端面与骨钻钻头3‑2‑1侧面相抵。

[0009] 进一步地，第一直线运动驱动组件3‑1‑1包括第一电机、第一滚珠丝杠副、第一直线导轨和第一同步带传动机构，第一滚珠丝杠副的两个轴承座均安装在末端执行器底板3‑1‑7左侧面，第一滚珠丝杠副的丝杆端部通过第一同步带传动机构与第一电机的转轴连接，第一电机的壳体安装在其中一个第一滚珠丝杠副的轴承座上，第一滚珠丝杠副的上方设有水平布置的第一直线导轨，第一直线导轨的滑轨安装在末端执行器底板3‑1‑7左侧面，第一直线导轨的滑块下侧面与第一滚珠丝杠副的螺母连接，第一直线导轨的滑块左侧面与第一转动副3‑1‑3的右侧面固定连接；

[0010] 第二直线运动驱动组件3‑1‑2包括第二电机、第二滚珠丝杠副、第二直线导轨和第二同步带传动机构，第二滚珠丝杠副的两个轴承座均安装在末端执行器底板3‑1‑7左侧面，第二滚珠丝杠副的丝杆端部通过通过第二同步带传动机构与第二电机的转轴连接，第二电机的壳体安装在其中一个第二滚珠丝杠副的轴承座上，第二滚珠丝杠副的下方设有水平布置的第二直线导轨，第二直线导轨的滑轨安装在末端执行器底板3‑1‑7左侧面，第二直线导轨的滑块上侧面与第二滚珠丝杠副的螺母连接，第二直线导轨的滑块左侧面与第二转动副3‑1‑4的右侧面固定连接；

[0011] 末端直线导轨3‑1‑5包括末端滑轨和末端滑块，末端滑轨竖直安装在工具架3‑1‑8的右侧面上部，末端滑轨上滑动安装有末端滑块，末端滑块的右侧面与第一转动副3‑1‑3的左侧面转动连接。

[0012] 进一步地，机械臂大臂2包括整体旋转副Ⅰ2A‑1、CBCT扫描臂Ⅰ2A‑2、竖向移动副Ⅰ2A‑3和2‑DOF底部并联机构2A‑4，CBCT扫描臂Ⅰ2A‑2水平布置在支撑立柱1‑2上部，CBCT扫描臂Ⅰ2A‑2为“凵字形”扫描臂，CBCT扫描臂Ⅰ2A‑2包括CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1、CBCT接收端Ⅰ2A‑2‑2和CBCT发射端Ⅰ2A‑2‑3，CBCT接收端Ⅰ2A‑2‑2和CBCT发射端Ⅰ2A‑2‑3竖直相对布置在CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1前侧，CBCT接收端Ⅰ2A‑2‑2和CBCT发射端Ⅰ2A‑2‑3端部分别与CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1的前侧面左右两端垂直连接；

[0013] 台车1的支撑立柱1‑2上方设有整体旋转副Ⅰ2A‑1，整体旋转副Ⅰ2A‑1的连接部安装在台车1的支撑立柱1‑2顶端，整体旋转副Ⅰ2A‑1的旋转部与CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1中部连接；

[0014] CBCT接收端Ⅰ2A‑2‑2和CBCT发射端Ⅰ2A‑2‑3之间设有水平布置的2‑DOF底部并联机构2A‑4，2‑DOF底部并联机构2A‑4包括第三直线运动驱动组件2A‑1‑1、第四直线运动驱动组件2A‑1‑2、第三转动副2A‑1‑3和第四转动副2A‑1‑4，第三直线运动驱动组件2A‑1‑1和第四直线运动驱动组件2A‑1‑2沿CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1长度方向上下水平并排安装在CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1的前侧面，第三直线运动驱动组件2A‑1‑1和第四直线运动驱动组件2A‑1‑2的动力输出端分别与第三转动副2A‑1‑3和第四转动副2A‑1‑4后侧面固定连接；

[0015] 2‑DOF底部并联机构2A‑4前侧设有竖直布置的竖向移动副Ⅰ2A‑3，竖向移动副Ⅰ2A‑3包括第五直线运动驱动组件2A‑3‑1和竖向固定板Ⅰ2A‑3‑2，竖向固定板Ⅰ2A‑3‑2后侧面安装有竖直布置的第五直线运动驱动组件2A‑3‑1，第五直线运动驱动组件2A‑3‑1的两个动力输出端分别与第三转动副2A‑1‑3和第四转动副2A‑1‑4前侧面转动连接，竖向固定板Ⅰ2A‑3‑
2上方侧部设有2‑DOF并联末端执行器3，2‑DOF并联末端执行器3中的横向支撑板3‑1‑6前侧面与竖向固定板Ⅰ2A‑3‑2后侧面上部连接。

[0016] 进一步地，第三直线运动驱动组件2A‑1‑1包括第三电机、第三滚珠丝杠副、第三直线导轨和第三同步带传动机构，第三滚珠丝杠副的两个轴承座均安装在CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1前侧面，第三滚珠丝杠副的丝杆端部通过第三同步带传动机构与第三电机的转轴连接，第三电机的壳体安装在第三滚珠丝杠副的其中一个轴承座上，第三滚珠丝杠副的丝杆正上方设有水平布置的第三直线导轨，第三直线导轨的导轨安装在CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1前侧面，第三直线导轨的滑块后侧面与第三转动副2A‑1‑3前侧面固定连接，第三直线导轨的滑块下侧面与第三滚珠丝杠副的螺母连接；

[0017] 第四直线运动驱动组件2A‑1‑2包括第四电机、第四滚珠丝杠副、第四直线导轨和第四同步带传动机构，第四滚珠丝杠副的两个轴承座均安装在CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1前侧面，第四滚珠丝杠副的丝杆端部通过第四同步带传动机构与第四电机的转轴连接，第四电机的壳体安装在第四滚珠丝杠副的其中一个轴承座上，第四滚珠丝杠副的丝杆正上方设有水平布置的第四直线导轨，第四直线导轨的导轨安装在CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1前侧面，第四直线导轨的滑块后侧面与第四转动副2A‑1‑4前侧面固定连接，第四直线导轨的滑块下侧面与第四滚珠丝杠副的螺母连接；

[0018] 第五直线运动驱动组件2A‑3‑1包括第五电机、第五滚珠丝杠副、第五直线导轨和第五同步带传动机构，第五滚珠丝杠副的两个轴承座均安装在竖向固定板Ⅰ2A‑3‑2后侧面，竖向固定板Ⅰ2A‑3‑2上部开设有矩形装配通孔，竖向固定板Ⅰ2A‑3‑2前侧面上部安装有第五电机，第五同步带传动机构的一端与第五电机的转轴连接，第五同步带传动机构的另一端穿过矩形装配通孔并与第五滚珠丝杠副的丝杆上端连接，第五直线导轨的两个滑轨分别竖直对称布置在第五滚珠丝杠副的左右两侧，第五直线导轨的上部滑块同时与第五直线导轨的两个滑轨滑动连接，其中上部滑块的后侧面与第三转动副2A‑1‑3前侧面转动连接，第五直线导轨的下部滑块同时与第五直线导轨的两个滑轨滑动连接，其中下部滑块的后侧面与第四转动副2A‑1‑4前侧面转动连接，下部滑块与第五滚珠丝杠副的滑块连接；

[0019] 整体旋转副Ⅰ2A‑1包括整体旋转电机Ⅰ2A‑1‑5和电机安装架Ⅰ2A‑1‑6，电机安装架Ⅰ2A‑1‑6安装在台车1的支撑立柱1‑2顶端，整体旋转电机Ⅰ2A‑1‑5安装在电机安装架Ⅰ2A‑1‑6上，整体旋转电机Ⅰ2A‑1‑5的转轴与CBCT底板Ⅰ2A‑2‑1中部连接。

[0020] 进一步地，机械臂大臂2包括整体旋转副Ⅱ2B‑1、CBCT扫描臂Ⅱ2B‑2和竖向移动副Ⅱ2B‑3，CBCT扫描臂Ⅱ2B‑2水平布置在支撑立柱1‑2上部，CBCT扫描臂Ⅱ2B‑2为“凵字形”扫描臂，CBCT扫描臂Ⅱ2B‑2包括CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1、CBCT接收端Ⅱ2B‑2‑2和CBCT发射端Ⅱ2B‑2‑3，CBCT接收端Ⅱ2B‑2‑2和CBCT发射端Ⅱ2B‑2‑3竖直相对布置在CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1前侧，CBCT接收端Ⅱ2B‑2‑2和CBCT发射端Ⅱ2B‑2‑3端部分别与CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1的前侧面左右两端垂直连接；

[0021] 台车1的支撑立柱1‑2上方设有整体旋转副Ⅱ2B‑1，整体旋转副Ⅱ2B‑1的连接部安装在台车1的支撑立柱1‑2顶端，整体旋转副Ⅱ2B‑1的旋转部与CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1中部连接；

[0022] CBCT接收端Ⅱ2B‑2‑2和CBCT发射端Ⅱ2B‑2‑3之间设有竖直布置的竖向移动副Ⅱ2B‑3，竖向移动副Ⅱ2B‑3包括第六直线运动驱动组件2B‑3‑1、竖向固定板Ⅱ2B‑3‑2和第一末端旋转副2B‑3‑3，竖向固定板Ⅱ2B‑3‑2后侧面安装有竖直布置的第六直线运动驱动组件
2B‑3‑1，第六直线运动驱动组件2B‑3‑1的动力输出端与CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1前侧面中部连接，竖向固定板Ⅱ2B‑3‑2上部与第一末端旋转副2B‑3‑3的连接部连接，竖向固定板Ⅱ2B‑3‑
2上方侧部设有2‑DOF并联末端执行器3，2‑DOF并联末端执行器3中的横向支撑板3‑1‑6前侧面与第一末端旋转副2B‑3‑3的旋转部连接。

[0023] 进一步地，第六直线运动驱动组件2B‑3‑1包括第六电机、第六滚珠丝杠副和第六直线导轨，第六滚珠丝杠副的两个轴承座均安装在竖向固定板Ⅱ2B‑3‑2后侧面，第六滚珠丝杠副的丝杆端部与第六电机的转轴连接，第六电机的壳体安装在其中一个第六滚珠丝杠副的轴承座上，第六直线导轨的两个滑轨分别竖直对称设置在第六滚珠丝杠副的左右两侧，两个滑轨与竖向固定板Ⅱ2B‑3‑2后侧面连接，第六直线导轨的两个滑块分别可滑动地安装在两个滑轨上，第六直线导轨的两个滑块与CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1前侧面固定连接，两个滑块均与第六滚珠丝杠副的螺母连接；

[0024] 整体旋转副Ⅱ2B‑1包括整体旋转电机Ⅱ2B‑1‑1和电机安装架Ⅱ2B‑1‑2，电机安装架Ⅱ2B‑1‑2安装在台车1的支撑立柱1‑2顶端，整体旋转电机Ⅱ2B‑1‑1安装在电机安装架Ⅱ2B‑1‑2上，整体旋转电机Ⅱ2B‑1‑1的转轴与CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1中部连接；

[0025] 第一末端旋转副2B‑3‑3包括第一末端电机，第一末端电机的壳体与竖向固定板Ⅱ2B‑3‑2上部连接，第一末端电机的转轴与2‑DOF并联末端执行器3中的横向支撑板3‑1‑6前侧面连接。

[0026] 进一步地，机械臂大臂2包括整体旋转副Ⅲ2C‑1、CBCT扫描臂Ⅲ2C‑2和竖向移动副Ⅲ2C‑3，CBCT扫描臂Ⅲ2C‑2水平布置在支撑立柱1‑2上部，CBCT扫描臂Ⅲ2C‑2为“凵字形”扫描臂，CBCT扫描臂Ⅲ2C‑2包括CBCT底板Ⅲ2C‑2‑1、CBCT接收端Ⅲ2C‑2‑2和CBCT发射端Ⅲ2C‑2‑3，CBCT接收端Ⅲ2C‑2‑2和CBCT发射端Ⅲ2C‑2‑3竖直相对布置在CBCT底板Ⅱ2B‑2‑1前侧，CBCT接收端Ⅲ2C‑2‑2和CBCT发射端Ⅲ2C‑2‑3端部分别与CBCT底板Ⅲ2C‑2‑1的前侧面左右两端垂直连接，CBCT底板Ⅲ2C‑2‑1中部上方设有竖直布置的竖向固定板Ⅲ2C‑2‑4，竖向固定板Ⅲ2C‑2‑4与CBCT底板Ⅲ2C‑2‑1一体成型；

[0027] 台车1的支撑立柱1‑2上方设有整体旋转副Ⅲ2C‑1，整体旋转副Ⅲ2C‑1的连接部安装在台车1的支撑立柱1‑2顶端，整体旋转副Ⅲ2C‑1的旋转部与CBCT底板Ⅲ2C‑2‑1中部连接；

[0028] 竖向固定板Ⅲ2C‑2‑4前侧面安装有竖直布置的竖向移动副Ⅲ2C‑3，竖向移动副Ⅲ2C‑3包括第七直线运动驱动组件2C‑3‑1、竖向升降板2C‑3‑2和第二末端旋转副，竖向固定板Ⅲ2C‑2‑4前侧面安装有竖直布置的第七直线运动驱动组件2C‑3‑1，第七直线运动驱动组件2C‑3‑1的动力输出端与竖向升降板2C‑3‑2连接，第二末端旋转副的连接部与竖向升降板
2C‑3‑2连接，竖向固定板Ⅲ2C‑2‑4上方侧部设有2‑DOF并联末端执行器3，2‑DOF并联末端执行器3中的横向支撑板3‑1‑6前侧面与第二末端旋转副的旋转部连接。

[0029] 进一步地，第七直线运动驱动组件2C‑3‑1包括第七电机、第七滚珠丝杠副和第七直线导轨，第七滚珠丝杠副的两个轴承座均安装在竖向固定板Ⅲ2C‑2‑4前侧面，第七滚珠丝杠副的丝杆端部与第七电机的转轴连接，第七电机的壳体安装在其中一个第七滚珠丝杠副的轴承座上，第七直线导轨的两个滑轨分别竖直对称设置在第七滚珠丝杠副的左右两侧，两个滑轨与竖向固定板Ⅲ2C‑2‑4前侧面连接，第七直线导轨的两个滑块分别可滑动地安装在两个滑轨上，第七直线导轨的两个滑块与竖向升降板2C‑3‑2后侧面连接，两个滑块均与第七滚珠丝杠副的螺母连接；

[0030] 整体旋转副Ⅲ2C‑1包括整体旋转电机Ⅲ2C‑1‑1和电机安装架Ⅲ2C‑1‑2，电机安装架Ⅲ2C‑1‑2安装在台车1的支撑立柱1‑2顶端，整体旋转电机Ⅲ(2C‑1‑1)安装在电机安装架Ⅲ2C‑1‑2上，整体旋转电机Ⅲ2C‑1‑1的转轴与CBCT底板Ⅲ2C‑2‑1中部连接；

[0031] 第二末端旋转副包括第二末端电机，第二末端电机的壳体与第七直线运动驱动组件2C‑3‑1的动力输出端连接，第二末端电机的转轴与2‑DOF并联末端执行器3中的横向支撑板3‑1‑6前侧面连接。

[0032] 本发明与现有技术相比具有以下效果：

[0033] 1、本发明的一种基于混联结构的术像一体化手术机器人，机械臂大臂2包括CBCT扫描臂Ⅰ2A‑2、竖向移动副Ⅰ2A‑3、2‑DOF底部并联机构2A‑4、第三直线运动驱动组件2A‑1‑1和第五直线运动驱动组件2A‑3‑1，为PPP构型的串并联混合结构，P副通过电机依次带动同步带和丝杆实现二级传动，进而实现矢状面内的二维定向和定位，同时由于2‑DOF底部并联机构2A‑4的存在，可以使得竖向移动副Ⅰ2A‑3在指定范围内摆动，便于调节定位、增大工作空间、缩小结构体积。

[0034] 2、本发明的一种基于混联结构的术像一体化手术机器人，2‑DOF底部并联机构2A‑4包含第一直线运动驱动组件3‑1‑1和第二直线运动驱动组件3‑1‑2，具体地，由两个独立电机分别依次带动两个同步带和两个丝杠实现传动，将旋转运动转为平移运动，并通过定位结构约束两个丝杆保持并行，从而限制螺母运动，使得两导轨实现两个独立直线运动。另外，本发明的2‑DOF并联末端执行器还包含第一转动副3‑1‑3、第二转动副3‑1‑4和末端直线导轨3‑1‑5，由一个转动副和导轨组成，为五连杆机构，实现带动末端骨钻的横截面内的二维定向和定位，由于DE均为移动副，可按四连杆机构分析，导轨作为移动副可以在固定范围内移动，保证末端骨钻前后摆动±45°，不存在死点。

[0035] 3、本发明的一种基于混联结构的术像一体化手术机器人，采用术像一体化设计，通过CBCT扫描臂底板将CBCT扫描臂和机械臂大臂安装在一起，使得结构更加一体化。另外，所述术像一体化机器人为混联5‑DOF结构，兼具串并联优点，结构体积小，整体简单，结构更加稳定，精度高。同时机械臂坐标系和CBCT图像坐标系只需一次配准，不会发生变化。

[0036] 4、本发明的一种基于混联结构的术像一体化手术机器人，多采用并联机构，具有体积小、质量轻、大工作空间的优点。

[0037] 5、本发明的一种基于混联结构的术像一体化手术机器人，全部采用直线运动关节驱动，有效地提高了机械臂结构的稳定性。