构建开源机器人立体定位仪

本实验方案的总体目标是通过向研究人员提供构建一种灵活、低成本且开源的机器人立体定位仪的设计图纸，以及用于设计和共享手术方案所必需的软件，从而提升机器人啮齿类动物神经外科手术的可及性和灵活性。该目标的实现首先需要加工并组装一台计算机数字控制的立体定位仪；第二步是确定立体定位仪的缩放比例。

通过测量每单位电机移动距离所对应的标准颅骨坐标距离，系统将根据颅骨坐标自动生成加工路径，并导出为G代码。最后一步是使用该动物物种的颅骨进行手术测试。应根据测试结果对设计的手术方案进行相应调整。

最终，立体定位仪可用于快速开展并共享活体啮齿类动物神经外科手术。目前的应用包括但不限于开颅手术、薄颅骨、颅窗以及电极或套管植入。采用机械臂辅助的手术器械可提高啮齿类动物神经外科手术的准确性和可重复性。

然而，商用型号的价格可能高得令人望而却步。以下方案提供了将现有手动体视显微镜升级为电动体视显微镜的详细步骤。用于控制电机的G代码为开源代码，可根据外科医生极为特定的需求进行修改。

附带的 MATLAB 脚本将帮助早期使用者通过简单的点选菜单自动生成手术程序。尽管目前仅支持少数几种生成的手术，但该机器人可执行动物模型中使用的绝大多数神经外科技术。机器人手术具有多种优势，例如可在特定时间消除变量影响。

在过去30年中，我们的实验室曾经历过生存手术存活率较低的阶段。由于需要逐一排除大量变量，这些阶段令人倍感挫折。机器人手术将消除其中部分变量，从而简化我们的故障排查过程。

总体而言，该方法有助于实现更稳定的手术操作、缩短恢复时间并减少实验动物的死亡数量。开始此操作时，先将双极性步进电机连接至驱动板附带的连接器上。将绿色导线连接至A相正极，黑色导线连接至A相负极，红色导线连接至B相正极，蓝色导线连接至B相负极。

下一张幻灯片。将联轴器安装到步进电机上时，需小心对准安装孔。然后使用1220毫米M3内六角圆柱头螺钉将其固定，并确保联轴器牢固地连接在电机上。

请注意，耦合器和套筒的 3D 模型不包含螺纹。标有螺纹尺寸的孔必须在加工后进行攻丝。然后，使用小六角扳手拆下立体定位仪三个轴上拇指旋钮的紧定螺钉。

拇指旋钮为螺纹设计，拆卸时应逆时针旋转，同时保持聚四氟乙烯垫圈固定在臂上。然后将套管的螺纹端拧到立体定位仪臂的螺杆上，确保套管与聚四氟乙烯O型环之间无间隙。这可保证机器人在改变方向时坐标保持不变。

随后，使用三个1/4英寸nf 10-32杯头定位螺钉将衬套固定在立体定位臂的螺纹上。将每个电机和联轴器滑过衬套和立体定位臂。确保电机与臂齐平，且衬套上的定位螺钉孔与电机轴的扁平部分对齐。

然后使用安装孔和六颗½英寸NF 10-32割尾紧定螺钉将联轴器固定到刻模上。随后，使用¾英寸NF 10-32紧定螺钉将轴套固定到电机轴上。现在通过将三个步进控制器均设置为半步进模式来准备CNC驱动板，该模式可使每个步进控制器的步进分辨率达到两倍。将1号针脚拨至开启位置，2号针脚拨至关闭位置，3号针脚拨至开启位置，4号针脚拨至关闭位置，5号针脚拨至开启位置，6号针脚拨至关闭位置。

将X、Y和Z轴电机连同12伏电源一起接入步进电机驱动器。然后使用DB 25电缆将步进电机驱动器连接到计算机的串行端口。接着打开数控铣床软件，开始配置步进电机的通信参数。

请注意，以下说明仅适用于 TB 6 5 6 0 步进电机驱动器。点击配置，然后选择端口和输出信号。填写提示内容后点击应用。

然后点击配置端口和引脚以及输入信号。填写提示信息后点击应用。接下来，点击配置。

然后是端口、引脚和电机输出。填写提示内容后点击应用。之后，点击配置和电机调校。

填写提示并点击保存轴设置，然后对全部三个 AE 使用相同的数值重复这些步骤。接下来，通过将电机速度设置为每分钟一英寸，使用“Page Up”和“Page Down”键以最接近的毫米为单位点动立体定位仪的 Z 轴，将 Z 轴归零，再点动立体定位仪移动一毫米，从而将立体定位仪校准至 CNC 软件的量程。在 Mach3 中 Z 轴移动的距离即为缩放常数。

通过编程使三个轴向移动已知距离，进行随机测试以确保运动的准确性后，使用超大探针架将微型电机钻头连接到立体定位仪上。首先，将软件表格中的所有自定义脚本放入计算机上的一个文件夹中，然后打开脚本“sharp edge craniotomy M”并运行代码。

在提示中同时选择两者。您将要执行哪种类型的手术？随后选择自定义以定义颅窗的角，设定颅骨开窗四个角的 X 和 Y 位置。

每个坐标必须按正确顺序输入。填写完表单后，点击“确定”。接下来，在提示中输入数字 3，以生成三个颅骨孔。然后选择“使用坐标定义”，并从模板中输入每个孔的坐标。

随后，为第一次测试手术设定钻孔参数。接受默认值。为G代码命名。

它将自动生成并保存到工作目录中。将G代码载入数控铣床软件，并将测试颅骨放入立体定位仪中。使用键盘的方向键手动点动耳棒，以调整钻头对准颅骨钻孔位置，采用慢速点动以确保准确性。

现在启动微型电机钻，并将钻机控制器上的速度旋钮设置为 50,000 RPM。按下循环启动。立体定向装置将进行多次相同切口，在每次切口之间以不同深度进行。

立体定向攻击将暂停，以便外科医生可以继续或中止操作。切割中。按“继续循环”以继续切割过程。此处显示的是完成先前设计的手术后的最终效果，而这个颅骨展示了插入孔洞中的颅骨螺钉。

钻头的尺寸将决定钻孔的直径，进而决定螺钉的尺寸。该图显示了颅骨，其中箭头所指示的为薄颅窗。注意在右侧面板中，光似乎能够穿透薄颅窗。

统一的机器人手术设备有助于解决当今神经科学领域的一些最常见问题。首先，工具路径具有100%的可重复性。其次，它可以减少实验误差。

第三，电动外科设备可以减少实验所需的动物数量；最后，它们比人手操作更精确、更准确。我们已配备定制软件，使研究人员能够自动执行简单的外科手术。需要牢记的是，电动立体定位设备的使用并不局限于该软件的功能范围。

研究人员可以编写复杂的刀具路径，以更好地适应其独特的神经外科手术。然而，机器人的精度取决于高质量的加工、正确的设置以及对数控机床工作原理的充分理解。只要研究人员愿意花时间了解这种电动立体定位仪器的工作机制，就能以更高的准确性进行手术，同时提高可重复性并减少培训需求。

总体而言，自动化手术提供了诸多优势。电动立体定位仪已经存在，且已有商业化产品，但价格极为昂贵。

Kevin 和 David 在此构建的系统具有同样高质量，但成本极低，他们正将该软件和系统免费提供给整个科研社区。