CN107411821B - 五自由度柔性穿刺机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明是五自由度柔性穿刺机器人，属于医疗器械领域。本发明包括：底座、立柱、机械臂升降系统、机械臂运动系统、平面菱形接头五部分组成；本发明的目的是提供一种穿刺手术辅助机器人，该机器人能够实现任意位置任意角度柔性穿刺，可以避免外科医生手部的生理抖动给患者带来不必要的影响，该机器人穿刺端采用平面五连杆机构，该机构具有机构简单，运动平稳的特点，且均采用金属材料，通过高压灭菌器完全灭菌，安全可靠。本发明的目的是提供一种穿刺手术辅助机器人体积小，底座安装有滚轮，移动方便。

Description

五自由度柔性穿刺机器人
技术领域：
本发明涉及的是一种五自由度柔性穿刺机器人，属于医疗器械领域。
背景技术：
穿刺手术既能实现对体液的提取，又能将药物或造影剂注入指定位置，同时又具有创伤小便于恢复的特点，因此，穿刺手术得到了广泛的应用。穿刺手术机器人的一个重要作用是代替外科医生的手完成穿刺手术，以此避免外科医生手部的生理抖动给患者带来不必要的影响。穿刺针在穿刺的过程中能否实现直线运动与自动穿刺是机器人设计过程中必须要考虑的问题，因为它决定了穿刺机器人能否安全的、精准的、有效的地把穿刺针刺入医生指定的病灶靶点，它的性能直接影响着手术对病人的治疗效果。
目前，有大量的穿刺机器人通过了临床手术的检验，明确了穿刺机器人能够安全的可靠的运行，而且精度和效率优于医生徒手操作，机器人手术相较于医生手术稳定性更高，同时减少了医生的工作量，将医生从疲劳中释放出来。本发明提供的穿刺手术辅助机器人通过机械传动能稳定的实现进针和收针，并且结构精巧，便于携带，能实现任意位置任意角度穿刺，柔性进针，安全可靠。
发明内容：
本发明的目的是提供了一种穿刺手术辅助机器人，该机器人能够实现五个自由度的运动，能够实现任意位置任意角度柔性进针，可以有效的避免外科医生手部的生理抖动给患者带来不必要的影响，该机器人可通过高压灭菌器完全灭菌，简单方便，安全可靠。
技术方案：
本发明是由它是由底座(1)、立柱(8)、机械臂升降系统、机械臂运动系统、平面菱形接头组成；
所述的底座装有两个滚轮和两个调节螺钉，两个滚轮方便本发明提出的五自由度柔性穿刺机器人的自由移动，两个调节螺钉能调节底座稳定的固定在地面上，避免了由于地面的凸凹不平引起本发明提出的五自由度柔性穿刺机器人的晃动；
所述的机械臂升降系统由第一驱动元件(2)、小齿轮(24)、大齿轮(23)、蜗轮(3)、蜗杆(4)、传动轴(5)、联轴器(6)、丝杠(7)、螺母(9)、螺母导轨(10)组成；小齿轮 (24)与大齿轮(23)啮合构成一级减速，蜗杆(4)与蜗轮(3)构成二级减速；
所述的机械臂运动系统是由第二驱动元件(11)，第三驱动元件(13)、第四驱动元件(22)、传动杆Ⅰ(12)、传动杆Ⅱ(14)、接头底座(15)组成；
所述的平面菱形接头是由弹簧(16)、第一连杆(17)、第二连杆(19)、第三连杆(20)、第四连杆(21)、第五驱动元件(18)组成；
本发明的具体连接方式为：所述的立柱(8)通过螺钉固定在所述的底座(1)上，所述的第一驱动元件(2)固定在所述的底座(1)上，所述的第一驱动元件(2)的输出轴安装有所述的小齿轮(24)；所述的小齿轮(24)与所述的大齿轮(23)啮合，构成一级减速，所述的大齿轮(23)安装在所述的蜗杆(4)一端，所述的蜗杆(4)的另一端通过轴承固定在所述的立柱(8)上，所述的蜗杆(4)与所述的蜗轮(3)构成二级减速，所述的蜗轮(3)固定在所述的传动轴(5)上，所述的传动轴(5)通过所述的联轴器(6)与所述的丝杠(7) 连接，所述的传动轴(5)与所述的丝杠(7)通过轴承固定在所述的立柱(8)上，以使传所述的传动轴(5)与所述的丝杠(7)能绕其中心轴转动，所述的螺母(9)的一端与所述的丝杠(7)相连，构成滚珠丝杠螺母副；为保证所述的螺母(9)在所述的丝杠(7)上稳定的上下移动，在所述的立柱(8)上装有螺母导轨(10)，所述的螺母导轨(10)分布在所述的螺母(9)两侧，所述的螺母(9)能同时沿着所述的丝杠(7)和螺母导轨(10)移动，保证了所述的螺母(9)在所述的丝杠(7)上稳定地做直线运动且不会转动，所述的螺母(9)的另一端与所述的第二驱动原件(11)通过螺钉固定连接，所述的第二驱动元件(11)输出轴与所述的传动杆Ⅰ(12)一端固定连接，所述的传动杆Ⅰ(12)另一端安装有所述的第三驱动元件(13)，所述的传动杆Ⅱ(14)一端固定在所述的第三驱动元件(13)输出轴上，所述的传动杆Ⅱ(14)另一端安装有所述的第四驱动元件(22)，所述的第四驱动元件(22)的输出轴安装有所述的接头底座(15)，所述的接头底座(15)上安装有所述的平面菱形接头，所述的平面菱形接头由弹簧(16)、第一连杆(17)、第二连杆(19)、第三连杆(20)、第四连杆 (21)、第五驱动元件(18)组成，所述的第五驱动元件(18)固定在所述的接头底座(15) 上，所述的第五驱动元件(18)输出轴与所述的第一连杆(17)的一端固接，所述的第一连杆(17)与所述的第二连杆(19)一端的铰接(铰点为铰点1)，所述的第二连杆(19)的另一端与所述的第三连杆(20)铰接(铰点为铰点2)，所述的第三连杆(20)一端铰接于所述的接头底座(15)(铰点为铰点3)，所述的第三连杆(20)另一端开有沟槽，允许所述的第四连杆(21)在沟槽内滑动，同时所述的第四连杆(21)又能在所述的接头底座(15)上的直线轨道里滑动，穿刺针头安装在所述的第四连杆(21)，所述的弹簧(16)有上下两个，所述的弹簧(16)一端固定在第一连杆(17)与所述的第二连杆(19)连接的铰点1上，另一端固定在所述的第三连杆(20)与所述的接头底座(15)连接的铰点2上。
本发明用于辅助穿刺手术，具有以下有益效果：1、本发明采用的平面菱形接头是平面五连杆机构，具有稳定的运动形式；2、本发明穿刺端均采用金属材料，可以进行高温灭菌操作； 3、本发明能实现五轴联动；4、本发明能实现穿刺针的柔性进针，并具有收针迅速的特点；5、本发明所述的螺母(9)同时沿着丝杆和导轨移动，运动平稳，精度高；6、本发明能实现任意位置任意角度穿刺；7、本发明采用弹簧(16)能吸收第一连杆的动能，实现柔性进针，又能在拔针是释放势能，实现快速拔针。8、本发明底座上安装有滚轮和调节力度螺钉(25)，滚轮是机器人可以自由移动，调节螺钉(25)能调节底座平衡，增加稳定性。
附图说明：
图1是本发明结构示意图。
图2是平面菱形接头结构示意图。
图中：底座(1)、第一驱动元件(2)、蜗轮(3)、蜗杆(4)、传动轴(5)、联轴器 (6)、丝杠(7)、立柱(8)、螺母(9)、螺母导轨(10)、第二驱动元件(11)、传动杆Ⅰ(12)、第三驱动元件(13)、传动杆Ⅱ(14)、接头底座(15)、弹簧(16)、第一连杆(17)第五驱动元件(18)、第二连杆(19)、第三连杆(20)、第四连杆(21)、第四驱动元件(22)、大齿轮(23)、小齿轮(24)、调节螺钉(25)。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。
如图1所示，所述的立柱(8)通过螺钉固定在所述的底座(1)上，所述的第一驱动元件(2)固定在所述的底座(1)上，所述的第一驱动元件(2)的输出轴安装有所述的小齿轮(24)；所述的小齿轮(24)与所述的大齿轮(23)啮合，构成一级减速，所述的大齿轮(23) 安装在所述的蜗杆(4)一端，所述的蜗杆(4)的另一端通过轴承固定在所述的立柱(8)上，所述的蜗杆(4)与所述的蜗轮(3)构成二级减速，所述的蜗轮(3)固定在所述的传动轴(5) 上，所述的传动轴(5)通过所述的联轴器(6)与所述的丝杠(7)连接，所述的传动轴(5) 与所述的丝杠(7)通过轴承固定在所述的立柱(8)上，以使传所述的传动轴(5)与所述的丝杠(7)能绕其中心轴转动，所述的螺母(9)的一端与所述的丝杠(7)相连，构成滚珠丝杠螺母副；为保证所述的螺母(9)在所述的丝杠(7)上稳定的上下移动，在所述的立柱(8) 上装有螺母导轨(10)，所述的螺母导轨(10)分布在所述的螺母(9)两侧，所述的螺母(9) 能同时沿着所述的丝杠(7)和螺母导轨(10)移动，保证了所述的螺母(9)在所述的丝杠 (7)上稳定地做直线运动且不会转动，所述的螺母(9)的另一端与所述的第二驱动原件(11) 通过螺钉固定连接，所述的第二驱动元件(11)输出轴与所述的传动杆Ⅰ(12)一端固定连接，所述的传动杆Ⅰ(12)另一端安装有所述的第三驱动元件(13)，所述的传动杆Ⅱ(14) 一端固定在所述的第三驱动元件(13)输出轴上，所述的传动杆Ⅱ(14)另一端安装有所述的第四驱动元件(22)，所述的第四驱动元件(22)的输出轴安装有所述的接头底座(15)，所述的接头底座(15)上安装有所述的平面菱形接头，所述的平面菱形接头由弹簧(16)、第一连杆(17)、第二连杆(19)、第三连杆(20)、第四连杆(21)、第五驱动元件(18)组成，所述的第五驱动元件(18)固定在所述的接头底座(15)上，所述的第五驱动元件(18)输出轴与所述的第一连杆(17)的一端固接，所述的第一连杆(17)与所述的第二连杆(19) 一端的铰接(铰点为铰点1)，所述的第二连杆(19)的另一端与所述的第三连杆(20)铰接 (铰点为铰点2)，所述的第三连杆(20)一端铰接于所述的接头底座(15)(铰点为铰点3)，所述的第三连杆(20)另一端开有沟槽，允许所述的第四连杆(21)在沟槽内滑动，同时所述的第四连杆(21)又能在所述的接头底座(15)上的直线轨道里滑动，穿刺针头安装在所述的第四连杆(21)，所述的弹簧(16)有上下两个，所述的弹簧(16)一端固定在第一连杆 (17)与所述的第二连杆(19)连接的铰点1上，另一端固定在所述的第三连杆(20)与所述的接头底座(15)连接的铰点2上。
五个驱动元件实现形式可以伺服电机，所述的第一驱动元件(2)也可以是交流电机；
五自由度柔性穿刺机器人的机械臂升降系统实现过程为：所述的第一驱动元件(2)转动带动所述的小齿轮(24)转动、所述的小齿轮(24)带动所述的大齿轮(23)转动，所述的小齿轮(24)与所述的大齿轮(23)啮合构成一级减速，所述的大齿轮(23)带动所述的蜗杆(4)转动，所述的蜗杆(4)带动所述的蜗轮(3)转动，所述的蜗轮(3)带动所述的传动轴(5)、所述的联轴器(6)和所述的丝杠(7)转动，所述的丝杠(7)的转动带动所述的螺母(8)上下移动，实现了机械臂的上下移动；
五自由度柔性穿刺机器人的机械臂运动系统的实现过程为：安装在所述的螺母(9)一端的所述的第二驱动元件(11)带动所述的传动杆Ⅰ(12)绕着所述的第二驱动元件(11)输出轴中轴线转动；所述的第三驱动元件(13)带动所述的传动杆Ⅱ(14)绕着所述的第三驱动元件(13)输出轴中轴线转动；所述的第四驱动元件(22)带动所述的接头底座(15)转动；
五自由度柔性穿刺机器人的穿刺的实现过程：如图2所示，安装在所述的接头底座(15) 上的所述的第五驱动元件(18)带动所述的第一连杆(17)转动，同时所述的弹簧(16)实现动能与势能的转化，所述的第一连杆(17)通过所述的第二连杆(19)带着所述的第三连杆(20)围绕铰点3转动摆动，所述的第三连杆(20)摆动通过沟槽带动所述的第四连杆(21)进行往复直线运动，从而实现进针和收针。

Claims (3)

1.五自由度柔性穿刺机器人，其特征在于：所述的五自由度柔性穿刺机器人是由底座(1)、立柱(8)、机械臂升降系统、机械臂运动系统、平面菱形接头组成；
所述的底座装有两个滚轮和两个调节螺钉，两个滚轮实现了五自由度柔性穿刺机器人的自由移动，两个调节螺钉能调节底座稳定地固定在地面上，避免了由于地面的凸凹不平引起所述的五自由度柔性穿刺机器人的晃动；
所述的机械臂升降系统由第一驱动元件(2)、小齿轮(24)、大齿轮(23)、蜗轮(3)、蜗杆(4)、传动轴(5)、联轴器(6)、丝杠(7)、螺母(9)、螺母导轨(10)组成；小齿轮(24)与大齿轮(23)啮合构成一级减速，蜗杆(4)与蜗轮(3)构成二级减速；
所述的机械臂运动系统是由第二驱动元件(11)、第三驱动元件(13)、第四驱动元件(22)、第一传动杆(12)、第二传动杆(14)、接头底座(15)组成；
所述的平面菱形接头是由弹簧(16)、第一连杆(17)、第二连杆(19)、第三连杆(20)、第四连杆(21)、第五驱动元件(18)组成；
所述的立柱(8)通过螺钉固定在所述的底座(1)上，所述的第一驱动元件(2)固定在所述的底座(1)上，所述的第一驱动元件(2)的输出轴安装有所述的小齿轮(24)；所述的小齿轮(24)与所述的大齿轮(23)啮合，构成一级减速，所述的大齿轮(23)安装在所述的蜗杆(4)一端，所述的蜗杆(4)的另一端通过轴承固定在所述的立柱(8)上，所述的蜗杆(4)与所述的蜗轮(3)构成二级减速，所述的蜗轮(3)固定在所述的传动轴(5)上，所述的传动轴(5)通过所述的联轴器(6)与所述的丝杠(7)连接，所述的传动轴(5)与所述的丝杠(7)通过轴承固定在所述的立柱(8)上，以使所述的传动轴(5)与所述的丝杠(7)能绕其中心轴转动，所述的螺母(9)的一端与所述的丝杠(7)相连，构成滚珠丝杠螺母副；为保证所述的螺母(9)在所述的丝杠(7)上稳定的上下移动，在所述的立柱(8)上装有螺母导轨(10)，所述的螺母导轨(10)分布在所述的螺母(9)两侧，所述的螺母(9)能同时沿着所述的丝杠(7)和螺母导轨(10)移动，保证了所述的螺母(9)在所述的丝杠(7)上稳定地做直线运动且不会转动，所述的螺母(9)的另一端与所述的第二驱动元件(11)通过螺钉固定连接，所述的第二驱动元件(11)输出轴与所述的第一传动杆(12)一端固定连接，所述的第一传动杆(12)另一端安装有所述的第三驱动元件(13)，所述的第二传动杆(14)一端固定在所述的第三驱动元件(13)输出轴上，所述的第二传动杆(14)另一端安装有所述的第四驱动元件(22)，所述的第四驱动元件(22)的输出轴安装有所述的接头底座(15)，所述的接头底座(15)上安装有所述的平面菱形接头，所述的平面菱形接头由弹簧(16)、第一连杆(17)、第二连杆(19)、第三连杆(20)、第四连杆(21)、第五驱动元件(18)组成，所述的第五驱动元件(18)固定在所述的接头底座(15)上，所述的第五驱动元件(18)输出轴与所述的第一连杆(17)的一端固接，所述的第一连杆(17)与所述的第二连杆(19)一端的铰接,铰点为第一铰点，所述的第二连杆(19)的另一端与所述的第三连杆(20)铰接,铰点为第三铰点，所述的第三连杆(20)一端铰接于所述的接头底座(15)，铰点为第二铰点，所述的第三连杆(20)另一端开有沟槽，允许所述的第四连杆(21)在沟槽内滑动，同时所述的第四连杆(21)又能在所述的接头底座(15)上的直线轨道里滑动，穿刺针头安装在所述的第四连杆(21)，所述的弹簧(16)有上下两个，所述的弹簧(16)一端固定在第一连杆(17)与所述的第二连杆(19)连接的第一铰点上，另一端固定在所述的第三连杆(20)与所述的接头底座(15)连接的第二铰点上；所述的五个驱动元件为伺服电机。
2.根据权利要求1所述的五自由度柔性穿刺机器人，其特征是，所述的平面菱形接头是由所述的弹簧(16)、所述的第一连杆(17)、所述的第二连杆(19)、所述的第三连杆(20)、所述的第四连杆(21)、所述的第五驱动元件(18)组成，所述的平面菱形接头将所述的第五驱动元件(18)的转动转化为穿刺针的直线运动。
3.根据权利要求2所述的五自由度柔性穿刺机器人，其特征是，所述的弹簧(16)是压缩弹簧，穿刺针进针时，所述的弹簧(16)吸收动能，弹性势能增加，实现穿刺针柔性进针，在收针时，所述的弹簧(16)释放弹性势能，实现快速收针。
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