CN109394342A - 基于双平行四边形rcm机构的穿刺机器人的进针装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，包括双平行四边形RCM机构及可转动设置在所述双平行四边形RCM机构上的进针机构，所述双平行四边形RCM机构用于调整所述穿刺针的进针姿态。本发明通过双平行四边形RCM机构对穿刺针的进针姿态进行调节，能保证进针点位置固定、穿刺针的进针角度能实现任意调节，实现精准穿刺进针；本发明通过设置弹针组件，能实现穿刺针的快速进针，能减轻人体的疼痛感；而后再通过驱动组件实现平稳慢速的进针，直到病灶点。本发明结构简单，传动效率高，操作方便，具有很好的应用前景。

Description

基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置。

背景技术

微创手术是利用细长的杆状手术工具通过人体表面的微小切口探入体内进行手术操作的。与传统的开口手术相比，它可以减少手术切口及手术疤痕、缩短恢复时间、减少出血量及并发症等；可以看出，微创手术具有开口手术所无法比拟的优越性，因此受到了广大患者和医生的青睐，目前微创技术已经在多个临床领域中得到应用。

但目前的微创手术基本上是由经验丰富的医师来完成，但现实情况是，经验丰富的医师有限，穿刺手术过程持续时间较长，医师的精力有限，从而限制了微创手术的推广。由于微创手术所具有的优点，及其在操作上存在的这些困难，也使得医生期望获得辅助设备以方便实施并能够在更多领域中开展这类手术。将机器人技术与传统的微创技术相结合的穿刺针机器人被普遍认为是一种有效地解决传统微创技术缺点的方法。穿刺针机器人一般包括机器人手臂、设置在机器人手臂末端的进针装置，进针装置一般包括RCM机构及设置在RCM机构上的穿刺针机构。如果机构的某一部分或某一点在运动过程中始终通过远离机构本身的一个固定点(或被约束在一个非常小的空间内)，并且该点无物理铰链约束，那么这类机构就可以称为“远端虚拟支点机构”(Remote Center of Motion，RCM机构)。这类机构的特点恰好与微创手术的操作特征相吻合，它在微创手术机器人中获得巨大成功。RCM机构利用结构自身的约束实现的微创手术机器人未引入冗余的自由度，而是依靠特殊设计的机构使机器人的一部分在运动过程中始终通过空间的固定点。机器人手臂可自由移动，用于实现穿刺点的定位，RCM机构则用于对穿刺针的穿刺姿态(穿刺角度)进行调节，穿刺针机构用于最终实现穿刺进行，使穿刺针达到病灶点。但现有的进针装置存在结构复杂、进针模式单一(缺乏快速进针模式，病人穿刺疼痛感强烈)、不方便控制、穿刺针姿态调节精准度和便捷度低等问题，难以满足穿刺针机器人的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，包括双平行四边形RCM机构及可转动设置在所述双平行四边形RCM机构上的进针机构，

所述进针机构包括盒体、沿长度方向设置于所述盒体内的直线导轨、设置在所述直线导轨上的进针滑块、内端设置在所述进针滑块上且外端沿长度方向穿出所述盒体的穿刺针及用于驱动所述进针滑块在所述直线导轨上滑动的驱动组件；

所述双平行四边形RCM机构用于调整所述穿刺针的进针姿态。

优选的是，所述进针滑块包括滑动设置在所述直线导轨上的下滑块、开设在所述下滑块的上表面上的滑槽、滑动设置在所述滑槽内的上滑块及固接在所述上滑块上的穿刺针固定座，所述穿刺针的内端设置在所述穿刺针固定座上；所述穿刺针固定座侧部设置有挡板。

优选的是，所述盒体内还设置有弹针组件，所述弹针组件包括设置在所述进针滑块侧部的电磁铁及设置在所述电磁铁上的电磁铁导杆，所述电磁铁导杆垂直设置于所述挡板的侧部，用于推动所述上滑块在所述滑槽内滑动。

优选的是，所述滑槽的两端均设置有用于对所述上滑块进行限位的限位块。

优选的是，所述盒体上设置有供所述穿刺针穿出的穿刺针导向座。

优选的是，所述驱动组件包括进针电机、与所述进针电机的输出轴驱动连接的蜗轮蜗杆箱、与所述蜗轮蜗杆箱的输出轴驱动连接的进针主动轮、沿所述盒体的长度方向设置在所述主动轮对侧的进针从动轮及设置在所述进针主动轮和进针从动轮之间的进针同步带，所述下滑块通过压紧件与所述进针同步带连接。

优选的是，所述双平行四边形RCM机构包括输出杆、设置于所述输出杆一端的旋转轴、与所述输出杆另一端可旋转连接的第一传动杆、与所述第一传动杆另一端可旋转连接的第二传动杆，所述第二传动杆的另一端与所述进针机构可旋转连接。

优选的是，所述输出杆包括安装外壳、设置在所述安装外壳内的第一电机、一端与所述第一电机的输出端驱动连接且另一端与所述旋转轴驱动连接的第一传动箱、设置在所述安装外壳内的第二电机及与所述第二电机的输出端驱动连接的第二传动箱。

优选的是，所述第一传动杆包括第一壳体、设置在所述第一壳体内的一端且与所述第二传动箱的输出轴驱动连接的第一同步带轮、设置于所述壳体内的另一端的第二同步带轮及设置在所述第一同步带轮和第二同步带轮之间的第一同步带；

所述第二传动杆包括第二壳体、设置在所述第二壳体内的一端且与所述第二同步带轮驱动连接的第三同步带轮、设置于所述壳体内的另一端的第四同步带轮及设置在所述第三同步带轮和第四同步带轮之间的第二同步带，所述第四同步带轮与所述盒体底部连接，以带动所述盒体转动。

优选的是，所述滑槽的内表面和上滑块的外表面上设置有保护涂层，所述保护涂层通过喷涂保护涂料后，再经干燥制得；

所述保护涂层包括以下重量份的原料：

本发明的有益效果是：本发明的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，通过双平行四边形RCM机构对穿刺针的进针姿态进行调节，能保证进针点位置固定、穿刺针的进针角度能实现任意调节，实现精准穿刺进针；本发明通过设置弹针组件，能实现穿刺针的快速进针，能减轻人体的疼痛感；而后再通过驱动组件实现平稳慢速的进针，直到病灶点；本发明通过在滑槽的内表面和上滑块的外表面上设置保护涂层，能减小两者接触面之间的摩擦力，还能增强两者的强度，延长进针滑块的使用寿命。本发明结构简单，传动效率高，操作方便，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置的结构示意图；

图2为本发明的进针机构的内部结构示意图；

图3为本发明的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的部分内部结构示意图；

图4为本发明的进针机构、第一传动杆与第二传动杆的分解示意图；

图5为本发明的输出杆的剖视结构示意图；

图6为本发明的下滑块的结构示意图；

图7为本发明的压紧件与进针同步带配合安装的结构示意图。

附图标记说明：

1—盒体；2—直线导轨；3—进针滑块；4—穿刺针；5—驱动组件；6—弹针组件；7—双平行四边形RCM机构；10—穿刺针导向座；30—下滑块；31—滑槽；32—上滑块；33—穿刺针固定座；34—挡板；35—限位块；50—进针电机；51—蜗轮蜗杆箱；52—进针主动轮；53—进针从动轮；54—进针同步带；55—压紧件；60—电磁铁；61—电磁铁导杆；70—输出杆；71—旋转轴；72—第一传动杆；73—第二传动杆；100—进针机构；700—安装外壳；701—第一电机；702—第一传动箱；703—第二电机；704—第二传动箱；720—第一壳体；721—第一同步带轮；722—第二同步带轮；723—第一同步带；7—；730—第二壳体；731—第三同步带轮；732—第四同步带轮；733—第二同步带。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如果机构的某一部分或某一点在运动过程中始终通过远离机构本身的一个固定点(或被约束在一个非常小的空间内)，并且该点无物理铰链约束，那么这类机构就可以称为“远端虚拟支点机构”(Remote Center of Motion，RCM机构)。这类机构的特点恰好与微创手术的操作特征相吻合，它在微创手术机器人中获得巨大成功。RCM机构利用结构自身的约束实现的微创手术机器人未引入冗余的自由度，而是依靠特殊设计的机构使机器人的一部分在运动过程中始终通过空间的固定点。如图1，本发明将进针机构100安装在双平行四边形RCM机构7上，通过双平行四边形RCM机构7对穿刺针4的进针姿态进行调节，即进针点(穿刺针4的尖端)位置固定，穿刺针4的进针角度能实现任意调节(穿刺针4能绕进针点旋转)。双平行四边形RCM机构7完成姿态调整后，再由进针机构100进行穿刺进针，到达病灶点。使用时，本发明安装在穿刺机器人的机械臂上，通过机械臂移动，使穿刺针4运动到进针点上，然后再通过双平行四边形RCM机构7调整进针姿态，最后由进针机构100完成进针。

如图1-7所示，本实施例的一种基于双平行四边形RCM机构7的穿刺机器人的进针装置，包括双平行四边形RCM机构7及可转动设置在双平行四边形RCM机构7上的进针机构100，进针机构100包括盒体1、沿长度方向设置于盒体1内的直线导轨2、设置在直线导轨2上的进针滑块3、内端设置在进针滑块3上且外端沿长度方向穿出盒体1的穿刺针4及用于驱动进针滑块3在直线导轨2上滑动的驱动组件5；双平行四边形RCM机构7用于调整穿刺针4的进针姿态。进针滑块3包括滑动设置在直线导轨2上的下滑块30、开设在下滑块30的上表面上的滑槽31、滑动设置在滑槽31内的上滑块32及固接在上滑块32上的穿刺针固定座33，穿刺针4的内端设置在穿刺针固定座33上；穿刺针固定座33侧部设置有挡板34。

其中，参照图2，盒体1内还设置有弹针组件6，弹针组件6包括设置在进针滑块3侧部的电磁铁60及设置在电磁铁60上的电磁铁导杆61，电磁铁导杆61垂直设置于挡板34的侧部，用于推动上滑块32在滑槽31内滑动。滑槽31的两端均设置有用于对上滑块32进行限位的限位块35。盒体1上设置有供穿刺针4穿出的穿刺针导向座10。

其中，参照图2，驱动组件5包括进针电机50、与进针电机50的输出轴驱动连接的蜗轮蜗杆箱51、与蜗轮蜗杆箱51的输出轴驱动连接的进针主动轮52、沿盒体1的长度方向设置在主动轮对侧的进针从动轮53及设置在进针主动轮52和进针从动轮53之间的进针同步带54，下滑块30通过压紧件55与进针同步带54连接。

穿刺针4进针分为两步，穿刺针4进针初期采用弹针组件6进行快速进针，使穿刺针4迅速刺穿皮肤，减轻人体的疼痛感；而后再平稳慢速的进针，直到病灶点。具体的，参照图2，进针初期，电磁铁60通电动作，电磁铁60上的电磁铁导杆61向左弹出，敲击穿刺针固定座33侧部的挡板34，穿刺针固定座33连同上滑块32一起在滑槽31内向左滑动，使穿刺针4穿出盒体1外的左端快速向左运动，实现快速进针。滑槽31左侧的限位块35对上滑块32向左运动的极限位置限位。之后，进针电机50工作带动进针主动轮52转动，通过进针同步带54带动下滑块30向左运动，在滑槽31右侧的限位块35的限位作用下，上滑块32与右侧的限位块35贴近后跟随下滑块30一起向左运动，使穿刺针4平稳慢速向右运动，慢速进针，直至病灶点。穿刺完成后，由进针同步带54带动下滑块30向右运动，实现穿刺针4复位。

在一种实施例中，参照图1和图3-5，双平行四边形RCM机构7包括输出杆70、设置于输出杆70一端的旋转轴71、与输出杆70另一端可旋转连接的第一传动杆72、与第一传动杆72另一端可旋转连接的第二传动杆73，第二传动杆73的另一端与进针机构100可旋转连接。

其中，输出杆70包括安装外壳700、设置在安装外壳700内的第一电机701、一端与第一电机701的输出端驱动连接且另一端与旋转轴71驱动连接的第一传动箱702、设置在安装外壳700内的第二电机703及与第二电机703的输出端驱动连接的第二传动箱704。

其中，第一传动杆72包括第一壳体720、设置在第一壳体720内的一端且与第二传动箱704的输出轴驱动连接的第一同步带723轮721、设置于壳体内的另一端的第二同步带733轮722及设置在第一同步带723轮721和第二同步带733轮722之间的第一同步带723；

第二传动杆73包括第二壳体730、设置在第二壳体730内的一端且与第二同步带733轮722驱动连接的第三同步带轮731、设置于壳体内的另一端的第四同步带轮732及设置在第三同步带轮731和第四同步带轮732之间的第二同步带733，第四同步带轮732与盒体1底部连接，以带动盒体1转动。在一种实施例中，盒体1底部设置有与第四同步带轮732驱动连接的转轴。

双平行四边形RCM机构7的工作原理为：双平行四边形RCM机构7通过旋转轴71可转动连接在穿刺机器人的机械臂上，第一电机701通过第一传动箱702带动旋转轴71转动(绕输出杆70轴线方向旋转)，及旋转轴71实现整个双平行四边形RCM机构7和进针机构100绕其轴线的旋转；第二电机703通过第二传动箱704带动带动第一同步带723轮721转动，使第一传动杆72绕第一同步带723轮721的轴线转动；第一同步带723轮721通过第一同步带723带动第二同步带733轮722转动，第二同步带733轮722带动与之连接的第三同步带轮731转动，使第二传动杆73绕第三同步带轮731的轴线转动；第三同步带轮731通过第二同步带733带动第四同步带轮732转动，第四同步带轮732带动与之通过转轴连接的盒体1(及整个进针机构100)绕第四同步带轮732带动的轴线转动，使进针机构100的转动方向与第一传动杆72相同。最终使进针机构100的穿刺针4的尖端位置能保持固定，其进针角度可任意调节。

在一种实施例中，滑槽31的内表面和上滑块32的外表面上设置有保护涂层，滑槽31和上滑块32之间具有频繁的相互运动和冲击，保护涂层一方面能减小两者接触面之间的摩擦力，另一方面也能增强两者的强度，延长进针滑块3的使用寿命。

保护涂层通过喷涂保护涂料后，再经干燥制得；保护涂层包括以下重量份的原料：

其中，乳液为水性聚氨酯乳液、季戊四醇、聚醚硅氧烷共聚物乳液中的一种。

其中，聚烯烃弹性体具有很高的抗冲击性能；聚脲能有效提高耐磨性能；聚四氟乙烯能增强材料的光滑度和抗冲击性能。聚烯烃弹性体、聚脲、聚四氟乙烯复配使用能起到协调增强效果，显著提高制得的涂层的耐磨耐候性能和表面强度。

其中，玻璃微珠既能增强材料的润滑性、增强涂层表面的光滑度，又能增强材料的机械强度、提高涂层的耐磨性能；芥酸酰胺能进一步提高材料的耐磨性能；纳米氧化锆粉能显著提高材料的机械强度，增强涂层的刚度；纳米碳化硅粉具有极好的力学和化学性能，纳米碳化硅粉的添加提高材料的硬度和耐磨性。玻璃微珠、酸酰胺、纳米氧化锆粉、纳米碳化硅粉复配使用能起到协调增强效果，显著提高制得的涂层的的强度、表面光滑度和耐磨性能。

以下给出本发明的保护涂层的制备方法，其包括以下步骤：

1)将乳液、聚烯烃弹性体、聚脲、聚四氟乙烯和溶剂加入到搅拌机中混合搅拌均匀，控制转速为500-1200rpm，控制温度为至70-120℃，搅拌2-5h；

3)再依次加入玻璃微珠、酸酰胺、纳米氧化锆粉、纳米碳化硅粉和偶联剂，搅拌1-3h；

4)加入固化剂，继续搅拌30-90min，得到保护涂料。

将制得的保护涂料喷涂在滑槽31的内表面和上滑块32的外表面上，再经干燥后得到保护涂层。

以下在给出一种保护涂层的具体实施例，以做进一步说明。

保护涂层通过喷涂保护涂料后，再经干燥制得；保护涂层包括以下重量份的原料：

该保护涂层的制备方法包括以下步骤：

1)将乳液、聚烯烃弹性体、聚脲、聚四氟乙烯和溶剂加入到搅拌机中混合搅拌均匀，控制转速为500-1200rpm，控制温度为至70-120℃，搅拌2-5h；

3)再依次加入玻璃微珠、酸酰胺、纳米氧化锆粉、纳米碳化硅粉和偶联剂，搅拌1-3h；

4)加入固化剂，继续搅拌30-90min，得到保护涂料。

将制得的保护涂料喷涂在滑槽31的内表面和上滑块32的外表面上，再经干燥后得到保护涂层。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，包括双平行四边形RCM机构及可转动设置在所述双平行四边形RCM机构上的进针机构，

所述进针机构包括盒体、沿长度方向设置于所述盒体内的直线导轨、设置在所述直线导轨上的进针滑块、内端设置在所述进针滑块上且外端沿长度方向穿出所述盒体的穿刺针及用于驱动所述进针滑块在所述直线导轨上滑动的驱动组件；

所述双平行四边形RCM机构用于调整所述穿刺针的进针姿态。

2.根据权利要求1所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述进针滑块包括滑动设置在所述直线导轨上的下滑块、开设在所述下滑块的上表面上的滑槽、滑动设置在所述滑槽内的上滑块及固接在所述上滑块上的穿刺针固定座，所述穿刺针的内端设置在所述穿刺针固定座上；所述穿刺针固定座侧部设置有挡板。

3.根据权利要求2所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述盒体内还设置有弹针组件，所述弹针组件包括设置在所述进针滑块侧部的电磁铁及设置在所述电磁铁上的电磁铁导杆，所述电磁铁导杆垂直设置于所述挡板的侧部，用于推动所述上滑块在所述滑槽内滑动。

4.根据权利要求3所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述滑槽的两端均设置有用于对所述上滑块进行限位的限位块。

5.根据权利要求1所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述盒体上设置有供所述穿刺针穿出的穿刺针导向座。

6.根据权利要求1所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述驱动组件包括进针电机、与所述进针电机的输出轴驱动连接的蜗轮蜗杆箱、与所述蜗轮蜗杆箱的输出轴驱动连接的进针主动轮、沿所述盒体的长度方向设置在所述主动轮对侧的进针从动轮及设置在所述进针主动轮和进针从动轮之间的进针同步带，所述下滑块通过压紧件与所述进针同步带连接。

7.根据权利要求1所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述双平行四边形RCM机构包括输出杆、设置于所述输出杆一端的旋转轴、与所述输出杆另一端可旋转连接的第一传动杆、与所述第一传动杆另一端可旋转连接的第二传动杆，所述第二传动杆的另一端与所述进针机构可旋转连接。

8.根据权利要求7所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述输出杆包括安装外壳、设置在所述安装外壳内的第一电机、一端与所述第一电机的输出端驱动连接且另一端与所述旋转轴驱动连接的第一传动箱、设置在所述安装外壳内的第二电机及与所述第二电机的输出端驱动连接的第二传动箱。

9.根据权利要求8所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述第一传动杆包括第一壳体、设置在所述第一壳体内的一端且与所述第二传动箱的输出轴驱动连接的第一同步带轮、设置于所述壳体内的另一端的第二同步带轮及设置在所述第一同步带轮和第二同步带轮之间的第一同步带；

所述第二传动杆包括第二壳体、设置在所述第二壳体内的一端且与所述第二同步带轮驱动连接的第三同步带轮、设置于所述壳体内的另一端的第四同步带轮及设置在所述第三同步带轮和第四同步带轮之间的第二同步带，所述第四同步带轮与所述盒体底部连接，以带动所述盒体转动。

10.根据权利要求2所述的基于双平行四边形RCM机构的穿刺机器人的进针装置，其特征在于，所述滑槽的内表面和上滑块的外表面上设置有保护涂层，所述保护涂层通过喷涂保护涂料后，再经干燥制得；

所述保护涂层包括以下重量份的原料：