CN111973275A - 一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构 - Google Patents

Abstract

一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，涉及一种视网膜剥离进给机构。本发明解决了现有人工使用针尖剥离视网膜的过程中，由于人工操作手部易震颤，存在手术成功率低以及易引起其他症状的问题。本发明的运动轴与针尖的根部同轴设置并连接，压电堆叠底座安装在运动轴的下方，二自由度耦合的压电惯性电机水平安装在压电堆叠底座上，且二自由度耦合的压电惯性电机驱动运动轴直线进给和绕轴线旋转。本发明通过步进电机控制外管的沿轴向的前后移动达到控制针尖开闭的目的，当外管向前移动时，外管挤压针尖，使针尖闭合。而当外管向后移动时，针尖被释放，自动张开。本发明用于眼科手术机器人的穿刺进给中。

Description

一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构

技术领域

本发明涉及一种穿刺针进给机构，具体涉及一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构。

背景技术

穿刺是常见的医疗操作之一，常用于活体取样或直接给药。人体结构复杂多样，部分结构可依赖人手轻松完成穿刺操作，如脊椎和甲状腺等；但类似于眼底的毛细血管的注射操作常给手术医生带来艰巨挑战。由于毛细血管非常脆弱，人手颤抖会对精确操作造成极大的影响，而需要进行毛细血管给药的部位都是非常重要且精细的，所以患者很容易因术中的微小创伤产生术后并发症。机器人手术作为一种手术的辅助手段，利用机器人动作稳定和高分辨力的特点可实现许多以往依赖人手难以操作的治疗手段，可减少出血量并减轻手术并发症，缩短手术时间，最大限度地减少瘢痕，从而有效缩短出院所需时间，同时还可以获得更满意的手术效果。

目前的眼科手术机器人的穿刺针在靠近患者眼球时，需要直动电机和旋转电机共同作用，才能使穿刺针的针尖与血管在同一平面内并以相应角度与目标血管接触，此操作过程繁琐，控制程序精度要求高，存在结构复杂，体积大的问题。

综上所述，现有眼科手术机器人的穿刺针与目标血管接触的进给机构存在机构复杂，体积大的问题。

发明内容

本发明为了解决现有眼科手术机器人的穿刺针与目标血管接触的进给机构存在机构复杂，体积大的问题。进而提供了一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构。

本发明的技术方案是一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，包括针管组模块和驱动模块，驱动模块包括运动轴2-1、二自由度耦合的压电惯性电机2-2、压电堆叠底座2-3和滚动球头柱塞2-4，针管组模块水平布置，针管组模块包括针尖1-1、外管组件1-2、丝杠1-3、螺母1-4、连接固定件1-5和步进电机1-6，步进电机1-6水平安装在连接固定件1-5上，丝杠1-3水平安装在连接固定件1-5上，且丝杠1-3与步进电机1-6的输出轴连接，螺母1-4安装在丝杠1-3上，外管组件1-2安装在丝杠1-3上并在丝杠1-3上水平移动，针尖1-1水平安装在外管组件1-2内；运动轴2-1与针尖1-1的根部同轴设置并连接，压电堆叠底座2-3安装在运动轴2-1的下方，二自由度耦合的压电惯性电机2-2水平安装在压电堆叠底座2-3上，且二自由度耦合的压电惯性电机2-2驱动运动轴2-1直线进给和绕轴线旋转，滚动球头柱塞2-4插装在压电堆叠底座2-3上后顶设在二自由度耦合的压电惯性电机2-2上。

进一步地，二自由度耦合的压电惯性电机2-2包括压电堆叠2-2-1、不锈钢球头2-2-2和柔性梁组件，压电堆叠2-2-1的一端设有凸台，滚动球头柱塞2-4顶设在所述凸台上，压电堆叠2-2-1的另一端设有不锈钢球头2-2-2，不锈钢球头2-2-2的前端安装有柔性梁组件。

进一步地，柔性梁组件包括触杆2-2-3、柔性梁2-2-4、两个压电陶瓷片2-2-5、柔性梁基座2-2-6和球头2-2-7，柔性梁基座2-2-6与压电堆叠2-2-1同轴安装在外壳上，柔性梁基座2-2-6的前端安装有柔性梁2-2-4，柔性梁2-2-4为长条形梁，两个压电陶瓷片2-2-5分别安装在柔性梁2-2-4长度方向的两侧，触杆2-2-3竖直安装在柔性梁2-2-4的前端，球头2-2-7安装在触杆2-2-3的上端。

进一步地，柔性梁基座2-2-6包括圆盘A和柱台B，柱台B同轴固定安装在圆盘A的端面上。

进一步地，针尖1-1的端部设有弯曲部。

进一步地，触杆2-2-3为长条形触杆，且触杆2-2-3与运动轴2-1相抵的配合面为半圆弧形。

进一步地，两个压电陶瓷片2-2-5粘贴在柔性梁2-2-4上。

本发明与现有技术相比具有以下改进效果：

本发明的驱动采用的是惯性压电电机，其在低速运动状态下，相比于一般电机，惯性压电电机直接驱动运动部件，不需要减速箱或其它影响可靠性的部件，因此具有更高的精度；静止状态下，不通以电流，惯性压电电机依靠摩擦力自锁；配备高精度的光学编码器能够实现纳米级精度，同时编码器为手术机器人的速度控制、运动补偿等提供位置信息，使得针尖能够与目标视网膜更加准确的接触。惯性驱动还可实现低频步进，避免高频振动对组织造成的伤害。

本发明使用一个二自由度耦合的压电惯性电机，给出了一种在紧凑空间内包含直线和旋转的二自由度压电驱动方式，相较于其他使用商用成品压电惯性电机的系统来说，集成度更高，大大减小了体积。压电堆叠由于其自身的结构特性，可承受较大的压应力，但在承受拉应力和剪切应力时易损坏。本发明在驱动足与压电堆叠头部均采用高副传递力，驱动足上安装有半球形球头，压电堆叠顶部粘有一个不锈钢球头。可以有效保护压电堆叠不被破坏。

机器人手术作为一种手术的辅助手段，本发明利用机器人动作稳定，对位置和受到力的分辨率高的特点可实现许多以往依赖人手难以操作的治疗手段，通过精确的驱动，带动针尖准确到达相应位置，能够减轻手术并发症，缩短手术时间，最大限度地减少瘢痕，从而有效缩短出院所需时间，同时还可以获得更满意的手术效果，提高手术成功率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。图2是二自由度耦合的压电惯性电机的主视分解图。图3是图2的轴侧分解视图。图4是本发明直线运动与转动运动下所产生的锯齿波波形。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构包括针管组模块和驱动模块，驱动模块包括运动轴2-1、二自由度耦合的压电惯性电机2-2、压电堆叠底座2-3和滚动球头柱塞2-4，针管组模块水平布置，针管组模块包括针尖1-1、外管组件1-2、丝杠1-3、螺母1-4、连接固定件1-5和步进电机1-6，步进电机1-6水平安装在连接固定件1-5上，丝杠1-3水平安装在连接固定件1-5上，且丝杠1-3与步进电机1-6的输出轴连接，螺母1-4安装在丝杠1-3上，外管组件1-2安装在丝杠1-3上并在丝杠1-3上水平移动，针尖1-1水平安装在外管组件1-2内；运动轴2-1与针尖1-1的根部同轴设置并连接，压电堆叠底座2-3安装在运动轴2-1的下方，二自由度耦合的压电惯性电机2-2水平安装在压电堆叠底座2-3上，且二自由度耦合的压电惯性电机2-2驱动运动轴2-1直线进给和绕轴线旋转，滚动球头柱塞2-4插装在压电堆叠底座2-3上后顶设在二自由度耦合的压电惯性电机2-2上。

本实施方式通过视网膜夹持模块来调整针尖伸出的长短，通过驱动模块来驱动针尖直线前进和针尖旋转，使得针尖能够与目标视网膜更加准确的接触。

本实施方式的压电堆叠底座2-3上有一个凸缘，用以固定在外壳上。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的针管组模块包括针尖1-1、外管组件1-2、丝杠1-3、螺母1-4、连接固定件1-5和步进电机1-6，步进电机1-6水平安装在连接固定件1-5上，丝杠1-3水平安装在连接固定件1-5上，且丝杠1-3与步进电机1-6的输出轴连接，螺母1-4安装在丝杠1-3上，外管组件1-2安装在丝杠1-3上并在丝杠1-3上水平移动，针尖1-1水平安装在外管组件1-2内。如此设置，便于快速灵活的调整针尖伸出的位置。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的外管组件1-2由水平段和竖直段组成，水平段用来放置针尖，竖直段用来与丝杠连接，通过丝杠的转动，带动水平段水平移动，进而实现对针尖伸出长短的调整。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的二自由度耦合的压电惯性电机2-2包括压电堆叠2-2-1、不锈钢球头2-2-2和柔性梁组件，压电堆叠2-2-1的一端设有凸台，滚动球头柱塞2-4顶设在所述凸台上，压电堆叠2-2-1的另一端设有不锈钢球头2-2-2，不锈钢球头2-2-2的前端安装有柔性梁组件。如此设置，滚动球头柱塞2-4用以调节压电堆叠与柔性梁基体的初始压力。不锈钢球头2-2-2粘贴在压电堆叠上，防止压电堆叠在伸缩时受损。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的压电堆叠2-2-1为长方体。便于实现压电堆叠。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的柔性梁组件包括触杆2-2-3、柔性梁2-2-4、两个压电陶瓷片2-2-5、柔性梁基座2-2-6和球头2-2-7，柔性梁基座2-2-6与压电堆叠2-2-1同轴安装在外壳上，柔性梁基座2-2-6的前端安装有柔性梁2-2-4，柔性梁2-2-4为长条形梁，两个压电陶瓷片2-2-5分别安装在柔性梁2-2-4长度方向的两侧，触杆2-2-3竖直安装在柔性梁2-2-4的前端，球头2-2-7安装在触杆2-2-3的上端。如此设置，柔性梁基座中心为一个凸台，增加中心部分的刚度，使得柔性梁成为一个一段固定的悬臂梁。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的柔性梁基座2-2-6包括圆盘A和柱台B，柱台B同轴固定安装在圆盘A的端面上。如此设置，基座还有一个大面积的薄壁凸缘(指圆盘A)，壁厚为1mm，不仅起到将这个部分固定到外壳上的作用，由于本身的刚度小，使得压电堆叠能更好地推动柔性梁。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的针尖1-1的端部设有弯曲部。如此设置，本实施方式的针尖1-1弯曲45°，用于视网膜血管的注入药物。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的触杆2-2-3为长条形触杆，且触杆2-2-3与运动轴2-1相抵的配合面为半球形。如此设置，压电堆叠由于其自身的结构特性，可承受较大的压应力，但在承受拉应力和剪切应力时易损坏。因此在直接驱动直线运动时，一般会采取柔性铰链结构或者高副接触的方式传递力和运动，以避免受侧向力损坏叠堆。压电堆叠顶部粘有一个不锈钢球头，使得堆叠伸长时与法兰盘接触为高副，防止损坏堆叠。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式八：结合图3说明本实施方式，本实施方式的两个压电陶瓷片2-2-5粘贴在柔性梁2-2-4上。如此设置，安装方便。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七任意一项相同。

具体实施方式九：结合图3说明本实施方式，本实施方式的柔性梁2-2-4为长方体柔性梁。如此设置，长方体的设计便于左右压电陶瓷的粘贴。相较于其他形状，长方体也更容易计算和分析左右受力。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七任意一项相同。

结合图1至图4说明本发明的工作原理：

本发明直线运动与转动均采用锯齿波驱动，以直线进给为例，驱动足在锯齿波上升沿激励下前进，运动轴受到前向滑动摩擦力加速，最终驱动足和运动轴一起向前加速到匀速运动；驱动信号陡落，驱动足快速回退至初始位置，运动轴由于自身惯性运动状态保持不变继续以原速度运动；驱动足再次前进，但一开始驱动足速度慢于运动轴，且存在来自其他部件的额外摩擦，运动轴受到反向摩擦力作用，运动轴短暂减速；运动轴减速至二者再次共速，并重新共同加速到稳定速度，信号再次陡落时，将重复之前的运动过程。如此循环往复，便使得运动轴向前运动。旋转运动也与此类似。在峰值电压为120V(波峰—波峰)的锯齿波的驱动下，直线运动的步距为2.1μm，转动的步距0.54mrad.由于压电惯性驱动本身的特点，每个运动周期运动的距离是有波动的，本发明成功的将步距异变系数控制在4.12％。外伸悬臂梁两侧贴有贴压电陶瓷片组成夹心结构的左右双相驱动器，负责驱动悬臂梁的纯弯曲运动。

驱动足的球头采用可更换设计，在主动轴与电机装配时，通过更换不同大小，不同表面粗糙度的驱动足，调节驱动足与主动轴之间的接触力与摩擦力。在经过一段时间的使用之后，也能通过更换被磨损的驱动足球头恢复驱动器的性能。

针尖实现直线进给与绕轴线旋转的方法。沿轴线的直线进给运动是由压电堆叠实现的，压电堆叠的伸缩带动末端驱动足，驱动足通过摩擦耦合输出为运动轴的直线运动。对称粘贴于柔性梁两侧的压电陶瓷片在外加电场的作用下产生与电场同方向的侧向变形，使悬臂梁做纯弯曲变形，带动末端驱动足做横向摆动，进而通过摩擦拨动运动轴做绕自身轴线的旋转运动。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：它包括针管组模块和驱动模块，驱动模块包括运动轴(2-1)、二自由度耦合的压电惯性电机(2-2)、压电堆叠底座(2-3)和滚动球头柱塞(2-4)，

针管组模块水平布置，针管组模块包括针尖(1-1)、外管组件(1-2)、丝杠(1-3)、螺母(1-4)、连接固定件(1-5)和步进电机(1-6)，步进电机(1-6)水平安装在连接固定件(1-5)上，丝杠(1-3)水平安装在连接固定件(1-5)上，且丝杠(1-3)与步进电机(1-6)的输出轴连接，螺母(1-4)安装在丝杠(1-3)上，外管组件(1-2)安装在丝杠(1-3)上并在丝杠(1-3)上水平移动，针尖(1-1)水平安装在外管组件(1-2)内；

运动轴(2-1)与针尖(1-1)的根部同轴设置并连接，压电堆叠底座(2-3)安装在运动轴(2-1)的下方，二自由度耦合的压电惯性电机(2-2)水平安装在压电堆叠底座(2-3)上，且二自由度耦合的压电惯性电机(2-2)驱动运动轴(2-1)直线进给和绕轴线旋转，滚动球头柱塞(2-4)插装在压电堆叠底座(2-3)上后顶设在二自由度耦合的压电惯性电机(2-2)上。

2.根据权利要求1的一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：二自由度耦合的压电惯性电机(2-2)包括压电堆叠(2-2-1)、不锈钢球头(2-2-2)和柔性梁组件，压电堆叠(2-2-1)的一端设有凸台，滚动球头柱塞(2-4)顶设在所述凸台上，压电堆叠(2-2-1)的另一端设有不锈钢球头(2-2-2)，不锈钢球头(2-2-2)的前端安装有柔性梁组件。

3.根据权利要求2的一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：柔性梁组件包括触杆(2-2-3)、柔性梁(2-2-4)、两个压电陶瓷片(2-2-5)、柔性梁基座(2-2-6)和球头(2-2-7)，柔性梁基座(2-2-6)与压电堆叠(2-2-1)同轴安装在外壳上，柔性梁基座(2-2-6)的前端安装有柔性梁(2-2-4)，柔性梁(2-2-4)为长条形梁，两个压电陶瓷片(2-2-5)分别安装在柔性梁(2-2-4)长度方向的两侧，触杆(2-2-3)竖直安装在柔性梁(2-2-4)的前端，球头(2-2-7)安装在触杆(2-2-3)的上端。

4.根据权利要求3的一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：柔性梁基座(2-2-6)包括圆盘(A)和柱台(B)，柱台(B)同轴固定安装在圆盘(A)的端面上。

5.根据权利要求1的一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：针尖(1-1)的端部设有弯曲部。

6.根据权利要求2的一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：触杆(2-2-3)为长条形触杆，且触杆(2-2-3)与运动轴(2-1)相抵的配合面为半圆弧形。

7.根据权利要求3的一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：两个压电陶瓷片(2-2-5)粘贴在柔性梁(2-2-4)上。

8.根据权利要求7的一种压电惯性驱动的二自由度耦合穿刺针进给机构，其特征在于：柔性梁(2-2-4)为长方体柔性梁。

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