CN112451056A - 一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，涉及医学机器人技术领域。为解决现有的超声引导的组织穿刺过程中由于空间限制，探头和穿刺针需要同时操作导致的操作难度高和精度较差的问题。采用超声探头控制结构、穿刺针位移控制机构和穿刺针进给机构为一体的八自由度超声引导的组织穿刺机器人机构，穿刺针位移控制机构的侧面底部设有弧形通孔，且弧形通孔内部设有超声探头控制结构，穿刺针进给机构安装在穿刺针位移控制机构的上部，该机构能实现各运动的独立控制，满足实际使用需求，结构紧凑、集成度高、占用空间小。本发明适用于超声引导穿刺领域。

Description

一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人

技术领域

本发明涉及医学机器人技术领域，具体涉及一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人。

背景技术

目前经直肠超声图像引导的组织穿刺主要由医生手动操作经直肠超声探头进行扫查，在超声图像的引导下由穿刺板辅助实现穿刺，其难点主要在于：操作者需要同时操作探头和穿刺针，穿刺针入射位置和角度完全由医生把控，对医生经验依赖程度较高；过程中容易因为人为扰动产生操作误差。针对机器人辅助的超声引导的组织穿刺过程，国内外众多学者进行了研究。由于空间有限，目前的辅助设备主要由机械臂进行超声探头的控制，仍由医生借助穿刺板按照规划的轨迹进行注射。此类系统通用性较差，配合程度低，不能自主完成全过程；而且目前的相关技术均处于研究阶段，没有完备的商用产品。

综上所述，现有的超声引导的组织穿刺过程中由于空间限制，探头和穿刺针需要同时操作导致的操作难度高和精度较差的问题。

发明内容

本发明为解决现有的超声引导的组织穿刺过程中由于空间限制，探头和穿刺针需要同时操作导致的操作难度高和精度较差的问题，而提出一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人。

本发明的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其组成包括超声探头控制结构、穿刺针位移控制机构和穿刺针进给机构；

穿刺针位移控制机构的侧面底部设有弧形通孔，且弧形通孔内部设有超声探头控制结构，穿刺针进给机构安装在穿刺针位移控制机构的上部；

所述的超声探头控制结构包括超声探头控制基座、丝杠、螺母滑块、超声探头驱动电机、超声探头、锁紧单元、一号电机、一号电机支座、齿轮轴、一号齿轮和二号齿轮；

超声探头控制基座上表面的两端分别设有一个挡板，且每个挡板上设有一个通孔，丝杠的一端与一个挡板转动连接，丝杠的另一端穿过另一个挡板上的通孔，与超声探头驱动电机输出端固定连接，丝杠上设有螺母滑块，螺母滑块的上表面的一端设有传动支架，螺母滑块的上表面的中部设有一号电机支座，一号电机支座上设有一号电机，一号电机的输出端与齿轮轴固定连接，齿轮轴上设有一号齿轮，且齿轮轴、一号齿轮设置在传动支架内部下端，超声探头的一端穿过二号齿轮和锁紧单元，且二号齿轮和锁紧单元设置在传动支架内部上端，一号齿轮和二号齿轮啮合；

所述的锁紧单元包括锁紧块和锁紧螺钉；锁紧块外圆面上设有锁紧螺钉；

进一步的，所述的穿刺针位移控制机构包括穿刺针位移控制基座、一号支撑板、大带轮组、上层剪刀结构、下层剪刀结构、二号支撑板、电机组件、向心关节轴承和二自由度的虎克铰；

穿刺针位移控制基座的截面为“凸”字形机架结构，穿刺针位移控制基座上表面的一端设有一号支撑板，穿刺针位移控制基座上表面的另一端设有二号支撑板，且一号支撑板和二号支撑板的顶端中部均设有一个半圆形的凹槽，且每个凹槽内部设有两组大带轮组，且两组大带轮组相对设置，二号支撑板上的大带轮组中部设有下层剪刀结构，一号支撑板上的大带轮组中部设有上层剪刀结构，一号支撑板的两侧和二号支撑板的两侧均设有一个电机组件，上层剪刀结构的中部设有向心关节轴承，下层剪刀结构的中部设有二自由度的虎克铰；

进一步的，所述的大带轮组包括大端盖、大带轮、外圈端盖、一号轴承和内圈端盖；大端盖的外圈上依次套设有大带轮、外圈端盖和一号轴承，大带轮与大端盖通过螺钉固定，一号轴承内圈通过内圈端盖与大带轮轴向固定，一号轴承外圈通过外圈端盖与支撑板轴向固定；

进一步的，所述的电机组件包括电机组件基座、驱动带轮、同步带和大带轮驱动电机；电机组件基座的一端通过螺丝与支撑板的侧面固定连接，电机组件基座上设有大带轮驱动电机，大带轮驱动电机的输出轴上设有驱动带轮，驱动带轮通过同步带与大带轮连接；

进一步的，所述的上层剪刀结构包括A支撑臂、二号轴承、固定套、C支撑臂、一号销轴、端盖、环形轴套、深沟球轴承、挡圈、D支撑臂、二号销轴、B支撑臂、三号销轴和四号销轴；

所述的环形轴套内部嵌有深沟球轴承，深沟球轴承的内圈上嵌有向心关节轴承，深沟球轴承与向心关节轴承之间设有挡圈，环形轴套外壁上设有D支撑臂，D支撑臂的底端通过二号销轴与B支撑臂铰连接，C支撑臂的一端设有圆柱形固定套，深沟球轴承的内圈上嵌有圆柱形固定套，圆柱形固定套的顶端设有端盖，C支撑臂的另一端通过一号销轴与A支撑臂的一端铰连接，A支撑臂的中部设有沉头孔，沉头孔的内部顶端嵌有固定套，三号销轴的底端穿过A支撑臂上的固定套，与B支撑臂的中部铰连接，三号销轴与沉头孔的内部之间设有二号轴承，A支撑臂的另一端通过四号销轴与一号支撑板上的一组大带轮组中的大端盖铰连接，B支撑臂的另一端通过销钉与一号支撑板上的另一组大带轮组中的大端盖铰连接；

进一步的，所述的下层剪刀结构与上层剪刀结构的结构相同；

进一步的，所述的穿刺针进给机构包括连接件、直线运动支撑板、上部支撑板、穿刺针伸缩控制电机、三号齿轮、齿条、穿刺针摆动电机、一号锥齿轮、穿刺针、二号锥齿轮、一号触发片、引导器和二号触发片；

所述的连接件底端穿过下层剪刀结构的中部的二自由度的虎克铰，与引导器的一端连接，连接件的外表面与下层剪刀结构的中部的二自由度的虎克铰的通孔内壁固定连接，连接件的顶端与直线运动支撑板的下表面连接，直线运动支撑板的上表面中部设有通孔，且通孔内部设有轴套，且轴套的外表面上设有长条形的通孔，轴套的的顶端穿过上层剪刀结构上的向心关节轴承，与上部支撑板下底面中部固定连接，轴套内部设有齿条，齿条的顶端与支撑板下表面中部固定连接，直线运动支撑板的上表面通孔的下方设有齿轮架，齿轮架上设有三号齿轮，三号齿轮与齿条啮合，穿刺针伸缩控制电机用于驱动三号齿轮转动；

所述的穿刺针的顶端一次穿过引导器、连接件、直线运动支撑板、轴套、上部支撑板和一号触发片，与二号锥齿轮的底端固定连接，部支撑板的上表面一端设有支撑座，穿刺针摆动电机的输出端穿过支撑座，与一号锥齿轮固定连接，且一号锥齿轮与二号锥齿轮啮合，上部支撑板的上表面设有二号触发片，上部支撑板的下表面设有一号触发片；

进一步的，在使用时，将穿刺机器人固定在病床上表面的一侧，病患躺在于截石位躺在病床上，双腿间空间可以进行调整，在超声探头控制机构中，超声探头驱动电机通过控制丝杠转动控制螺母滑块及其上的部分前后移动，一号电机控制一号齿轮转动，一号齿轮与二号齿轮啮合，实现对超声探头进行转动，锁紧机构用于调整探头与转动运动轴线的同轴度，在穿刺针姿态控制机构中，对四自由度并联机构的每个转动关节，通过控制大带轮驱动电机转动，同步带传动，使大带轮组件转动，下层剪刀结构与大带轮组中的大端盖铰连接，上层剪刀结构与大带轮组中的大端盖铰连接，上层剪刀结构和下层剪刀结构随着大带轮的转动伸长，缩短，或同步转动，到达大带轮组件中空区域的任意位置，利用穿刺针进给机构调节穿刺针的伸缩与偏斜角度，启动穿刺针摆动电机，穿刺针摆动电机带动一号锥齿轮转动，一号锥齿轮与二号锥齿轮啮合，二号锥齿轮带动穿刺针进行转动，并利用下层剪刀结构的中部的二自由度的虎克铰，进而调节穿刺针的偏移角度；

当进行穿刺作业时，启动穿刺针伸缩控制电机，穿刺针伸缩控制电机带动三号齿轮转动，三号齿轮与齿条啮合，带动直线运动支撑板在轴套上运动，从而实现穿刺针的向前进给，完成穿刺作业。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明克服了现有技术的缺点，采用超声探头控制结构、穿刺针位移控制机构和穿刺针进给机构为一体的八自由度超声引导的组织穿刺机器人机构，穿刺针位移控制机构的侧面底部设有弧形通孔，且弧形通孔内部设有超声探头控制结构，穿刺针进给机构安装在穿刺针位移控制机构的上部，该机构能实现各运动的独立控制，满足实际使用需求，结构紧凑、集成度高、占用空间小。

二、本发明克服了现有技术的缺点，提出的穿刺针位姿控制机构采用直线运动支撑板和上部支撑板的双层并联机构设计，能够实现360度无极转动，工作空间满足需求，并且操作简单，精度较高。

三、本发明操作简单，使用方便。

附图说明

图1是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人的使用示意图；

图2是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人的整体结构分解示意图；

图3是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中超声探头控制结构的立体结构示意图；

图4是图3中本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中超声探头控制结构A局部剖视放大示意图；

图5是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中穿刺针姿态控制机构立体结构示意图；

图6是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中大带轮组和电机组件的三维爆炸图；

图7是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中上层末端剪刀机构立体结构示意图；

图8是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中下层末端剪刀机构立体结构示意图；

图9是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中穿刺针进给机构的立体结构示意图；

图10是图9中本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中穿刺针进给机构的B局部剖视放大图；

图11是本发明所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人中穿刺针进给机构的位置标定结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人包括超声探头控制结构4、穿刺针位移控制机构5和穿刺针进给机构6；

穿刺针位移控制机构5的侧面底部设有弧形通孔，且弧形通孔内部设有超声探头控制结构4，穿刺针进给机构6安装在穿刺针位移控制机构5的上部；

所述的超声探头控制结构4包括超声探头控制基座4-1、丝杠4-2、螺母滑块4-3、超声探头驱动电机4-4、超声探头4-5、锁紧单元4-7、一号电机4-8、一号电机支座4-9、齿轮轴4-10、一号齿轮4-11和二号齿轮4-12；

超声探头控制基座4-1上表面的两端分别设有一个挡板，且每个挡板上设有一个通孔，丝杠4-2的一端与一个挡板转动连接，丝杠4-2的另一端穿过另一个挡板上的通孔，与超声探头驱动电机4-4输出端固定连接，丝杠4-2上设有螺母滑块4-3，螺母滑块4-3的上表面的一端设有传动支架，螺母滑块4-3的上表面的中部设有一号电机支座4-9，一号电机支座4-9上设有一号电机4-8，一号电机4-8的输出端与齿轮轴4-10固定连接，齿轮轴4-10上设有一号齿轮4-11，且齿轮轴4-10、一号齿轮4-11设置在传动支架内部下端，超声探头4-5的一端穿过二号齿轮4-12和锁紧单元4-7，且二号齿轮4-12和锁紧单元4-7设置在传动支架内部上端，一号齿轮4-11和二号齿轮4-12啮合；

本具体实施方式，在使用时，将穿刺机器人固定在病床3上表面的一侧，病患1躺在于截石位躺在病床3上，双腿间空间可以进行调整，在超声探头控制机构4中，超声探头驱动电机4-4通过控制丝杠4-2转动控制螺母滑块4-3及其上的部分前后移动，一号电机4-8控制一号齿轮4-11转动，一号齿轮4-11与二号齿轮4-12啮合，实现对超声探头4-5进行转动，锁紧机构4-7用于调整探头4-8与转动运动轴线的同轴度，在穿刺针姿态控制机构5中，对四自由度并联机构的每个转动关节，通过控制大带轮驱动电机7-3转动，同步带5-3传动，使大带轮组件8转动，下层剪刀结构10与大带轮组8中的大端盖8-1铰连接，上层剪刀结构9与大带轮组8中的大端盖8-1铰连接，上层剪刀结构9和下层剪刀结构10随着大带轮的转动伸长，缩短，或同步转动，到达大带轮组件中空区域的任意位置，利用穿刺针进给机构6调节穿刺针6-9的伸缩与偏斜角度，启动穿刺针摆动电机6-7，穿刺针摆动电机6-7带动一号锥齿轮6-8转动，一号锥齿轮6-8与二号锥齿轮6-10啮合，二号锥齿轮6-10带动穿刺针6-9进行转动，并利用下层剪刀结构10的中部的二自由度的虎克铰11，进而调节穿刺针6-9的偏移角度；

当进行穿刺作业时，启动穿刺针伸缩控制电机6-4，穿刺针伸缩控制电机6-4带动三号齿轮6-5转动，三号齿轮6-5与齿条6-6啮合，带动直线运动支撑板6-2在轴套上运动，从而实现穿刺针6-9的向前进给，完成穿刺作业；

所述超声探头控制机构4用于控制超声探头4-5的运动，超声探头控制基座4-1固定在病床3上。超声探头驱动电机4-4外壳通过螺钉与超声探头控制基座4-1实现固定连接，超声探头驱动电机4-4输出轴通过联轴器与丝杠4-2固定连接。丝杠4-2与螺母滑块4-3转动连接，螺母滑块4-3与超声探头控制基座4-1的两个挡板连接，滑动方向与丝杠4-2方向平行。当超声探头驱动电机4-4旋转时，与丝杠4-2配合的螺母滑块4-3沿着超声探头控制基座4-1上的导槽进行直线运动。一号电机支座4-9与螺母滑块4-3固定连接。一号电机4-8外壳通过螺钉与一号电机支座4-9固定连接，一号电机4-8的转子通过联轴器与齿轮轴4-10固定连接。齿轮轴4-10与一号齿轮4-11固定连接。一号齿轮4-11与二号齿轮4-12啮合。当一号电机4-8旋转时，通过齿轮轴4-10，一号齿轮4-11与二号齿轮4-12啮合传动，实现超声探头4-5的轴向转动控制。锁紧块4-13包裹在超声探头4-5外侧。锁紧结构4-7为可少量变形的圆周结构，由锁紧螺钉4-6进行松紧调节。锁紧结构4-7通过挤压锁紧块4-13，实现对超声探头4-5的位置固定和微调功能。所述锁紧块4-13便于快速更换，可适用于场景提出的探头快速装卸和消毒需求。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的穿刺机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，所述的锁紧单元4-7包括锁紧块4-13和锁紧螺钉4-6；锁紧块4-13外圆面上设有锁紧螺钉4-6；

本具体实施方式，采用锁紧块4-13外圆面上设有锁紧螺钉4-6，便于对超声探头4-5轴向的锁紧，提高调整超声探头4-5的精度。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的穿刺机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，所述的穿刺针位移控制机构5包括穿刺针位移控制基座5-1、一号支撑板5-2、大带轮组8、上层剪刀结构9、下层剪刀结构10、二号支撑板5-6、电机组件7、向心关节轴承9-10和二自由度的虎克铰11；

穿刺针位移控制基座5-1的截面为“凸”字形机架结构，穿刺针位移控制基座5-1上表面的一端设有一号支撑板5-2，穿刺针位移控制基座5-1上表面的另一端设有二号支撑板5-6，且一号支撑板5-2和二号支撑板5-6的顶端中部均设有一个半圆形的凹槽，且每个凹槽内部设有两组大带轮组8，且两组大带轮组8相对设置，二号支撑板5-6上的大带轮组8中部设有下层剪刀结构10，一号支撑板5-2上的大带轮组8中部设有上层剪刀结构9，一号支撑板5-2的两侧和二号支撑板5-6的两侧均设有一个电机组件7，上层剪刀结构9的中部设有向心关节轴承，下层剪刀结构10的中部设有二自由度的虎克铰11；

本具体实施方式，提出的穿刺针位姿控制机构采用直线运动支撑板和上部支撑板的双层并联机构设计，并采用下层剪刀结构10的中部设有二自由度的虎克铰11，能够实现360度无极转动，工作空间满足需求，并且操作简单，精度较高。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的穿刺机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，所述的大带轮组8包括大端盖8-1、大带轮8-2、外圈端盖8-3、一号轴承8-4和内圈端盖8-5；大端盖8-1的外圈上依次套设有大带轮8-2、外圈端盖8-3和一号轴承8-4，大带轮8-2与大端盖8-1通过螺钉固定，一号轴承8-4内圈通过内圈端盖8-5与大带轮8-2轴向固定，一号轴承8-4外圈通过外圈端盖8-3与支撑板5-2轴向固定。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的穿刺机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，所述的电机组件7包括电机组件基座7-1、驱动带轮7-2、同步带5-3和大带轮驱动电机7-3；电机组件基座7-1的一端通过螺丝与支撑板的侧面固定连接，电机组件基座7-1上设有大带轮驱动电机7-3，大带轮驱动电机7-3的输出轴上设有驱动带轮7-2，驱动带轮7-2通过同步带5-3与大带轮8-2连接。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的穿刺机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，所述的上层剪刀结构9包括A支撑臂9-1、二号轴承9-2、固定套9-3、C支撑臂9-4、一号销轴9-5、端盖9-6、环形轴套9-7、深沟球轴承9-8、挡圈9-9、D支撑臂9-11、二号销轴9-12、B支撑臂9-13、三号销轴9-14和四号销轴9-15；

所述的环形轴套9-7内部嵌有深沟球轴承9-8，深沟球轴承9-8的内圈上嵌有向心关节轴承9-10，深沟球轴承9-8与向心关节轴承9-10之间设有挡圈9-9，环形轴套9-7外壁上设有D支撑臂9-11，D支撑臂9-11的底端通过二号销轴9-12与B支撑臂9-13铰连接，C支撑臂9-4的一端设有圆柱形固定套，深沟球轴承9-8的内圈上嵌有圆柱形固定套，圆柱形固定套的顶端设有端盖9-6，C支撑臂9-4的另一端通过一号销轴9-5与A支撑臂9-1的一端铰连接，A支撑臂9-1的中部设有沉头孔，沉头孔的内部顶端嵌有固定套9-3，三号销轴9-14的底端穿过A支撑臂9-1上的固定套9-3，与B支撑臂9-13的中部铰连接，三号销轴9-14与沉头孔的内部之间设有二号轴承9-2，A支撑臂9-1的另一端通过四号销轴9-15与一号支撑板上的一组大带轮组8中的大端盖8-1铰连接，B支撑臂9-13的另一端通过销钉与一号支撑板上的另一组大带轮组8中的大端盖8-1铰连接。

具体实施方式七：结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的穿刺机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，所述的下层剪刀结构10与上层剪刀结构9的结构相同；

本具体实施方式，采用超声探头控制结构、穿刺针位移控制机构和穿刺针进给机构为一体的八自由度超声引导的组织穿刺机器人机构，穿刺针位移控制机构的侧面底部设有弧形通孔，且弧形通孔内部设有超声探头控制结构，穿刺针进给机构安装在穿刺针位移控制机构的上部，该机构能实现各运动的独立控制，满足实际使用需求，结构紧凑、集成度高、占用空间小。

具体实施方式八：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的穿刺机器人的进一步的限定，本实施方式所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，所述的穿刺针进给机构6包括连接件6-1、直线运动支撑板6-2、上部支撑板6-3、穿刺针伸缩控制电机6-4、三号齿轮6-5、齿条6-6、穿刺针摆动电机6-7、一号锥齿轮6-8、穿刺针6-9、二号锥齿轮6-10、一号触发片6-11、引导器6-12和二号触发片6-13；

所述的连接件6-1底端穿过下层剪刀结构10的中部的二自由度的虎克铰11，与引导器6-12的一端连接，连接件6-1的外表面与下层剪刀结构10的中部的二自由度的虎克铰11的通孔内壁固定连接，连接件6-1的顶端与直线运动支撑板6-2的下表面连接，直线运动支撑板6-2的上表面中部设有通孔，且通孔内部设有轴套，且轴套的外表面上设有长条形的通孔，轴套的的顶端穿过上层剪刀结构9上的向心关节轴承9-10，与上部支撑板6-3下底面中部固定连接，轴套内部设有齿条6-6，齿条6-6的顶端与支撑板6-3下表面中部固定连接，直线运动支撑板6-2的上表面通孔的下方设有齿轮架，齿轮架上设有三号齿轮6-5，三号齿轮6-5与齿条6-6啮合，穿刺针伸缩控制电机6-4用于驱动三号齿轮6-5转动；

所述的穿刺针6-9的顶端一次穿过引导器6-12、连接件6-1、直线运动支撑板6-2、轴套、上部支撑板6-3和一号触发片6-11，与二号锥齿轮6-10的底端固定连接，部支撑板6-3的上表面一端设有支撑座，穿刺针摆动电机6-7的输出端穿过支撑座，与一号锥齿轮6-8固定连接，且一号锥齿轮6-8与二号锥齿轮6-10啮合，上部支撑板6-3的上表面设有二号触发片6-13，上部支撑板6-3的下表面设有一号触发片6-11；

本具体实施方式，采用此种设置，利用穿刺针进给机构6调节穿刺针6-9的伸缩与偏斜角度，启动穿刺针摆动电机6-7，穿刺针摆动电机6-7带动一号锥齿轮6-8转动，一号锥齿轮6-8与二号锥齿轮6-10啮合，二号锥齿轮6-10带动穿刺针6-9进行转动，并利用下层剪刀结构10的中部的二自由度的虎克铰11，进而调节穿刺针6-9的偏移角度；

当进行穿刺作业时，启动穿刺针伸缩控制电机6-4，穿刺针伸缩控制电机6-4带动三号齿轮6-5转动，三号齿轮6-5与齿条6-6啮合，带动直线运动支撑板6-2在轴套上运动，从而实现穿刺针6-9的向前进给，完成穿刺作业。

工作原理

在使用时，将穿刺机器人固定在病床3上表面的一侧，病患1躺在于截石位躺在病床3上，双腿间空间可以进行调整，在超声探头控制机构4中，超声探头驱动电机4-4通过控制丝杠4-2转动控制螺母滑块4-3及其上的部分前后移动，一号电机4-8控制一号齿轮4-11转动，一号齿轮4-11与二号齿轮4-12啮合，实现对超声探头4-5进行转动，锁紧机构4-7用于调整探头4-8与转动运动轴线的同轴度，在穿刺针姿态控制机构5中，对四自由度并联机构的每个转动关节，通过控制大带轮驱动电机7-3转动，同步带5-3传动，使大带轮组件8转动，下层剪刀结构10与大带轮组8中的大端盖8-1铰连接，上层剪刀结构9与大带轮组8中的大端盖8-1铰连接，上层剪刀结构9和下层剪刀结构10随着大带轮的转动伸长，缩短，或同步转动，到达大带轮组件中空区域的任意位置，利用穿刺针进给机构6调节穿刺针6-9的伸缩与偏斜角度，启动穿刺针摆动电机6-7，穿刺针摆动电机6-7带动一号锥齿轮6-8转动，一号锥齿轮6-8与二号锥齿轮6-10啮合，二号锥齿轮6-10带动穿刺针6-9进行转动，并利用下层剪刀结构10的中部的二自由度的虎克铰11，进而调节穿刺针6-9的偏移角度；

当进行穿刺作业时，启动穿刺针伸缩控制电机6-4，穿刺针伸缩控制电机6-4带动三号齿轮6-5转动，三号齿轮6-5与齿条6-6啮合，带动直线运动支撑板6-2在轴套上运动，从而实现穿刺针6-9的向前进给，完成穿刺作业。

Claims (8)

1.一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：包括超声探头控制结构(4)、穿刺针位移控制机构(5)和穿刺针进给机构(6)；

穿刺针位移控制机构(5)的侧面底部设有弧形通孔，且弧形通孔内部设有超声探头控制结构(4)，穿刺针进给机构(6)安装在穿刺针位移控制机构(5)的上部；

所述的超声探头控制结构(4)包括超声探头控制基座(4-1)、丝杠(4-2)、螺母滑块(4-3)、超声探头驱动电机(4-4)、超声探头(4-5)、锁紧单元(4-7)、一号电机(4-8)、一号电机支座(4-9)、齿轮轴(4-10)、一号齿轮(4-11)和二号齿轮(4-12)；

超声探头控制基座(4-1)上表面的两端分别设有一个挡板，且每个挡板上设有一个通孔，丝杠(4-2)的一端与一个挡板转动连接，丝杠(4-2)的另一端穿过另一个挡板上的通孔，与超声探头驱动电机(4-4)输出端固定连接，丝杠(4-2)上设有螺母滑块(4-3)，螺母滑块(4-3)的上表面的一端设有传动支架，螺母滑块(4-3)的上表面的中部设有一号电机支座(4-9)，一号电机支座(4-9)上设有一号电机(4-8)，一号电机(4-8)的输出端与齿轮轴(4-10)固定连接，齿轮轴(4-10)上设有一号齿轮(4-11)，且齿轮轴(4-10)、一号齿轮(4-11)设置在传动支架内部下端，超声探头(4-5)的一端穿过二号齿轮(4-12)和锁紧单元(4-7)，且二号齿轮(4-12)和锁紧单元(4-7)设置在传动支架内部上端，一号齿轮(4-11)和二号齿轮(4-12)啮合。

2.根据权利要求1所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：所述的锁紧单元(4-7)包括锁紧块(4-13)和锁紧螺钉(4-6)；锁紧块(4-13)外圆面上设有锁紧螺钉(4-6)。

3.根据权利要求1所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：所述的穿刺针位移控制机构(5)包括穿刺针位移控制基座(5-1)、一号支撑板(5-2)、大带轮组(8)、上层剪刀结构(9)、下层剪刀结构(10)、二号支撑板(5-6)、电机组件(7)、向心关节轴承(9-10)和二自由度的虎克铰(11)；

穿刺针位移控制基座(5-1)的截面为“凸”字形机架结构，穿刺针位移控制基座(5-1)上表面的一端设有一号支撑板(5-2)，穿刺针位移控制基座(5-1)上表面的另一端设有二号支撑板(5-6)，且一号支撑板(5-2)和二号支撑板(5-6)的顶端中部均设有一个半圆形的凹槽，且每个凹槽内部设有两组大带轮组(8)，且两组大带轮组(8)相对设置，二号支撑板(5-6)上的大带轮组(8)中部设有下层剪刀结构(10)，一号支撑板(5-2)上的大带轮组(8)中部设有上层剪刀结构(9)，一号支撑板(5-2)的两侧和二号支撑板(5-6)的两侧均设有一个电机组件(7)，上层剪刀结构(9)的中部设有向心关节轴承，下层剪刀结构(10)的中部设有二自由度的虎克铰(11)。

4.根据权利要求3所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：所述的大带轮组(8)包括大端盖(8-1)、大带轮(8-2)、外圈端盖(8-3)、一号轴承(8-4)和内圈端盖(8-5)；大端盖(8-1)的外圈上依次套设有大带轮(8-2)、外圈端盖(8-3)和一号轴承(8-4)，大带轮(8-2)与大端盖(8-1)通过螺钉固定，一号轴承(8-4)内圈通过内圈端盖(8-5)与大带轮(8-2)轴向固定，一号轴承(8-4)外圈通过外圈端盖(8-3)与支撑板轴向固定。

5.根据权利要求3所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：所述的电机组件(7)包括电机组件基座(7-1)、驱动带轮(7-2)、同步带(5-3)和大带轮驱动电机(7-3)；

电机组件基座(7-1)的一端通过螺丝与支撑板的侧面固定连接，电机组件基座(7-1)上设有大带轮驱动电机(7-3)，大带轮驱动电机(7-3)的输出轴上设有驱动带轮(7-2)，驱动带轮(7-2)通过同步带(5-3)与大带轮(8-2)连接。

6.根据权利要求3所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：所述的上层剪刀结构(9)包括A支撑臂(9-1)、二号轴承(9-2)、固定套(9-3)、C支撑臂(9-4)、一号销轴(9-5)、端盖(9-6)、环形轴套(9-7)、深沟球轴承(9-8)、挡圈(9-9)、D支撑臂(9-11)、二号销轴(9-12)、B支撑臂(9-13)、三号销轴(9-14)和四号销轴(9-15)；

所述的环形轴套(9-7)内部嵌有深沟球轴承(9-8)，深沟球轴承(9-8)的内圈上嵌有向心关节轴承(9-10)，深沟球轴承(9-8)与向心关节轴承(9-10)之间设有挡圈(9-9)，环形轴套(9-7)外壁上设有D支撑臂(9-11)，D支撑臂(9-11)的底端通过二号销轴(9-12)与B支撑臂(9-13)铰连接，C支撑臂(9-4)的一端设有圆柱形固定套，深沟球轴承(9-8)的内圈上嵌有圆柱形固定套，圆柱形固定套的顶端设有端盖(9-6)，C支撑臂(9-4)的另一端通过一号销轴(9-5)与A支撑臂(9-1)的一端铰连接，A支撑臂(9-1)的中部设有沉头孔，沉头孔的内部顶端嵌有固定套(9-3)，三号销轴(9-14)的底端穿过A支撑臂(9-1)上的固定套(9-3)，与B支撑臂(9-13)的中部铰连接，三号销轴(9-14)与沉头孔的内部之间设有二号轴承(9-2)，A支撑臂(9-1)的另一端通过四号销轴(9-15)与一号支撑板上的一组大带轮组(8)中的大端盖(8-1)铰连接，B支撑臂(9-13)的另一端通过销钉与一号支撑板上的另一组大带轮组(8)中的大端盖(8-1)铰连接。

7.根据权利要求3所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：所述的下层剪刀结构(10)与上层剪刀结构(9)的结构相同。

8.根据权利要求3所述的一种用于超声引导的八自由度穿刺机器人，其特征在于：所述的穿刺针进给机构(6)包括连接件(6-1)、直线运动支撑板(6-2)、上部支撑板(6-3)、穿刺针伸缩控制电机(6-4)、三号齿轮(6-5)、齿条(6-6)、穿刺针摆动电机(6-7)、一号锥齿轮(6-8)、穿刺针(6-9)、二号锥齿轮(6-10)、一号触发片(6-11)、引导器(6-12)和二号触发片(6-13)；

所述的连接件(6-1)底端穿过下层剪刀结构(10)的中部的二自由度的虎克铰(11)，与引导器(6-12)的一端连接，连接件(6-1)的外表面与下层剪刀结构(10)的中部的二自由度的虎克铰(11)的通孔内壁固定连接，连接件(6-1)的顶端与直线运动支撑板(6-2)的下表面连接，直线运动支撑板(6-2)的上表面中部设有通孔，且通孔内部设有轴套，且轴套的外表面上设有长条形的通孔，轴套的的顶端穿过上层剪刀结构(9)上的向心关节轴承(9-10)，与上部支撑板(6-3)下底面中部固定连接，轴套内部设有齿条(6-6)，齿条(6-6)的顶端与支撑板6-3下表面中部固定连接，直线运动支撑板(6-2)的上表面通孔的下方设有齿轮架，齿轮架上设有三号齿轮(6-5)，三号齿轮(6-5)与齿条(6-6)啮合，穿刺针伸缩控制电机(6-4)用于驱动三号齿轮(6-5)转动；

所述的穿刺针(6-9)的顶端一次穿过引导器(6-12)、连接件(6-1)、直线运动支撑板(6-2)、轴套、上部支撑板(6-3)和一号触发片(6-11)，与二号锥齿轮(6-10)的底端固定连接，部支撑板6-3的上表面一端设有支撑座，穿刺针摆动电机(6-7)的输出端穿过支撑座，与一号锥齿轮(6-8)固定连接，且一号锥齿轮(6-8)与二号锥齿轮(6-10)啮合，上部支撑板(6-3)的上表面设有二号触发片(6-13)，上部支撑板(6-3)的下表面设有一号触发片(6-11)。

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