CN113081276B - 一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置，包括机械臂主体和末端执行机构，所述的机械臂主体包含三个旋转关节，由电机驱动，可实现空间三自由度运动，实现对入针点的定位。所述的末端执行装置，拥有一个旋转自由度和一个平移自由度，包括夹针装置、传感器、电机。所述的挑针动作可以由机械臂主体的三个旋转关节和末端执行器的一个旋转关节进行联动，从而实现挑针动作。本发明主要应用于静脉穿刺场景下，与现有技术相比，本发明具有准确度高、高度模拟临床应用场景、使用方便、调节灵活、减轻护理人员的工作强度等优点。

Description

一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置

技术领域

本发明涉及医用静脉穿刺机器人领域，尤其是涉及一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置。

背景技术

静脉穿刺是一种重要且常用的入侵性医学手段，其主要步骤为找到静脉，进针动作，挑针，再进针，其主要目的为建立静脉通路，用于输液、输血、用药等治疗。静脉穿刺机器人系统设计，旨在实现特殊场景下代替或辅助人工进行静脉穿刺，同时保证患者的安全和穿刺成功率。

当前临床上静脉穿刺主要依靠熟练的医护人员进行，这些医护人员通常需经过专门的培训。常用的静脉血管穿刺方法操作如下：给病人扎上止血带，然后让其握拳使静脉血管突出从而方便进行静脉穿刺。这种穿刺流程的成功率极大依赖医护人员的经验和熟练度，对于肤色较深、静脉较深、覆盖伤症的病人，尤其是婴幼儿、老年人、肥胖者以及脱水病人等，想要准确地进行静脉穿刺十分困难。医护人员的情绪波动也会影响穿刺成功率，静脉穿刺失败不仅会给患者，尤其是少儿患者带来疼痛和精神上的压力，还有可能造成血管损伤。然而在野外救援、战场救治等不满足完善的医院临床条件时，或是重大疫情期间为了保证医护人员的安全，医护人员无法或不方便直接接触患者的场景下，静脉穿刺机器人系统显得尤为重要，且与人工进行静脉穿刺相比，具有一定的优势，能适应各种多变环境的需求，可自主完成穿刺动作，也可实现医护人员远程操作。

然而目前的静脉穿刺机器人精度和灵活度都较低，且安全性不高。另外，目前的静脉穿刺机器人在进退针过程中无法精准地实现以针尖为圆心的挑针动作，而挑针动作是静脉穿刺过程中必不可少的环节，因此无法适用于上述特殊场景下的更加复杂的穿刺任务，容易造成患者的不适感，甚至在一定程度上造成患者的痛苦。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置，包括底座，设于底座上的第一机械臂，以及与第一机械臂依次连接的第二机械臂、第三机械臂和末端驱动关节，各机械臂与末端驱动关节共同构成四自由度的平面四连杆机构，所述末端驱动关节连接末端执行器，所述末端执行器上设有夹针装置，所述末端执行器上设有用以带动夹针装置滑动的滑动机构，所述夹针装置通过平面四连杆机构执行挑针动作。

所述第一机械臂绕竖直方向轴旋转，所述第一机械臂包括第一旋转关节、第一步进电机、对称设于第一步进电机两侧的两个第一支撑板以及用以连接两个第一支撑板的支撑壳体。

所述第二机械臂绕水平方向轴旋转，所述第二机械臂包括依次穿设于两个第一支撑板上的第二传动轴，与第二传动轴的一端连接的第二步进电机，设于第二传动轴轴身上且对称设置的两个第二关节臂主体，以及用以连通两个第二关节臂主体的第二支撑板。

所述第三机械臂绕水平方向轴旋转，所述第三机械臂轴包括通过关节轴承与两个第二关节臂主体的端部活动连接且对称设置的两个第三关节臂主体，用以连通两个第三关节臂主体的第三支撑板，与两个第三关节臂主体分别连接的第三步进电机，以及设于第二传动轴的另一端、且与第三步进电机连接的第三传动轴。

所述末端驱动关节绕水平方向轴旋转，所述末端驱动关节包括固定在所述第三关节臂主体上的舵机，及与舵机活动连接的U型架和末端关节轴，所述U型架通过舵机的带动实现挑针转角操作。

所述末端执行器包括固定在U型架上的主体外壳和设置在主体外壳上的所述滑动机构，所述滑动机构连接所述夹针装置。

所述滑动机构包括第四步进电机、丝杆、联轴器、滚珠滑台和滑块，所述第四步进电机通过拧紧螺栓固定在主体外壳的一端，所述第四步进电机通过联轴器连接丝杆，丝杆连接滑块，丝杆的底部设有滚珠滑台，滑块通过螺纹连接在丝杆上，并可在滚珠滑台上滑动，滑块上设有所述夹针装置。

进一步地，所述主体外壳的另一端设有用以对滑块进行限位的定位板。

所述夹针装置包括通过固定螺栓固定在滑块上的拉压力传感器，与拉压力传感器通过固定螺栓连接的第一夹针板和第二夹针板，所述第二夹针板和所述第一夹针板呈上下结构设置，二者的对应面的对应位置设有凹槽，且二者的对应面的中心位置对应设有用以放置针头的孔，所述第二夹针板和所述第一夹针板的凹槽构成用以安装螺栓及放置针头对应的输液管的预留空间。

进一步地，所述第二夹针板和所述第一夹针板之间通过紧固螺栓固定连接。

本发明提供的带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明装置将机械臂部分和进退针执行装置分开，机械臂的四个旋转关节用来进行入针位置的空间定位，定位到定位点后，进退针执行器开始工作，有利于保证穿刺过程的稳定性和精确度，灵活性更强；

2)结合临床操作实际，在机器人执行静脉穿刺过过程中创新地提出挑针这一动作，即当穿刺针进入血管壁后，以针头为圆心挑起一定角度，然后继续进针，带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置通过平面四连杆机构，使针头位置固定不动，通过多个关节联动，实现针绕针头旋转运动；

3)夹针装置通过螺栓固定可以较为方便地替换穿刺针具，第一夹针板可以通过固定螺栓与拉压力传感器连接，且能够即时测量针收到的轴向穿刺力，从而实时判断针的进程，为整个穿刺过程的精准控制提供依据，并且在第一夹针板和第二夹针板之间的后端区域留有空间，便于输液管等于针连接的软管穿过。

附图说明

图1为实施例中带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置的结构示意图；

图2为实施例中末端执行器的左视结构示意图；

图3为实施例中末端执行器的右视结构示意图；

图4为实施例中夹针装置的结构示意图；

图5为实施例中第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和末端驱动关节构成的平面四连杆机构的结构示意图；

图6为实施例中本发明装置实现挑针动作的结构示意图；

图中标号所示：

1、底座，2、第一机械臂，3、第二机械臂，4、第三机械臂，5、末端驱动关节，6、末端执行器，7、夹针装置，8、平面四连杆机构，201、第一旋转关节，202、第一步进电机，203、第一支撑板，204、支撑壳体，301、第二步进电机，302、第二传动轴，303、第二关节臂主体，304、第二支撑板，305、第二旋转关节，401、第三关节臂主体，402、第三支撑板，403、第三步进电机，404、第三传动轴，405、传动连杆，406、支撑连杆，407、第三旋转关节，408、水平固定板，501、舵机，502、U型架，503、末端关节轴，601、主体外壳，602、第四步进电机，603、丝杆，604、联轴器，605、滚珠滑台，606、滑块，607、定位板，608、拧紧螺栓，701、固定螺栓，702、拉压力传感器，703、第一夹针板，704、第二夹针板，705、紧固螺栓，706、针头，707、预留空间。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置，包括机械臂主体和末端执行机构，机械臂主体包含三个旋转关节，各关节分别由电机驱动，可实现空间三自由度运动，实现对入针点的定位。末端执行装置，拥有一个旋转自由度和一个平移自由度，包括夹针装置、拉压力传感器、电机。挑针动作可以由机械臂主体的三个旋转关节和末端执行器的一个旋转关节进行联动实现。具体地，如图1～图4所示，该装置包括底座1、第一机械臂2，第二机械臂3，第三机械臂4，末端驱动关节5，末端执行器6和夹针装置7。

第一机械臂2设于底座1上，并与底座1活动连接。第二机械臂3设于第一机械臂2上，并与第一机械臂2活动连接。第三机械臂4与第二机械臂3活动连接，末端驱动关节5与第三机械臂4活动连接。末端执行器6与末端驱动关节5活动连接，夹针装置7设于末端执行器6上。

第一机械臂2绕竖直方向轴旋转，第一机械臂2包括第一旋转关节201、第一步进电机202、第一支撑板203和支撑壳体204。第一旋转关节201设于底座1的顶面上。支撑壳体204设于第一旋转关节201上，支撑壳体204用于承载第一步进电机202和第一支撑板203。第一步进电机202设于支撑壳体204上，且第一步进电机202的电机轴穿过支撑壳体204后连接第一旋转关节201，用于驱动第一关节2作旋转运动；第一支撑板203设于支撑壳体204上，并对称设置在第一步进电机202的两侧。支撑壳体204的壳体侧面还设有用于散热的通孔。在本实施中，支撑壳体204为第一旋转关节201上包围的一圈壳体，支撑壳体204包围的内部空间为放置控制电路板的空间，控制电路板连接第一步进电机202、第二步进电机301、第三步进电机403、舵机501，第四步进电机602和传感器702。

第二机械臂3绕水平方向轴旋转，第二机械臂3包括第二步进电机301、第二传动轴302、第二关节臂主体303、第二支撑板304和第二旋转关节305。第二传动轴302依次穿设在两个第一支撑板203上，第二传动轴302的一端连接第二步进电机301，第二传动轴302位于两个第一支撑板203之间的轴身上通过关节轴承活动连接有对称设置的两个第二关节臂主体303，两个第二关节臂主体303之间通过第二支撑板304连接。

第三机械臂4绕水平方向轴旋转，第三机械臂4包括第三关节臂主体401、第三支撑板402、第三步进电机403、第三传动轴404、传动连杆405、支撑连杆406和第三旋转关节407。两个第三关节臂主体401分别通过关节轴承与两个第二关节臂主体303的端部活动连接，且对称设置。两个第三关节臂主体401之间通过第三支撑板402连接。第三传动轴404设于第二传动轴302的另一端，第三传动轴404连接第三步进电机403，第三步进电机403与两个第三关节臂主体401分别连接。传动连杆405贯穿两个第二关节臂主体303，与第三传动轴404和第三旋转关节407相连。支撑连杆406贯穿两个第三关节臂主体401，与第三旋转关节407和水平固定板408相连，使水平固定板408的空间位置始终保持水平。

上述第一、二、三旋转关节形成三自由度，用来寻找定位初始入针点，通过这三个自由度来调整末端执行器6的空间位置，并移动到入针点。

末端驱动关节5绕水平方向轴旋转，末端驱动关节5包括舵机501、U型架502和末端关节轴503。舵机501固定在第三关节臂主体401的另一端(远离第二机械臂3的一端)上，U型架502与舵机501连接，舵机501可带动U型架502转过一定角度，即为挑针角度。末端关节轴503分别设于两个第三关节臂主体401侧部，并与舵机501连接。采用U型架502的结构设计，一方面是由于舵机501本身的结构特征，因此需要U型架502连接，另一方面是为了更稳定地将舵机501的旋转运动传递给末端执行器6，从而带动末端执行器6旋转，使机械臂受力平衡。

末端执行器6包括固定在U型架502上的主体外壳601、第四步进电机602、丝杆603、联轴器604、滚珠滑台605、滑块606和定位板607。第四步进电机602通过拧紧螺栓608固定在主体外壳601的前端上方；第四步进电机602通过联轴器604连接丝杆603，丝杆603的另一端连接滑块606，将电机的旋转运动转化为直线运动。滚珠滑台605设于丝杆603的底部，滑块606过螺纹连接在丝杆603上，并可在滚珠滑台605上滑动。滑块606上设有夹针装置7。定位板607设置在主体外壳601的末端起到对滑块606的限位作用。滑块606在丝杆603上前后滑动，带动滑块606上的夹针装置7的针头前后移动，即进针和退针动作。

夹针装置7包括拉压力传感器702、第一夹针板703和第二夹针板704。拉压力传感器702通过固定螺栓701固定在滑块606上。第二夹针板704、第一夹针板703呈上下结构设置，二者的对应面的对应位置设有凹槽，且二者的中心位置对应设有用于放置针头706的半圆形的孔，凹槽与孔联通。第一夹针板703、第二夹针板704拼接后，两个半圆形孔构成圆孔708，可以放置针头706，圆孔708与固定螺栓701在一条直线上，以准确测量针头706轴向所受拉压力。第一夹针板703、第二夹针板704的凹槽构成预留空间707，可以便于螺栓安装及放置针头后面的输液管。第二夹针板704、第一夹针板703之间通过紧固螺栓705固定连接，起到夹紧针头706的作用。第一夹针板703可以通过固定螺栓701与拉压力传感器702的端部连接，第一夹针板703、第二夹针板704和拉压力传感器702上都留有螺纹孔用于连接。

本发明带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置的整个穿刺流程为：

首先通过第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4定位末端执行器6到初始入针点，此时滑块606带动夹针装置7向前移动，即进针动作，当拉压力传感器702感受到针头706所受力的变化时，滑块606停止运动，此时可根据各步进电机的脉冲次数得出各个关节的旋转角度，从而根据正运动学解算得出针头706的空间坐标，此时根据步进电机脉冲数计算出位移，从而得出L1的长度，即针尖和末端驱动关节5的距离(如图5所示，图中L2为第三机械臂4的长度，L3为第二机械臂3的长度)，此时针头706位置已在血管中，再执行挑针动作，即如图6所示，通过第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4和末端驱动关节5所构成的平面四连杆机构8的联动，针头706的针尖的空间位置保持不动，以针尖为圆心固定旋转，由于挑针角度是已知的设定值，所以可以根据逆运动学反向求解出各个关节所需的旋转角度，便可以同时控制第二步进电机301、第三步进电机403、舵机501的转动角度，通过平面四连杆机构8的组合运动调整针尖旋转角度，接着滑块706继续向前移动一小段距离，即继续进针一小段距离后停止运动，整个穿刺过程结束，若想退针，只需让第四步进电机602反转，滑块606按反方向移动即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置，其特征在于，包括底座(1)，设于底座(1)上的第一机械臂(2)，以及与第一机械臂(2)依次连接的第二机械臂(3)、第三机械臂(4)和末端驱动关节(5)，各机械臂与末端驱动关节(5)共同构成四自由度的平面四连杆机构(8)，所述末端驱动关节(5)连接末端执行器(6)，所述末端执行器(6)上设有夹针装置(7)，所述末端执行器(6)上设有用以带动夹针装置(7)滑动的滑动机构，所述夹针装置(7)通过平面四连杆机构(8)执行挑针动作；

所述第一机械臂(2)绕竖直方向轴旋转，所述第一机械臂(2)包括第一旋转关节(201)、第一步进电机(202)、对称设于第一步进电机(202)两侧的两个第一支撑板(203)以及用以连接两个第一支撑板(203)的支撑壳体(204)；

所述第二机械臂(3)绕水平方向轴旋转，所述第二机械臂(3)包括依次穿设于两个第一支撑板(203)上的第二传动轴(302)，与第二传动轴(302)的一端连接的第二步进电机(301)，设于第二传动轴(302)轴身上且对称设置的两个第二关节臂主体(303)，以及用以连通两个第二关节臂主体(303)的第二支撑板(304)；

所述第三机械臂(4)绕水平方向轴旋转，所述第三机械臂(4)包括通过关节轴承与两个第二关节臂主体(303)的端部活动连接且对称设置的两个第三关节臂主体(401)，用以连通两个第三关节臂主体(401)的第三支撑板(402)，与两个第三关节臂主体(401)分别连接的第三步进电机(403)，以及设于第二传动轴(302)的另一端、且与第三步进电机(403)连接的第三传动轴(404)；

所述末端驱动关节(5)绕水平方向轴旋转，所述末端驱动关节(5)包括固定在所述第三关节臂主体(401)上的舵机(501)，及与舵机(501)活动连接的U型架(502)和末端关节轴(503)，所述U型架(502)通过舵机(501)的带动实现挑针转角操作；

所述末端执行器(6)包括固定在U型架(502)上的主体外壳(601)和设置在主体外壳(601)上的所述滑动机构，所述滑动机构连接所述夹针装置(7)；

所述滑动机构包括第四步进电机(602)、丝杆(603)、联轴器(604)、滚珠滑台(605)和滑块(606)，所述第四步进电机(602)通过拧紧螺栓(608)固定在主体外壳(601)的一端，所述第四步进电机(602)通过联轴器(604)连接丝杆(603)，丝杆(603)连接滑块(606)，丝杆(603)的底部设有滚珠滑台(605)，滑块(606)通过螺纹连接在丝杆(603)上，并能够在滚珠滑台(605)上滑动，滑块(606)上设有所述夹针装置(7)；

所述夹针装置(7)包括通过固定螺栓(701)固定在滑块(606)上的拉压力传感器(702)，与拉压力传感器(702)通过固定螺栓(701)连接的第一夹针板(703)和第二夹针板(704)，所述第二夹针板(704)和所述第一夹针板(703)呈上下结构设置，二者的对应面的对应位置设有凹槽，且二者的对应面的中心位置对应设有用以放置针头(706)的孔，所述第二夹针板(704)和所述第一夹针板(703)的凹槽构成用以安装螺栓及放置针头(706)对应的输液管的预留空间(707)。

2.根据权利要求1所述的带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置，其特征在于，所述主体外壳(601)的另一端设有用以对滑块(606)进行限位的定位板(607)。

3.根据权利要求1所述的带有挑针动作的四连杆静脉穿刺进退针执行装置，其特征在于，所述第二夹针板(704)和所述第一夹针板(703)之间通过紧固螺栓(705)固定连接。

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