CN113893015A - 基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构及应用方法，机构包括固定平台，用于安装挡板、穿刺角度调整机构；挡板，并用于支撑柔性针；穿刺角度调整机构，用于调整柔性针的穿刺角度；夹紧装置，用于夹紧柔性针；往复装置，用于带动夹紧装置上的柔性针进给运动进行穿刺，以及穿刺完成后的退出；所述穿刺角度调整机构、夹紧装置与固定平台之间均设有滑轨，穿刺角度调整机构、夹紧装置可随往复装置的前进过程同步滑动；夹紧装置和往复装置的驱动由电子凸轮控制，控制过程以往复装置的驱动作为主轴，以夹紧装置的驱动作为从轴；该机构可以在穿刺过程中避免由针杆变形引发的误差影响。

Description

基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构及应用方法

技术领域

本发明属于智能医疗机器人控制与决策领域，特别是一种基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构及应用方法。

背景技术

在微创手术中，柔性针凭借其特性，可以更好的进行可避障的靶向穿刺。然而，在穿刺过程中针前端受到组织阻力，针杆在两端力作用下会产生变形，从而对针尖方向轨迹产生一定影响，降低穿刺精度。

2020年哈尔滨理工大学的赵燕江等人发明了一种缠绕式柔性针穿刺机构(发明专利公开号：112370125A)，通过部分柔性针缠绕丝杠，在穿刺时收缩柔性针，降低穿刺变形，虽然柔性针具有超弹性，然而缠绕的过程会使其变形，影响穿刺。2020年哈尔滨理工大学的邵国庆等人发明了一种基于平行丝杠式柔性针穿刺机构(发明专利公开号：112656487A)，采用自动铅笔夹紧原理的夹紧机构代替了支撑机构，使针轴在穿刺过程中受力更均匀，有效预防穿刺变形，然而难以控制穿刺速度和节奏。2020年哈尔滨理工大学的赵燕江等人发明了一种基于双机械手爪的柔性针穿刺机构(发明专利公开号：112168309A)，采用双机械爪夹持柔性针交替送针，避免了穿刺过程中针体翘曲，交替过程中后机械手夹持时会使柔性针针杆变形。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构及应用方法，通过采用凸轮式往复夹紧机构，可以在穿刺过程中避免由针杆变形引发的误差影响，代替了柔性针支撑机构和进给机构。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构，包括：

固定平台，用于安装挡板、穿刺角度调整机构；

挡板，设有柔性针穿过的通孔，并用于支撑柔性针；

穿刺角度调整机构，用于夹持柔性针的尾端，带动柔性针旋转以调整柔性针的穿刺角度；

夹紧装置，用于夹紧柔性针，夹紧位置靠近柔性针的前端；

往复装置，连接夹紧装置，用于带动夹紧装置上的柔性针进给运动进行穿刺，以及穿刺完成后的退出；

所述穿刺角度调整机构、夹紧装置与固定平台之间均设有滑轨，滑动方向均平行于穿刺方向，穿刺角度调整机构、夹紧装置可随往复装置的前进过程同步滑动；

所述夹紧装置和往复装置的驱动由电子凸轮控制，控制过程以往复装置的驱动作为主轴，以夹紧装置的驱动作为从轴；往复装置前进过程中夹紧装置夹紧柔性针，往复装置复位过程中夹紧装置松开；如此往复实现柔性针的步进穿刺。

一种基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构的应用方法，首先，获取夹紧装置中心点位运动轨迹数据，建立空间轨迹点集，以夹紧装置滑移方向作为横轴，以往复装置运动方向作为纵轴建立的笛卡尔坐标系，根据设立的主从轴关系，建立电子凸轮表并拟合电子凸轮曲线；

其次，通过穿刺角度调整机构、夹紧装置、往复装置分别调整性针的初始穿刺角度、夹紧状态和位置；按照上述电子凸轮曲线驱动主从轴；

最后，主轴实现往复运动，从轴实现对柔性针随主轴反复运动的夹紧和松开，在夹紧时间段带动柔性针进给。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

第一，通过采用往复夹紧机构，可以在穿刺过程中避免由针轴变形引发的误差影响，提高穿刺精度；

第二，本发明采用的往复夹紧机构作为辅助穿刺机构，代替了柔性针支撑机构和进给机构，使结构更紧凑，控制更方便；

第三，采用电子凸轮的控制方法，使运动轨迹平滑连接，提高装置运行平滑度，增强装置稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的夹紧装置结构示意图；

图3为本发明的柔性针滑移装置结构示意图；

图4为本发明的往复装置结构示意图；

图5为本发明的运动轨迹示意图；

图6为本发明的电子凸轮曲线示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步说明：

如图1所示，一种基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构，夹紧装置1、穿刺角度调整机构2、往复装置3、固定平台4、挡板5；

所述挡板5上设有柔性针穿过的通孔，并用于支撑柔性针；

结合图2、图3，所述夹紧装置1包括第一电机座15、第一伺服电机16、联轴器14、第一丝杆13、固定夹台11、滑动夹块12；

所述第一电机座15与固定在固定平台4上的第一滑轨40配合，可沿第一滑轨40滑动，滑动方向平行于穿刺方向；第一伺服电机16通过螺栓固定在第一电机座15上，电机轴上装有联轴器14用于驱动第一丝杆13，第一丝杆13两端通过轴承安装有固定夹台11，滑动夹块12与第一丝杆13螺纹配合，并与固定夹台11上的滑槽配合，在第一丝杆13驱动下，可沿固定夹台11滑动，滑动方向垂直于穿刺方向，滑动夹块12与固定夹台11配合实现柔性针的夹紧。所述固定夹台11下端通过连接件23与微型滑块22相连，微型滑块22与固定在固定平台4上的微型滑轨21配合，可沿微型滑轨21配合滑动，滑动方向平行于穿刺方向。

结合图3、图4，所述往复装置包括第三电机座36、第二伺服电机37、第二丝杆33、丝杆滑块32；所述第二伺服电机37通过第三电机座36安装在固定平台4上，电机轴上装有联轴器35用于驱动第二丝杆33，第二丝杆33两端通过末端轴承座31和前端轴承座34安装在固定平台4上，丝杆滑块32与第二丝杆33配合，可在第二伺服电机37驱动下，沿第二丝杆33往复移动，移动方向平行于穿刺方向。丝杆滑块32与连接件23侧端固定，丝杆滑块32移动带动连接件23移动，从而带动夹紧装置同步运动。

结合图3，所述穿刺角度调整机构2包括第二电机座28、步进电机27、夹头25；所述步进电机27固定在第二电机座28上，第二电机座28与直线滑块29固定，直线滑块29与直线滑轨24配合，可以沿其滑动，滑动方向平行于穿刺方向，步进电机27通过电机轴上的联轴器26与夹头25相连，夹头25用于夹紧柔性针的末端，步进电机27旋转带动柔性针的旋转，实现穿刺角度的调整，穿刺角度完成后，穿刺角度调整机构2可随穿刺过程往复装置3的前进一并向前运动，穿刺完成后，随往复装置3的后退向后运动。

所述夹紧装置1和往复装置3的驱动由电子凸轮控制，控制过程以往复装置的第二伺服电机37作为主轴，以夹紧装置的第一伺服电机16作为从轴；进行穿刺时，往复装置3前进过程中夹紧装置1夹紧柔性针，第二伺服电机37正转带动柔性针前进，然后夹紧装置1松开柔性针，第二伺服电机37反转带动连接件23及夹紧装置1复位，然后夹紧装置1夹紧柔性针，第二伺服电机37正转带动柔性针前进，如此前进复位循环过程实现柔性针的步进进给。穿刺完成后，柔性针的推出通上述过程相反，往复装置3后退过程中夹紧装置1夹紧柔性针，复位过程夹紧装置1松开，后退复位循环过程实现柔性针的步进退出。

基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构的应用方法,所述方法为基于五次多项式的电子凸轮控制器控制方法，基于运动特征的主从轴确立，基于空间轨迹点集合的运动轨迹构建电子凸轮表，采用五次多项式曲线连接所有位置控制点构成完整的电子凸轮曲线；按照空间轨迹控制主从轴进行运动为主轴运行到空间轨迹一点时，从轴依据所述电子凸轮曲线的坐标关系跟随主轴运行到该点位置。所述的空间轨迹点集合为穿刺夹紧机构中点坐标数据。

本发明基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构的应用方法如下：

首先，根据柔性针进给特点，获取夹紧装置中心点位运动轨迹数据，建立空间轨迹点集，以夹紧装置滑移方向作为横轴，以往复装置运动方向作为纵轴建立的笛卡尔坐标系，获得运动轨迹如图5所示，根据上述设立的主从轴关系，建立如下电子凸轮表，采用五次多项式曲线将电子凸轮表构成完整的电子凸轮曲线，如图6所示，横纵坐标分别为主从轴位置，表示从轴位置相对主轴位置的位移关系；

其次，通过第一伺服电机、第二伺服电机、步进电机分别调整夹紧装置的状态、位置和柔性针的初始穿刺角度，通过步进电机调整柔性针穿刺角度，按照上述电子凸轮曲线驱动主从轴；

最后，主轴第二伺服电机驱动第二丝杆实现往复运动，从轴第一伺服电机驱动夹紧装置实现对柔性针反复夹紧，在夹紧时间段带动穿刺角度调整机构沿直线滑轨进给。

本发明提供的穿刺夹紧机构及应用方法，其特点在于可以通过采用往复夹紧机构，可以在穿刺过程中避免由针轴变形引发的误差影响，提高穿刺精度，采用的往复夹紧机构作为辅助穿刺机构，代替了柔性针支撑机构和进给机构，使结构更紧凑，控制更方便，采用电子凸轮的控制方法，使运动轨迹平滑连接，提高装置运行平滑度，增强装置稳定性。

Claims (5)

1.一种基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构，其特征在于，包括：

固定平台，用于安装挡板、穿刺角度调整机构；

挡板，设有柔性针穿过的通孔，并用于支撑柔性针；

穿刺角度调整机构，用于夹持柔性针的尾端，带动柔性针旋转以调整柔性针的穿刺角度；

夹紧装置，用于夹紧柔性针，夹紧位置靠近柔性针的前端；

往复装置，连接夹紧装置，用于带动夹紧装置上的柔性针进给运动进行穿刺，以及穿刺完成后的退出；

所述穿刺角度调整机构、夹紧装置与固定平台之间均设有滑轨，滑动方向均平行于穿刺方向，穿刺角度调整机构、夹紧装置可随往复装置的前进过程同步滑动；

所述夹紧装置和往复装置的驱动由电子凸轮控制，控制过程以往复装置的驱动作为主轴，以夹紧装置的驱动作为从轴；往复装置前进过程中夹紧装置夹紧柔性针，往复装置复位过程中夹紧装置松开；如此往复实现柔性针的步进穿刺。

2.根据权利要求1所述的基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构，其特征在于，所述夹紧装置包括第一电机座、第一伺服电机、第一丝杆、固定夹台、滑动夹块；

所述第一电机座与固定在固定平台上的第一滑轨配合，可沿第一滑轨滑动；所述第一伺服电机固定在第一电机座上；第一伺服电机驱动第一丝杆，带动滑动夹块沿固定夹台滑动，滑动夹块与固定夹台配合实现柔性针的夹紧。

3.根据权利要求1所述的基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构，其特征在于，所述往复装置包括第三电机座、第二伺服电机、第二丝杆、丝杆滑块；

所述第二伺服电机通过第三电机座安装在固定平台上，第二丝杆两端通过轴承座支撑在固定平台上第二伺服电机用于驱动第二丝杆，带动丝杆滑块往复移动，丝杆滑块与连接件侧端固定，用于带动与连接件相连的夹紧装置同步运动。

4.根据权利要求1所述的基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构，其特征在于，所述穿刺角度调整机构包括第二电机座、步进电机、夹头；

所述步进电机固定在第二电机座上，第二电机座与直线滑块固定，直线滑块与直线滑轨配合；步进电机与夹头相连，夹头用于夹紧柔性针的末端。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于电子凸轮的柔性针往复夹紧穿刺机构的应用方法，其特征在于，

首先，获取夹紧装置中心点位运动轨迹数据，建立空间轨迹点集，以夹紧装置滑移方向作为横轴，以往复装置运动方向作为纵轴建立的笛卡尔坐标系，根据设立的主从轴关系，建立电子凸轮表并拟合电子凸轮曲线；

其次，通过穿刺角度调整机构、夹紧装置、往复装置分别调整性针的初始穿刺角度、夹紧状态和位置；按照上述电子凸轮曲线驱动主从轴；

最后，主轴实现往复运动，从轴实现对柔性针随主轴反复运动的夹紧和松开，在夹紧时间段带动柔性针进给。

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