CN114515195B - 一种肺穿刺手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种肺穿刺手术机器人，包括立柱，分别设置了沿z轴、y轴和x轴丝杠和滑块进行多维度调节，多调节丝杠的末端还设置有机械臂，所述机械臂的端部与穿刺针的一端固定连接，所述穿刺针沿z轴方向延伸，所述支撑架上还设置有支撑板，所述支撑板上设置有通孔，所述穿刺针的针尖穿过通孔向z轴延伸。本发明提供一种穿刺精度高、自动化程度高度的肺穿刺手术机器人。

Description

一种肺穿刺手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种肺穿刺手术机器人。

背景技术

传统穿刺手术中，医生结合X光、CT、超声等医学影响徒手将刺针插入靶点。这种方法依赖手术操作者的手眼协作，穿刺精度与进针连续性难以保证，同时医生存在辐射暴露的风险。通过机器人来完成穿刺能够克服人手震颤的扰动，提升穿刺精度，同时有助于刺针的灵巧操作。

现有授权公告号CN209951390U、名称为机械手末端装置及采用该装置的肺穿刺机器人的中国实用新型专利公开了包括穿刺针、带动所述穿刺针进行穿刺动作的线性运动单元、对所述穿刺针的穿刺力进行反馈的力反馈单元和对所述穿刺针进行固定的夹持单元，所述力反馈单元安装在所述线性运动单元上，所述力反馈单元可在所述线性运动单元上进行线性运动，所述穿刺针可拆卸的固定在所述夹持单元上，所述夹持单元与所述力反馈单元连接。但是这种肺穿刺机器人细长的穿刺针由于针尖受力不均匀，针体发生弯曲，导致穿刺的靶点不够精确，并且随着针体逐渐没入组织，其阻力逐渐增大，针体更容易形变，造成穿刺目的靶点位置造成偏差，影响手术的精确性。

所以，需要设计一种穿刺精度高、自动化程度高度的肺穿刺手术机器人。

发明内容

本发明提供一种穿刺精度高、自动化程度高度的肺穿刺手术机器人。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种肺穿刺手术机器人，包括立柱，所述立柱上设置有丝杆一，所述丝杆一沿z轴方向转动设置在立柱上，所述丝杆一由电机一驱动旋转，所述丝杆一外套接有螺纹相匹配的滑块一，所述滑块一与Z字形连接板固定连接，所述Z字形连接板上设置有丝杆二，所述丝杆二沿x轴方向转动设置在Z字形连接板上，所述丝杆二由电机二驱动旋转，所述丝杆二外套接有螺纹相匹配的滑块二，所述滑块二设置有与丝杆二相匹配的螺纹结构，所述滑块二与L字形板固定连接，所述L字形板上设置有丝杆三，所述丝杆三沿y轴方向转动设置在L字形板上，所述丝杆三由电机三驱动旋转，所述丝杆三外套接有螺纹相匹配的滑块三，所述滑块三的一端固定连接有延伸杆，所述延伸杆的一端固定连接有支撑架，所述支撑架上固定设置有丝杆四，所述丝杆四沿z轴方向转动设置在支撑架上，所述丝杆四由电机四驱动旋转，所述丝杆四外套接有螺纹相匹配的滑块四，所述滑块四的上设置有机械臂，所述机械臂的端部与穿刺针的一端固定连接，所述穿刺针沿z轴方向延伸，所述支撑架上还设置有支撑板，所述支撑板上设置有通孔，所述穿刺针的针尖穿过通孔向z轴延伸。

通过采用上述技术方案，本发明的肺穿刺手术机器人通过设置有沿x轴、y轴和z轴三个维度的丝杆灵活性高、精确化自动调节穿刺针的穿刺靶点位置的效果替代了传统医生凭借经验穿刺的现状，避免医生手部抖动造成的穿刺精度不够的缺点，并且多维度的丝杆调节，相比气缸的精度和平稳度更高，有效提高了穿刺手术的穿刺精度和平稳度，并且机械臂下端的支撑板能一定程度的限制穿刺针的弯曲，有效提高穿刺针的穿刺精度。

作为本发明的进一步设置，支撑架沿z轴的两端垂直固定设置有支撑板一和支撑板二，所述丝杆四沿z轴的方向贯穿支撑板一和支撑板二，所述支撑板一上固定设置有所述电机四，所述电机四的工作端与丝杆四的一端固定连接，所述丝杆四的另一端贯穿支撑板二的自由端上固定套接有锥齿轮一，所述支撑架的底部转动设置有沿y轴方向延伸的丝杆五，所述丝杆五上固定套接有锥齿轮二，所述锥齿轮一和锥齿轮二啮合，所述丝杆五沿轴向上设置有螺纹部一和螺纹部二，所述螺纹部一和螺纹部二的螺纹旋向相反，所述螺纹部一上设置有与螺纹部一上的螺纹相匹配的移动块一，所述螺纹部二上设置有与螺纹部二上的螺纹相匹配的移动块二，所述移动块一通过连接块一与设置在支撑板上表面的推块一固定连接，所述移动块二通过连接块二与设置在支撑板上表面的推块二固定连接，所述推块一和推块二分别与弹性金属片的两端固定连接，所述弹性金属片上设置有支撑孔，所述穿刺针贯穿所述支撑孔。

通过采用上述技术方案，本发明的肺穿刺手术机器人当穿刺针需要沿z轴向下移动进行穿刺手术时，电机四带动丝杆四转动，机械臂带动穿刺针向下移动进行穿刺动作，当仅有支撑板的通孔对穿刺针进行弯曲限位时，穿刺针由于通孔的限位作用，穿刺针的弯曲受到一定的支撑限制作用，但穿刺针仍有部分弯曲会在通孔的限制作用下移动至通孔上方，此时穿刺针仍然会弯曲，而由于在支撑板上设置有弹性金属片，弹性金属片的支撑孔位于通孔的上方，机械臂向下移动时，丝杆四端部的锥齿轮一带动锥齿轮二转动，锥齿轮二带动丝杆五转动，丝杆五上的移动块一和移动块二相互靠拢，带动推块一和推块二相互靠拢，弹性金属片弯曲成拱状，弹性金属片的延伸方向的主体部分对探针进行支撑，将探针位于通孔上方的弯曲部分进行支撑限制作用，有效减少了探针的弯曲幅度，并且，随着探针的向下刺入，弹性金属片的弯曲成拱状的幅度越大，弹性金属片与探针之间的间距越小，甚至探针的下表面会接触探针，逐渐提高对探针弯曲空间的限制作用，甚至提高与探针接触的面积，在探针穿刺阻力变大、越容易弯曲的情况下，同步提高对探针的扶稳支撑作用，提高探针的穿刺精度，当不需要穿刺时，机械臂上移，弹性金属片也逐渐还原为平片状，不影响穿刺针的穿刺空间，甚至在穿刺针需要全部没入时，由于弹性金属片具有弹性，其也能在机械臂的向下压力下发生形变为穿刺针的向下移动提供空间让位作用，值得注意的是通孔与丝杆五不在同一竖直面上，穿刺针与丝杆五位置不干涉。

作为本发明的进一步设置，推块一和推块二下方设置有滑槽，所述支撑板上设置有沿y轴方向延伸的滑轨，所述滑槽卡接在滑轨上，所述推块一和推块二沿滑轨滑动。

通过采用上述技术方案，能有效提高推块的移动稳定性，将弹性金属片平稳地推动供起，提高穿刺手术的稳定性。

作为本发明的进一步设置，L字形板包括L字形连接块和固定架，所述L字形连接块的侧板一与滑块二固定连接，所述L字形连接块的侧板二与固定架通过转动轴固定连接，所述丝杆三沿y轴方向转动设置在L字形板上，所述转动轴的顶端固定设置有挡板，所述侧板二上设置有弧形槽，所述弧形槽与转动轴同心设置，固定螺栓贯穿挡板、弧形槽固定架通过螺母锁紧。

通过采用上述技术方案，通过L字形连接块与固定架是通过转动轴的连接方式，穿刺手术的医生可以根据需要调节固定架的角度，从而调节穿刺针的位置，进一步扩大了机器人的灵活性。

作为本发明的进一步设置，电机一、电机二、电机三和电机四均为伺服电机。

通过采用上述技术方案，伺服电机的设置提高了本发明的机器人的智能化和自动化，提高装置的穿刺手术的精度。

作为本发明的进一步设置，弹性金属片的两端分别与推块一和推块二通过螺钉固定连接。

通过采用上述技术方案，弹性金属片以螺钉的方式可拆卸地连接在推块上，提高了弹性金属片的更换便捷性，提高装置的灵活性。

作为本发明的进一步设置，弹性金属片被推块一和推块二推动拱起的高度占穿刺针长度的六分之一至五分之一。

通过采用上述技术方案，在这种限制条件下，弹性金属片不会占用过多的穿刺针的穿刺作用长度，并且穿刺针向下移动遗留总长度的的六分之一至五分之一时，穿刺针通常已经大部分没入组织中完成了穿刺手术作业，因此弹性金属片并不会影响穿刺针的穿刺作业。

本发明的有益效果是：

1、本发明的肺穿刺手术机器人通过设置有沿x轴、y轴和z轴三个维度的丝杆灵活性高、精确化自动调节穿刺针的穿刺靶点位置的效果替代了传统医生凭借经验穿刺的现状，避免医生手部抖动造成的穿刺精度不够的缺点，并且多维度的丝杆调节，相比气缸的精度和平稳度更高，有效提高了穿刺手术的穿刺精度和平稳度，并且机械臂下端的支撑板能一定程度的限制穿刺针的弯曲，有效提高穿刺针的穿刺精度。

2、本发明的肺穿刺手术机器人当穿刺针需要沿z轴向下移动进行穿刺手术时，电机四带动丝杆四转动，机械臂带动穿刺针向下移动进行穿刺动作，当仅有支撑板的通孔对穿刺针进行弯曲限位时，穿刺针由于通孔的限位作用，穿刺针的弯曲受到一定的支撑限制作用，但穿刺针仍有部分弯曲会在通孔的限制作用下移动至通孔上方，此时穿刺针仍然会弯曲，而由于在支撑板上设置有弹性金属片，弹性金属片的支撑孔位于通孔的上方，机械臂向下移动时，丝杆四端部的锥齿轮一带动锥齿轮二转动，锥齿轮二带动丝杆五转动，丝杆五上的移动块一和移动块二相互靠拢，带动推块一和推块二相互靠拢，弹性金属片弯曲成拱状，弹性金属片的延伸方向的主体部分对探针进行支撑，将探针位于通孔上方的弯曲部分进行支撑限制作用，有效减少了探针的弯曲幅度，并且，随着探针的向下刺入，弹性金属片的弯曲成拱状的幅度越大，弹性金属片与探针之间的间距越小，甚至探针的下表面会接触探针，逐渐提高对探针弯曲空间的限制作用，甚至提高与探针接触的面积，在探针穿刺阻力变大、越容易弯曲的情况下，同步提高对探针的扶稳支撑作用，提高探针的穿刺精度。

3、本发明的肺穿刺手术机器人的推块一和推块二下方设置有滑槽，所述支撑板上设置有沿y轴方向延伸的滑轨，所述滑槽卡接在滑轨上，所述推块一和推块二沿滑轨滑动。这样能有效提高推块的移动稳定性，将弹性金属片平稳地推动供起，提高穿刺手术的稳定性。

4、本发明的肺穿刺手术机器人的L字形板包括L字形连接块和固定架，所述L字形连接块的侧板一与滑块二固定连接，所述L字形连接块的侧板二与固定架通过转动轴固定连接，所述丝杆三沿y轴方向转动设置在L字形板上，所述转动轴的顶端固定设置有挡板，所述侧板二上设置有弧形槽，所述弧形槽与转动轴同心设置，固定螺栓贯穿挡板、弧形槽固定架通过螺母锁紧。通过L字形连接块与固定架是通过转动轴的连接方式，穿刺手术的医生可以根据需要调节固定架的角度，从而调节穿刺针的位置，进一步扩大了机器人的灵活性。

附图说明

附图中，1、立柱，2、丝杆一，3、电机一，4、滑块一，5、Z字形连接板，6、丝杆二，7、电机二，8、滑块二，9、L字形板，10、丝杆三，11、电机三，12、滑块三，13、延伸杆，14、支撑架，15、丝杆四，16、电机四，17、滑块四，18、机械臂，19、穿刺针，20、支撑板，21、通孔，22、支撑板一，23、支撑板二，24、锥齿轮一，25、丝杆五，26、锥齿轮二，27、螺纹部一，28、螺纹部二，29、移动块一，30、移动块二，31、连接块一，32、推块一，33、连接块二，34、推块二，35、弹性金属片，36、支撑孔，37、滑槽，38、滑轨，39、L字形连接块，40、固定架，41、侧板一，42、侧板二，43、转动轴，44、挡板，45、弧形槽，46、螺钉，47、固定螺栓。

图1为肺穿刺手术机器人中弹性金属片拱起时的结构示意图；

图2为图1中A处的放大结构示意图；

图3为肺穿刺手术机器人中弹性金属片拱起时的局部结构示意图；

图4为肺穿刺手术机器人缺少立柱时的结构示意图；

图5为肺穿刺手术机器人中弹性金属片平展时的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-5，本发明提供一种肺穿刺手术机器人，包括立柱1，所述立柱1上设置有丝杆一2，所述丝杆一2沿z轴方向转动设置在立柱1上，所述丝杆一2由电机一3驱动旋转，所述丝杆一2外套接有螺纹相匹配的滑块一4，所述滑块一4与Z字形连接板5固定连接，所述Z字形连接板5上设置有丝杆二6，所述丝杆二6沿x轴方向转动设置在Z字形连接板5上，所述丝杆二6由电机二7驱动旋转，所述丝杆二6外套接有螺纹相匹配的滑块二8，所述滑块二8设置有与丝杆二6相匹配的螺纹结构，所述滑块二8与L字形板9固定连接，所述L字形板9上设置有丝杆三10，所述丝杆三10沿y轴方向转动设置在L字形板9上，所述丝杆三10由电机三11驱动旋转，所述丝杆三10外套接有螺纹相匹配的滑块三12，所述滑块三12的一端固定连接有延伸杆13，所述延伸杆13的一端固定连接有支撑架14，所述支撑架14上固定设置有丝杆四15，所述丝杆四15沿z轴方向转动设置在支撑架14上，所述丝杆四15由电机四16驱动旋转，所述丝杆四15外套接有螺纹相匹配的滑块四17，所述滑块四17的上设置有机械臂18，所述机械臂18的端部与穿刺针19的一端固定连接，所述穿刺针19沿z轴方向延伸，所述支撑架14上还设置有支撑板20，所述支撑板20上设置有通孔21，所述穿刺针19的针尖穿过通孔21向z轴延伸。

具体的，支撑架14沿z轴的两端垂直固定设置有支撑板一22和支撑板二23，所述丝杆四15沿z轴的方向贯穿支撑板一22和支撑板二23，所述支撑板一22上固定设置有所述电机四16，所述电机四16的工作端与丝杆四15的一端固定连接，所述丝杆四15的另一端贯穿支撑板二23的自由端上固定套接有锥齿轮一24，所述支撑架14的底部转动设置有沿y轴方向延伸的丝杆五25，所述丝杆五25上固定套接有锥齿轮二26，所述锥齿轮一24和锥齿轮二26啮合，所述丝杆五25沿轴向上设置有螺纹部一27和螺纹部二28，所述螺纹部一27和螺纹部二28的螺纹旋向相反，所述螺纹部一27上设置有与螺纹部一27上的螺纹相匹配的移动块一29，所述螺纹部二28上设置有与螺纹部二28上的螺纹相匹配的移动块二30，所述移动块一29通过连接块一31与设置在支撑板20上表面的推块一32固定连接，所述移动块二30通过连接块二33与设置在支撑板20上表面的推块二34固定连接，所述推块一32和推块二34分别与弹性金属片35的两端固定连接，所述弹性金属片35上设置有支撑孔36，所述穿刺针19贯穿所述支撑孔36。

具体的，推块一32和推块二34下方设置有滑槽37，所述支撑板20上设置有沿y轴方向延伸的滑轨38，所述滑槽37卡接在滑轨38上，所述推块一32和推块二34沿滑轨38滑动。

具体的，L字形板9包括L字形连接块39和固定架40，所述L字形连接块39的侧板一41与滑块二8固定连接，所述L字形连接块39的侧板二42与固定架40通过转动轴43固定连接，所述丝杆三10沿y轴方向转动设置在L字形板9上，所述转动轴43的顶端固定设置有挡板44，所述侧板二42上设置有弧形槽45，所述弧形槽45与转动轴43同心设置，固定螺栓47贯穿挡板44、弧形槽45固定架40通过螺母锁紧。

具体的，电机一3、电机二7、电机三11和电机四16均为伺服电机。

具体的，弹性金属片35的两端分别与推块一32和推块二34通过螺钉46固定连接。

具体的，弹性金属片35被推块一32和推块二34推动拱起的高度占穿刺针19长度的六分之一至五分之一。

工作原理：本发明的肺穿刺手术机器人当穿刺针19需要沿z轴向下移动进行穿刺手术时，电机四16带动丝杆四15转动，机械臂18带动穿刺针19向下移动进行穿刺动作，当仅有支撑板20的通孔21对穿刺针19进行弯曲限位时，穿刺针19由于通孔21的限位作用，穿刺针19的弯曲受到一定的支撑限制作用，但穿刺针19仍有部分弯曲会在通孔21的限制作用下移动至通孔21上方，此时穿刺针19仍然会弯曲，而由于在支撑板20上设置有弹性金属片35，弹性金属片35的支撑孔36位于通孔21的上方，机械臂18向下移动时，丝杆四15端部的锥齿轮一24带动锥齿轮二26转动，锥齿轮二26带动丝杆五25转动，丝杆五25上的移动块一29和移动块二30相互靠拢，带动推块一32和推块二34相互靠拢，弹性金属片35弯曲成拱状，弹性金属片35的延伸方向的主体部分对探针进行支撑，将探针位于通孔21上方的弯曲部分进行支撑限制作用，有效减少了探针的弯曲幅度，并且，随着探针的向下刺入，弹性金属片35的弯曲成拱状的幅度越大，弹性金属片35与探针之间的间距越小，甚至探针的下表面会接触探针，逐渐提高对探针弯曲空间的限制作用，甚至提高与探针接触的面积，在探针穿刺阻力变大、越容易弯曲的情况下，同步提高对探针的扶稳支撑作用，提高探针的穿刺精度。

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种肺穿刺手术机器人，其特征在于，包括立柱(1)，所述立柱(1)上设置有丝杆一(2)，所述丝杆一(2)沿z轴方向转动设置在立柱(1)上，所述丝杆一(2)由电机一(3)驱动旋转，所述丝杆一(2)外套接有螺纹相匹配的滑块一(4)，所述滑块一(4)与Z字形连接板(5)固定连接，所述Z字形连接板(5)上设置有丝杆二(6)，所述丝杆二(6)沿x轴方向转动设置在Z字形连接板(5)上，所述丝杆二(6)由电机二(7)驱动旋转，所述丝杆二(6)外套接有螺纹相匹配的滑块二(8)，所述滑块二(8)设置有与丝杆二(6)相匹配的螺纹结构，所述滑块二(8)与L字形板(9)固定连接，所述L字形板(9)上设置有丝杆三(10)，所述丝杆三(10)沿y轴方向转动设置在L字形板(9)上，所述丝杆三(10)由电机三(11)驱动旋转，所述丝杆三(10)外套接有螺纹相匹配的滑块三(12)，所述滑块三(12)的一端固定连接有延伸杆(13)，所述延伸杆(13)的一端固定连接有支撑架(14)，所述支撑架(14)上固定设置有丝杆四(15)，所述丝杆四(15)沿z轴方向转动设置在支撑架(14)上，所述丝杆四(15)由电机四(16)驱动旋转，所述丝杆四(15)外套接有螺纹相匹配的滑块四(17)，所述滑块四(17)的上设置有机械臂(18)，所述机械臂(18)的端部与穿刺针(19)的一端固定连接，所述穿刺针(19)沿z轴方向延伸，所述支撑架(14)上还设置有支撑板(20)，所述支撑板(20)上设置有通孔(21)，所述穿刺针(19)的针尖穿过通孔(21)向z轴延伸；

所述支撑架(14)沿z轴的两端垂直固定设置有支撑板一(22)和支撑板二(23)，所述丝杆四(15)沿z轴的方向贯穿支撑板一(22)和支撑板二(23)，所述支撑板一(22)上固定设置有所述电机四(16)，所述电机四(16)的工作端与丝杆四(15)的一端固定连接，所述丝杆四(15)的另一端贯穿支撑板二(23)的自由端上固定套接有锥齿轮一(24)，所述支撑架(14)的底部转动设置有沿y轴方向延伸的丝杆五(25)，所述丝杆五(25)上固定套接有锥齿轮二(26)，所述锥齿轮一(24)和锥齿轮二(26)啮合，所述丝杆五(25)沿轴向上设置有螺纹部一(27)和螺纹部二(28)，所述螺纹部一(27)和螺纹部二(28)的螺纹旋向相反，所述螺纹部一(27)上设置有与螺纹部一(27)上的螺纹相匹配的移动块一(29)，所述螺纹部二(28)上设置有与螺纹部二(28)上的螺纹相匹配的移动块二(30)，所述移动块一(29)通过连接块一(31)与设置在支撑板(20)上表面的推块一(32)固定连接，所述移动块二(30)通过连接块二(33)与设置在支撑板(20)上表面的推块二(34)固定连接，所述推块一(32)和推块二(34)分别与弹性金属片(35)的两端固定连接，所述弹性金属片(35)上设置有支撑孔(36)，所述穿刺针(19)贯穿所述支撑孔(36)。

2.根据权利要求1所述的一种肺穿刺手术机器人，其特征在于，所述推块一(32)和推块二(34)下方设置有滑槽(37)，所述支撑板(20)上设置有沿y轴方向延伸的滑轨(38)，所述滑槽(37)卡接在滑轨(38)上，所述推块一(32)和推块二(34)沿滑轨(38)滑动。

3.根据权利要求1所述的一种肺穿刺手术机器人，其特征在于，所述L字形板(9)包括L字形连接块(39)和固定架(40)，所述L字形连接块(39)的侧板一(41)与滑块二(8)固定连接，所述L字形连接块(39)的侧板二(42)与固定架(40)通过转动轴(43)固定连接，所述丝杆三(10)沿y轴方向转动设置在L字形板(9)上，所述转动轴(43)的顶端固定设置有挡板(44)，所述侧板二(42)上设置有弧形槽(45)，所述弧形槽(45)与转动轴(43)同心设置，固定螺栓(47)贯穿挡板(44)、弧形槽(45)固定架(40)通过螺母锁紧。

4.根据权利要求1所述的一种肺穿刺手术机器人，其特征在于，所述电机一(3)、电机二(7)、电机三(11)和电机四(16)均为伺服电机。

5.根据权利要求1所述的一种肺穿刺手术机器人，其特征在于，所述弹性金属片(35)的两端分别与推块一(32)和推块二(34)通过螺钉(46)固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种肺穿刺手术机器人，其特征在于，所述弹性金属片(35)被推块一(32)和推块二(34)推动拱起的高度占穿刺针(19)长度的六分之一至五分之一。