CN114748143A - 一种柔性针穿刺机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性针穿刺机器人，属于医疗器材设备技术领域，其组成包括：竖直及俯仰调姿机构、水平及偏摆调姿机构、柔性针、套管、夹爪、自传电机座、自传电机、丝杠滑台一、丝杠滑台二；其特征在于丝杠滑台二滑台的前后运动，实现柔性针和套管的同时进给与退回，丝杠滑台一滑台的前后运动，实现柔性针相对于套管的进给和退回；竖直及俯仰调姿机构可以实现柔性针竖直及俯仰姿态调整，水平及偏摆调姿机构可以实现柔性针水平及偏摆姿态调整，竖直及俯仰调姿机构和水平及偏摆调姿机构的相互配合运动可以实现柔性针全方位姿态的调整，提供多种角度的穿刺路径规划，更加容易完成对靶点的穿刺，达到了提高穿刺的稳定性、准确性和可达性的目的。

Description

一种柔性针穿刺机器人
技术领域
本发明涉及一种柔性针穿刺机器人，属于医疗器材设备技术领域。
背景技术
微创介入医疗是近年来迅速发展起来的一门崭新的医疗技术，是介于外科、内科之间的新兴医疗方法，靶向穿刺技术是应用前景最广阔的医疗手段之一。目前，微创使用的针均为钢针，穿刺过程中不能绕开骨骼、神经、血管等障碍，也不能灵活有效的修正误差，准确穿刺目标靶点，因此提出了采用柔性针，柔性针带有斜尖，而且针轴相对组织具有足够的柔性，所以在刺入组织时，由于受到组织的侧向力，针轴会产生弯曲，穿刺出弧型轨迹，利用自身的柔性弯曲绕开骨骼、血管等障碍物，准确穿刺靶点；医生手工穿刺时，对柔性针很难操控，影响穿刺的稳定性、准确性与可达性。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种柔性针穿刺机器人，可以调整柔性针竖直及俯仰姿态和水平及偏摆姿态，可以提供多种角度和位置的穿刺路径规划，更加容易完成对靶点的穿刺，达到了提高穿刺的稳定性、准确性和可达性的目的。
本发明的技术方案是：
一种柔性针穿刺机器人，其组成包括：竖直及俯仰调姿机构、水平及偏摆调姿机构、柔性针、套管、夹爪、自传电机座、自传电机、丝杠滑台一、丝杠滑台二；水平及偏摆调姿机构由连杆、曲柄一、机架、丝杠滑台三，丝杠滑台四、曲柄二、底座二；其特征在于，所述的竖直及俯仰调姿机构在最底部，水平及偏摆调姿机构的下端与竖直及俯仰调姿机构上端连接，底座二上面是长方形板，在长方形板下面设有四对铰链，丝杠滑台三固连在底座二的前端，丝杠滑台四固连在底座二的后端，机架中间设有两个通孔，两端分别设有通孔；机架固定在丝杠滑台四的滑台上，曲柄一和曲柄二的两端都设有通孔,机架两端分别与曲柄一和曲柄二连接，连杆中间设有转轴，两端设有通孔，连杆的两端分别与曲柄一和曲柄二连接，连杆的转轴与丝杠滑台二底部的后端连接，丝杠滑台二底部的前端通过转轴与丝杠滑台三的滑台连接，丝杠滑台一的底部固定在丝杠滑台二的滑台上，自传电机座固定在丝杠滑台一的滑台上，自传电机固定在自传电机座上，套管的后端固定在丝杠滑台一的前端，套管穿过丝杠滑台二的前端，柔性针从套管中穿过，柔性针的后端通过夹爪与自传电机的输出轴固连，自传电机通过夹爪带动柔性针自传；丝杠滑台二滑台的前后运动，实现柔性针和套管的同时进给与退回，丝杠滑台一滑台的前后运动，实现柔性针相对于套管的进给和退回；当丝杠滑台三的滑台和丝杠滑台四的滑台以相同速度同向运动时，进而带动丝杠滑台二水平运动，实现柔性针水平调姿，当丝杠滑台三的滑台和丝杠滑台四的滑台以相反方向同时运动或其中一个滑台运动时，曲柄一和曲柄二绕机架两端的通孔转动，带动连杆运动，进而连杆和丝杠滑台四的后端连接的转轴发生转动，同时，丝杠滑台三的滑台和丝杠滑台二底部前端连接的转轴发生转动，实现丝杠滑台二的偏摆运动，实现柔性针的偏摆调姿。
作为优选，所述的竖直及俯仰调姿机构包括底座一、丝杠滑座一、光杠固定架一、转动滑动连接件一、光杠一、转动滑动连接件二、光杠二、工型连接架、转动连接件二、丝杠滑座二、剪叉架二、光杠剪叉杆固定架二、光杠三、光杠固定架二、光杠剪叉杆固定架一、转动连接件一、光杠四，剪叉架一；底座一整体呈长方形，丝杠滑座二固连在底座一的前端，丝杠滑座一和丝杠滑座二的滑座前端上面设有螺纹孔，下面设有矩形凹槽，后端下面设有通孔，下面通孔轴线与螺纹孔轴线平行，上面也设有通孔，上面通孔轴线与螺纹孔轴线垂直，光杠三穿过丝杠滑座二滑座后端下面的通孔，通过光杠固定架二和光杠剪叉杆固定架二固定在底座一前端，剪叉架二下面的一端与光杠剪叉杆固定架二连接，另一端与丝杠滑座二滑座后端上面的通孔连接，剪叉架二上面的两端分别于转动连接件二和转动滑动连接件二连接，工型连接架整体呈“工”型，四脚分别设有通孔，其中一脚加设有具有通孔的挡板，转动连接件二的上端位于挡板和一脚中间，转动滑动连接件二的上端和转动连接件二的上端通过光杠二与工型连接架的后端连接，工型连接架的前端与底座二前端下面的铰链连接，丝杠滑座一固连在底座一的后端，光杠四穿过丝杠滑座一滑座后端下面的通孔，通过光杠固定架一和光杠剪叉杆固定架一固定在底座一后端，剪叉架一下面的一端与光杠剪叉杆固定架一连接，另一端与丝杠滑座一滑座后端上面的通孔连接，剪叉架一上面的两端分别于转动连接件一和转动滑动连接件一连接，转动滑动连接件一和转动连接件一的上端通过光杠一与底座二后端下面的铰链连接，丝杠滑座一的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架一垂直方向运动，实现底座二后端的上升和下降，丝杠滑座二的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架二垂直方向运动，实现底座二前端的上升和下降，剪叉架一和剪叉架二运动的相互配合，实现底座二的竖直或俯仰运动，进而实现柔性针竖直及俯仰调姿。
本发明的有益效果是：
本发明采用的水平及偏摆调姿机构，实现了柔性针水平及偏摆的精确调姿。
本发明采用的竖直及俯仰调姿机构，实现了柔性针竖直及俯仰的精确调姿。
本发明通过水平及偏摆调姿机构、竖直及俯仰调姿机构的相互配合，实现了柔性针方位的调姿，提供了更多的穿刺路径，能够更加容易和精准的完成对靶点的穿刺。
附图说明
附图1，本发明的整体结构示意图；
附图2，本发明中水平及偏摆调姿机构结构示意图；
附图3，本发明中底座二结构示意图；
附图4，本发明中竖直及俯仰调姿机构示意图。
附图中各部件的标记如下：1、竖直及俯仰调姿机构，1-1、底座一，1-2、丝杠滑座一，1-3、光杠固定架一，1-4、转动滑动连接件一，1-5、光杠一，1-6、转动滑动连接件二，1-7、光杠二，1-8、工型连接架，1-9、转动连接件二，1-10、丝杠滑座二，1-11、剪叉架二，1-12、光杠剪叉杆固定架二，1-13、光杠三，1-14、光杠固定架二，1-15、光杠剪叉杆固定架一，1-16、转动连接件一，1-17、光杠四，1-18、剪叉架一，2、水平及偏摆调姿机构，2-1、连杆，2-2、曲柄一，2-3、机架，2-4、丝杠滑台三(2-4)，2-5、丝杠滑台四，2-6、曲柄二，2-7、底座二，3、柔性针，4、套管，5、夹爪，6、自传电机座，7、自传电机，8、丝杠滑台一，9、丝杠滑台二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体结构来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-图4所示，本发明具体实施方式采用以下技术方案：由竖直及俯仰调姿机构(1)、水平及偏摆调姿机构(2)、柔性针(3)、套管(4)、夹爪(5)、自传电机座(6)、自传电机(7)、丝杠滑台一(8)、丝杠滑台二(9)组成；水平及偏摆调姿机构(2)由连杆(2-1)、曲柄一(2-2)、机架(2-3)、丝杠滑台三(2-4)，丝杠滑台四(2-5)、曲柄二(2-6)、底座二(2-7)；其特征在于，所述的竖直及俯仰调姿机构(1)在最底部，水平及偏摆调姿机构(2)的下端与竖直及俯仰调姿机构(1)上端连接，底座二(2-7)上面是长方形板，在长方形板下面设有四对铰链，丝杠滑台三(2-4)固连在底座二(2-7)的前端，丝杠滑台四(2-5)固连在底座二(2-7)的后端，机架(2-3)中间设有两个通孔，两端分别设有通孔；机架(2-3)固定在丝杠滑台四(2-5)的滑台上，曲柄一(2-2)和曲柄二(2-6)的两端都设有通孔,机架(2-3)两端分别与曲柄一(2-2)和曲柄二(2-6)连接，连杆(2-1)中间设有转轴，两端设有通孔，连杆(2-1)的两端分别与曲柄一(2-2)和曲柄二(2-6)连接，连杆(2-1)的转轴与丝杠滑台二(9)底部的后端连接，丝杠滑台二(9)底部的前端通过转轴与丝杠滑台三(2-4)的滑台连接，丝杠滑台一(8)的底部固定在丝杠滑台二(9)的滑台上，自传电机座(6)固定在丝杠滑台一(8)的滑台上，自传电机(7)固定在自传电机座(6)上，套管(4)的后端固定在丝杠滑台一(8)的前端，套管(4)穿过丝杠滑台二(9)的前端，柔性针(3)从套管(4)中穿过，柔性针(3)的后端通过夹爪(5)与自传电机(7)的输出轴固连，自传电机(7)通过夹爪(5)带动柔性针(3)自传；丝杠滑台二(9)滑台的前后运动，实现柔性针(3)和套管的同时进给与退回，丝杠滑台一(8)滑台的前后运动，实现柔性针(3)相对于套管(4)的进给和退回；当丝杠滑台三(2-4)的滑台和丝杠滑台四(2-5)的滑台以相同速度同向运动时，进而带动丝杠滑台二(9)水平运动，实现柔性针(3)水平调姿，当丝杠滑台三(2-4)的滑台和丝杠滑台四(2-5)的滑台以相反方向同时运动或其中一个滑台运动时，曲柄一(2-2)和曲柄二(2-6)绕机架(2-3)两端的通孔转动，带动连杆(2-1)运动，进而连杆(2-1)和丝杠滑台四(2-5)的后端连接的转轴发生转动，同时，丝杠滑台三(2-4)的滑台和丝杠滑台二(9)底部前端连接的转轴发生转动，实现丝杠滑台二(9)的偏摆运动，实现柔性针的偏摆调姿。
进一步的，所述的竖直及俯仰调姿机构(1)包括底座一(1-1)、丝杠滑座一(1-2)、光杠固定架一(1-3)、转动滑动连接件一(1-4)、光杠一(1-5)、转动滑动连接件二(1-6)、光杠二(1-7)、工型连接架(1-8)、转动连接件二(1-9)、丝杠滑座二(1-10)、剪叉架二(1-11)、光杠剪叉杆固定架二(1-12)、光杠三(1-13)、光杠固定架二(1-14)、光杠剪叉杆固定架一(1-15)、转动连接件一(1-16)、光杠四(1-17)，剪叉架一(1-18)；底座一(1-1)整体呈长方形，丝杠滑座二(1-10)固连在底座一(1-1)的前端，丝杠滑座一(1-2)和丝杠滑座二(1-10)的滑座前端上面设有螺纹孔，下面设有矩形凹槽，后端下面设有通孔，下面通孔轴线与螺纹孔轴线平行，上面也设有通孔，上面通孔轴线与螺纹孔轴线垂直，光杠三(1-13)穿过丝杠滑座二(1-10)滑座后端下面的通孔，通过光杠固定架二(1-14)和光杠剪叉杆固定架二(1-12)固定在底座一(1-1)前端，剪叉架二(1-11)下面的一端与光杠剪叉杆固定架二(1-12)连接，另一端与丝杠滑座二(1-10)滑座后端上面的通孔连接，剪叉架二(1-11)上面的两端分别于转动连接件二(1-9)和转动滑动连接件二(1-6)连接，工型连接架(1-8)整体呈“工”型，四脚分别设有通孔，其中一脚加设有具有通孔的挡板，转动连接件二(1-9)的上端位于挡板和一脚中间，转动滑动连接件二(1-6)的上端和转动连接件二(1-9)的上端通过光杠二(1-7)与工型连接架(1-8)的后端连接，工型连接架(1-8)的前端与底座二(2-7)前端下面的铰链连接，丝杠滑座一(1-2)固连在底座一(1-1)的后端，光杠四(1-17)穿过丝杠滑座一(1-2)滑座后端下面的通孔，通过光杠固定架一(1-3)和光杠剪叉杆固定架一(1-15)固定在底座一(1-1)后端，剪叉架一(1-18)下面的一端与光杠剪叉杆固定架一(1-15)连接，另一端与丝杠滑座一(1-2)滑座后端上面的通孔连接，剪叉架一(1-18)上面的两端分别于转动连接件一(1-16)和转动滑动连接件一(1-4)连接，转动滑动连接件一(1-4)和转动连接件一(1-16)的上端通过光杠一(1-5)与底座二(2-7)后端下面的铰链连接，丝杠滑座一(1-2)的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架一(1-18)垂直方向运动，实现底座二(2-7)后端的上升和下降，丝杠滑座二(1-10)的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架二(1-11)垂直方向运动，实现底座二(2-7)前端的上升和下降，剪叉架一(1-18)和剪叉架二(1-11)运动的相互配合，实现底座二(2-7)的竖直或俯仰运动，进而实现柔性针(3)竖直及俯仰调姿。
本发明具体实施方式的工作原理为：
自传电机通过夹爪带动柔性针转动，实现柔性针的自传；丝杠滑台二滑台的前后运动，实现柔性针和套管的同时进给与退回，丝杠滑台一滑台的前后运动，实现柔性针相对于套管的进给和退回；当丝杠滑台三的滑台和丝杠滑台四的滑台以相同速度同向运动时，进而带动丝杠滑台二水平运动，实现柔性针水平调姿，当丝杠滑台三的滑台和丝杠滑台四的滑台以相反方向同时运动或其中一个滑台运动时，曲柄一和曲柄二绕机架两端的通孔转动，带动连杆运动，进而连杆和丝杠滑台四的后端连接的转轴发生转动，同时，丝杠滑台三的滑台和丝杠滑台二(9)底部前端连接的转轴发生转动，实现丝杠滑台二的偏摆运动，实现柔性针的偏摆调姿。
丝杠滑座一的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架一垂直方向运动，实现底座二后端的上升和下降，丝杠滑座二的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架二垂直方向运动，实现底座二前端的上升和下降，剪叉架一和剪叉架二运动的相互配合，实现底座二的竖直或俯仰运动，进而实现柔性针竖直及俯仰调姿。竖直及俯仰调姿机构和水平及偏摆调姿机构的相互配合运动可以实现柔性针全方位姿态的调整。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种柔性针穿刺机器人，其组成包括：竖直及俯仰调姿机构（1）、水平及偏摆调姿机构（2）、柔性针（3）、套管（4）、夹爪（5）、自传电机座（6）、自传电机（7）、丝杠滑台一（8）、丝杠滑台二（9）；水平及偏摆调姿机构（2）由连杆（2-1）、曲柄一（2-2）、机架（2-3）、丝杠滑台三（2-4），丝杠滑台四（2-5）、曲柄二（2-6）、底座二（2-7）；其特征在于，所述的竖直及俯仰调姿机构（1）在最底部，水平及偏摆调姿机构（2）的下端与竖直及俯仰调姿机构（1）上端连接，底座二（2-7）上面是长方形板，在长方形板下面设有四对铰链，丝杠滑台三（2-4）固连在底座二（2-7）的前端，丝杠滑台四（2-5）固连在底座二（2-7）的后端，机架（2-3）中间设有两个通孔，两端分别设有通孔；机架（2-3）固定在丝杠滑台四（2-5）的滑台上，曲柄一（2-2）和曲柄二（2-6）的两端都设有通孔,机架（2-3）两端分别与曲柄一（2-2）和曲柄二（2-6）连接，连杆（2-1）中间设有转轴，两端设有通孔，连杆（2-1）的两端分别与曲柄一（2-2）和曲柄二（2-6）连接，连杆（2-1）的转轴与丝杠滑台二（9）底部的后端连接，丝杠滑台二（9）底部的前端通过转轴与丝杠滑台三（2-4）的滑台连接，丝杠滑台一（8）的底部固定在丝杠滑台二（9）的滑台上，自传电机座（6）固定在丝杠滑台一（8）的滑台上，自传电机（7）固定在自传电机座（6）上，套管（4）的后端固定在丝杠滑台一（8）的前端，套管（4）穿过丝杠滑台二（9）的前端，柔性针（3）从套管（4）中穿过，柔性针（3）的后端通过夹爪（5）与自传电机（7）的输出轴固连，自传电机（7）通过夹爪（5）带动柔性针（3）自传；丝杠滑台二（9）滑台的前后运动，实现柔性针（3）和套管的同时进给与退回，丝杠滑台一（8）滑台的前后运动，实现柔性针（3）相对于套管（4）的进给和退回；当丝杠滑台三（2-4）的滑台和丝杠滑台四（2-5）的滑台以相同速度同向运动时，进而带动丝杠滑台二（9）水平运动，实现柔性针（3）水平调姿，当丝杠滑台三（2-4）的滑台和丝杠滑台四（2-5）的滑台以相反方向同时运动或其中一个滑台运动时，曲柄一（2-2）和曲柄二（2-6）绕机架（2-3）两端的通孔转动，带动连杆（2-1）运动，进而连杆（2-1）和丝杠滑台四（2-5）的后端连接的转轴发生转动，同时，丝杠滑台三（2-4）的滑台和丝杠滑台二（9）底部前端连接的转轴发生转动，实现丝杠滑台二（9）的偏摆运动，实现柔性针的偏摆调姿。
2.根据权利要求1所述的一种柔性针穿刺机器人，其特征在于：所述的竖直及俯仰调姿机构（1）包括底座一（1-1）、丝杠滑座一（1-2）、光杠固定架一（1-3）、转动滑动连接件一（1-4）、光杠一（1-5）、转动滑动连接件二（1-6）、光杠二（1-7）、工型连接架（1-8）、转动连接件二（1-9）、丝杠滑座二（1-10）、剪叉架二（1-11）、光杠剪叉杆固定架二（1-12）、光杠三（1-13）、光杠固定架二（1-14）、光杠剪叉杆固定架一（1-15）、转动连接件一（1-16）、光杠四（1-17），剪叉架一（1-18）；底座一（1-1）整体呈长方形，丝杠滑座二（1-10）固连在底座一（1-1）的前端，丝杠滑座一（1-2）和丝杠滑座二（1-10）的滑座前端上面设有螺纹孔，下面设有矩形凹槽，后端下面设有通孔，下面通孔轴线与螺纹孔轴线平行，上面也设有通孔，上面通孔轴线与螺纹孔轴线垂直，光杠三（1-13）穿过丝杠滑座二（1-10）滑座后端下面的通孔，通过光杠固定架二（1-14）和光杠剪叉杆固定架二（1-12）固定在底座一（1-1）前端，剪叉架二（1-11）下面的一端与光杠剪叉杆固定架二（1-12）连接，另一端与丝杠滑座二（1-10）滑座后端上面的通孔连接，剪叉架二（1-11）上面的两端分别于转动连接件二（1-9）和转动滑动连接件二（1-6）连接，工型连接架（1-8）整体呈“工”型，四脚分别设有通孔，其中一脚加设有具有通孔的挡板，转动连接件二（1-9）的上端位于挡板和一脚中间，转动滑动连接件二（1-6）的上端和转动连接件二（1-9）的上端通过光杠二（1-7）与工型连接架（1-8）的后端连接，工型连接架（1-8）的前端与底座二（2-7）前端下面的铰链连接，丝杠滑座一（1-2）固连在底座一（1-1）的后端，光杠四（1-17）穿过丝杠滑座一（1-2）滑座后端下面的通孔，通过光杠固定架一（1-3）和光杠剪叉杆固定架一（1-15）固定在底座一（1-1）后端，剪叉架一（1-18）下面的一端与光杠剪叉杆固定架一（1-15）连接，另一端与丝杠滑座一（1-2）滑座后端上面的通孔连接，剪叉架一（1-18）上面的两端分别于转动连接件一（1-16）和转动滑动连接件一（1-4）连接，转动滑动连接件一（1-4）和转动连接件一（1-16）的上端通过光杠一（1-5）与底座二（2-7）后端下面的铰链连接，丝杠滑座一（1-2）的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架一（1-18）垂直方向运动，实现底座二（2-7）后端的上升和下降，丝杠滑座二（1-10）的滑座沿着光杠的水平运动，带动剪叉架二（1-11）垂直方向运动，实现底座二（2-7）前端的上升和下降，剪叉架一（1-18）和剪叉架二（1-11）运动的相互配合，实现底座二（2-7）的竖直或俯仰运动，进而实现柔性针（3）竖直及俯仰调姿。
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