CN116138857B - 一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置，属于医疗器械领域，依靠多自由度机械臂调整柔性针穿刺机构以不同角度穿刺，为穿刺手术提供多角度的穿刺位姿模式；该发明中摆位装置及机械臂具有五个自由度，可以调整斜尖柔性针的入针角度，并会在机械臂多关节轴线交汇点处形成不动点，使机械臂调整入针角度同时保证柔性针针尖穿刺点空间位置不变，相对于传统的柔性针穿刺装置，悬空的机械臂伸展或收缩过程中可以对患者或其他手术设备进行有效避让，同时保证穿刺目标点不移动，操作简单，更加容易获得合适的穿刺入针姿态，提高了机构的灵活性，保证了穿刺的稳定性、准确性以及安全性。

Description

一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，其涉及一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置。

背景技术

机器人辅助的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；在医学影像设备的引导下，使用柔性穿刺针靶向穿刺进行局部治疗，具有创口小、恢复快、治疗效果好等优点；由于传统的刚性针的刚度较大在穿刺过程中无法对针尖位置进行有效的控制，导致穿刺局限性较大，因此柔性针迅速发展逐渐应用到穿刺手术中。

传统的柔性针穿刺手术是将穿刺机构安装到串联协作机械臂上，对机械臂的位姿进行调整后，通过程序控制穿刺机构进行穿刺手术；普通的串联机械臂放置在患者一侧，若想从患者另一侧如针，由于机械臂的自由度及臂长限制，需将机械臂调整至患者另一侧，提高了手术的复杂程度。

基于现有技术存在的缺陷，本发明所需要解决的技术问题为解决调整穿刺机构穿刺位置方式过于繁琐的问题，实现将机械臂与穿刺机构安置在一确定位置，仅需调整机械臂位姿即可实现较大范围的入针角度调节；降低医护人员的工作量，同时以较小的机械臂臂长尺寸实现较大的运动空间。

发明内容

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置，通过机构中底座的升降、旋转自由度及摆位机构中俯仰自由度来对机械臂的整体位姿进行大范围调整；通过摆位机构中横滚自由度及机械臂的伸展收缩来对穿刺如针角度进行调整，位姿调整好之后，控制柔性针穿刺机构进行穿刺手术。

一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置，其中底座主要有升降机构与旋转机构组成，升降机构由电机与丝杠螺母带动实现底座的升降，旋转机构由电机与转接法兰通过带传动实现转接法兰的旋转；摆位关节主要有两个电机实现机械臂的两个自由度的调整，机械臂的俯仰自由度及横滚自由度；机械臂具有三个臂：后臂、中臂、前臂，组成平行四边形结构，平行四边形的末端点由后臂轴线与前臂中的柔性针导向轮指向方向在机械臂侧面平面上的投影交点，在机械臂伸展或收缩时，此穿刺交点在空间位置不动，同时摆位关节中横滚自由度的旋转轴线过此交点，在摆位关节调整机械臂横滚位姿时，穿刺交点空间位置不动。

机械臂的前臂上安装有一两自由度柔性针穿刺机构，斜尖柔性针的直线与旋转运动；柔性针穿刺机构的末端与机械臂前臂的柔性针导向轮通过定长的导管连接，防止在穿刺过程中，由于穿刺阻力使柔性针发生翘曲；机械臂位姿调整好之后，柔性针直线运动实现针的进给与回退，针的旋转运动实现对斜尖朝向的控制，从而实现柔性针轨迹的控制。

本发明的有益效果为：

通过底座及摆位关节实现柔性针的升降、旋转、俯仰、横滚四个自由度位姿控制，机械臂为平行四边形结构，具有一个自由度，机械臂伸展收缩，平行四边形末端点在空间位置不动，机械臂横滚轴线过平行四边形末端点，横滚位姿调整时，末端点空间位置不动。将平行四边形末端点调整至患者需进行手术的病灶点处仅需调整机械臂的横滚、伸展收缩两个自由度即可实现较大范围的如针角度调整。

附图说明

图1多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置整体示意图

图2底座、摆位关节、机械臂、柔性针穿刺机构四个部分示意图

图3底座爆炸视图

图4摆位关节爆炸视图

图5机械臂爆炸视图

图6机械臂后方辅助爆炸视图

图7柔性针穿刺机构爆炸视图

图8机械臂穿刺不动点示意图

图中：1底座，2摆位关节，3机械臂，4柔性针穿刺机构，1-1升降机构，1-2旋转机构，1-1-1内筒，1-1-2外筒，1-1-3丝杠螺母机构，1-1-4孔一，1-1-5孔二，1-1-6孔三，1-2-1旋转电机，1-2-2转接法兰，1-2-3带轮一，1-2-4带轮二，2-1臂连接座，2-2臂旋转电机座，2-3臂旋转电机，2-4锥齿轮一，2-5锥齿轮二，2-6俯仰电机座，2-7支撑轴，2-8俯仰电机，2-2-1轴承孔，2-2-2一侧面设有台阶轴，3-1后臂，3-2中臂，3-3前臂，3-1-1后臂外壳，3-1-2臂电机，3-1-3谐波减速器，3-2-1中臂架，3-2-2中臂连杆，3-2-3中臂传动轴，3-3-1前臂架，3-3-2前臂连杆，3-3-3前臂传动轴，3-3-4柔性针导向轮，4-1柔性针外壳，4-2针进给机构，4-3针旋转机构，4-4柔性针，4-5柔性针导管。

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实施例来描述本发明。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2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本发明具体实施方式采用以下技术方案：一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置，其组成包括：1底座，2摆位关节，3机械臂，4柔性针穿刺机构；其特征在于，所述的1底座组成包括：1-1升降机构，1-2旋转机构；1-1升降机构组成包括：1-1-1内筒，1-1-2外筒，1-1-3丝杠螺母机构；1-1-1内筒、1-1-2外筒通过导轨上下套合而成，1-1-3丝杠螺母机构连接1-1-1内筒与1-1-2外筒，由电机驱动，带动外筒做垂直直线运动；1-2旋转机构组成包括：1-2-1旋转电机，1-2-2转接法兰，1-2-3带轮一，1-2-4带轮二；1-2-1旋转电机安装到1-1-2外筒上，1-2-2转接法兰通过轴承安装到1-1-2外筒上，1-2-3带轮一固定到1-2-1旋转电机输出轴上，1-2-4带轮二固定到1-2-2转接法兰上，1-2-3带轮一与带1-2-4轮二通过同步带串联，1-2-1旋转电机经过同步带轮组减速，控制转接法兰旋转；2摆位关节其组成包括：2-1臂连接座，2-2臂旋转电机座，2-3臂旋转电机，2-4锥齿轮一，2-5锥齿轮二，2-6俯仰电机座，2-7支撑轴，2-8俯仰电机；2-3臂旋转电机安装到2-2臂旋转电机座内部，2-1臂连接座安装到2-3臂旋转电机输出法兰上；2-6俯仰电机座下部为方筒、上部为圆筒结构；2-4锥齿轮一安装到2-2臂旋转电机座侧面，2-7支撑轴通过轴承穿过2-6俯仰电机座安装到2-2臂旋转电机座侧面并穿过2-4锥齿轮一；2-6俯仰电机座内部安装2-8俯仰电机，2-5锥齿轮二固定到2-8俯仰电机输出轴上；2-4锥齿轮一与2-5锥齿轮二啮合；2摆位关节安装到1-2-2转接法兰上，3机械臂安装到2-1臂连接座上；1-1升降机构调整3机械臂高度位姿，1-2旋转机构调3机械臂方向位姿；2俯仰机构中2-8俯仰电机调整3机械臂俯仰位姿，2-3臂旋转电机调整3机械臂横滚位姿。

进一步的所述3机械臂组成包括：3-1后臂，3-2中臂，3-3前臂；3-1后臂组成包括：3-1-1后臂外壳，3-1-2臂电机，3-1-3谐波减速器；3-1-1后臂外壳靠近1底座一侧安装3-1-2臂电机，另一侧安装3-1-3谐波减速器，3-1-2臂电机输出轴与3-1-3谐波减速器输入轴通过带轮与同步带串联；3-2中臂组成包括3-2-1中臂架，两个相同的3-2-2中臂连杆，3-2-3中臂传动轴；两根3-2-2中臂连杆关于中臂轴线对称安装，一端通过铰制孔螺钉连接在3-1-1后臂外壳中安装3-1-3谐波减速器的一侧，另一端通过铰制孔螺钉连接在3-2-3中臂传动轮上；3-2-3中臂传动轴通过轴承安装到3-2-1中臂架的轴承孔上，3-2-1中臂架另一侧的圆柱凸起通过螺钉固定在3-1-3谐波减速器的输出端；3-3前臂组成包括3-3-1前臂架，两根相同的3-3-2前臂连杆，3-3-3前臂传动轴，3-3-4柔性针导向轮；3-3-1前臂架中空的一侧与3-2-3中臂传动轴无法兰一侧固定，3-3-1前臂架的台阶轴通过轴承穿过3-3-3前臂传动轴，3-3-4柔性针导向轮与3-3-3前臂传动轴固定；两根3-3-2前臂连杆关于前臂轴线对称排布，一端通过铰制孔螺钉连接到3-2-1中臂架上安装3-2-3中臂传动轴的一侧，另一端通过铰制孔螺钉连接到3-3-3前臂传动轴上；安装位置上，3-3前臂与3-1后臂平行，3-3-4柔性针导向轮的柔性针导向孔与3-2中臂平行；3-1-2臂电机的旋转通过3-1-3谐波减速器减速，带动3-2-1中臂架旋转，两根3-2-2中臂连杆在铰制孔螺钉的作用下保持平行，3-2-3中臂传动轴的旋转角度保持不变，与之固定的3-3-1前臂架旋转角度保持不变，3机械臂运动过程中，3-3前臂始终与3-1后臂平行；同理在3-3-2前臂连杆的作用下，3-3-4柔性针导向轮角度与3-2-1中臂架旋转角度相同，柔性针导向孔指轴线与3-2中臂平行；4柔性针穿刺机构安装到3-3前臂侧面，其组成包括：4-1柔性针外壳，4-2针进给机构，4-3针旋转机构，4-4柔性针，4-5柔性针导管；4-2针进给机构为电机驱动的丝杠螺母机构，4-2针旋转机构为电机座与电机，依靠针进给机构带动做直线运动；柔性针外壳4-1前端设有柔性针导向孔，与4-5柔性针导管一端固联，4-5柔性针导管另一端固联到3-3-4柔性针导向轮的柔性针导向孔处，4-4中间被柔性针穿过；4-4柔性针与4-3针旋转机构电机输出轴固定，从3-3-4柔性针导向轮导向孔前端伸出；3所述机械臂的三个臂组成平行四边形结构，4-4柔性针针尖指向位置与2-3臂旋转电机轴线交点为穿刺中心，3机械臂运动过程中，穿刺中心空间位置不动，调整3机械臂横滚姿态时，穿刺中心空间位置不动。

进一步的，3机械臂的伸展与收缩运动对空间需求较小，通过一个自由度即可实现如针角度在180°范围上的调整，2摆位关节调整的横滚自由度可将机械臂入针角度范围所形成的扇形的进一步扫掠，实现较大的入针角度调整的同时，保证入针点空间位置不变，并做到了机械臂的运动幅度很小，以便规避手术设备及患者等障碍。

本发明具体实施方式的工作原理为：

底座的升降、旋转自由度及摆位关节的俯仰自由度将机械臂末端穿刺点定位至患者病灶点，依靠摆位关节的横滚自由度及机械臂的伸展收缩来进行穿刺入针角度的调节，使用柔性针穿刺机构的进给与旋转对柔性针进行路径规划的穿刺手术。

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)

1.一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置，包括：底座（1）、摆位关节（2）、机械臂（3）和柔性针穿刺机构（4）；其特征在于，所述的底座（1）包括：升降机构（1-1）和旋转机构（1-2）；升降机构（1-1）包括：内筒（1-1-1）、外筒（1-1-2）和丝杠螺母机构（1-1-3），外筒（1-1-2）上设有孔一（1-1-4）、孔二（1-1-5）和孔三（1-1-6）；内筒（1-1-1）和外筒（1-1-2）通过导轨上下套合而成，丝杠螺母机构（1-1-3）通过轴承安装到孔二（1-1-5）上，电机通过联轴器与丝杠相连；旋转机构（1-2）包括：旋转电机（1-2-1）、转接法兰（1-2-2）、带轮一（1-2-3）和带轮二（1-2-4）；旋转电机（1-2-1）通过螺钉安装到外筒（1-1-2） 上孔一（1-1-4）中，转接法兰（1-2-2）通过轴承安装到孔三（1-1-6）中，带轮一（1-2-3）固定到旋转电机（1-2-1）输出轴，带轮二（1-2-4）固定到转接法兰（1-2-2）上，带轮一（1-2-3）与带轮二（1-2-4）通过同步带串联，丝杠螺母机构（1-1-3）从同步带中穿过；摆位关节（2）包括：臂连接座（2-1）、臂旋转电机座（2-2）、臂旋转电机（2-3）、锥齿轮一（2-4）、锥齿轮二（2-5）、俯仰电机座（2-6）、支撑轴（2-7）和俯仰电机（2-8）；臂旋转电机座（2-2）为方形管结构，一端面设有轴承孔（2-2-1），一侧面设有台阶轴（2-2-2），台阶轴（2-2-2）端面设有两圈螺纹孔；臂旋转电机（2-3）安装到臂旋转电机座（2-2）内部，臂连接座（2-1）安装到臂旋转电机（2-3）输出法兰上；支撑轴（2-7）端面设有一圈沉孔，俯仰电机座（2-6）下部为方筒、上部为圆筒结构，圆筒两端面设有轴承孔；锥齿轮一（2-4）安装到臂旋转电机座（2-2）的台阶轴（2-2-2）外圈螺纹孔上，支撑轴（2-7）通过轴承穿过俯仰电机座（2-6）并通过螺钉安装到臂旋转电机座（2-2）侧面台阶轴（2-2-2）内圈螺纹孔上；俯仰电机座（2-6）内部安装俯仰电机（2-8），锥齿轮二（2-5）固定到俯仰电机（2-8）输出轴上；锥齿轮一（2-4）与锥齿轮二（2-5）啮合；摆位关节（2）安装到转接法兰（1-2-2）上，机械臂（3）安装到臂连接座（2-1）上；升降机构（1-1）调整机械臂（3）高度位姿，旋转机构（1-2）调整机械臂（3）方向位姿；俯仰电机（2-8）调整机械臂（3）俯仰位姿，臂旋转电机（2-3）调整机械臂（3）横滚位姿；

机械臂（3）包括后臂（3-1）、中臂（3-2）和前臂（3-3）；前臂（3-3）包括前臂架（3-3-1）、两根相同的前臂连杆（3-3-2）、前臂传动轴（3-3-3）和柔性针导向轮（3-3-4）；柔性针穿刺机构（4）安装到前臂（3-3）侧面，柔性针穿刺机构（4）包括柔性针外壳（4-1）、针进给机构（4-2）、针旋转机构（4-3）、柔性针（4-4）和柔性针导管（4-5）；柔性针外壳（4-1）前端设有柔性针导向孔，与柔性针导管（4-5）一端固联，柔性针导管（4-5）另一端固联到柔性针导向轮（3-3-4）的柔性针导向孔处，柔性针导管（4-5）中间被柔性针（4-4）穿过。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂调整入针角度的柔性针穿刺装置，其特

征在于，后臂（3-1）包括：后臂外壳（3-1-1）、臂电机（3-1-2）和谐波减速器（3-1-3）；后臂外壳（3-1-1）靠近底座（1）一侧安装臂电机（3-1-2），另一侧安装谐波减速器（3-1-3），臂电机（3-1-2）输出轴与谐波减速器（3-1-3）输入轴通过带轮与同步带串联；中臂（3-2）组成包括中臂架（3-2-1），两个相同的中臂连杆（3-2-2）和中臂传动轴（3-2-3）；中臂架（3-2-1）一侧设有中空的圆柱凸起，另一侧设有轴承孔；两根中臂连杆（3-2-2）结构相同，两端设有通孔；中臂传动轴（3-2-3）为一端面具有法兰的中空轴，两根中臂连杆（3-2-2）关于中臂轴线对称安装，一端通过铰制孔螺钉连接在后臂外壳（3-1-1）安装谐波减速器（3-1-3）的一侧，另一端通过铰制孔螺钉连接在中臂传动轴（3-2-3）的法兰上；中臂传动轴（3-2-3）通过轴承安装到中臂架（3-2-1）的轴承孔上，中臂架（3-2-1）另一侧的圆柱凸起通过螺钉固定在谐波减速器（3-1-3）的输出端；

前臂架（3-3-1）一侧中空，另一侧设有中空的台阶轴，前臂传动轴（3-3-3）为中空的轴圈，柔性针导向轮（3-3-4）为中空圆环结构，圆环沿径向设有锥形延伸板，锥形延伸板上设有柔性针导向孔，柔性针导向孔沿柔性针导向轮（3-3-4）的径向方向；前臂架（3-3-1）中空的一侧与中臂传动轴（3-2-3）无法兰一侧固定，前臂架（3-3-1）的台阶轴通过轴承穿过前臂传动轴（3-3-3），柔性针导向轮（3-3-4）与前臂传动轴（3-3-3）固定；两根前臂连杆（3-3-2）结构相同，两端设通孔，关于前臂轴线对称排布，一端通过铰制孔螺钉连接到中臂架（3-2-1）上安装中臂传动轴（3-2-3）的一侧，另一端通过铰制孔螺钉连接到前臂传动轴（3-3-3）上；安装位置上，前臂（3-3）与后臂（3-1）平行，柔性针导向轮（3-3-4）的柔性针导向孔的轴线与中臂（3-2）平行；臂电机（3-1-2）的旋转通过谐波减速器（3-1-3）减速，带动中臂架（3-2-1）旋转，两根中臂连杆（3-2-2）在铰制孔螺钉的作用下保持平行，中臂传动轴（3-2-3）的旋转角度保持不变，与之固定的前臂架（3-3-1）旋转角度保持不变，机械臂（3）运动过程中，前臂（3-3）始终与后臂（3-1）平行；同理在前臂连杆（3-3-2）的作用下，柔性针导向轮（3-3-4）角度与中臂架（3-2-1）旋转角度相同；针进给机构（4-2）为电机驱动的丝杠螺母机构，针旋转机构（4-3）为电机座与电机，针旋转机构（4-3）依靠针进给机构（4-2）带动做直线运动；柔性针（4-4）与针旋转机构 （4-3）的电机输出轴固定，从柔性针导向轮（3-3-4）的柔性针导向孔前端伸出；所述机械臂（3）的三个臂组成平行四边形结构的一部分，柔性针（4-4）针尖指向位置与臂旋转电机（2-3）轴线交点为穿刺中心，机械臂（3）运动过程中，穿刺中心空间位置不动，调整机械臂（3）横滚姿态时，穿刺中心空间位置不动。