CN103083091B - 一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统 - Google Patents

Abstract

一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，它涉及一种机器人辅助穿刺系统。本发明为了解决现有的柔性针在组织内运动过程中受力复杂，轨迹规划困难，运动精度不易保证的问题。本发明的支撑件、丝杠尾端轴承座、丝杠首端轴承座和电机安装座由左至右依次设置在平台上，进针电机设在电机安装座上，进针电机的输出轴与丝杠连接，导轨设置在平台上，移动螺母设置在丝杠上，轴承支座设置在移动螺母上，滑块设在导轨上，轴承支座与导轨之间连接，滑块螺母连接座设置在滑块螺母连接件上，柔性针固定件固装在滑块螺母连接座上，支撑套设置在支撑件的上端，进给柔性针的一端穿设在支撑套内，另一端与柔性针固定件连接。本发明适用于机器人辅助穿刺。

Description

一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统

技术领域

本发明涉及一种倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，具体涉及一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，属于微创介入手术的医疗机器人领域。

背景技术

为了克服切除、化疗、放疗等传统癌症治疗放在杀死癌细胞的同时还会大量杀死人体健康细胞的固有缺陷，针对癌细胞的定向靶向治疗成为了近些年癌症治疗的研究热点，而介入手术也开始越来越多的应用到实际的临床治疗中。所谓的介入手术，是一种采用高科技手段进行的微创手术，在医学影像设备的引导下，将特制的导丝导管等精密器械引入到人体中对病灶部分进行诊断和局部的治疗。而传统的介入手术通常采用钢针刺入，即刺入人体内的导管是刚性不可弯曲的，起在人体内的运动路径为直线，故存在易碰触障碍组织，躲避性差，存在不易补偿的误差等诸多问题。人们开始提出用可产生弯曲轨迹的柔性针代替钢针刺入，但现有的柔性针在组织内运动虽然可以躲避障碍组织，却存在着运动过程中受力复杂，轨迹规划困难，运动精度不易保证的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的柔性针在组织内运动虽然可以躲避障碍组织，却存在着运动过程中受力复杂，轨迹规划困难，运动精度不易保证的问题，进而提供一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统。

本发明的技术方案是：一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统包括进针电机、平台、电机安装座、联轴器、导轨、丝杠首端轴承座、丝杠、移动螺母、滑块、滑块螺母连接件、柔性针固定件、滑块螺母连接座、压电输入连接器、丝杠尾端轴承座、支撑件、支撑套、进给柔性针和轴承支座，支撑件、丝杠尾端轴承座、丝杠首端轴承座和电机安装座由左至右依次设置在平台上，进针电机设置在电机安装座上，进针电机的输出轴通过联轴器与可转动设置在丝杠尾端轴承座和丝杠首端轴承座上的丝杠连接，导轨设置在平台上，且导轨平行于丝杠，移动螺母设置在丝杠上，轴承支座设置在移动螺母上，滑块可滑动设置在导轨上，轴承支座与导轨之间通过滑块螺母连接件固定连接，滑块螺母连接座设置在滑块螺母连接件上，柔性针固定件固装在滑块螺母连接座的右端外壁上，支撑套设置在支撑件的上端，进给柔性针的一端穿设在支撑套内，进给柔性针的另一端通过压电输入连接器与柔性针固定件连接，

所述进给柔性针包括针尖、连接杆、针体和压电陶瓷，所述压电陶瓷包括第一组压电陶瓷和第二组压电陶瓷，针体的内壁上开有十字形的凹槽，第一组压电陶瓷在上下方向上相互平行设置在针体的凹槽内，第二组压电陶瓷在左右方向上平行设置在针体的凹槽内，第一组压电陶瓷位于第二组压电陶瓷的右端，连接杆可转动插装在第二组压电陶瓷内，针尖设置在针体的左端并与针体相抵，连接杆固装在针尖右端的内壁上，针尖左端为带有40度-50度的倾斜角。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明只转动针尖而完成周向转动的方式，克服了柔性针在组织内运动时，在组织内受力复杂而引起的问题。柔性针在组织内部运动时，只有针尖发生转动，受到组织的摩擦扭矩小，柔性针自身的扭转变形可以忽略不计，有效地使柔性针在组织内的运动更容易控制，精度高达98％。

2.本发明结构简单，易于实现。

附图说明

图1是进给柔性针的结构示意图，图2是图1的主剖视图，图3是图2沿A-A处的剖面图，图4是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合1和图4说明本实施方式，本实施方式的一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统包括进针电机5、平台6、电机安装座7、联轴器8、导轨10、丝杠首端轴承座11、丝杠12、移动螺母13、滑块14、滑块螺母连接件15、柔性针固定件16、滑块螺母连接座17、压电输入连接器18、丝杠尾端轴承座19、支撑件21、支撑套22、进给柔性针23和轴承支座26，支撑件21、丝杠尾端轴承座19、丝杠首端轴承座11和电机安装座7由左至右依次设置在平台6上，进针电机5设置在电机安装座7上，进针电机5的输出轴通过联轴器8与可转动设置在丝杠尾端轴承座19和丝杠首端轴承座11上的丝杠12连接，导轨10设置在平台6上，且导轨10平行于丝杠12，移动螺母13设置在丝杠12上，轴承支座26设置在移动螺母13上，滑块14可滑动设置在导轨10上，轴承支座26与导轨10之间通过滑块螺母连接件15固定连接，滑块螺母连接座17设置在滑块螺母连接件15上，柔性针固定件16固装在滑块螺母连接座17的右端外壁上，支撑套22设置在支撑件21的上端，进给柔性针23的一端穿设在支撑套22内，进给柔性针23的另一端通过压电输入连接器18与柔性针固定件16连接，

所述进给柔性针23包括针尖1、连接杆2、针体4和压电陶瓷3，所述压电陶瓷3包括第一组压电陶瓷3-1和第二组压电陶瓷3-2，针体4的内壁上开有十字形的凹槽，第一组压电陶瓷3-1在上下方向上相互平行设置在针体4的凹槽内，第二组压电陶瓷3-2在左右方向上平行设置在针体4的凹槽内，第一组压电陶瓷3-1位于第二组压电陶瓷3-2的右端，连接杆2可转动插装在第二组压电陶瓷3-2内，针尖1设置在针体4的左端并与针体4相抵，连接杆2固装在针尖1右端的内壁上，针尖1左端为带有40度-50度的倾斜角。

本发明的进给柔性针在组织内的运动分为轴向的进给与周向的转动。其中轴向的进给提供柔性针在组织内部运动的速度与深度，周向的转动控制柔性针在组织内运动的方向。轴向的进给运动通过滚珠丝杠将电机的绕定轴的转动形式转化为在平面上的移动形式，进而推动进给柔性针的轴向进给，通过控制电机的转动速度控制进给柔性针的进给速度。周向的转动不再是进给柔性针整体转动，而是针尖与针体分离，针尖通过连接杆与镶嵌在针体内的剪切式压电陶瓷相连接，改变压电陶瓷表面的运动速度可以使连接杆带动针尖向一个方向转动，通过转动针尖完成对改变柔性针运动的方向。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的针尖1的左端的倾斜角为45度。如此设置，便于快速、准确的刺入人体组织。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的连接杆2为弹性连接杆。如此设置，由于弹力与摩擦系数的存在，当压电陶瓷3发生剪切运动时，其上表面与连接杆2之间存在摩擦力作用。剪切运动较慢时，摩擦力表现为静摩擦力，连接杆2随着四个压电陶瓷3的上表面发生转动，且彼此之间不发生相对运动，当剪切运动较快时，摩擦力表现为动摩擦力，连接杆2不随着四个压电陶瓷3的上表面发生转动或转动较慢，彼此之间存在相对运动，当压电陶瓷3朝向一个方向的运动较快，另一个方向的运动较慢时，连接杆2会产生带动针尖部分1向一个方向转动的趋势。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的第一组压电陶瓷3-1和第二组压电陶瓷3-2均为剪切压电陶瓷。如此设置，通过压电陶瓷的横向剪切运动通过连接杆以带动针尖转动，达到控制柔性针运动方向的目的。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的第一组压电陶瓷3-1的数量和第二组压电陶瓷3-2的数量均为两片。如此设置，可以保证柔性针针尖转动平稳精确。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统还包括轴承压盖24、角接触轴承25和锁紧螺母9，角接触轴承25设置在丝杠首端轴承座11内的丝杠12上，轴承压盖24设置在丝杠首端轴承座11的右端，锁紧螺母9固定在伸出丝杠首端轴承座11外部的丝杠12上。如此设置，可以固定丝杠，并保证丝杠运动平稳精确，以达到柔性针在组织内部的进给运动平稳精确。其它组成和连接关系与具体实施方式一或五相同。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统还包括深沟球轴承20，丝杠尾端轴承座19与丝杠12之间通过深沟球轴承20可转动连接。如此设置，达到固定丝杠，并保证其运动平稳精确。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

本发明的工作过程：柔性针在组织内做进给运动时，由于针尖存在斜角以及柔性针刺入时针尖排开组织会发生彼此的相互排挤作用，组织对柔性针有垂直于斜角面的斜向力作用，又由于柔性针自身的材料特性，其在组织内的运动方式为曲线运动，运动的方向由柔性针斜角方向决定。故柔性针在组织内的运动控制分为两个部分，即轴向的进给与周向的转动。其中轴向的进给由进针电机5转动带动丝杠12转动，进而使滑块14在导轨10的方向上发生平移运动，由滑块带动滑块螺母连接15、滑块螺母连接座17、压电输入连接器18以及给进柔性针23等部分完成平移，以实现进给柔性针23的进给运动。如图1所示，四片固定在柔性针内部的压电陶瓷3与连接杆2相接触且彼此之间有弹性力作用，当给压电陶瓷3通入一定波形的电压，其上表面将会发生平行于下表面的剪切运动，由于压电陶瓷3与连接杆2之间的弹力与摩擦系数的存在，故二者之间存在摩擦力作用。当压电陶瓷3发生低速的剪切运动是，二者之间的摩擦力为静摩擦力作用，压电陶瓷3可带动连接杆转动，进而使针尖部分1发生转动；当压电陶瓷3发生速度较快的剪切运动时，二者之间的摩擦力为动摩擦力作用，连接杆2不随着压电陶瓷3的运动而运动。当通入压电陶瓷3一定波形的电压，使压电陶瓷在两个方向上的剪切运动不同速，动静摩擦力在两个方向上发生转换，可使连接杆2朝着一个方向发生转动，进而带动针尖部分1的转动。

Claims (7)

1.一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，其特征在于：所述倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统包括进针电机(5)、平台(6)、电机安装座(7)、联轴器(8)、导轨(10)、丝杠首端轴承座(11)、丝杠(12)、移动螺母(13)、滑块(14)、滑块螺母连接件(15)、柔性针固定件(16)、滑块螺母连接座(17)、压电输入连接器(18)、丝杠尾端轴承座(19)、支撑件(21)、支撑套(22)、进给柔性针(23)和轴承支座(26)，支撑件(21)、丝杠尾端轴承座(19)、丝杠首端轴承座(11)和电机安装座(7)由左至右依次设置在平台(6)上，进针电机(5)设置在电机安装座(7)上，进针电机(5)的输出轴通过联轴器(8)与可转动设置在丝杠尾端轴承座(19)和丝杠首端轴承座(11)上的丝杠(12)连接，导轨(10)设置在平台(6)上，且导轨(10)平行于丝杠(12)，移动螺母(13)设置在丝杠(12)上，轴承支座(26)设置在移动螺母(13)上，滑块(14)可滑动设置在导轨(10)上，轴承支座(26)与导轨(10)之间通过滑块螺母连接件(15)固定连接，滑块螺母连接座(17)设置在滑块螺母连接件(15)上，柔性针固定件(16)固装在滑块螺母连接座(17)的右端外壁上，支撑套(22)设置在支撑件(21)的上端，进给柔性针(23)的一端穿设在支撑套(22)内，进给柔性针(23)的另一端通过压电输入连接器(18)与柔性针固定件(16)连接，

所述进给柔性针(23)包括针尖(1)、连接杆(2)、针体(4)和压电陶瓷(3)，所述压电陶瓷(3)包括第一组压电陶瓷(3-1)和第二组压电陶瓷(3-2)，针体(4)的内壁上开有十字形的凹槽，第一组压电陶瓷(3-1)在上下方向上相互平行设置在针体(4)的凹槽内，第二组压电陶瓷(3-2)在左右方向上平行设置在针体(4)的凹槽内，第一组压电陶瓷(3-1)位于第二组压电陶瓷(3-2)的右端，连接杆(2)可转动插装在第二组压电陶瓷(3-2)内，针尖(1)设置在针体(4)的左端并与针体(4)相抵，连接杆(2)固装在针尖(1)右端的内壁上，针尖(1)左端为带有40度-50度的倾斜角。

2.根据权利要求1所述一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，其特征在于：所述针尖(1)的左端的倾斜角为45度。

3.根据权利要求2所述一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，其特征在于：所述连接杆(2)为弹性连接杆。

4.根据权利要求3所述一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，其特征在于：所述第一组压电陶瓷(3-1)和第二组压电陶瓷(3-2)均为剪切压电陶瓷。

5.根据权利要求4所述一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，其特征在于：所述第一组压电陶瓷(3-1)的数量和第二组压电陶瓷(3-2)的数量均为两片。

6.根据权利要求1或5所述一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，其特征在于：所述倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统还包括轴承压盖(24)、角接触轴承(25)和锁紧螺母(9)，角接触轴承(25)设置在丝杠首端轴承座(11)内的丝杠(12)上，轴承压盖(24)设置在丝杠首端轴承座(11)的右端，锁紧螺母(9)固定在伸出丝杠首端轴承座(11)外部的丝杠(12)上。

7.根据权利要求6所述一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统，其特征在于：所述倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统还包括深沟球轴承(20)，丝杠尾端轴承座(19)与丝杠(12)之间通过深沟球轴承(20)可转动连接。