專利名稱：一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，具體涉及一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，屬于微創(chuàng)介入手術(shù)的醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了克服切除、化療、放療等傳統(tǒng)癌癥治療放在殺死癌細(xì)胞的同時還會大量殺死人體健康細(xì)胞的固有缺陷，針對癌細(xì)胞的定向靶向治療成為了近些年癌癥治療的研究熱點，而介入手術(shù)也開始越來越多的應(yīng)用到實際的臨床治療中。所謂的介入手術(shù)，是一種采用高科技手段進(jìn)行的微創(chuàng)手術(shù)，在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的引導(dǎo)下，將特制的導(dǎo)絲導(dǎo)管等精密器械引入到人體中對病灶部分進(jìn)行診斷和局部的治療。而傳統(tǒng)的介入手術(shù)通常采用鋼針刺入，即刺入人體內(nèi)的導(dǎo)管是剛性不可彎曲的，起在人體內(nèi)的運動路徑為直線，故存在易碰觸障礙組織，躲避性差，存在不易補償?shù)恼`差等諸多問題。人們開始提出用可產(chǎn)生彎曲軌跡的柔性針代替鋼針刺入，但現(xiàn)有的柔性針在組織內(nèi)運動雖然可以躲避障礙組織，卻存在著運動過程中受力復(fù)雜，軌跡規(guī)劃困難，運動精度不易保證的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的柔性針在組織內(nèi)運動雖然可以躲避障礙組織，卻存在著運動過程中受力復(fù)雜，軌跡規(guī)劃困難，運動精度不易保證的問題，進(jìn)而提供一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)包括進(jìn)針電機(jī)、平臺、電機(jī)安裝座、聯(lián)軸器、導(dǎo)軌、絲杠首端軸承座、絲杠、移動螺母、滑塊、滑塊螺母連接件、柔性針固定件、滑塊螺母連接座、壓電輸入連接器、絲杠尾端軸承座、支撐件、支撐套、進(jìn)給柔性針和軸承支座，支撐件、絲杠尾端軸承座、絲杠首端軸承座和電機(jī)安裝座由左至右依次設(shè)置在平臺上，進(jìn)針電機(jī)設(shè)置在電機(jī)安裝座上，進(jìn)針電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與可轉(zhuǎn)動設(shè)置在絲杠尾端軸承座和絲杠首端軸承座上的絲杠連接，導(dǎo)軌設(shè)置在平臺上，且導(dǎo)軌平行于絲杠，移動 螺母設(shè)置在絲杠上，軸承支座設(shè)置在移動螺母上，滑塊可滑動設(shè)置在導(dǎo)軌上，軸承支座與導(dǎo)軌之間通過滑塊螺母連接件固定連接，滑塊螺母連接座設(shè)置在滑塊螺母連接件上，柔性針固定件固裝在滑塊螺母連接座的右端外壁上，支撐套設(shè)置在支撐件的上端，進(jìn)給柔性針的一端穿設(shè)在支撐套內(nèi)，進(jìn)給柔性針的另一端通過壓電輸入連接器與柔性針固定件連接，所述進(jìn)給柔性針包括針尖、連接桿、針體和壓電陶瓷，所述壓電陶瓷包括第一組壓電陶瓷和第二組壓電陶瓷，針體的內(nèi)壁上開有十字形的凹槽，第一組壓電陶瓷在上下方向上相互平行設(shè)置在針體的凹槽內(nèi)，第二組壓電陶瓷在左右方向上平行設(shè)置在針體的凹槽內(nèi)，第一組壓電陶瓷位于第二組壓電陶瓷的右端，連接桿可轉(zhuǎn)動插裝在第二組壓電陶瓷內(nèi)，針尖設(shè)置在針體的左端并與針體相抵，連接桿固裝在針尖右端的內(nèi)壁上，針尖左端為帶有40度-50度的傾斜角。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:1.本發(fā)明只轉(zhuǎn)動針尖而完成周向轉(zhuǎn)動的方式，克服了柔性針在組織內(nèi)運動時，在組織內(nèi)受力復(fù)雜而引起的問題。柔性針在組織內(nèi)部運動時，只有針尖發(fā)生轉(zhuǎn)動，受到組織的摩擦扭矩小，柔性針自身的扭轉(zhuǎn)變形可以忽略不計，有效地使柔性針在組織內(nèi)的運動更容易控制，精度高達(dá)98%。2.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。


圖1是進(jìn)給柔性針的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1的主剖視圖，圖3是圖2沿A-A處的剖面圖，圖4是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結(jié)合I和圖4說明本實施方式,本實施方式的一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)包括進(jìn)針電機(jī)5、平臺6、電機(jī)安裝座7、聯(lián)軸器8、導(dǎo)軌10、絲杠首端軸承座11、絲杠12、移動螺母13、滑塊14、滑塊螺母連接件15、柔性針固定件16、滑塊螺母連接座17、壓電輸入連接器18、絲杠尾端軸承座19、支撐件21、支撐套22、進(jìn)給柔性針23和軸承支座26，支撐件21、絲杠尾端軸承座19、絲杠首端軸承座11和電機(jī)安裝座7由左至右依次設(shè)置在平臺6上，進(jìn)針電機(jī)5設(shè)置在電機(jī)安裝座7上，進(jìn)針電機(jī)5的輸出軸通過聯(lián)軸器8與可轉(zhuǎn)動設(shè)置在絲杠尾端軸承座19和絲杠首端軸承座11上的絲杠12連接，導(dǎo)軌10設(shè)置在平臺6上，且導(dǎo)軌10平行于絲杠12，移動螺母13設(shè)置在絲杠12上，軸承支座26設(shè)置在移動螺母13上，滑塊14可滑動設(shè)置在導(dǎo)軌10上，軸承支座26與導(dǎo)軌10之間通過滑塊螺母連接件15固定連接， 滑塊螺母連接座17設(shè)置在滑塊螺母連接件15上，柔性針固定件16固裝在滑塊螺母連接座17的右端外壁上，支撐套22設(shè)置在支撐件21的上端，進(jìn)給柔性針23的一端穿設(shè)在支撐套22內(nèi)，進(jìn)給柔性針23的另一端通過壓電輸入連接器18與柔性針固定件16連接，所述進(jìn)給柔性針23包括針尖1、連接桿2、針體4和壓電陶瓷3，所述壓電陶瓷3包括第一組壓電陶瓷3-1和第二組壓電陶瓷3-2，針體4的內(nèi)壁上開有十字形的凹槽，第一組壓電陶瓷3-1在上下方向上相互平行設(shè)置在針體4的凹槽內(nèi)，第二組壓電陶瓷3-2在左右方向上平行設(shè)置在針體4的凹槽內(nèi)，第一組壓電陶瓷3-1位于第二組壓電陶瓷3-2的右端，連接桿2可轉(zhuǎn)動插裝在第二組壓電陶瓷3-2內(nèi)，針尖I設(shè)置在針體4的左端并與針體4相抵，連接桿2固裝在針尖I右端的內(nèi)壁上，針尖I左端為帶有40度-50度的傾斜角。本發(fā)明的進(jìn)給柔性針在組織內(nèi)的運動分為軸向的進(jìn)給與周向的轉(zhuǎn)動。其中軸向的進(jìn)給提供柔性針在組織內(nèi)部運動的速度與深度，周向的轉(zhuǎn)動控制柔性針在組織內(nèi)運動的方向。軸向的進(jìn)給運動通過滾珠絲杠將電機(jī)的繞定軸的轉(zhuǎn)動形式轉(zhuǎn)化為在平面上的移動形式，進(jìn)而推動進(jìn)給柔性針的軸向進(jìn)給，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度控制進(jìn)給柔性針的進(jìn)給速度。周向的轉(zhuǎn)動不再是進(jìn)給柔性針整體轉(zhuǎn)動，而是針尖與針體分離，針尖通過連接桿與鑲嵌在針體內(nèi)的剪切式壓電陶瓷相連接，改變壓電陶瓷表面的運動速度可以使連接桿帶動針尖向一個方向轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)動針尖完成對改變?nèi)嵝葬樳\動的方向。
具體實施方式
二:結(jié)合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式的針尖I的左端的傾斜角為45度。如此設(shè)置，便于快速、準(zhǔn)確的刺入人體組織。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:結(jié)合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式的連接桿2為彈性連接桿。如此設(shè)置，由于彈力與摩擦系數(shù)的存在，當(dāng)壓電陶瓷3發(fā)生剪切運動時，其上表面與連接桿2之間存在摩擦力作用。剪切運動較慢時，摩擦力表現(xiàn)為靜摩擦力，連接桿2隨著四個壓電陶瓷3的上表面發(fā)生轉(zhuǎn)動，且彼此之間不發(fā)生相對運動，當(dāng)剪切運動較快時，摩擦力表現(xiàn)為動摩擦力，連接桿2不隨著四個壓電陶瓷3的上表面發(fā)生轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動較慢，彼此之間存在相對運動，當(dāng)壓電陶瓷3朝向一個方向的運動較快，另一個方向的運動較慢時，連接桿2會產(chǎn)生帶動針尖部分I向一個方向轉(zhuǎn)動的趨勢。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四:結(jié)合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式的第一組壓電陶瓷3-1和第二組壓電陶瓷3-2均為剪切壓電陶瓷。如此設(shè)置，通過壓電陶瓷的橫向剪切運動通過連接桿以帶動針尖轉(zhuǎn)動，達(dá)到控制柔性針運動方向的目的。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五:結(jié)合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式的第一組壓電陶瓷3-1的數(shù)量和第二組壓電陶瓷3-2的數(shù)量均為兩片。如此設(shè)置，可以保證柔性針針尖轉(zhuǎn)動平穩(wěn)精確。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六:結(jié)合圖4說明本實施方式，本實施方式的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)還包括軸承壓蓋24、角接觸軸承25和鎖緊螺母9，角接觸軸承25設(shè)置在絲杠首端軸承座11內(nèi)的絲杠12上，軸承壓蓋24設(shè)置在絲杠首端軸承座11的右端，鎖緊螺母9固定在伸出絲杠首端軸承座11外部的絲杠12上。如此設(shè)置，可以固定絲杠，并保證絲杠運動平穩(wěn)精確，以達(dá)到柔性針在組織內(nèi)部的進(jìn)給運動平穩(wěn)精確。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一或五相同。
具體實施方式
七:結(jié)合圖4說明本實施方式，本實施方式的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)還包括深溝球軸承20，絲杠尾端軸承座19與絲杠12之間通過深溝球軸承20可轉(zhuǎn)動連接。如此設(shè)置，達(dá)到固定絲杠，并保證其運動平穩(wěn)精確。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
六相同。本發(fā)明的工作過程:柔性針在組織內(nèi)做進(jìn)給運動時，由于針尖存在斜角以及柔性針刺入時針尖排開組織會發(fā)生彼此的相互排擠作用，組織對柔性針有垂直于斜角面的斜向力作用，又由于柔性針自身的材料特性，其在組織內(nèi)的運動方式為曲線運動，運動的方向由柔性針斜角方向決定。故柔性針在組織內(nèi)的運動控制分為兩個部分，即軸向的進(jìn)給與周向的轉(zhuǎn)動。其中軸向的進(jìn)給由進(jìn)針電機(jī)5轉(zhuǎn)動帶動絲杠12轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使滑塊14在導(dǎo)軌10的方向上發(fā)生平移運動，由滑塊帶動滑塊螺母連接15、滑塊螺母連接座17、聯(lián)軸器18以及給進(jìn)柔性針23等部分完成平移，以實現(xiàn)進(jìn)給 柔性針23的進(jìn)給運動。如圖1所示，四片固定在柔性針內(nèi)部的壓電陶瓷3與連接桿2相接觸且彼此之間有彈性力作用，當(dāng)給壓電陶瓷3通入一定波形的電壓，其上表面將會發(fā)生平行于下表面的剪切運動，由于壓電陶瓷3與連接桿2之間的彈力與摩擦系數(shù)的存在，故二者之間存在摩擦力作用。當(dāng)壓電陶瓷3發(fā)生低速的剪切運動是，二者之間的摩擦力為靜摩擦力作用，壓電陶瓷3可帶動連接桿轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使針尖部分I發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)壓電陶瓷3發(fā)生速度較快的剪切運動時，二者之間的摩擦力為動摩擦力作用，連接桿2不隨著壓電陶瓷3的運動而運動。當(dāng)通入壓電陶瓷3 —定波形的電壓，使壓電陶瓷在兩 個方向上的剪切運動不同速，動靜摩擦力在兩個方向上發(fā)生轉(zhuǎn)換，可使連接桿2朝著一個方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動針尖部分I的轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)包括進(jìn)針電機(jī)(5)、平臺(6)、電機(jī)安裝座(7)、聯(lián)軸器(8)、導(dǎo)軌(10)、絲杠首端軸承座(11)、絲杠(12)、移動螺母(13)、滑塊(14)、滑塊螺母連接件(15)、柔性針固定件(16)、滑塊螺母連接座(17)、壓電輸入連接器(18)、絲杠尾端軸承座(19)、支撐件(21)、支撐套(22)、進(jìn)給柔性針(23)和軸承支座(26)，支撐件(21)、絲杠尾端軸承座(19)、絲杠首端軸承座(11)和電機(jī)安裝座(7)由左至右依次設(shè)置在平臺(6)上，進(jìn)針電機(jī)(5)設(shè)置在電機(jī)安裝座(7)上，進(jìn)針電機(jī)(5)的輸出軸通過聯(lián)軸器(8)與可轉(zhuǎn)動設(shè)置在絲杠尾端軸承座(19)和絲 杠首端軸承座(11)上的絲杠(12)連接，導(dǎo)軌(10)設(shè)置在平臺(6)上，且導(dǎo)軌(10)平行于絲杠(12)，移動螺母(13)設(shè)置在絲杠(12)上，軸承支座(26)設(shè)置在移動螺母(13)上，滑塊(14)可滑動設(shè)置在導(dǎo)軌(10)上，軸承支座(26)與導(dǎo)軌(10)之間通過滑塊螺母連接件(15)固定連接，滑塊螺母連接座(17)設(shè)置在滑塊螺母連接件(15)上，柔性針固定件(16)固裝在滑塊螺母連接座(17)的右端外壁上，支撐套(22)設(shè)置在支撐件(21)的上端，進(jìn)給柔性針(23)的一端穿設(shè)在支撐套(22)內(nèi)，進(jìn)給柔性針(23)的另一端通過壓電輸入連接器(18)與柔性針固定件(16)連接， 所述進(jìn)給柔性針(23)包括針尖(I)、連接桿(2)、針體(4)和壓電陶瓷(3)，所述壓電陶瓷(3)包括第一組壓電陶瓷(3-1)和第二組壓電陶瓷(3-2)，針體(4)的內(nèi)壁上開有十字形的凹槽，第一組壓電陶瓷(3-1)在上下方向上相互平行設(shè)置在針體(4)的凹槽內(nèi)，第二組壓電陶瓷(3-2)在左右方向上平行設(shè)置在針體(4)的凹槽內(nèi)，第一組壓電陶瓷(3-1)位于第二組壓電陶瓷(3-2)的右端，連接桿(2)可轉(zhuǎn)動插裝在第二組壓電陶瓷(3-2)內(nèi)，針尖(I)設(shè)置在針體(4)的左端并與針體(4)相抵，連接桿(2)固裝在針尖(I)右端的內(nèi)壁上，針尖(I)左端為帶有40度-50度的傾斜角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述針尖(I)的左端的傾斜角為45度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述連接桿(2)為彈性連接桿。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述第一組壓電陶瓷(3-1)和第二組壓電陶瓷(3-2)均為剪切壓電陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述第一組壓電陶瓷(3-1)的數(shù)量和第二組壓電陶瓷(3-2)的數(shù)量均為兩片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)還包括軸承壓蓋(24)、角接觸軸承(25)和鎖緊螺母(9)，角接觸軸承(25)設(shè)置在絲杠首端軸承座(11)內(nèi)的絲杠(12)上，軸承壓蓋(24)設(shè)置在絲杠首端軸承座(11)的右端，鎖緊螺母(9)固定在伸出絲杠首端軸承座(11)外部的絲杠(12)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，其特征在于:所述傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)還包括深溝球軸承(20)，絲杠尾端軸承座(19)與絲杠(12)之間通過深溝球軸承(20)可轉(zhuǎn)動連接。
全文摘要
一種基于壓電驅(qū)動的傾斜角柔性針機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)，它涉及一種機(jī)器人輔助穿刺系統(tǒng)。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的柔性針在組織內(nèi)運動過程中受力復(fù)雜，軌跡規(guī)劃困難，運動精度不易保證的問題。本發(fā)明的支撐件、絲杠尾端軸承座、絲杠首端軸承座和電機(jī)安裝座由左至右依次設(shè)置在平臺上，進(jìn)針電機(jī)設(shè)在電機(jī)安裝座上，進(jìn)針電機(jī)的輸出軸與絲杠連接，導(dǎo)軌設(shè)置在平臺上，移動螺母設(shè)置在絲杠上，軸承支座設(shè)置在移動螺母上，滑塊設(shè)在導(dǎo)軌上，軸承支座與導(dǎo)軌之間連接，滑塊螺母連接座設(shè)置在滑塊螺母連接件上，柔性針固定件固裝在滑塊螺母連接座上，支撐套設(shè)置在支撐件的上端，進(jìn)給柔性針的一端穿設(shè)在支撐套內(nèi)，另一端與柔性針固定件連接。本發(fā)明適用于機(jī)器人輔助穿刺。
文檔編號A61B17/34GK103083091SQ201310031810
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者董為, 杜志江, 王力鋆 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)