CN108742847A - 一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，包括基座、导轨、滑块、直线电机定子、直线电机动子、Z轴平台、XY平台、旋转电机、联轴器、筋板、安装座和柔性针；导轨对称安装于基座顶部的两侧，直线电机定子安装于导轨之间，直线电机动子嵌装于直线电机定子上下部分间隙，两侧导轨分别滑动连接有所述滑块；两侧滑块对称分布于Z轴平台两侧且通过螺栓与Z轴平台连接；XY平台通过螺栓与所述Z轴平台相连接；XY平台包括X轴压电陶瓷驱动器、X轴预紧螺栓、Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴预紧螺栓、X轴传动机构、Y轴传动机构和XY平台末端执行件。该平台首次采用宏微结合，能够实现宏观穿刺及微观调整，兼具定位，穿刺及调向功能。

Description

一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种宏动与微动相结合，具有穿刺及定位性能的四自由度柔性针穿刺平台。

背景技术

近年来，随着微创介入医疗的兴起，高端微创手术机器人已经逐步广泛应用于医学外科手术的各个领域。应用于经皮穿刺手术的微创医疗机器人，末端执行器件往往为偏细较长的斜尖柔性针。传统刚性针在穿刺过程中无法避开重要脏器及组织，然而该柔性针由于具有较强的可操控性，受到了广泛使用。因此，可以通过建立合适的运动学模型及操控策略，使该柔性针达到有效的靶向区域。作为执行柔性针运动的重要组成部分，宏微结合的四自由度穿刺平台将起到至关重要的作用。四自由度穿刺平台能够实现Z轴带动柔性针穿刺的宏观运动，以及X轴和Y轴带动柔性针调整XY平面穿刺的微观运动，通过旋转电机可以控制柔性针轴向的转动，通过该4自由度的协同作用，柔性针的靶向穿刺精度得以大大提高。

现有柔性针的穿刺平台多是通过两自由度实现，Z轴的进给以及柔性针轴向的旋转。然而，这样的穿刺平台在操作斜尖柔性针的时候多会发生柔性针的穿刺变形，且不能通过合适的操控策略来进行变形的误差补偿。另外一些学者同样设计了四自由度的穿刺平台，然而多为只有宏观的X轴Y轴Z轴及沿轴向旋转的自由度，这样的穿刺平台可以起到柔性针的定位作用，但在穿刺过程中发生了柔性针变形的情况时，无法通过X轴及Y轴的微调，进行误差补偿。因此设计一种宏微结合的兼具定位与调向性能的四自由度穿刺平台对于提高柔性针的靶向穿刺精度至关重要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，该平台首次采用宏微结合，能够实现宏观穿刺及微观调整，兼具定位，穿刺及调向功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，包括基座、导轨、滑块、直线电机定子、直线电机动子、Z轴平台、XY平台、旋转电机、联轴器、筋板、安装座和柔性针；

所述导轨对称安装于所述基座顶部的两侧，所述直线电机定子安装于导轨之间，所述直线电机动子嵌装于直线电机定子上下部分间隙，两侧导轨分别滑动连接有所述滑块；两侧滑块对称分布于所述Z轴平台两侧且通过螺栓与Z轴平台连接；所述XY平台通过螺栓与所述Z轴平台相连接；

所述XY平台包括X轴压电陶瓷驱动器、X轴预紧螺栓、Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴预紧螺栓、X轴传动机构、Y轴传动机构和XY平台末端执行件，X轴压电陶瓷驱动器通过所述X轴预紧螺栓和所述X轴传动机构连接，Y轴压电陶瓷驱动器通过所述Y轴预紧螺栓与所述Y轴传动机构连接；

所述X轴传动机构包括X轴双平行机构和X轴传动铰链，所述Y轴传动机构包括Y轴双平行机构和Y轴传动铰链，所述X轴传动机构与所述Y轴传动机构通过所述XY平台末端执行件与所述旋转电机相连接，所述旋转电机安装于所述XY平台末端执行件内侧，并通过所述XY平台末端执行件轴向间隙与所述联轴器相连接；所述柔性针与所述联轴器相连接，所述筋板与所述安装座通过螺栓连接，所述安装座通过螺栓安装于所述Z轴平台与所述XY平台。

进一步的，所述X轴双平行机构和所述Y轴双平行机构均由板状铰链组成，所述X轴传动铰链和所述Y轴传动铰链均由4个直圆铰链组成。

进一步的，所述XY平台安装于所述Z轴平台上，所述Z轴平台用于实现柔性针Z向宏动，通过由所述直线电机定子与所述直线电机动子组成的直线电机驱动；所述XY平台用于实现柔性针X向和Y向微动，通过所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器驱动；通过所述旋转电机驱动可实现柔性针的轴向转动。

进一步的，所述X轴双平行机构、X轴传动铰链、Y轴双平行机构、Y轴传动铰链、XY平台末端执行件均为一体成型结构。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明采用宏动与微动相结合，提出一种满足穿刺过程中实现柔性针在XY平面位置微观调节的平台，弥补了目前穿刺平台无法提供操作过程中微调向的缺憾，能够使柔性针实现更加精准的靶向穿刺。

2.本发明首次将精密微纳操作领域的压电陶瓷驱动式装置引入到医疗器械领域的柔性针穿刺平台，作为柔性针执行穿刺行为的新型平台，能够间接促先进的运动学模型的建立，实现穿刺过程中X(Y)轴的干预，操控柔性针避开关键器官及组织，精准达到靶向区域。

3.本发明所采用微动的XY平台包括X轴双平行机构，X轴传动铰链，Y轴双平行机构，Y轴传动铰链，XY平台末端执行件均为一体成型的结构，使整个***具有结构紧凑，体积小，质量轻，控制方便等特点，可以有效保证XY平面运动的高精度，起到很好的微调节作用。

4.本发明所采用的Z轴平台及安装于所述XY平台末端执行件的旋转电机，能够通过控制占空比比例，有效的调节柔性针的弯曲性能，实现变曲率的穿刺路径。

5.本发明所采用的由直线电机定子与直线电机动子组成的直线电机较之常用于穿刺平台的旋转电机，取消了从电机到工作台之间的机械传动环节，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的高速响应，高精度，运动安静噪音低等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的部分结构示意图；

图3为本发明中XY平台的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，本发明实施例保护一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，包括基座1，导轨5，滑块2，直线电机定子4，直线电机动子3，Z轴平台9，XY平台8，X轴压电陶瓷驱动器8-8，X轴预紧螺栓8-9，X轴双平行机构8-5，X轴传动铰链8-6，Y轴压电陶瓷驱动器8-2，Y轴预紧螺栓8-1，Y轴双平行机构8-3，Y轴传动铰链8-4，XY平台末端执行件8-7，旋转电机10，旋转电机联轴器7，筋板11，安装座12，柔性针6。

本实施例中，基座1为矩形平板，导轨5对称安装于矩形基座1顶部的两侧，直线电机定子4安装于矩形基座1顶部靠近一侧导轨5，直线电机动子3嵌装于直线电机定子4上下部分间隙，两侧滑块2与两侧导轨5相连接。Z轴平台9通过螺栓与两侧滑块2相连接，两侧滑块2对称分布于Z轴平台9下方两侧。XY平台8通过螺栓与Z轴平台9相连接。X轴压电陶瓷驱动器8-8和Y轴压电陶瓷驱动器8-2通过X轴预紧螺栓8-9和Y轴预紧螺栓8-1安装在X轴传动机构和Y轴传动机构中。X轴传动机构包括X轴双平行机构8-5及X轴传动铰链8-6，Y轴传动机构包括Y轴双平行机构8-3及Y轴传动铰链8-4，本实施例中X轴双平行机构8-5和Y轴双平行机构8-3由板状铰链组成，X轴传动铰链8-6和Y轴传动铰链8-4均由4个直圆铰链组成。

X轴传动机构与Y轴传动机构通过XY平台末端执行件8-7与旋转电机10相连接，旋转电机10安装于XY平台末端执行件8-7内侧，并通过XY平台末端执行件8-7轴向间隙与联轴器7相连接。柔性针6与联轴器7相连接，筋板11与安装座12通过螺栓连接，安装座12通过螺栓安装于Z轴平台9与XY平台8。XY平台8中的X轴双平行机构8-5、X轴传动铰链8-6、Y轴双平行机构8-3、Y轴传动铰链8-4、XY平台末端执行件8-7均为一体成型结构。

本发明工作原理如下：

当直线电机动子3两端施加交流电压时，直线电机动子3在直线电机定子4的磁场作用下，带动Z轴平台9两侧的滑块2沿着导轨5滑动，由于Z轴平台9与XY平台8安装于一体，XY平台8同时被拖动沿着Z轴方向运动，安装于XY平台末端执行件8-7的柔性针6在XY平台8的带动下，沿着Z轴方向实现进给运动。当需要对柔性针进行X方向的位置调整时，X轴压电陶瓷驱动器8-8两端施加驱动电压，X轴压电陶瓷驱动器8-8将伸长并推动X轴双平行机构8-5产生变形，该变形由X轴传动铰链8-6传动至XY平台末端执行件8-7，进而柔性针获得X轴向位移，由于Y轴双平行机构8-3的反向限制，X轴位移产生时，不会产生Y轴的位移，实现解耦。当需要对柔性针6进行Y方向的位置调整时，Y轴压电陶瓷驱动器8-2两端施加驱动电压，Y轴压电陶瓷驱动器8-2将伸长并推动Y轴双平行机构8-3产生变形，该变形由Y轴传动铰链8-4传动至XY平台末端执行件8-7，进而柔性针6获得Y轴向位移，由于X轴双平行机构8-5的反向限制，Y轴产生位移时，不会产生X轴的位移，实现解耦。当需要同时对柔性针进行XY方向的位置调整时，X轴压电陶瓷驱动器8-2、Y轴压电陶瓷驱动器8-8两端同时施加驱动电压，XY平台末端执行件8-7将同时沿X轴Y轴两个方向移动，实现柔性针的XY轴位移调整。当需要调整柔性针弯曲状态时，通过启动旋转电机10施加驱动电压，与安装于Z轴平台的由直线电机定子与直线电机动子组成的直线电机一同调节，控制占空比比例，实现柔性针穿刺的变曲率轨迹。当柔性针及XY平台受到与软组织交互的挤压力时，安装于XY平台8及Z轴平台9间的筋板11起到固定XY平台8的作用，使得XY平台8不发生整体变形，保持一定刚度。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，其特征在于，包括基座、导轨、滑块、直线电机定子、直线电机动子、Z轴平台、XY平台、旋转电机、联轴器、筋板、安装座和柔性针；

所述导轨对称安装于所述基座顶部的两侧，所述直线电机定子安装于导轨之间，所述直线电机动子嵌装于直线电机定子上下部分间隙，两侧导轨分别滑动连接有所述滑块；两侧滑块对称分布于所述Z轴平台两侧且通过螺栓与Z轴平台连接；所述XY平台通过螺栓与所述Z轴平台相连接；

所述XY平台包括X轴压电陶瓷驱动器、X轴预紧螺栓、Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴预紧螺栓、X轴传动机构、Y轴传动机构和XY平台末端执行件，X轴压电陶瓷驱动器通过所述X轴预紧螺栓和所述X轴传动机构连接，Y轴压电陶瓷驱动器通过所述Y轴预紧螺栓与所述Y轴传动机构连接；

所述X轴传动机构包括X轴双平行机构和X轴传动铰链，所述Y轴传动机构包括Y轴双平行机构和Y轴传动铰链，所述X轴传动机构与所述Y轴传动机构通过所述XY平台末端执行件与所述旋转电机相连接，所述旋转电机安装于所述XY平台末端执行件内侧，并通过所述XY平台末端执行件轴向间隙与所述联轴器相连接；所述柔性针与所述联轴器相连接，所述筋板与所述安装座通过螺栓连接，所述安装座通过螺栓安装于所述Z轴平台与所述XY平台。

2.根据权利要求1所述一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，其特征在于，所述X轴双平行机构和所述Y轴双平行机构均由板状铰链组成，所述X轴传动铰链和所述Y轴传动铰链均由4个直圆铰链组成。

3.根据权利要求1所述一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，其特征在于，所述XY平台安装于所述Z轴平台上，所述Z轴平台用于实现柔性针Z向宏动，通过由所述直线电机定子与所述直线电机动子组成的直线电机驱动；所述XY平台用于实现柔性针X向和Y向微动，通过所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器驱动；通过所述旋转电机驱动可实现柔性针的轴向转动。

4.根据权利要求1所述一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，其特征在于，所述X轴双平行机构、X轴传动铰链、Y轴双平行机构、Y轴传动铰链、XY平台末端执行件均为一体成型结构。