一种并联六自由度穿刺机器人

1.本发明涉及医疗设备技术领域，具体是涉及一种并联六自由度穿刺机器人。


背景技术：

2.医疗机器人技术是集医学、机械学、计算机图形学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，其中，机器人辅助手术是医疗机器人技术的重要领域之一。图像引导的穿刺手术是诊断和治疗肿瘤的重要手段，在超声、ct、mri等医学图像引导下，将穿刺针经皮刺入软组织病灶靶区，进行活检取样、放射性粒子植入、消融治疗等操作。但手工经皮穿刺手术也存在着高度依赖医生经验、引导架限制穿刺路径选择、病灶位置漂移难以准确刺中靶点等问题。机器人凭借其可靠的精确性、稳定性和安全性成为了解决手工穿刺手术发展问题的理想途径。
3.经检索，申请号为202210340194.4的中国发明专利，名称为“小型化穿刺机器人”，通过联合驱动两层驱动组件的第一直线运动机构和第二直线运动机构，来引导穿刺针的入针位置和姿态。该方案使用四个直线运动机构实现穿刺针导向控制，驱动器数量较多，控制复杂；且该方案只能实现穿刺针的定位，无法自主完成送针、旋转操作，自动化程度有限。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供并联六自由度穿刺机器人，不但能够实现穿刺针的定位、导向工作，实现穿刺针的旋转、进给操作，而且具有工作空间紧凑的优点，提高机器人工作的灵活性。
5.为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
6.一种并联六自由度穿刺机器人，包括：z轴移动模组、并联模组、穿刺针进给模组、穿刺针旋转模组、以及穿刺针固定模组，其中：所述并联模组设置在z轴移动模组的前端；所述穿刺针进给模组设置在并联模组前端；所述穿刺针固定模组设置在穿刺针进给模组前端；所述穿刺针旋转模组设置在穿刺针固定模组上，与穿刺针进给模组连接。
7.进一步的，所述z轴移动模组包括第一支撑底座、电机、直线导轨、直线模组丝杠和直线滑动部件；所述直线导轨设置在第一支撑底座左右两侧；所述直线模组丝杠安装在第一支撑底座上；所述直线模组丝杠和电机动力连接；所述直线滑动部件和直线导轨滑动连接且直线滑动部件和直线模组丝杠螺接。
8.进一步的，所述并联模组包括第二支撑底座、第一伺服推杆、第一转动副、安装架、转轴、第二转动副和并联机构末端支架；所述第二支撑底座和第一支撑底座固定连接；所述第一伺服推杆设有三组，其中一组第一伺服推杆安装在第二支撑底座上，另外两组和转轴铰接；所述安装架安装在第二支撑底座上方；所述第一转动副安装在第二支撑底座上的第一伺服推杆的另一端；所述第二转动副安装在和转轴铰接的两组第一伺服推杆另一端；所述安装架上端开有通孔；所述转轴安装在安装架上且和通孔同心配合；所述并联机构末端支架由并联机构末端支架主体、带轴底座一和带轴底座二组成；所述并联机构末端支架主
体分别与带轴底座一和带轴底座二铰接；所述带轴底座二的轴端面和第一转动副连接；所述带轴底座一的轴端面和第二转动副连接。
9.进一步的，所述第一伺服推杆包括推杆底座、第一电机支架、第一电机、预紧底座、第一丝杠和第一滑块；所述第一电机支架安装在推杆底座上方；所述第一电机安装在第一电机支架上；所述推杆底座内部开有空腔；所述第一丝杠和第一滑块设置于推杆底座的空腔内；所述第一滑块上设有螺纹孔；所述第一滑块通过螺纹孔和第一丝杠螺接；所述第一电机上动力连接有主动带轮；所述第一丝杠上连接有从动带轮；所述主动带轮通过同步带和从动带轮连接；所述预紧底座底部设有凹槽轨道，侧面设有限位挡板；所述限位挡板上设有螺纹孔；所述限位挡板通过螺纹孔螺接有预紧螺栓
10.进一步的，所述穿刺针进给模组包括第二伺服推杆、六维力矩传感器、穿刺针支架和六棱柱柱销；所述六维力矩传感器一端和穿刺针支架固定连接，另一端和穿刺针固定模组铰接；所述穿刺针支架一端与六维力矩传感器固定连接，另一端和第一滑块固定连接；所述六棱柱柱销设置在第二伺服推杆下方；所述并联机构末端支架前端设有六棱形柱销槽；所述六棱柱柱销插入并联机构末端支架上的六棱形柱销槽中。
11.进一步的，所述第二伺服推杆包括下半部分底座、上半部分底座、第二丝杠、第二滑块和第二电机；所述上半部分底座安装在下半部分底座上方；所述下半部分底座与所述上半部分底座内部均设有空腔；所述第二丝杠和第二滑块设置于下半部分底座与上半部分底座的内腔中；所述第二滑块上设有螺纹孔；第二丝杠和第二滑块螺接；第二丝杠上连接有从动带轮；第二电机设置在下半部分底座上；第二电机上连接有主动带轮；所述主动带轮通过同步带和从动带轮连接。
12.进一步的，所述穿刺针旋转模组包括第二电机支架、第三电机、第三电机输出轴、第一连杆和第二连杆；所述第二电机支架设置于穿刺针固定模组上；所述第三电机设置第二电机支架上；所述第三电机输出轴和第三电机动力连接；所述第一连杆和第三电机输出轴同心配合；所述第二连杆一端与第一连杆同心配合形成转动副，另一端与穿刺针支架同心配合形成转动副。
13.进一步的，所述穿刺针固定模组包括固定底座、快速夹持机构和穿刺针；所述快速夹持机构和固定底座固定连接；所述快速夹持机构将穿刺针夹持在固定底座上；所述穿刺针上方设有多个红外光学定位球。
14.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
15.本发明所述的一种并联六自由度穿刺机器人，通过操作由三组伺服推杆构成的并联机构实现穿刺针固定模组的空间定位、以及导向定位，成本低，精度高。
16.本发明所述的并联六自由度穿刺机器人，结构简单，空间紧凑，能够在狭小的ct扫描孔内工作，实现在实时ct图像引导下末端穿刺机构的准确定位。
17.本发明所述的并联六自由度穿刺机器人，在通过穿刺针进给模组实现自主穿刺的基础上，还可以通过穿刺针旋转模组实现术中穿刺针的转动，完整模拟医师穿刺手术中的推进、旋捻操作，功能丰富。
18.此外，本发明所述并联六自由度穿刺机器人可根据实际需要，灵活调整设置于穿刺针进给模组后方的六棱柱柱销与六棱形柱销槽的配合角度，拓展工作空间。
附图说明
19.图1为本发明一优选实施例的整体结构示意图；
20.图2为本发明一优选实施例的整体结构示意图；
21.图3为本发明一优选实施例的穿刺针固定模组结构示意图；
22.图4为本发明一优选实施例的z轴移动模组结构示意图；
23.图5为本发明一优选实施例的转轴结构示意图；
24.图6为本发明一优选实施例的并联机构末端支架结构示意图；
25.图7为本发明一优选实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；
26.图8为本发明一优选实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；
27.图9为本发明一优选实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；
28.图10为本发明一优选实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图。
29.其中：i-z轴移动模组，ii-并联模组，iii-穿刺针进给模组，iv-穿刺针旋转模组，v-穿刺针固定模组，1-第一支撑底座，2-直线导轨，3-直线模组丝杠，4-直线滑动部件，5-第二支撑底座，6-第一转动副，7-安装架，8-转轴，9-第二转动副，10-推杆底座，11-第一电机支架，12-第一电机，13-预紧底座，14-限位挡板，15-预紧螺栓，17-第一滑块，18-同步带，19-并联机构末端支架，21-六维力矩传感器，22-穿刺针支架，23-下半部分底座，24-上半部分底座，25-第二丝杠，26-第二滑块，27-第二电机，28-六棱柱柱销，29-第二电机支架，30-第三电机，31-第一连杆，32-第二连杆，33-固定底座，34-并联机构末端支架主体，35-带轴底座一，36-带轴底座二，37-穿刺针，38-红外光学定位球。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以通过中间媒介间接相连，但是各处的连接均不影响本技术的多位置折叠。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.如图1-2所示一种并联六自由度穿刺机器人的具体实施例，其特征在于，包括：z轴移动模组i、并联模组ii、穿刺针进给模组iii、穿刺针旋转模组iv、以及穿刺针固定模组v，其中：所述并联模组ii设置在z轴移动模组i的前端；所述穿刺针进给模组iii设置在并联模组ii前端；所述穿刺针固定模组v设置在穿刺针进给模组iii前端；所述穿刺针旋转模组iv设置在穿刺针固定模组v上，与穿刺针进给模组iii连接。
34.具体的，所述z轴移动模组i拖动穿刺机器人沿z轴方向移动；所述并联模组ii依据设定调整所述穿刺针固定模组v俯仰角度、侧摆角度，依据设定拖动包括所述穿刺针固定模组v、所述穿刺针进给模组iii、以及所述穿刺针旋转模组iv沿x轴方向移动；所述穿刺针进给模组iii前端设置有所述穿刺针固定模组v，所述穿刺针进给模组iii依据设定控制所述穿刺针固定模组v做进给运动，抵达病灶、器官或血管；所述穿刺针旋转模组iv依据设定调整所述穿刺针固定模组v沿所述穿刺针轴向回转运动；所述穿刺针固定模组v夹持所述穿刺针完成穿刺操作。
35.在其他优选的实施例中，如图4所示，所述z轴移动模组i包括第一支撑底座1、直线导轨2、直线模组丝杠3和直线滑动部件4；所述直线导轨2安装在第一支撑底座1左右两侧；所述直线模组丝杠3安装在第一支撑底座1上；所述直线模组丝杠3和电机动力连接；所述直线滑动部件4和直线导轨2滑动连接且直线滑动部件4和直线模组丝杠3螺接。
36.具体的，直线模组丝杠3与直线滑动部件4螺旋传动配合。电机控制直线模组丝杠3转动，进而推动直线滑动部件4沿着直线导轨2移动。由于直线滑动部件4与外界固定支撑结构固连，因此进而实现第一支撑底座1拖动并联模组ii沿z轴方向进行直线平移。
37.在其他优选的实施例中，所述并联模组ii包括第二支撑底座5、第一伺服推杆、第一转动副6、安装架7、转轴8、第二转动副9和并联机构末端支架19；所述第二支撑底座5和第一支撑底座1固定连接；所述第一伺服推杆设有三组，其中一组第一伺服推杆安装在第二支撑底座5上，另外两组分别与转轴8的两端铰接；所述安装架7安装在第二支撑底座5上方；所述第一转动副6安装在第二支撑底座5上的第一伺服推杆的另一端；所述第二转动副9安装在和转轴8铰接的两组第一伺服推杆的另一端；所述安装架7上端开有通孔；所述转轴8转动安装在安装架7的通孔内且和通孔同心配合；所述并联机构末端支架19由并联机构末端支架主体34、带轴底座一35和带轴底座二36组成；所述并联机构末端支架主体34分别通过销轴与带轴底座一35和带轴底座二36转动连接；所述带轴底座二36的轴端面和第一转动副6转动连接；所述带轴底座一35的轴端面和第二转动副9转动连接。
38.具体的，如图5-10所示，设置在安装架7上的两组第一伺服推杆依据设定做伸缩运动，调整第二转动副9位置和方向；设置在并联模组ii支撑底座上的第一伺服杆依据设定做伸缩运动，调整第一转动副6位置；并联模组通过调节第一转动副6位置，以及第二转动副9位置和方向，实现穿刺针固定模组俯仰运动、侧摆运动、以及沿x轴方向移动。
39.具体的，穿刺针固定模组v俯仰运动由并联模组ii内的三个第一伺服推杆运动来共同实现。通过控制第二支撑底座5上的第一丝杠静止不动，安装架7上的两组第一丝杠做相同方向转动，推动各自对应的第一滑块17直线移动；或者，通过安装架7上两组第一丝杠静止不动，第二支撑底座5上的第一丝杠运动，推动对应的第一滑块17直线移动；进而推动并联机构末端支架19绕y轴偏转，实现穿刺针固定模组v绕y轴进行偏转运动。
40.具体的，穿刺针固定模组v侧摆运动主要由并联模组ii内的三个第一伺服推杆运动来共同实现。通过分别控制第二支撑底座5上的第一丝杠静止不动，安装架7上的两组第一丝杠做差动运动，推动各自对应的第一滑块17直线移动。安装架7上的两组第一伺服推杆、第二转动副9、以及转轴8组成一平面梯形，其中两组第一伺服推杆为梯形两腰，第二转动副9为梯形上底，转轴8为梯形下底。此时安装架7上的两组第一丝杠做差动运动，改变两组第一伺服推杆长度，即所述梯形的两腰长度发生变化。由于并联结构约束限制，第二转动
副9运动过程中无法进行绕z轴偏转运动，因此所述梯形上底与下底将始终保持平行。该梯形下底固定不动，由于上底和下底始终平行，当两腰长度发生变化时，上底的位置将发生平移且解唯一，即第二转动副9在该梯形平面上进行平动；
41.具体的，第二支撑底座5上的第一丝杠静止不动，安装架7上的两组第一丝杠做差动运动，改变两组第一伺服推杆长度，且运动后右上方第一伺服推杆长度大于左上方第一伺服推杆长度，进而带动第二转动副9沿y轴负方向移动，进而带动并联机构末端支架19绕x轴正方向偏转，实现穿刺针固定模组v绕x轴进行偏转运动。
42.具体的，第二支撑底座5上的第一丝杠静止不动，安装架7上的两组第一丝杠做差动运动，改变两组第一伺服推杆长度，且运动后左上方第一伺服推杆长度大于右上方第一伺服推杆长度，进而带动第二转动副9沿y轴正方向移动，进而带动并联机构末端支架19绕x轴负方向偏转，实现穿刺针固定模组v绕x轴进行偏转运动。
43.具体的，穿刺针固定模组v沿x轴方向移动主要由并联模组ⅱ内的三个第一伺服推杆运动来共同实现。由于该机器人的并联模组ⅱ由三个第一伺服推杆共同组成，因此要实现穿刺针37的沿x轴方向直线平移需要三个第一伺服推杆协同动作。即控制三个第一丝杠同步转动推动各自对应的第一滑块17直线移动，进而推动并联机构末端支架19沿x轴方向直线平移，实现穿刺针固定模组v沿x轴方向平移运动。
44.在其他优选的实施例中，所述第一伺服推杆包括推杆底座10、第一电机支架11、第一电机12、预紧底座13、第一丝杠和第一滑块17；所述预紧底座13安装在推杆底座10上方；所述第一电机支架11安装在预紧底座13的上方；所述第一电机12安装在第一电机支架11上；所述推杆底座10内部开有空腔；所述第一丝杠和第一滑块17设置于推杆底座10的空腔内；所述第一滑块17上设有螺纹孔；所述第一滑块17通过螺纹孔和第一丝杠螺接；所述第一电机12上动力连接有主动带轮；所述第一丝杠上连接有从动带轮；所述主动带轮通过同步带18和从动带轮连接；所述预紧底座13底部设有凹槽轨道，侧面设有限位挡板14；所述限位挡板14上设有螺纹孔；所述限位挡板14通过螺纹孔螺接有预紧螺栓15。
45.具体的，第一电机12通过同步带18带动第一丝杠旋转，驱使第一滑块17运动；第一电机支架11通过凹槽配合设置在预紧底座13上方，在预紧螺栓15推动作用下，拖动第一电机12沿凹槽滑动实现预紧。
46.在其他优选的实施例中，所述穿刺针进给模组iii包括第二伺服推杆、六维力矩传感器21、穿刺针支架22和六棱柱柱销28；六维力矩传感器21一端和穿刺针支架22固定连接，另一端和穿刺针固定模组v的固定底座铰接；所述穿刺针支架22一端与六维力矩传感器21固定连接，另一端和第一滑块17固定连接；；所述六棱柱柱销28设置在第二伺服推杆下方；所述六棱柱柱销28插入并联机构末端支架19上的六棱形柱销槽中。
47.具体的，通过改变六棱柱柱销28与六棱形柱销槽插入时配合角度，实现穿刺进给模组的多角度灵活安装。
48.在其他优选的实施例中，所述第二伺服推杆包括下半部分底座23、上半部分底座24、第二丝杠25、第二滑块26和第二电机27；所述上半部分底座24安装在下半部分底座23上方；所述下半部分底座23与所述上半部分底座24内部均设有空腔；所述第二丝杠25和第二滑块26设置于下半部分底座23与上半部分底座24的内腔中；所述第二滑块26上设有螺纹孔；第二丝杠25和第二滑块26螺接；第二丝杠25上连接有从动带轮；第二电机27设置在下半
部分底座23上；第二电机27上连接有主动带轮；所述主动带轮通过同步带18和从动带轮连接。
49.具体的，第二电机27通过同步带18带动第二丝杠25旋转，从而使第二滑块26和连接在第二滑块26上的穿刺针支架22上下运动。
50.在其他优选的实施例中，如图3所示，所述穿刺针旋转模组iv包括第二电机支架29、第三电机30、第三电机输出轴、第一连杆31和第二连杆32；所述第二电机支架29设置于穿刺针固定模组v上；所述第三电机30设置第二电机支架29上；所述第三电机输出轴和第三电机30动力连接；所述第一连杆31和第三电机输出轴同心配合；所述第二连杆32一端与第一连杆31同心配合形成转动副，另一端与穿刺针支架22同心配合形成转动副。
51.具体的，所述的第一连杆31、第二连杆32、穿刺针支架22、以及穿刺针固定模组
ⅴ
构成铰链四杆机构；所述的第三电机30带动所述的第一连杆31转动，六维力矩传感器21和穿刺针固定模组的固定底座33铰接，可以实现驱动穿刺针固定模组
ⅴ
以穿刺针为轴线做旋转运动。
52.在其他优选的实施例中，所述穿刺针固定模组v包括固定底座33、快速夹持机构、穿刺针37和光学定位球38；所述快速夹持机构和固定底座33固定连接；所述快速夹持机构将穿刺针37夹持在固定底座33上；所述穿刺针上方设有多个红外光学定位球38。
53.具体的，在穿刺针37上方设置有多个红外光学定位球38，实现工作过程中穿刺针姿态位置的定位与校准。
54.最后，需要注意的是，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。