一种紧凑型手持式超声精准穿刺机器人

本发明涉及医疗机器人，具体而言，涉及一种用于穿刺手术的紧凑型手持式超声精准穿刺机器人。

背景技术：

1、在医疗诊疗领域，穿刺手术是一项应用广泛的临床操作，主要用于药物注射、脉管穿刺、经皮穿刺、病灶消融等场景，涵盖血管、肺部、胸腹部等多个部位，同时也运用于星状神经节阻滞等神经调控类穿刺操作，是实现疾病早期诊断、精准治疗及神经功能调控的关键技术手段。

2、目前，临床常用的穿刺方式主要分为手工穿刺和机器人辅助穿刺两大类。手工穿刺仍是基层医疗机构及部分复杂场景下的主要方式，但受医生手部抖动、操作疲劳、经验差异等人为因素影响，穿刺针的进针角度、深度控制精度较低，极易出现穿刺偏差，要么未能精准抵达目标导致治疗效果不佳，要么穿刺过深或偏离方向，损伤周围重要组织并引发严重并发症。手工穿刺操作难度大、学习周期长，导致优质穿刺诊疗资源分布不均，同时医生劳动强度大、长期暴露于辐射环境，存在身体健康隐患。

3、为解决手工穿刺的精度缺陷，国内外研发出了一些大型台式穿刺机器人，这类设备通常由机械臂、成像设备、空间定位系统及工作站四部分组成，通过医学图像三维建模、穿刺路径规划和机器人导航定位等技术，实现高精度穿刺操作。现有穿刺机器人的核心优势是穿刺精度高，但存在以下缺陷：

4、1、体积庞大、无法移动：大型台式穿刺机器人需固定安装在特定场地，无法应用于床边、急诊、基层出诊等场景，也难以适配星状神经节阻滞穿刺中患者的灵活体位；

5、2、成本高昂：设备造价昂贵，大多数基层医疗机构难以承担；

6、3、操作流程繁琐、效率低：操作流程较为复杂，灵活性不足，无法适应复杂解剖结构的穿刺需求；

7、4、缺乏手持操作功能：不具备良好的手持操作功能，难以应对术中突发情况。

8、此外，现有小型辅助式穿刺设备也缺乏灵活性和精准度，仍需依赖医生手动进行调整，难以从根本上解决精度问题，且缺乏实时影像反馈和力感知功能。患者容易因生理运动、软组织形变而导致穿刺偏差并引发并发症。结构设计也不太合理，手持的舒适度差、易打滑，部分手持式设备重心控制不佳、易产生振动，通用性较差，无法适配不同规格穿刺针，且动力传输不稳定、结构刚度不足，缺乏被动调节功能，限制了穿刺精度和操作灵活性。

9、因此，亟需一种体积小巧、便于手持、精度高、具备实时影像引导功能的穿刺机器人。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中穿刺机器人体积庞大、成本高昂、缺乏手持操作功能、灵活性不足的缺陷，提供一种结构紧凑、手持操作、精度高、具备超声实时引导功能的紧凑型手持式超声精准穿刺机器人。

2、本发明提出的紧凑型手持式超声精准穿刺机器人，包括：

3、超声模块，设置于所述机器人的前端，用于实时获取穿刺区域的超声影像；

4、穿刺模块，设置于所述机器人的下端，用于安装穿刺针并执行穿刺动作；

5、姿态调整模块，连接于所述超声模块与所述穿刺模块之间，用于调整所述穿刺模块相对于所述超声模块的空间姿态；

6、握持模块，设置于所述机器人上，供操作者握持以操控整个装置；

7、其中，所述姿态调整模块包括：

8、翻转模块，其第一端与所述超声模块连接，用于提供第一转动自由度，实现对所述穿刺模块的穿刺角度粗调；

9、传动模块，其第一端与所述翻转模块的第二端连接，用于提供第一移动自由度，实现对穿刺位置的微调；

10、所述穿刺模块包括：

11、穿刺角度调节机构，与所述传动模块的第二端连接，用于提供第二转动自由度，实现对穿刺角度的精细调节；

12、进针机构，设置于所述穿刺角度调节机构上，用于提供第二移动自由度，实现穿刺针的轴向进给；

13、超声模块具体包括显示屏、数据线、夹具、快拆装置和超声探头，显示屏通过数据线连接超声探头以显示实时影像，夹具固定于翻转模块的翻转板前端用于固定探头，快拆装置便于探头的快速拆装；翻转模块通过第一舵机驱动第一丝杆传动组件带动连杆摆动，进而驱动传动模块及穿刺模块整体摆动，实现穿刺角度粗调；传动模块通过第三舵机驱动穿刺机构连接板沿第二导轨部分直线移动，实现穿刺位置微调；穿刺角度调节机构通过第四舵机驱动曲柄机构带动穿刺针安装板绕铰接点摆动，实现角度精细调节；进针机构通过第五舵机驱动第四丝杆传动组件带动固定块及穿刺针轴向移动，实现进针与退针。

14、作为本发明进一步优化的方案，所述翻转模块包括：

15、翻转板，与所述超声模块固定连接；

16、第一舵机，安装于所述翻转板上；

17、第一丝杆传动组件，与所述第一舵机的输出端传动连接；

18、连杆，其一端与所述第一丝杆传动组件的螺母连接，另一端与所述传动模块连接；

19、当所述第一舵机工作时，通过所述第一丝杆传动组件带动所述连杆摆动，进而驱动所述传动模块及所述穿刺模块整体摆动；

20、翻转板为翻转模块的安装基体，第一舵机通过舵机支架固定于翻转板上，其输出轴通过金属舵盘和联轴器与第一丝杆传动组件的第一锥齿轮传动连接；第一丝杆传动组件包括第一滚珠丝杆、第一法兰螺母及轴承支撑座、第一轴承固定座，第一滚珠丝杆通过轴承支撑座转动安装于翻转板上，第一法兰螺母与丝杆螺纹连接；连杆通过圆柱销与第一导轨滑块座铰接，第一导轨滑块座滑动安装于第一导轨上，第一舵机旋转时，第一法兰螺母沿丝杆轴向移动，通过滑块连接杆带动第一导轨滑块座及连杆摆动，最终实现穿刺模块的角度粗调。

21、作为本发明进一步优化的方案，所述传动模块包括：

22、传动固定板；

23、第三舵机，安装于所述传动固定板上；

24、第二导轨部分，设置于所述传动固定板上；

25、穿刺机构连接板，滑动安装于所述第二导轨部分上，并与所述穿刺模块的穿刺针固定板固定连接；

26、所述第三舵机驱动所述穿刺机构连接板沿所述第二导轨部分直线移动；

27、传动固定板为传动模块的安装基准，第二导轨部分包括第二导轨和第二导轨滑块，作为直线导向组件；穿刺机构连接板通过三角连接板与第二导轨滑块固定连接，第三舵机驱动时，穿刺机构连接板带动穿刺模块沿第二导轨直线移动，实现穿刺位置的微调；传动模块还可通过平移机构连接板与翻转模块的连杆铰接，当翻转模块驱动时，传动模块随连杆整体摆动，实现角度调节。

28、作为本发明进一步优化的方案，所述穿刺角度调节机构包括：

29、穿刺针固定板，与所述传动模块的穿刺机构连接板固定连接；

30、穿刺针安装板，其第一端与所述穿刺针固定板铰接；

31、第四舵机，安装于所述穿刺针固定板上；

32、曲柄，其输入端与所述第四舵机传动连接，其输出端与所述穿刺针安装板连接；

33、当所述第四舵机工作时，通过所述曲柄驱动所述穿刺针安装板绕其铰接点摆动；

34、穿刺针固定板呈l形，竖直段上端与传动模块的穿刺机构连接板固定连接，水平段向下弯折并通过转轴与穿刺针安装板的下端铰接；第四舵机固定于穿刺针固定板的l形水平段上端，其输出轴通过锥齿轮副与曲柄的输入端传动连接；曲柄的输出端与第四导轨滑块铰接，第四导轨滑块滑动安装于穿刺针安装板侧部的第四导轨上，第四舵机旋转时，曲柄带动第四导轨滑块直线移动，进而驱动穿刺针安装板绕铰接点摆动，实现穿刺角度的精细调节。

35、作为本发明进一步优化的方案，所述进针机构包括：

36、第五舵机，安装于所述穿刺针安装板上；

37、第四丝杆传动组件，与所述第五舵机连接；

38、固定块，安装于所述第四丝杆传动组件的螺母上，用于夹持穿刺针；

39、第四导轨部分，设置于所述穿刺针安装板上，用于引导所述固定块直线移动；

40、所述第五舵机通过所述第四丝杆传动组件驱动所述固定块沿所述第四导轨部分移动，实现穿刺针的进给与退针；

41、第五舵机固定于穿刺针安装板的上端，第四丝杆传动组件包括第四滚珠丝杆及丝杆螺母，第五舵机驱动丝杆旋转时，丝杆螺母带动固定块沿第四导轨部分的第四导轨直线移动；固定块通过快拆按钮和固定盖夹持穿刺针，便于穿刺针的快速拆装与更换；穿刺针尾部连接延长管，延长管通过延长管挂钩梳理限位，实现药液输送。

42、作为本发明进一步优化的方案，还包括注射模块，所述注射模块固定安装于所述翻转模块的翻转板上，用于安装注射器并执行药液的注射或回抽操作；

43、注射模块通过注射器固定板与翻转模块的翻转板固定连接，注射器固定板同时作为握持模块的安装基体，其与传动模块的平移机构连接板之间留有间隙，保证各模块运动的独立性；注射模块可适配不同规格的注射器，通过针筒固定片和针筒固定块固定注射针筒，实现药液的稳定存储与输送。

44、作为本发明进一步优化的方案，所述注射模块包括：

45、注射器固定板，与所述翻转模块的翻转板固定连接；

46、第二舵机，安装于所述注射器固定板上；

47、第二丝杆传动组件，与所述第二舵机连接；

48、注射推杆，其一端与所述第二丝杆传动组件的螺母连接，另一端与注射器的活塞连接；

49、所述第二舵机通过所述第二丝杆传动组件驱动所述注射推杆直线移动，实现药液的推送或回抽；

50、注射器固定板为注射模块的安装基体，第二舵机固定于注射器固定板上，第二丝杆传动组件包括滚珠丝杆、丝杆螺母及轴承座，第二舵机驱动丝杆旋转时，丝杆螺母通过注射法兰螺母连接杆带动注射推杆直线移动；注射推杆通过注射推杆固定块径向限位，其前端与注射针筒内的活塞连接，后端与驱动机构相连，实现药液的推送或回抽；药液通过注射延长管头和延长管输送至穿刺针。

51、作为本发明进一步优化的方案，所述握持模块包括固定安装于所述注射模块的注射器固定板两侧的握持支架和设置于两个所述握持支架之间的握把，所述握把表面设有防滑结构；

52、握持支架对称分布于注射器固定板上端面的两侧，一端与注射器固定板固定连接，另一端与握把的端部固定连接；握把采用人体工学设计，表面设置防滑涂层，形成供操作者稳定握持的区域，便于手持操作机器人完成穿刺过程。

53、作为本发明进一步优化的方案，所述超声模块包括：

54、超声探头；

55、夹具，固定于所述翻转模块的翻转板前端，用于固定所述超声探头；

56、快拆装置，设置于所述夹具与所述超声探头之间，用于实现超声探头的快速拆装；

57、显示屏，与所述超声探头连接，用于实时显示超声影像；

58、超声探头选用小型便携式探头，适配手持式机器人，通过夹具固定于翻转模块的翻转板前端；快拆装置设置于夹具与探头之间，设有快拆按钮，便于探头的快速拆装、清洁消毒及更换；显示屏通过数据线与超声探头连接，实时显示穿刺区域的超声影像，辅助操作者观察靶点位置。

59、作为本发明进一步优化的方案，所述传动模块还包括被动式转动机构，所述被动式转动机构包括冗余连杆和滑块组件，用于增大所述穿刺模块的摆动角度范围；

60、被动式转动机构包括第三导轨部分、冗余连杆、连接块和滑块座，第三导轨部分包括第三导轨和第三导轨滑块，冗余连杆两端通过转动副与中间传动件及执行末端连接，形成被动转动结构；当翻转模块驱动传动模块摆动时，被动式转动机构通过冗余连杆的联动，增大穿刺模块的摆动角度范围，提升穿刺的工作空间和操作灵活性。

61、本发明所提出的紧凑型手持式超声精准穿刺机器人，具有以下有益效果：

62、1、本发明将超声探头与穿刺机构集成于同一机器人上，通过翻转模块的连杆机构使超声影像平面与穿刺针始终保持共面，避免了手术中反复校准的麻烦，大幅提升了实时引导的精准度，减少了穿刺偏差。

63、2、本发明通过模块化构型设计，将多个功能模块的驱动单元依次布设，配套连杆传动机构和直线导轨，实现整机小型化设计，大幅缩减整机体积与重量，实现设备的轻量化与高便携性，可适配床边、急诊、基层出诊等多种场景。

64、3、本发明采用“两转两移”运动构型，翻转模块提供第一转动自由度（角度粗调），曲柄机构提供第二转动自由度（角度精调），传动模块的直线导轨提供第一移动自由度（位置微调），穿刺模块的丝杆传动提供第二移动自由度（进针），实现穿刺针的空间姿态调整与稳定进给。

65、4、本发明通过多个舵机分别驱动翻转、进给、穿刺角度调节及注射动作，实现自动穿刺和自动药物注射/回抽，简化了穿刺流程，提升穿刺效率和精度。

66、5、本发明设置被动式转动机构，通过冗余连杆增大执行末端的摆动角度，提升穿刺的工作空间和操作灵活性。

67、6、本发明将注射器延长管安装于穿刺机器人上，便于应对术中突发的靶点位移、患者体位变动等情况，充分发挥医生的主观判断和操作经验，大大提高了穿刺的安全性。

68、7、本发明的超声探头和穿刺针均采用快拆装置，拆装方便，便于清洁消毒和更换不同规格的耗材。

69、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。