正交结构四自由度穿刺针定位导向装置的制作方法

1.本技术涉及医疗设备技术领域，具体而言，涉及一种医疗辅助装置。


背景技术：

2.在现代临床实践中应用的许多常规治疗涉及用于活组织检查、药物输送和其他诊断和治疗程序的医疗工具(例如针和导管)的经皮插入。插入程序的目标是将合适的医疗工具的尖端安全精确地放置在靶区域，靶区域可能是病灶、肿瘤、器官或血管。需要这样的医疗工具的插入的治疗的实例包括疫苗接种、血液/液体取样、局部麻醉、组织活检、导管插入、低温消融、电解消融、近距离放射治疗、神经外科手术、深部脑刺激和各种微创手术。
3.近些年，小型化的自动定位导向装置已经被引入。这些装置的一部分是帮助选择插入点并帮助将针和插入点以及靶对准的引导装置，然后医师手动插入针。这些装置可以安装在患者的身体上自动补偿呼吸，因此要求装置的体积要足够小，重量足够轻巧，并且针的穿刺方向由装置的引导方向确定，因此装置能够引导的穿刺针的入针位置和姿态穿刺手术效果产生直接影响。


技术实现要素：

4.本技术的主要目的在于提供一种正交结构四自由度穿刺针定位导向装置，以解决相关技术中的穿刺机器人体积较大，工作空间较小，能够穿刺的姿态类型较少，以及可调整的姿态角度较小的问题。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种正交结构四自由度穿刺针定位导向装置，该正交结构四自由度穿刺针定位导向装置包括：驱动平台，设置为两组并上下分布；每个所述驱动平台均包括基座、平移组件、直线驱动组件、驱动连杆、支架、滑块和连接关节；所述平移组件固设于所述基座上，所述平移组件可驱动所述支架直线平移；所述直线驱动组件固设于所述支架上；所述驱动连杆的第一端与所述直线驱动组件的输出端通过竖直轴铰接，第二端与所述滑块通过竖直轴铰接；所述滑块设于所述支架上并可沿垂直于所述支架的平移方向滑动；所述连接关节通过y方向转轴铰接于所述滑块上；还包括第一固定部和第二固定部，所述第一固定部和所述第二固定部分别通过一个x方向水平轴铰接在其中一个所述驱动平台的连接关节和另一个所述驱动平台的连接关节上；所述第二固定部用于安装穿刺针，所述第二固定部上固设有直线导轨，所述直线导轨的轴线与穿刺针的轴线位于同一平面并保持平行，所述直线导轨的上端滑动贯穿所述第一固定部。
6.进一步的，驱动平台还包括第一导轨和导向块；
所述导向块设置为两组并位于所述基座的两侧，所述第一导轨设置为两个并分别滑动套设在对应的导向块内，所述第一导轨的端部与所述支架固定连接。
7.进一步的，支架包括安装板和设于所述安装板端部的第二导轨；所述直线驱动组件固设于所述安装板上，所述第一导轨的端部与所述安装板固定连接；所述平移组件可驱动所述支架直线平移；所述第二导轨沿垂直于所述安装板的移动方向设置；所述滑块滑动设于所述第二导轨上。
8.进一步的，安装板的两端设置有连接块，所述连接块与所述第一导轨的端部固定连接。
9.进一步的，安装板和所述基座上均开设有多个减重孔。
10.进一步的，第一固定部和第二固定部分别设置为第一安装套和第二安装套；所述第一安装套与其中一个驱动组件上的所述连接关节的第二端通过x方向水平轴铰接；所述第二安装套与另一个驱动组件上的所述连接关节的第二端通过x方向水平轴铰接；所述直线导轨的下端固定套设在所述第二安装套内，上端滑动贯穿第一安装套；所述第二安装套上开设有用于固定穿刺针的安装孔。
11.进一步的，连接关节包括连接耳座和连接板；所述连接耳座的底部与所述滑块通过y方向水平轴铰接，以使所述连接耳座可沿y轴旋转；所述连接板的第一端通过x方向水平轴铰接在所述连接耳座内，第二端与对应的所述第一安装套和所述第二安装套连接，以使所述第一安装套和所述第二安装套均可绕x轴旋转。
12.进一步的，平移组件包括固定在所述基座上的第一直线电机，所述第一直线电机位于所述安装板下方，所述第一直线电机的输出端与所述安装板传动连接。
13.进一步的，直线驱动组件包括固定在所述安装板下方的第二直线电机，所述第二直线电机的输出端与所述驱动连杆的第一端通过竖直轴铰接。
14.进一步的， 位于下部的所述驱动平台的基座上设置有连接柱，所述连接柱分布在所述基座的两侧；位于上部的所述驱动平台的基座固定在所述连接柱的上端。
15.在本技术实施例中，通过设置驱动平台，设置为两组并上下分布；每个驱动平台均包括基座、平移组件、直线驱动组件、驱动连杆、支架、滑块和连接关节；平移组件固设于基座上，平移组件可驱动支架直线平移；直线驱动组件固设于支架上；驱动连杆的第一端与直线驱动组件的输出端通过竖直轴铰接，第二端与滑块通过竖直轴铰接；滑块设于支架上并可沿垂直于支架的平移方向滑动；连接关节通过y方向转轴铰接于滑块上；还包括第一固定部和第二固定部，第一固定部和第二固定部分别通过一个x方向水平轴铰接在其中一个驱动平台的连接关节和另一个驱动平台的连接关节上，第一固定部和第二固定部滑动连接；第二固定部用于安装穿刺针，达到了由两个驱动平台上的平移组件共同动作带动穿刺针在y方向上水平移动，由直线驱动组件、驱动连杆、支架、滑块和连接关节共同动作带动穿刺针
在x方向上平移移动以及绕x轴和y轴偏转动作的目的，从而实现了使该穿刺机器人具有四个自由度动作，并且使其整体具有更小的体积及重量和更多的工作空间的技术效果，进而解决了相关技术中的穿刺机器人体积较大，工作空间较小，能够穿刺的姿态类型较少，以及可调整的姿态角度较小的问题。
16.本技术所设计的定位导向装置，因其体积小巧，可固定于患者腹部、背部、侧背部、前胸部，也可安装于机械臂上，侧立于患者身旁，通过平移组件和直线驱动组件的运动，驱动两层驱动平台的滑块分别沿着x与y方向移动，进而引导穿刺针的入针位置和姿态，实现导向定位功能，辅助医生完成穿刺手术。
附图说明
17.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1是根据本技术实施例的结构示意图；图2是根据本技术实施例的爆炸结构示意图；图3是根据本技术实施例的侧视结构示意图；图4是根据本技术实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；图5是根据本技术实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；图6是根据本技术实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；图7是根据本技术实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；图8是根据本技术实施例中的穿刺针一种姿态的结构示意图；其中，1驱动平台，2支架，21安装板，22第一导轨，3直线驱动组件，4平移组件，5减重孔，6驱动连杆，7滑块，8穿刺针，9第一固定部，91第一安装套，10第二固定部，101第二安装套，102直线导轨，11连接关节，12基座，13连接块，14第二导轨，15导向块，16连接柱。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
19.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。
20.在本技术中，术语“上”、“下”、“内”、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。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
21.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领
域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
22.此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
23.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
24.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
25.为提高医生在患者身上进行针穿刺操作的精度和效率，相关技术中采用穿刺机器人进行辅助穿刺。由穿刺机器人通过姿态调整确定穿刺针的穿刺位置和穿刺角度，因此针能够穿刺的位置和角度也直接受到穿刺机器人能够引导的姿态和角度的限制。并且在一些情况下穿刺机器人需要固定在患者的身体上，因此要求穿刺机器人的体积和重量要求较高。
26.为此，本技术提供一种正交结构四自由度穿刺针定位导向装置，以实现在穿刺机器人体积和重量较小的同时使其具有更大的工作空间、更大的调整姿态角和更多的姿态的目的。具体如下所示：如图1至图8所示，本技术实施例提供了一种正交结构四自由度穿刺针定位导向装置，该正交结构四自由度穿刺针定位导向装置包括：驱动平台1，设置为两组并上下分布；每个驱动平台1均包括基座12、平移组件4、直线驱动组件3、驱动连杆6、支架2、滑块7和连接关节11；平移组件4固设于基座12上，平移组件4可驱动支架2直线平移；直线驱动组件3固设于支架2上；驱动连杆6的第一端与直线驱动组件3的输出端通过竖直轴铰接，第二端与滑块7通过竖直轴铰接；滑块7设于支架2上并可沿垂直于支架2的平移方向滑动；连接关节11通过y方向转轴铰接于滑块7上；还包括第一固定部9和第二固定部10，第一固定部9和第二固定部10分别通过一个x方向水平轴铰接在其中一个驱动平台1的连接关节11和另一个驱动平台1的连接关节11上，第一固定部9和第二固定部10滑动连接；第二固定部10用于安装穿刺针8。
27.本实施例中，该正交结构四自由度穿刺针定位导向装置主要由两个驱动平台1组成，两个驱动平台1呈上下排布的方式布置，两个驱动平台1在结构上整体相同并且可独立动作。对于每个驱动平台1而言，其均由基座12、平移组件4、直线驱动组件3、驱动连杆6、支架2、滑块7和连接关节11组成。其中基座12作为其余部件的安装基础，平移组件4固定在基座12上，支架2则安装在平移组件4的输出端，使得平移组件4的动作可带动支架2直线移动。在本实施例中平移组件4的输出方向为y轴方向，即可带动支架2在y轴方向上进行直线平移。而直线驱动组件3、驱动连杆6、支架2、滑块7和连接关节11均安装在支架2上，因此平移组件4可带动支架2和支架2上的各个部件包括连接关节11同步在y轴方向上进行直线平移。
28.在实现y轴方向上平移动作的同时，本实施例中的穿刺机器人还需要实现在x轴方向上的平移动作。对于该平移动作，本技术通过驱动连杆6和滑块7来实现，驱动连杆6的两
端分别与直线驱动组件3的输出端和滑块7通过竖直轴铰接，而滑块7则在支架2上可沿x轴方向滑动。通过控制直线驱动组件3的输出端进行直线移动来推动驱动连杆6绕z轴旋转并推动滑块7在支架2上沿x轴方向进行平移，进而带动安装在滑块7上的连接关节11实现x轴方向上的平移。
29.对于穿刺机器人在绕x轴和y轴的偏转运动而言，本技术将连接关节11通过y方向转轴铰接于滑块7上，并使两个驱动平台1上的连接关节11分别通过x方向转轴铰接一个第一固定部9和第二固定部10，并使第一固定部9和第二固定部10始终保持滑动连接的连接关系。即通过第一固定部9和第二固定部10将两个驱动平台1的输出动作合力至安装在第二固定部10上的穿刺针8上。
30.当位于上部的驱动平台1上的滑块7和位于下部的驱动平台1上的滑块7在x轴方向上存在位移差时，第一固定部9和第二固定部10由于要保持滑动连接，因此使其绕x轴偏转，进而带动穿刺针8绕x轴偏转。当位于上部的驱动平台1上的滑块7和位于下部的驱动平台1上的滑块7在y轴方向上存在位置差时，第一固定部9和第二固定部10由于要保持滑动连接，因此使其绕y轴偏转，进而带动穿刺针8绕y轴偏转。
31.综上，本技术中的正交结构四自由度穿刺针定位导向装置可实现穿刺针8在x轴方向和y轴方向上进行直线平移的动作以及绕x轴旋转和绕y轴旋转的动作，即可控制穿刺针8在四个自由度上进行姿态的调整。
32.以下对多种姿态调整分别进行说明：1、穿刺针8沿y轴方向进行直线平移如图1和图4所示，本技术中的穿刺针8沿y轴方向的直线平移主要由每个驱动平台1内的平移组件4来推动支架2实现。由于该穿刺机器人由两个驱动平台1共同组成，因此要实现穿刺针8的y轴方向直线平移需要两个驱动平台1同步动作实现。即控制两个驱动平台1内的平移组件4同步动作来推动各自对应的支架2沿y轴方向直线平移，进而推动安装在支架2上的穿刺针8沿y轴方向进行直线平移。
33.2、穿刺针8沿x轴方向进行直线平移本技术中的穿刺针8沿x轴方向的直线平移主要由每个驱动平台1内的直线驱动组件3、驱动连杆6和滑块7来共同实现。由于滑块7在支架2上可沿着x轴方向滑动，因此直线驱动组件3、驱动连杆6和滑块7可共同组成一个连杆滑块7结构。由于该穿刺机器人由两个驱动平台1共同组成，因此要实现穿刺针8的x轴方向直线平移需要两个驱动平台1内的直线驱动组件3同步动作实现。即控制两个直线驱动组件3同步动作来推动各自对应的滑块7沿着x轴方向在支架2上滑动，进而推动连接在滑块7上的穿刺针8沿x轴方向进行直线平移。
34.并且由于穿刺针8沿x轴方向的直线平移和沿y轴方向的直线平移由可单独动作的平移组件4和直线驱动组件3来实现，因此可实现穿刺针8同时实现沿x轴方向的直线平移和沿y轴方向的直线平移。
35.3、穿刺针8绕y轴进行偏转如图5和图6所示，本实施例中的穿刺针8绕y轴进行偏转需要通过控制上部的驱动平台1的滑块7和下部的驱动平台1的滑块7在x轴方向上具有位置差来实现。即控制上部的驱动平台1的直线驱动组件3和下部的驱动平台1的直线驱动组件3具有不同的运动输出，使得上下排布的两个滑块7在x轴方向上具有位置差，由于两个滑块7上各自铰接有一个连接
关节11，而两个连接关节11又通过第一固定部9和第二固定部10进行连接。因此两个滑块7之间的动作会带动连接在两个滑块7上的连接关节11绕y轴旋转一定的角度，该角度的大小由两个滑块7之间的位置差大小来决定。当两个连接关节11绕y轴旋转时会带动第一固定部9和第二固定部10同步绕y轴旋转，进而带动安装在第二固定部10上的穿刺针8绕y轴偏转。
36.4、穿刺针8绕x轴进行偏转如图7和图8所示，本实施例中的穿刺针8绕x轴进行偏转需要通过控制上部的驱动平台1的滑块7和下部的驱动平台1的滑块7在y轴方向上具有位置差来实现。即控制上部的驱动平台1的平移组件4和下部的驱动平台1的平移组件4具有不同的运动输出，使得上下排布的两个滑块7在y轴方向上具有位置差，由于两个滑块7上各自铰接有一个连接关节11，而两个连接关节11又分别通过x方向转轴铰接有第一固定部9和第二固定部10，第一固定部9和第二固定部10之间又保持滑动连接的连接关系。因此两个滑块7之间的动作会带动连接在两个连接关节11上的第一固定部9和第二固定部10绕x轴同步旋转一定的角度，从而带动安装在第二固定部10上的穿刺针8绕x轴进行偏转。
37.本实施例达到了由两个驱动平台1上的平移组件4共同动作带动穿刺针8在y方向上水平移动，由直线驱动组件3、驱动连杆6、支架2、滑块7和连接关节11共同动作带动穿刺针8在x方向上平移移动以及绕x轴和y轴偏转动作的目的，从而实现了使该穿刺机器人具有四个自由度动作，并且使其整体具有更小的体积及重量和更多的工作空间的技术效果，进而解决了相关技术中的穿刺机器人体积较大，工作空间较小，能够穿刺的姿态类型较少，以及可调整的姿态角度较小的问题。
38.由于本技术中穿刺针8的y方向直线平移需要通过支架2移动来实现，因此为使支架2的平移更为稳定，如图1和图2所示，本实施例中驱动平台1还包括第一导轨22和导向块15；导向块15设置为两组并位于基座12的两侧，第一导轨22设置为两个并分别滑动套设在对应的导向块15内，第一导轨22的端部与支架2固定连接。
39.具体的，需要说明的是，在支架2的移动过程中基座12保持不动状态，因此在基座12的两侧固定有导向块15，而在支架2的两侧固定有第一导轨22，第一导轨22与导向块15滑动连接，使得支架2的直线移动在第一导轨22和导向块15的配合下实现精准导向。本实施例中第一导轨22可设置为圆柱形结构。
40.由于滑块7需要在支架2上沿x轴方向直线移动，因此本实施例中为对滑块7的移动进行精准的导向，如图1和图2所示，支架2包括安装板21和设于安装板21端部的第二导轨14；直线驱动组件3固设于安装板21上，第一导轨22的端部与安装板21固定连接；平移组件4可驱动支架2直线平移；第二导轨14沿垂直于安装板21的移动方向设置；滑块7滑动设于第二导轨14上。
41.具体的，需要说明的是，安装板21设置为板状结构，在安装板21的端部具有凹槽结构，第二导轨14安装在凹槽结构内，从而在减小安装板21的尺寸的同时实现第二导轨14的安装。滑块7套设在第二导轨14上并滑动连接，第二导轨14也可设置为圆柱形结构。为便于第一导轨22在安装板21上的连接，本实施例中在安装板21的两端设置有连接块13，连接块13与第一导轨22的端部固定连接。连接块13上开设有通孔结构，第一导轨22的端部穿设在连接块13的通孔内并固定。连接块13和安装板21之间可通过螺栓进行固定连接。
42.为减小安装板21的重量以减小整个装置的重量，本实施例在安装板21和基座12上
均开设有多个减重孔5。
43.如图1和图2所示，第一固定部9和第二固定部10分别设置为第一安装套91和第二安装套101；第一安装套91与其中一个驱动组件上的连接关节11的第二端通过x方向水平轴铰接；第二安装套101与另一个驱动组件上的连接关节11的第二端通过x方向水平轴铰接；第一安装套91和第二安装套101之间滑动连接有直线导轨102；第二安装套101上开设有用于固定穿刺针8的安装孔。
44.具体的，需要说明的是，为实现第一固定部9和第二固定部10之间的滑动连接关系，本实施例中将第一固定部9和第二固定部10分别设置为第一安装套91和第二安装套101。第二安装套101上固定有直线导轨102，直线导轨102的上端穿过第一安装套91并滑动连接，从而满足对两个驱动平台1的运动进行合力后输出至穿刺针8上的要求。为便于安装穿刺针8，本实施例中第二安装套101上还开设有一个安装孔，穿刺针8可穿过该安装孔后固定在安装孔内。
45.为使穿刺针8的姿态调整更为稳定，直线导轨102的轴线与穿刺针8的轴线位于同一平面并保持平行。
46.进一步的，连接关节11包括连接耳座和连接板；连接耳座的底部与滑块7通过y方向水平轴铰接，以使连接耳座可沿y轴旋转；连接板的第一端通过x方向水平轴铰接在连接耳座内，第二端与对应的第一安装套91和第二安装套101连接，以使第一安装套91和第二安装套101均可绕x轴旋转。
47.具体的，需要说明的是，连接耳座和滑块7之间通过y方向水平轴铰接，y方向水平轴的两端与对应的连接耳座和滑块7之间通过连接轴承进行连接，使得连接耳座可实现绕y轴的旋转。连接板的第一端延伸入连接耳座的两个侧板之间，并与两个侧板通过x方向水平轴铰接，x方向水平轴与对应的侧板之间通过连接轴承进行连接，使得连接板可绕x轴旋转。第一安装套91和第二安装套101可与对应的连接板一体成型设置。
48.为使该穿刺机器人的结构更为简单，本实施例中平移组件4包括固定在基座12上的第一直线电机，第一直线电机位于安装板21下方，第一直线电机的输出端与安装板21传动连接，第一直线电机的固定端则固定在基座12上。
49.同理，本实施例中直线驱动组件3包括固定在安装板21下方的第二直线电机，第二直线电机的输出端与驱动连杆6的第一端通过竖直轴铰接，第二直线电机的固定端则固定在安装板21的下表面。
50.由于两个驱动平台1之间的基座12采用相互固定连接的方式，因此为便于上下两个基座12的固定连接， 位于下部的驱动平台1的基座12上设置有连接柱16，连接柱16分布在基座12的两侧；位于上部的驱动平台1的基座12固定在连接柱16的上端。例如，位于上部的驱动平台1的基座12可通过螺丝固定在连接柱16上。
51.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。