基于RCM结构的四自由度穿刺针定位导向装置的制作方法

基于rcm结构的四自由度穿刺针定位导向装置
技术领域
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对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基于rcm（远程中心机构（remote central mechanism））结构的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，能够穿刺的姿态类型较少，可调整的姿态角度较小，以及动作精确度和稳定性不足的问题。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种基于rcm结构的四自由度穿刺针定位导向装置，该基于rcm结构的四自由度穿刺针定位导向装置包括：驱动平台、第一偏转机构和第二偏转机构；其中，所述驱动平台包括基座、平移组件、直线驱动组件、驱动连杆、支架和滑块；所述平移组件固定在所述基座上，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受驱动连杆的驱动沿垂直于所述支架的平移方向滑动；所述支架的上端设置有支撑平台，所述支撑平台的第一端与所述滑块固定连接，第二端与所述支架滑动连接，以使所述支撑平台可随所述滑块沿垂直于所述支架的平移方向滑动；所述第一偏转机构和所述第二偏转机构均设于所述支撑平台上；所述第一偏转机构的输出端可绕y轴偏转；所述第二偏转机构设于所述第一偏转机构的输出端，所述第二偏转机构的输出端可绕x轴偏转，所述第二偏转机构的输出端设置有用于固定穿刺针的固定部；x轴和y轴为水平且互相垂直的两条轴。
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，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；所述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。
9.进一步的，支架的上端设置有支撑平台，所述支撑平台的第一端与所述滑块固定连接，第二端与所述支架的上端滑动连接；所述第一偏转机构包括设于所述支撑平台上的偏转平台和第一旋转机构，所述偏转平台的两端与所述支撑平台的两端通过y方向转轴铰接，y方向转轴的轴线沿y轴延伸；所述第一旋转机构设于所述支撑平台上，用于驱动所述偏转平台绕y轴旋转；所述第二偏转机构设于所述偏转平台上。
10.进一步的，第一旋转机构包括设于所述y方向转轴上的第一锥齿轮以及设于所述支撑平台上的驱动电机，所述驱动电机的输出端设置有与所述第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮。
11.进一步的，第二偏转机构包括直线运动组件和平行四边形连杆组件；所述直线运动组件的固定端铰接于所述偏转平台上，所述平行四边形连杆组件的第一端铰接在所述偏转平台上，第二端与所述固定部铰接；所述直线运动组件的输出端与所述平行四边形连杆组件的驱动部连接，以推动所述平行四边形连杆组件的第二端绕x轴偏转。
12.进一步的，平行四边形连杆组件包括两组相对设置的连杆结构，每组所述连杆结构均包括第一竖杆、第二竖杆、第一横杆和第二横杆；所述第一竖杆和所述第二竖杆的下端均与偏转平台铰接；所述第一横杆的首端、中端和末端分别铰接在所述第一竖杆、所述第二竖杆和固定部的上端；所述第二横杆的首端、中端和末端分别铰接在所述第一竖杆、所述第二竖杆和所述固定部的中端；所述直线运动组件的输出端延伸至两组所述连杆结构的两个所述第二竖杆之间，并与两个所述第二竖杆铰接。
13.进一步的，第一竖杆和所述第二竖杆均具有弯折部，所述第一横杆、所述第二横杆和所述直线运动组件的输出端均铰接在对应的所述弯折部。
14.进一步的，直线运动组件包括固定在所述基座上的直线电机，所述直线电机的活塞杆延伸至两组所述连杆结构的两个所述第二竖杆之间，并与两个所述第二竖杆铰接。
15.在本技术实施例中，通过设置驱动平台、第一偏转机构和第二偏转机构；驱动平台
包括基座、平移组件、直线驱动组件、驱动连杆、支架和滑块；平移组件固定在基座上，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；第一偏转机构的输出端可绕y轴偏转；第二偏转机构设于第一偏转机构的输出端，第二偏转机构的输出端可绕x轴偏转，第二偏转机构的输出端设置用于固定穿刺针的固定部，达到了由平移组件带动支架以及支架上的穿刺针沿y方向水平移动，由直线驱动组件、驱动连杆、支架和滑块共同动作带动穿刺针在x方向上平移移动，由第一偏转机构和第二偏转机构分别带动穿刺针绕y轴和x轴偏转动作的目的，从而实现了使增加穿刺机器人能够调整的姿态类型和姿态角，使其具有四个自由度的姿态调整，并提高穿刺机器人的动作精确度和稳定性的技术效果，进而解决了相关技术中的穿刺机器人体积较大，能够穿刺的姿态类型较少，可调整的姿态角度较小，以及动作精确度和稳定性不足的问题。
16.本技术所涉及的定位导向装置，因其体积小巧，可固定于患者腹部、背部、侧背部、前胸部或机械臂上，该装置通过驱动平台调整穿刺针的位置，通过第一偏转机构与第二偏转机构来调整穿刺针的姿态，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中穿刺针沿y方向平移的结构示意图；图4是根据本技术实施例中穿刺针沿x方向平移的结构示意图；图5是根据本技术实施例中穿刺针沿x方向平移的结构示意图；图6是根据本技术实施例中穿刺针绕x方向偏转的结构示意图；图7是根据本技术实施例中穿刺针绕x方向偏转的结构示意图；图8是根据本技术实施例中穿刺针绕y方向偏转的结构示意图；图9是根据本技术实施例中穿刺针绕y方向偏转的结构示意图；其中，1基座，2第三导轨，3第二偏转机构，31平行四边形连杆组件，311第二横杆，312第一横杆，313第二竖杆，314第一竖杆，32直线运动组件，4滑块，5固定部，6穿刺针，7第一导轨，8导向块，9支架，91第二导轨，92安装板，10第一偏转机构，101驱动电机，102第一锥齿轮，103第二锥齿轮，11偏转平台，12支撑平台，13直线驱动组件，131驱动连杆，132第二直线电机，14平移组件。
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，本技术提供一种基于rcm结构的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和图8所示，本技术实施例提供了一种基于rcm结构的四自由度穿刺针定位导向装置，该基于rcm结构的四自由度穿刺针定位导向装置包括：驱动平台、第一偏转机构10和第二偏转机构3；其中，驱动平台包括基座1、平移组件14、直线驱动组件13、驱动连杆131、支架9和滑块4；平移组件14固定在基座1上，平移组件14可驱动支架9直线平移；直线驱动组件13固设于支架9上；驱动连杆131的第一端与直线驱动组件13的输出端通过竖直轴铰接，第二端与滑块4通过竖直轴铰接；滑块4设于支架9上并可受驱动连杆131驱动沿垂直于支架9的平移方向滑动；所述支架9的上端设置有支撑平台12，所述支撑平台12的第一端与所述滑块4固定连接，第二端与所述支架9滑动连接，以使所述支撑平台12可随所述滑块4沿垂直于所述支架9的平移方向滑动；所述第一偏转机构10和所述第二偏转机构3均设于所述支撑平台上；第一偏转机构10的输出端可绕y轴偏转；第二偏转机构3设于第一偏转机构10的输
出端，第二偏转机构3的输出端可绕x轴偏转，第二偏转机构3的输出端设置有用于固定穿刺针6的固定部5。
27.本实施例中，该基于rcm结构的四自由度穿刺针定位导向装置主要由驱动平台、第一偏转机构10和第二偏转机构3三部分组成。其中驱动平台负责实现穿刺针6在x方向和y方向上的水平平移，第一偏转机构10和第二偏转机构3负责分别实现穿刺针6绕x轴偏转和绕y轴偏转。
28.对于驱动平台而言，其主要由基座1、平移组件14、直线驱动组件13、驱动连杆131、支架9和滑块4组成，其中基座1作为其余部件的安装基础，平移组件14固定在基座1上，支架9则安装在平移组件14的输出端，使得平移组件14的动作可带动支架9直线移动。如图1和图3所示，在本实施例中平移组件14的输出方向为y轴方向，即可带动支架9在y轴方向上进行直线平移。而直线驱动组件13、驱动连杆131、支架9、滑块4均安装在支架9上，因此平移组件14可带动支架9和支架9上的各个部件同步在y轴方向上进行直线平移。
29.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。如图4和图5所示，对于该平移动作，本技术通过驱动连杆131和滑块4来实现，驱动连杆131的两端分别与直线驱动组件13的输出端和滑块4通过竖直轴铰接，而滑块4则在支架9上可沿x轴方向滑动。通过控制直线驱动组件13的输出端进行直线移动来推动驱动连杆131绕z轴旋转并推动滑块4在支架9上沿x轴方向进行平移，进而带动安装在滑块4上的第一偏转机构10和安装在第一偏转机构10上的第二偏转机构3以及安装在第二偏转机构3上的穿刺针6同步在x轴方向上进行平移。
30.对于穿刺机器人在绕x轴和y轴的偏转运动而言，本实施例分别通过第一偏转机构10和第二偏转机构3实现，如图6至图9所示。其中，第一偏转机构10安装在支架9上的滑块4上，使其可随支架9和滑块4同步动作。如图6和图7所示，第一偏转机构10为可输出旋转运动的运动机构，其输出端与第二偏转机构3连接，从而带动第二偏转机构3整体绕y轴偏转。而第二偏转机构3的输出端则与穿刺针6连接，使得第一偏转机构10可带动第二偏转机构3和穿刺针6同步绕y轴偏转。如图8和图9所示，第二偏转机构3也是一个可输出旋转运动的运动机构，其运动输出的旋转方向为绕x轴旋转，穿刺针6通过固定部5安装在第二偏转机构3的输出端，使得穿刺针6可在第二偏转机构3的作用下单独绕x转偏转。
31.综上，本技术中的穿刺机器人可实现穿刺针6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6在四个自由度上进行姿态的调整。
32.由于本技术中穿刺针6的y方向直线平移需要通过支架9移动来实现，因此为使支架9的平移更为稳定，驱动平台还包括第一导轨7和导向块8；导向块8设置为两组并位于基座1的两侧，第一导轨7设置为两个并分别滑动套设在对应的导向块8内，第一导轨7的端部与支架9固定连接。
33.具体的，需要说明的是，在支架9的移动过程中基座1保持不动状态，因此在基座1的两侧固定有导向块8，而在支架9的两侧固定有第一导轨7，第一导轨7与导向块8滑动连接，使得支架9的直线移动可在第一导轨7和导向块8的配合下实现精准导向。本实施例中第一导轨7可设置为圆柱形结构。
34.如图1所示，由于滑块4需要在支架9上沿x轴方向直线移动，因此本实施例中为对
滑块4的移动进行精准的导向，支架9包括安装板92和设于安装板92端部的第二导轨91；直线驱动组件13固设于安装板92上，第一导轨7的端部与安装板92固定连接；平移组件14可驱动支架9直线平移；第二导轨91沿垂直于安装板92的移动方向设置；滑块4滑动设于第二导轨91上。
35.具体的，需要说明的是，安装板92设置为板状结构，在安装板92的端部具有凹槽结构，第二导轨91安装在凹槽结构内，从而在减小安装板92的尺寸的同时实现第二导轨91的安装。滑块4套设在第二导轨91上并滑动连接，第二导轨91也可设置为圆柱形结构。为便于第一导轨7在安装板92上的连接，本实施例中在安装板92的两端设置有连接块，连接块与第一导轨7的端部固定连接。连接块上开设有通孔结构，第一导轨7的端部穿设在连接块的通孔内并固定。连接块和安装板92之间可通过螺栓进行固定连接。
36.为减小安装板92的重量以减小整个装置的重量，本实施例在安装板92和基座1上均开设有多个减重孔。
37.为使该穿刺机器人的结构更为简单，本实施例中平移组件14包括固定在基座1上的第一直线电机，第一直线电机位于安装板92下方，第一直线电机的输出端与安装板92传动连接，第一直线电机的固定端则固定在基座1上；同理，本实施例中直线驱动组件13包括固定在安装板92下方的第二直线电机132，第二直线电机132的输出端与驱动连杆131的第一端通过竖直轴铰接，第二直线电机132的固定端则固定在安装板92的下表面。
38.由于第一偏转机构10和第二偏转机构3均布置在支架9的上方，因此为便于第一偏转机构10的安装，如图1所示，本实施例中在支架9的上端设置有支撑平台12，支撑平台12的第一端与滑块4固定连接，第二端与支架9的上端滑动连接。为便于支撑平台12在支架9的上方由滑块4带动滑动，在支架9的两端设置有第三导轨2，滑块4的上端与其中一个第三导轨2滑动连接，滑块4的下端与第二导轨91滑动连接，支撑平台12与滑块4一体成型设置，其远离滑块4的一端与另一第三导轨2滑动连接。
39.第一偏转机构10包括设于支撑平台12上的偏转平台11和第一旋转机构，偏转平台11的两端与支撑平台12的两端通过y方向转轴铰接，使得偏转平台11在外力驱动下时可绕y方向转轴的轴线旋转，即绕y轴偏转，从而带动位于偏转平台11上的第二偏转机构3绕y轴偏转。第一旋转机构设于支撑平台12上，用于驱动偏转平台11绕y轴旋转，此处第一旋转机构可采用多种旋转运动结构来实现，在本实施例中主要选择体积较小，运动较为精准的运动结构。
40.本实施例中对第一旋转机构的结构进行具体说明：为使穿刺针6在y方向的偏转运动更为精准和稳定，以及减小整个装置在横向上的占用空间。如图1和图2所示，本实施例中第一旋转机构包括设于y方向转轴上的第一锥齿轮102以及设于支撑平台12上的驱动电机101，驱动电机101的输出端设置有与第一锥齿轮102啮合的第二锥齿轮103。
41.具体的，需要说明的是，第一锥齿轮102安装在远离滑块4的y方向转轴上，第一锥齿轮102的旋转可带动偏转平台11同步转动。为便于在支撑平台12上安装驱动电机101，支撑平台12远离滑块4的一端安装有电机安装架，驱动电机101固定在电机安装架上，驱动电机101的的输出端朝向布置，并在输出端安装有第二锥齿轮103，第二锥齿轮103与第一锥齿
轮102啮合，通过驱动电机101带动第二锥齿轮103旋转，从而带动第一锥齿轮102旋转，继而带动偏转平台11旋转。
42.为进一步提高穿刺针6在运动上的稳定性和精准性，如图1和图2所示，本实施例中第二偏转机构3包括直线运动组件32和平行四边形连杆组件31；直线运动组件32的固定端铰接于偏转平台11上，平行四边形连杆组件31的第一端铰接在偏转平台11上，第二端与固定部5铰接；直线运动组件32的输出端与平行四边形连杆组件31的驱动部连接，以推动平行四边形连杆组件31的第二端绕x轴偏转。
43.本实施例中，直线运动组件32作为一个可输出y方向运动的直线模组，其安装在偏转平台11上，用于推动平行四边形连杆组件31的端部动作。平行四边形连杆组件31的两端分别铰接在偏转平台11和固定部5上，而组成平行四边形连杆组件31的各个连杆之间也采用铰接的方式连接，使得该平行四边形连杆组件31的各个连杆之间能够产生联动。本实施例中通过直线运动组件32来推动平行四边形连杆组件31中的一个连杆绕x轴旋转使得其余连杆同步动作，进而实现位于端部的固定部5做出对应的x轴偏转动作，继而使得穿刺针6可绕x轴偏转。
44.本实施例中对平行四边连杆组件的结构进行详细说明：如图1和图2所示，平行四边形连杆组件31包括两组相对设置的连杆结构，每组连杆结构均包括第一竖杆314、第二竖杆313、第一横杆312和第二横杆311；第一竖杆314和第二竖杆313的下端均与偏转平台11铰接；第一横杆312的首端、中端和末端分别铰接在第一竖杆314、第二竖杆313和固定部5的上端；第二横杆311的首端、中端和末端分别铰接在第一竖杆314、第二竖杆313和固定部5的中端；直线运动组件32的输出端延伸至两组连杆结构的两个第二竖杆313之间，并与两个第二竖杆313铰接。
45.具体的，需要说明的是，一组连杆结构即可形成平行四边形构件，本实施例中为使穿刺针6的运动更为稳定，采用两组连杆结构来共同设置。两组连杆结构设置为固定部5的两侧，即位于穿刺针6的两侧。两组连杆结构的沿x轴方向进行相对布置，本实施例以一组连杆结构为例进行具体说明：如图1和图2所示，每组连杆结构均由四根连杆组成，分别为第一竖杆314、第二竖杆313、第一横杆312和第二横杆311。其中第一竖杆314和第二竖杆313沿y轴方向依次布置，第一横杆312和第二横杆311沿z轴方向依次布置。第一竖杆314和第二竖杆313均通过x方向转轴铰接在偏转平台11的侧面，第一横杆312和第二横杆311通过x方向转轴铰接在对应的第一竖杆314和第二竖杆313上，并且固定部5也通过x方向转轴铰接在第一横杆312和第二横杆311的末端。直线运动组件32的输出端铰接在其中一个竖杆上，为保证工作空间，其输出端铰接在第二竖杆313上。
46.直线运动组件32的固定端铰接在偏转平台11远离滑块4的一端。当直线运动组件32的输出端伸出时会直接推动第二竖杆313顺时针旋转，由于第二竖杆313、第一竖杆314、第一横杆312和第二横杆311共同组成了一个平行四边形构件，因此第二竖杆313的顺时针
旋转可带动第一竖杆314同步顺时针旋转，并使得第一横杆312和第二横杆311同步下移，其端部之间的距离逐渐变化，使得固定部5绕x轴顺时针旋转，继而带动固定在固定部5上的穿刺针6绕x轴顺时针偏转。
47.同理，当直线运动组件32的输出端缩回时会直接拉动第二竖杆313逆时针旋转，使得第一横杆312和第二横杆311同步上移，其端部之间的距离逐渐变化，使得固定部5绕x轴逆时针旋转，继而带动固定在固定部5上的穿刺针6绕x轴逆时针偏转。
48.本实施例中采用平行四边形连杆组件31来实现穿刺针6在x轴方向上的偏转姿态调整，使其具有运动简单，在求取运动逆解时难度减小，可提高穿刺针6的运动稳定性和精确性。
49.为使该平行四边形连杆组件31具有更大的运动空间，本实施例中第一竖杆314和第二竖杆313均具有弯折部，第一横杆312、第二横杆311和直线运动组件32的输出端均铰接在对应的弯折部。
50.进一步的，直线运动组件32包括固定在基座1上的直线电机，直线电机的活塞杆延伸至两组连杆结构的两个第二竖杆313之间，并与两个第二竖杆313铰接。
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。