一种用于穿刺手术的机器人的制作方法

1.本技术涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于穿刺手术的机器人。


背景技术：

2.在现代临床实践中，许多常规治疗方法涉及活组织检查、药物输送、医疗工具(例如针和导管)的经皮植入等。这些常规治疗方法的共同点在于，均需要将合适的医疗工具的尖端安全精确地放置在靶区，靶区指的是病灶、肿瘤、器官或血管。需要这样的医疗工具的尖端安全精确地放置在靶区的实例包括：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、神经外科手术以及深部脑刺激等各种微创手术。
3.为便于精确将医疗工具的尖端放置在靶区，现有用于穿刺手术的机器人辅助医护人员，机器人一方面可以确保插入位置精确，另一方面当治疗过程中需要同时使用具有辐射的设备(ct、dsa、cbct、大中小c臂)时，使用机器人使得医护人员可以远程操作，进而使得医护人员免遭辐射。
4.然而，目前的用于穿刺手术的机器人，结构非常复杂，成本较高。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种用于穿刺手术的机器人，结构比较简单，成本较低，且灵活度较高，可以精确的将医疗工具的尖端插入靶区。
6.本技术实施例提供一种用于穿刺手术的机器人，包括：支架、下层驱动部、上层驱动部、限位件、第一导航件和第二导航件。上层驱动部和下层驱动部均安装于支架，上层驱动部和下层驱动部沿机器人的高度方向层叠分布；限位件的一侧滑动且转动连接上层驱动部，限位件的另一侧转动连接下层驱动部，限位件用于连接穿刺针；第一导航件安装于下层驱动部，第二导航件安装于上层驱动。上层驱动部驱动限位件沿第一方向和第二方向往复运动，下层驱动部驱动限位件沿第一方向和第二方向往复运动，以使限位件带动穿刺针的尖端在圆形区域内运动；第一方向为机器人的宽度方向，第二方向为机器人的长度方向。
7.在一些实施例中，下层驱动部包括第一横向驱动件和第一纵向驱动件，第一横向驱动件安装于支架，第一横向驱动件的驱动端传动连接第一纵向驱动件，第一纵向驱动件的驱动端转动连接限位件的一侧；第一导航件安装于第一纵向驱动件的驱动端。第一横向驱动件驱动第一纵向驱动件沿第一方向运动，以使第一纵向驱动件带动限位件沿第一方向运动；第一纵向驱动件驱动限位件沿第二方向运动。
8.在一些实施例中，机器人还包括第一安装块，第一安装块固定连接第一纵向驱动件，第一安装块设有第一螺纹孔；第一横向驱动件的驱动端为第一丝杆，第一丝杆与第一螺纹孔螺接；第一横向驱动件启动后，第一丝杆转动使第一安装块沿第一方向运动，第一安装块带动第一纵向驱动件沿第一方向运动。
9.在一些实施例中，机器人还包括第一蜗轮和第一蜗杆，第一蜗轮和第一蜗杆啮合
连接；第一蜗轮固定连接第一横向驱动件的驱动端，第一蜗杆固定连接第一纵向驱动件；第一横向驱动件驱动第一蜗轮转动，第一蜗轮使第一蜗杆沿第一方向运动，第一蜗杆带动第一纵向驱动件沿第一方向运动。
10.在一些实施例中，下层驱动部包括第二横向驱动件和第二纵向驱动件，第二横向驱动件安装于支架，第二横向驱动件的驱动端传动连接第二纵向驱动件，第二纵向驱动件的驱动端滑动且转动连接限位件的一侧；第二导航件安装于第二纵向驱动件的驱动端；第二横向驱动件驱动第二纵向驱动件沿第二方向运动，以使第二纵向驱动件带动限位件沿第二方向运动；第二纵向驱动件驱动限位件沿第二方向运动。
11.在一些实施例中，机器人还包括第二安装块，第二安装块固定连接第二纵向驱动件，第二安装块设有第二螺纹孔；第二横向驱动件的驱动端为第二丝杆，第二丝杆与第二螺纹孔螺接；第二横向驱动件启动后，第二丝杆转动使第二安装块沿第二方向运动，第二安装块带动第二纵向驱动件沿第二方向运动。
12.在一些实施例中，机器人还包括第二蜗轮和第二蜗杆，第二蜗轮和第二蜗杆啮合连接；第二蜗轮固定连接第二横向驱动件的驱动端，第二蜗杆固定连接第二纵向驱动件；第二横向驱动件驱动第二蜗轮转动，第二蜗轮使第二蜗杆沿第二方向运动，第二蜗杆带动第二纵向驱动件沿第二方向运动。
13.在一些实施例中，支架包括第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板沿机器人的高度方向层叠且间隔分布；下层驱动部安装于第一支撑板，上层驱动部安装于第二支撑板。
14.在一些实施例中，限位件包括限位主体、第一夹持块和第二夹持块；限位主体设有安装孔，第一夹持块和第二夹持块装设于安装孔内，且分别与安装孔的孔壁抵接；第一夹持块和第二夹持块合围成夹持穿孔，夹持穿孔用于安装及夹持穿刺针。
15.在一些实施例中，限位主体还设有与安装孔连通的避让槽。
16.本实施例中，设置上层驱动部和下层驱动部在z方向层叠，且下层驱动部可驱动限位件沿x方向往复运动，以及可驱动限位件沿y方向往复运动。上层驱动部可驱动限位件沿x方向往复运动，以及可驱动限位件沿y方向往复运动。限位件的一侧滑动且转动连接上层驱动部，此处滑动指的是，限位件可以沿着z方向滑动。当限位件沿x方向和y方向运动时，还会在z方向产生微量的往复运动行程。通过上层驱动部和下层驱动部实现了穿刺针在六个方向的运动，且穿刺针的尖端的运动范围为一圆形区域。
17.设置第一导航件，在下层驱动部驱动穿刺针运动时进行引导，设置第二导航件，在上层驱动部驱动穿刺针运动时进行引导，使得穿刺针的运动轨迹更加可控，进而提升穿刺针的穿刺精确度。
18.综上可见，本实施例提供的机器人，仅利用上层驱动部和下层驱动部即可实现穿刺针的六个自由度的运动，结构简单，成本较低，穿刺针运动的灵活性较高。设置第一导航件和第二导航件，提升了穿刺针的尖端插入靶区的精确程度。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。
20.图1是本技术实施例提供的用于穿刺手术的机器人的结构示意图。
21.图2是图1中所示用于穿刺手术的机器人的部分结构示意图。
22.图3是图2的分体结构示意图。
23.图4是图1中所示用于穿刺手术的机器人一种状态的结构示意图。
24.图5是图1中所示用于穿刺手术的机器人另一种状态的结构示意图。
25.图6是图1中所示用于穿刺手术的机器人的带动穿刺针移动的轨迹示意图。
26.图7是图6中所示穿刺针进行穿刺的结构示意图。
27.图8是图6中所示穿刺针进行穿刺的另一结构示意图。
28.附图标记说明：1000-机器人，100-外壳体，110-第一穿孔，120-第二穿孔200-支架，210-第一支撑板，220-第二支撑板，230-支撑柱，300-下层驱动部，310-第一横向驱动件，320-第一纵向驱动件，330-第一丝杆，340-第一滑轨，400-上层驱动部，410-第二横向驱动件，420-第二纵向驱动件，430-第二丝杆，440-第二滑轨，500-限位件，510-限位主体，511-安装孔，512-避让槽，520-第一夹持块，530-第二夹持块，600-第一导航件，610-第二导航件，700-第一安装块，710-第二安装块，800-第一连接块，810-第二连接块，900-第一铰接件，910-第二铰接件，2000-穿刺针，3000-床板，a-靶区，b-圆形区域。
具体实施方式
29.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。
30.参考图1至图3，本技术实施例提供一种用于穿刺手术的机器人1000，包括：外壳体100、支架200、下层驱动部300、上层驱动部400、限位件500、第一导航件600和第二导航件610。支架200、下层驱动部300、上层驱动部400装设于外壳体100内部，且下层驱动部300和上层驱动部400的一部分伸出外壳体100，以用于连接限位件500、第一导航件600和第二导航件610。
31.为了便于描述，将机器人1000的宽度方向定义为y方向，将机器人1000的长度方向定义为x方向，将机器人1000的高度方向定义为z方向。x方向、y方向和z方向两两相互垂直。
32.上层驱动部400和下层驱动部300均安装于支架200，上层驱动部400和下层驱动部300沿机器人1000的高度方向层叠分布；限位件500的一侧滑动且转动连接上层驱动部400，限位件500的另一侧转动连接下层驱动部300，限位件500用于连接穿刺针2000；第一导航件600安装于下层驱动部300，第二导航件610安装于上层驱动。
33.上层驱动部400驱动限位件500沿第一方向和第二方向往复运动，下层驱动部驱动限位件500沿第一方向和第二方向往复运动，以使限位件500带动穿刺针2000的尖端在圆形区域b内运动；第一方向为机器人1000的宽度方向(y方向)，第二方向为机器人1000的长度方向(x方向)。可以理解，穿刺针2000的尖端运动范围为圆形区域，穿刺针2000的运动范围为圆锥形。
34.本实施例中，参考图4和图5，设置上层驱动部400和下层驱动部300在z方向层叠，且下层驱动部300可驱动限位件500沿x方向往复运动，以及可驱动限位件500沿y方向往复运动。上层驱动部400可驱动限位件500沿x方向往复运动，以及可驱动限位件500沿y方向往复运动。限位件500的一侧滑动且转动连接上层驱动部400，此处滑动指的是，限位件500可
以沿着z方向滑动。当限位件500沿x方向和y方向运动时，还会在z方向产生微量的往复运动行程。参考图6，通过上层驱动部400和下层驱动部300实现了穿刺针2000在六个方向的运动，且穿刺针2000的尖端的运动范围为一圆形区域b。
35.本技术实施例提供的机器人1000，可以用于肺部穿刺和肾部穿刺等。参考图7，图7中示出穿刺针2000在肾部的靶区a进行穿刺的示意图。参考图8，
36.图8中示出穿刺针2000在肺部的靶区a进行穿刺的示意图。设置第一导航件600，在下层驱动部300驱动穿刺针2000运动时进行引导，设置第二导航件610，在上层驱动部400驱动穿刺针2000运动时进行引导。可以理解，机器人1000工作时，需配合导航器(图未示)进行工作。其第一导航件600和第二导航件610均具有反光小球。
37.首先受术人员平躺或者座于手术床上，然后利用束缚带等将受术人员束缚，医生利用x光或超声图像重建病灶区域，接着将机器人1000安装至手术床的上方，然后调整机器人1000的位置至受术人员的病灶附近区域上方。然后启动控制器5000，接着医护人员远程或进程操作遥控器或者显示屏幕等，使得控制器5000控制机器人1000带动穿刺针2000移动，导航器6000实时识别第一导航件600和第二导航件610上反光小球的位置，然后控制器5000依据导航器6000识别的位置信号计算出穿刺针2000的尖端位置和姿态，在控制器5000得出穿刺针2000的尖端位置和姿态满足医护人员的需求后，也即，穿刺针2000的摆位为合适的穿刺经皮位时，此处穿刺针2000的摆位为医生依据x光扫描病灶区及实时导航结果选择的穿刺针2000的进针路径，该进针路径会避开神经及血管区，增加手术安全系数。接着医护人员继续远程或近程控制机器人1000，使得机器人1000运动，以实时计算靶点和穿刺针尖位置关系为参考。
38.确定穿刺针2000的姿态和尖端位置的具体过程如下：导航器6000识别到第一导航件600上反光小球的位置后，控制器可以根据识别的位置信号计算出穿刺针2000的尖端的位置点坐标。导航器识别到第二导航件610上反光小球的位置后，控制器可以根据识别的位置信号计算出穿刺针2000的中部或尾部的位置点坐标，根据两点连接成一线的原理，获知穿刺针2000的尖端的位置点坐标、中部或尾部坐标点位置后，即可确定出穿刺针2000的姿态。
39.综上可见，本实施例提供的机器人1000，仅利用上层驱动部400和下层驱动部300即可实现穿刺针2000的六个自由度的运动，结构简单，成本较低，穿刺针2000运动的灵活性较高。设置第一导航件600和第二导航件610，提升了穿刺针2000的尖端插入靶区a的精确程度。
40.在一些实施例中，继续参考图2和图3，支架200包括第一支撑板210、第二支撑板220和四根支撑柱230，四根支撑柱230的一端均固定连接第一支撑板210，四根支撑柱230的另一端均固定连接第二支撑板220，第一支撑板210位于第二支撑板220的下侧。第一支撑板210具体用于安装下层驱动部300，第二支撑板220具体用于安装上层驱动部400，通过第一支撑板210和第二支撑板220沿z方向的层叠，进而实现上层驱动部400和下层驱动部300沿z方向的层叠，结构简单，易于组装，成本较低，且结构比较紧凑。
41.在一些实施例中，继续参考图2和图3，下层驱动部300包括第一横向驱动件310和第一纵向驱动件320，第一横向驱动件310安装于支架200，第一横向驱动件310的驱动端传动连接第一纵向驱动件320，第一纵向驱动件320的驱动端转动连接限位件500的一侧；第一
导航件600安装于第一纵向驱动件320的驱动端。第一横向驱动件310驱动第一纵向驱动件320沿第一方向运动，以使第一纵向驱动件320带动限位件500沿第一方向运动；第一纵向驱动件320驱动限位件500沿第二方向运动。由此，下层驱动部300的结构简单且紧凑，占用的空间较小，且可以顺利使得限位件500的下侧沿x方向和y方向运动。
42.一些实施例中，继续参考图2和图3，机器人1000还包括第一安装块700、第一连接件和第一铰接件900。第一安装块700呈u型，底部设有第一螺纹孔和两个第一导滑孔。第一连接件呈长方体块状。第一铰接件900包括第一铰接杆和u型铰接件，第一铰接杆和u型铰接件背离开口一端固定连接，u型铰接件的开口处用于容纳和铰接限位件500。
43.第一横向驱动件310和第一纵向驱动件320安装于第一支撑板210，第一横向驱动件310和第一纵向驱动件320通过第一安装块700连接。第一横向驱动件310为步进电机或伺服电机，第一横向驱动件310包括第一横向机体和第一丝杆330。第一纵向驱动件320为步进电机或伺服电机，第一纵向驱动件320包括第一纵向机体和第一驱动轴。
44.在第一支撑板210的上侧设有两第一滑轨340，两个第一滑轨340均沿着y方向延伸。两个第一滑轨340分别穿过第一安装块700上的两个第一导滑孔，以使第一安装块700可以沿着两个第一滑轨340在y方向滑动。第一横向机体固定连接第一支撑板210的一侧，第一丝杆330贯穿第一安装块700，且与第一安装块700上的第一螺纹孔螺纹连接。第一丝杆330远离第一横向机体的一端转动连接第一支撑板210的上侧。其中第一丝杆330位于两个第一滑轨340之间，使得第一安装块700运动更加稳定。
45.第一纵向机体固定连接第一安装块700，第一驱动轴远离第一纵向机体的一端固定连接第一连接块800，第一连接块800远离第一驱动轴的一端固定连接第一铰接件900，第一铰接件900铰接限位件500的下侧。第一导航件600固定套设在第一连接块800上。
46.由此，当第一横向机体启动后，第一丝杆330开始转动，第一丝杆330与第一安装块700螺纹连接，第一安装块700在第一丝杆330的驱动下沿着第一滑轨340移动，进而带动第一纵向机体沿着y方向运动，第二纵向机体带动第一驱动轴、第一连接块800、第一铰接块和限位件500沿y方向运动，最终使得安装于限位件500的穿刺针2000沿y方向运动。
47.在其他实施例中，第一横向驱动件310和第一纵向驱动件320通过蜗轮蜗杆结构实现传动连接。具体的，机器人1000还包括第一蜗轮和第一蜗杆，第一蜗轮和第一蜗杆啮合连接；第一蜗轮固定连接第一横向驱动件310的驱动端，第一蜗杆固定连接第一纵向驱动件320；第一横向驱动件310驱动第一蜗轮转动，第一蜗轮使第一蜗杆沿第一方向运动，第一蜗杆带动第一纵向驱动件320沿第一方向运动。蜗轮蜗杆结构传动稳定，成本较低，且便于组装。
48.在一些实施例中，继续参考图2和图3，上层驱动部400包括第二横向驱动件410和第二纵向驱动件420，第二横向驱动件410安装于支架200，第二横向驱动件410的驱动端传动连接第二纵向驱动件420，第二纵向驱动件420的驱动端滑动且转动连接限位件500的一侧；第二导航件610安装于第二纵向驱动件420的驱动端。第二横向驱动件410驱动第二纵向驱动件420沿第二方向运动，以使第二纵向驱动件420带动限位件500沿第二方向运动；第二纵向驱动件420驱动限位件500沿第二方向运动。由此，上层驱动部400的结构简单且紧凑，占用的空间较小，且可以顺利使得限位件500的上侧沿x方向和y方向运动。
49.一些实施例中，继续参考图2和图3，机器人1000还包括第二安装块710、第二连接
件和第二铰接件910。第二安装块710呈u型，底部设有第二螺纹孔和两个第二导滑孔。第二连接件呈长方体块状。第二铰接件910包括第二铰接杆和铰接块，第二铰接杆和铰接块的一端固定连接，铰接块用于铰接限位件500。
50.第二横向驱动件410和第二纵向驱动件420安装于第二支撑板220，第二横向驱动件410和第二纵向驱动件420通过第二安装块710连接。第二横向驱动件410为步进电机或伺服电机，第二横向驱动件410包括第二横向机体和第二丝杆430。第二纵向驱动件420为步进电机或伺服电机，第二纵向驱动件420包括第二纵向机体和第二驱动轴。
51.在第二支撑板220的上侧设有两第二滑轨440，两个第二滑轨440均沿着y方向延伸。两个第二滑轨440分别穿过第二安装块710上的两个第二导滑孔，以使第二安装块710可以沿着两个第二滑轨440在y方向滑动。第二横向机体固定连接第二支撑板220的一侧，第二丝杆430贯穿第二安装块710，且与第二安装块710上的第二螺纹孔螺纹连接。第二丝杆430远离第二横向机体的一端转动连接第二支撑板220的上侧。其中第二丝杆430位于两个第二滑轨440之间，使得第二安装块710运动更加稳定。
52.第二纵向机体固定连接第二安装块710，第二驱动轴远离第二纵向机体的一端固定连接第二连接块810，第二连接块810远离第二驱动轴的一端固定连接第二铰接件910，第二铰接件910滑动且转动连接限位件500的上侧。第二导航件610固定套设在第二连接块810上。
53.由此，当第二横向机体启动后，第二丝杆430开始转动，第二丝杆430与第二安装块710螺纹连接，第二安装块710在第二丝杆430的驱动下沿着第二滑轨440移动，进而带动第二纵向机体沿着y方向运动，第二纵向机体带动第二驱动轴、第二连接块810、第二铰接块和限位件500沿y方向运动，最终使得安装于限位件500的穿刺针2000沿y方向运动。限位件500的上侧沿着y方向运动的同时，因限位件500的下侧与第一铰接件900铰接，因此限位件500会同时沿着z方向运动，产生z方向位移。
54.在其他实施例中，第二横向驱动件410和第二纵向驱动件420通过蜗轮蜗杆结构实现传动连接。具体的，机器人1000还包括第二蜗轮和第二蜗杆，第二蜗轮和第二蜗杆啮合连接；第二蜗轮固定连接第二横向驱动件410的驱动端，第二蜗杆固定连接第二纵向驱动件420；第二横向驱动件410驱动第二蜗轮转动，第二蜗轮使第二蜗杆沿第二方向运动，第二蜗杆带动第二纵向驱动件420沿第二方向运动。蜗轮蜗杆结构传动稳定，成本较低，且便于组装。
55.在一些实施例中，继续参考图2和图3，限位件500包括限位主体510、第一夹持块520和第二夹持块530；限位主体510设有安装孔511，第一夹持块520和第二夹持块530装设于安装孔511内，且分别与安装孔511的孔壁抵接；第一夹持块520和第二夹持块530合围成夹持穿孔，夹持穿孔用于安装及夹持穿刺针2000。
56.限位主体510成条状，且沿z方向倾斜延伸。安装孔511位于限位主体510的下侧，安装孔511呈椭圆形。第一夹持块520和第二夹持块530安装于安装孔511内后，组成椭圆形状。第一夹持块520和第二夹持块530均与安装孔511的孔壁面过盈配合，以避免第一夹持块520和第二夹持块530从安装孔511内脱离。穿刺针2000穿过夹持穿孔，且被夹持穿孔的孔壁面夹持住。
57.限位主体510的上侧还设有铰接槽以及两个连接孔，两个连接孔分别位于铰接槽
的两侧，且均与铰接槽连通，铰接槽大致沿z方向倾斜延伸。第二铰接件910的铰接块伸进铰接槽内，利用一铰接轴插入连接孔、铰接槽和铰接块，以将铰接块和限位主体510连接。由此，限位件500和第二铰接件910均可以绕铰接轴转动，且铰接块可以在铰接槽内滑动。实现上层驱动部400与限位件500的滑动且转动连接。
58.限位主体510与第一铰接件900的u型铰接件铰接时，限位主体510的下侧伸进u型铰接件的开口内，然后利用一铰接轴依次贯穿限位主体510的下侧和u型铰接件，限位主体510和u型铰接件均可绕铰接轴转动，以实现限位主体510与第一铰接件900的铰接，使得限位件500与下层驱动部300转动连接。
59.一些实施例中，继续参考图2和图3，限位主体510还设有与安装孔511连通的避让槽512。穿刺针2000穿过避让槽512，在进入夹持穿孔内。避让槽512对穿刺针2000进行避让，既能降低限位主体510的重量，又能使得穿刺针2000与限位主体510顺利连接。
60.在一些实施例中，继续参考图1，外壳体100呈长方体状，外壳体100设有容纳腔室、第一穿孔110和第二穿孔120。其中支架200位于容纳腔室内，且第一支撑板210的底端面固定连接容纳腔室的底壁面。下层驱动部300和上层驱动部400的一部分位于容纳腔室内，上层驱动部400的另一部分从第一穿孔110伸出容纳腔室，下层驱动部300的另一部分从第二穿孔120伸出容纳腔室。
61.具体的，第一横向驱动件310、第二横向驱动件410、第一纵向驱动件320的第一纵向主体、第二纵向驱动件420的第二纵向主体位于容纳腔室内。第一纵向驱动件320的第一驱动轴从第一穿孔110伸出容纳腔室，第二纵向驱动件420的第二驱动轴从第二穿孔120伸出容纳腔室。
62.外壳体100可以保护上层驱动部400和下层驱动部300，防止灰尘等落入上层驱动部400和下层驱动部300。
63.以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。