一种基于双机械手爪的柔性针穿刺机构的制作方法

本发明涉及医疗器械领域，具体是一种可以省略支撑的机器人辅助柔性针穿刺机构。

背景技术：

在微创介入治疗领域，使用针穿刺技术可能是最古老也是最普遍的一项外科技术，广泛应用于活体组织病理检查、局部投送放射性药物治疗癌症等手术中；微创医疗将成为未来外科临床医学发展的必然趋势；斜尖柔性针相对于组织具有足够的柔性，利用进针时斜尖与组织的侧向作用力使针轴产生弯曲，可以刺出弧线轨迹，并且利用针的柔性弯曲来避开神经、血管等重要器官和骨骼等障碍物，灵活、精确地达到传统钢针所达不到的靶点位置。但是使用柔性针进行穿刺时，在体外由于柔性针柔性的作用下，针体容易发生弯曲，进而对针的穿刺精度造成影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决穿刺过程中针轴发生翘曲，影响针穿刺时的精度；发明一个机器人辅助的穿刺机构，保证在使用该机构进行柔性针穿刺时，使柔性针在穿刺过程中不发生翘曲。

一种基于双机械手爪的柔性针穿刺机构，其组成包括柔性针进给机构和柔性针转向机构两部分，其中柔性针进给机构需要实现机械手爪对柔性针的夹持功能和机械手爪的前后进给功能。

柔性针进给机构由底座，前、后机械手爪，双向螺纹杆，固定板和进给电机构成；其中前、后机械手爪除尺寸不同外，其结构及工作原理均相同，这里以前机械手爪为例，前机械手爪的工作原理是通过前执行电机带动前螺纹杆转动，前丝杠螺母与前螺纹杆通过螺纹配合，前螺纹杆旋转时，前丝杠螺母沿着手爪底座上的滑道做前后运动；前丝杠螺母与两个前手指连杆通过一个活动轴相连接，连杆与前手指杆件通过一个活动轴连接，手指杆件中间部分的轴孔与手爪底座上的固定轴相配合，通过前执行电机的转动前丝杠螺母向后运动，拉动手指连杆运动，前手指连杆由于前丝杠螺母的向后拉动，同时拉动手指杆件运动，通过前手指杆件中固定在手爪上的轴，使手指杆件夹紧柔性针；通过前执行电机反转，在螺纹配合的作用下，前丝杠螺母向前运动，进而推动前手指连杆向前运动，同时前手指连杆向前推动手爪，使手指杆件打开，松开柔性针体，通过手指杆件的开合实现了对柔性针的夹持功能。

机械手爪的进给功能通过底座、滑道、固定板、进给电机及双向螺纹杆来实现；进给电机固定在固定板的一端带动双向螺纹杆转动，前、后机械手爪上有螺纹孔分别与双向螺纹杆上的正向、反向螺纹相配合；电机旋转时，丝杆带动两个机械机械手沿着滑道做前后进给运动，并且由于螺纹丝杠的螺纹是双向螺纹，因此在电机旋转时，两个机械手爪分别向前和后相向运动；运动到指定位置后，电机反转使两个机械手做相对运动，与前后手爪相配合；通过对电机进行控制，使前机械手爪夹紧柔性针并向前运动的同时，后机械手爪松开柔性针并向后运动，进给一段距离后，电机反转，使前机械手爪松开柔性针并向后运动，同时使后机械手爪夹紧柔性针向前运动，两个动作循环交替，完成柔性针的穿刺进给功能。

柔性针转向机构的实质是实现柔性针针轴的自传，这样斜尖柔性针在穿刺时即可实现转向；柔性针转向机构部分包括电机、齿轮、齿轮轴、平键和自动夹紧机构；将转向电机固定安装在转向机构的固定外壳上，齿轮轴与转向电机相连接，齿轮通过平键与齿轮轴配合，转向机构外围的轮齿与齿轮相啮合，且轮齿的数量和规格与齿轮相同；随着电机的转动带动齿轮旋转，通过齿轮啮合，带动自动夹紧机构实现传动比为1：1的旋转运动。

本发明的有益效果为：1.通过两个机械手爪夹持柔性针交替送针，机构稳定可控性好，避免了在柔性针穿刺过程中针体发生翘曲，影响穿刺精度。2.本发明所设计的是一种自动机器人辅助柔性针进给机构，采用两个机械手前后配合交替进给的方案，使结构更加紧凑，控制更加方便，并且节省材料、减轻穿刺机构的重量。3.本发明通过两个机械手的相互夹持，省略了柔性针的支撑机构。

附图说明

图1基于前后机械手配合的柔性针进给机构的结构示意图

图2前机械手爪内部结构爆炸图

图3前机械手爪的抛面图

图4转向机构内部结构爆炸图

图5前手指杆件零件图

图6双向螺纹杆零件图

图7前丝杠螺母的零件图

附图标记说明：1、柔性针，2、前机械手爪，2-1、前手爪顶盖，2-2、前手指连杆，2-3、前手指杆件，2-3-1、前手指杆件末端轴孔，2-4前丝杠螺母，2-5、前螺纹杆，2-6、前执行电机，2-7手爪底座，2-7-1手爪底座固定轴，3、后机械手爪，4、固定板，5、进给电机，6、双向螺纹杆，6-1、双向螺纹杆前端，6-2、双向螺纹杆后端，7、滑道，8、底座，9、柔性针转向机构，9-1、自动夹紧机构，9-2、齿轮，9-3、齿轮轴，9-4、平键，9-5、转向电机，9-6、固定外壳，9-6-1固定外壳上轴孔，9-6-2固定外壳下轴孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：参见图1，本发明所述的一种基于双机械手爪相互配合的柔性针穿刺机构，其组成包括柔性针1、前机械手爪2、后机械手爪3、固定板4、进给电机5、双向螺纹杆6、滑道7、底座8和转向机构9；其中固定板4、滑道7和转向机构9固定在底座8上，进给电机5通过螺钉固定安装在固定板4上，双向螺纹杆6与进给电机5相连接，前后机械手上带有螺纹孔，通过螺纹配合使前机械手爪2安装在螺纹杆的前端6-1，后机械手爪3安装在机械手的后端6-2，同时机械手爪下方安装在滑道7上；首先，自动夹紧机构9-1处于松开状态，通过进给电机5带动双向螺纹杆6旋转，使前机械手爪2和后机械手爪3可以做沿着滑轨做前后进给运动，前机械手爪2和后机械手爪3可以实现对针的夹紧和松开，机械手通过夹紧和进给运动相互配合完成柔性针的穿刺；在穿刺到一定位置时，需要进行柔性针转向，此时，前、后机械手爪全部为张开状态。自动夹紧机构9-1内部，通过电机带动齿轮传动控制自动夹紧机构上的旋紧螺母旋转，通过旋紧螺母使自动夹紧机构夹紧柔性针。通过转向电机9-2及齿轮传动控制自动夹紧机构9-1旋转，此时自动夹紧机构9-1夹紧柔性针1，并带动柔性针1沿针轴自转。

参见图2，为前机械手爪2的工作原理，其组成为前手爪顶盖2-1、前手指杆件2-3、两个前手指连杆2-2、前丝杠螺母2-4、前螺纹丝杠2-5、前执行电机2-6和前手爪底座2-7；前手指杆件2-3中间部分的轴孔2-3-2与手爪底座上的固定轴2-7-1相配合，前手指杆件的末端2-3-1与前手指连杆2-2通过活动轴连接，两个前手指连杆2-2全部与前丝杠螺母2-4通过活动轴相连，前丝杠螺母2-4与前螺纹杆2-5通过螺纹配合；通过前执行电机2-6带动前螺纹丝杠2-5转动，实现前丝杠螺母2-4沿着手爪底座2-7上的滑道做向前运动推动手指连杆2-2，进而手指连杆2-2推动手指杆件2-3在手指杆件中间固定在手爪上的轴的作用下，手指杆件2-3夹紧柔性针1；前执行电机2-6反转，前丝杠螺母2-4向后运动，拉动手指连杆2-2向后运动，并且手指连杆2-2拉动手指杆件2-3，使手指杆件2-3松开柔性针1，实现了对柔性针的夹持和松开功能。

参见图3，为柔性针转向机构的工作原理。其组成为自动夹紧机构9-1、齿轮9-2、齿轮轴9-3、平键9-4、固定外壳9-6和转向电机9-5组成。柔性针转向机构的实质是实现柔性针针轴的自传，这样斜尖柔性针在穿刺时即可实现转向。将转向电机9-5固定安装在转向机构的固定外壳9-6上。齿轮轴9-3与转向电机9-5相连接，齿轮9-2与平键9-4相配合安装在齿轮轴9-3上，自动夹紧机构外围的轮齿与齿轮9-2相啮合，且齿轮9-2的数量和规格与自动夹紧机构9-1上的轮齿相同；转向电机9-5带动齿轮9-2旋转，通过齿轮传动带动自动夹紧机构9-1实现传动比为1：1的旋转运动。

具体实施方式二：当柔性针穿刺到达目标点时，需将柔性针抽出人体。此时对机构的控制与穿刺时相反。首先自动夹紧机构9-1处于松开柔性针1的状态。前机械手爪2夹紧柔性针后控制进给电机5使前机械手爪2向后运动，同时，后机械手爪3张开，并向前运动；运动到指定位置时，控制进给电机5反转，使前机械手爪2张开并向前做进给运动，同时后机械手爪3夹紧柔性针1向后运动。如此前、后机械手反复交替运动，直至完成将柔性针取出工作。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物说明书界定。

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