一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台制造技术

本发明专利技术公开了一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，包括基座、导轨、滑块、直线电机定子、直线电机动子、Z轴平台、XY平台、旋转电机、联轴器、筋板、安装座和柔性针；导轨对称安装于基座顶部的两侧，直线电机定子安装于导轨之间，直线电机动子嵌装于直线电机定子上下部分间隙，两侧导轨分别滑动连接有所述滑块；两侧滑块对称分布于Z轴平台两侧且通过螺栓与Z轴平台连接；XY平台通过螺栓与所述Z轴平台相连接；XY平台包括X轴压电陶瓷驱动器、X轴预紧螺栓、Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴预紧螺栓、X轴传动机构、Y轴传动机构和XY平台末端执行件。该平台首次采用宏微结合，能够实现宏观穿刺及微观调整，兼具定位，穿刺及调向功能。

A four degree of freedom flexible needle puncture platform combined with macro motion and fretting

The invention discloses a Four-Degree-of-Freedom flexible needle puncture platform which combines Macro-motion and micro-motion, including base, guide rail, slider, linear motor stator, linear motor motor actuator, Z-axis platform, XY platform, rotating motor, coupling, rib plate, installation seat and flexible needle; the guide rail is symmetrically installed on both sides of the top of the base, and the linear electricity is applied to both sides of the base. The machine stator is installed between the guide rails, the linear motor mover is embedded in the clearance between the upper and lower parts of the linear motor stator, and the slides on both sides of the guide rails are sliding connected with the sliders respectively; the sliders on both sides are symmetrically distributed on both sides of the Z-axis platform and are connected with the Z-axis platform through bolts; the XY platform is connected with the Z-axis platform through bolts; the XY platform includes X-axis pressure. Electroceramics driver, X-axis pre-tightening bolt, Y-axis piezoelectric ceramic driver, Y-axis pre-tightening bolt, X-axis transmission mechanism, Y-axis transmission mechanism and XY platform end-effector. For the first time, the platform adopts macro-micro combination, which can realize macro-puncture and micro-adjustment, and has the functions of positioning, puncture and orientation adjustment.

【技术实现步骤摘要】
一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台
本专利技术属于医疗器械领域，具体涉及一种宏动与微动相结合，具有穿刺及定位性能的四自由度柔性针穿刺平台。
技术介绍
近年来，随着微创介入医疗的兴起，高端微创手术机器人已经逐步广泛应用于医学外科手术的各个领域。应用于经皮穿刺手术的微创医疗机器人，末端执行器件往往为偏细较长的斜尖柔性针。传统刚性针在穿刺过程中无法避开重要脏器及组织，然而该柔性针由于具有较强的可操控性，受到了广泛使用。因此，可以通过建立合适的运动学模型及操控策略，使该柔性针达到有效的靶向区域。作为执行柔性针运动的重要组成部分，宏微结合的四自由度穿刺平台将起到至关重要的作用。四自由度穿刺平台能够实现Z轴带动柔性针穿刺的宏观运动，以及X轴和Y轴带动柔性针调整XY平面穿刺的微观运动，通过旋转电机可以控制柔性针轴向的转动，通过该4自由度的协同作用，柔性针的靶向穿刺精度得以大大提高。现有柔性针的穿刺平台多是通过两自由度实现，Z轴的进给以及柔性针轴向的旋转。然而，这样的穿刺平台在操作斜尖柔性针的时候多会发生柔性针的穿刺变形，且不能通过合适的操控策略来进行变形的误差补偿。另外一些学者同样设计了四自由度的穿刺平台，然而多为只有宏观的X轴Y轴Z轴及沿轴向旋转的自由度，这样的穿刺平台可以起到柔性针的定位作用，但在穿刺过程中发生了柔性针变形的情况时，无法通过X轴及Y轴的微调，进行误差补偿。因此设计一种宏微结合的兼具定位与调向性能的四自由度穿刺平台对于提高柔性针的靶向穿刺精度至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，该平台首次采用宏微结合，能够实现宏观穿刺及微观调整，兼具定位，穿刺及调向功能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，包括基座、导轨、滑块、直线电机定子、直线电机动子、Z轴平台、XY平台、旋转电机、联轴器、筋板、安装座和柔性针；所述导轨对称安装于所述基座顶部的两侧，所述直线电机定子安装于导轨之间，所述直线电机动子嵌装于直线电机定子上下部分间隙，两侧导轨分别滑动连接有所述滑块；两侧滑块对称分布于所述Z轴平台两侧且通过螺栓与Z轴平台连接；所述XY平台通过螺栓与所述Z轴平台相连接；所述XY平台包括X轴压电陶瓷驱动器、X轴预紧螺栓、Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴预紧螺栓、X轴传动机构、Y轴传动机构和XY平台末端执行件，X轴压电陶瓷驱动器通过所述X轴预紧螺栓和所述X轴传动机构连接，Y轴压电陶瓷驱动器通过所述Y轴预紧螺栓与所述Y轴传动机构连接；所述X轴传动机构包括X轴双平行机构和X轴传动铰链，所述Y轴传动机构包括Y轴双平行机构和Y轴传动铰链，所述X轴传动机构与所述Y轴传动机构通过所述XY平台末端执行件与所述旋转电机相连接，所述旋转电机安装于所述XY平台末端执行件内侧，并通过所述XY平台末端执行件轴向间隙与所述联轴器相连接；所述柔性针与所述联轴器相连接，所述筋板与所述安装座通过螺栓连接，所述安装座通过螺栓安装于所述Z轴平台与所述XY平台。进一步的，所述X轴双平行机构和所述Y轴双平行机构均由板状铰链组成，所述X轴传动铰链和所述Y轴传动铰链均由4个直圆铰链组成。进一步的，所述XY平台安装于所述Z轴平台上，所述Z轴平台用于实现柔性针Z向宏动，通过由所述直线电机定子与所述直线电机动子组成的直线电机驱动；所述XY平台用于实现柔性针X向和Y向微动，通过所述X轴压电陶瓷驱动器和Y轴压电陶瓷驱动器驱动；通过所述旋转电机驱动可实现柔性针的轴向转动。进一步的，所述X轴双平行机构、X轴传动铰链、Y轴双平行机构、Y轴传动铰链、XY平台末端执行件均为一体成型结构。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：1.本专利技术采用宏动与微动相结合，提出一种满足穿刺过程中实现柔性针在XY平面位置微观调节的平台，弥补了目前穿刺平台无法提供操作过程中微调向的缺憾，能够使柔性针实现更加精准的靶向穿刺。2.本专利技术首次将精密微纳操作领域的压电陶瓷驱动式装置引入到医疗器械领域的柔性针穿刺平台，作为柔性针执行穿刺行为的新型平台，能够间接促先进的运动学模型的建立，实现穿刺过程中X(Y)轴的干预，操控柔性针避开关键器官及组织，精准达到靶向区域。3.本专利技术所采用微动的XY平台包括X轴双平行机构，X轴传动铰链，Y轴双平行机构，Y轴传动铰链，XY平台末端执行件均为一体成型的结构，使整个系统具有结构紧凑，体积小，质量轻，控制方便等特点，可以有效保证XY平面运动的高精度，起到很好的微调节作用。4.本专利技术所采用的Z轴平台及安装于所述XY平台末端执行件的旋转电机，能够通过控制占空比比例，有效的调节柔性针的弯曲性能，实现变曲率的穿刺路径。5.本专利技术所采用的由直线电机定子与直线电机动子组成的直线电机较之常用于穿刺平台的旋转电机，取消了从电机到工作台之间的机械传动环节，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的高速响应，高精度，运动安静噪音低等优点。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的部分结构示意图；图3为本专利技术中XY平台的结构示意图。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：请参阅图1～图3，本专利技术实施例保护一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，包括基座1，导轨5，滑块2，直线电机定子4，直线电机动子3，Z轴平台9，XY平台8，X轴压电陶瓷驱动器8-8，X轴预紧螺栓8-9，X轴双平行机构8-5，X轴传动铰链8-6，Y轴压电陶瓷驱动器8-2，Y轴预紧螺栓8-1，Y轴双平行机构8-3，Y轴传动铰链8-4，XY平台末端执行件8-7，旋转电机10，旋转电机联轴器7，筋板11，安装座12，柔性针6。本实施例中，基座1为矩形平板，导轨5对称安装于矩形基座1顶部的两侧，直线电机定子4安装于矩形基座1顶部靠近一侧导轨5，直线电机动子3嵌装于直线电机定子4上下部分间隙，两侧滑块2与两侧导轨5相连接。Z轴平台9通过螺栓与两侧滑块2相连接，两侧滑块2对称分布于Z轴平台9下方两侧。XY平台8通过螺栓与Z轴平台9相连接。X轴压电陶瓷驱动器8-8和Y轴压电陶瓷驱动器8-2通过X轴预紧螺栓8-9和Y轴预紧螺栓8-1安装在X轴传动机构和Y轴传动机构中。X轴传动机构包括X轴双平行机构8-5及X轴传动铰链8-6，Y轴传动机构包括Y轴双平行机构8-3及Y轴传动铰链8-4，本实施例中X轴双平行机构8-5和Y轴双平行机构8-3由板状铰链组成，X轴传动铰链8-6和Y轴传动铰链8-4均由4个直圆铰链组成。X轴传动机构与Y轴传动机构通过XY平台末端执行件8-7与旋转电机10相连接，旋转电机10安装于XY平台末端执行件8-7内侧，并通过XY平台末端执行件8-7轴向间隙与联轴器7相连接。柔性针6与联轴器7相连接，筋板11与安装座12通过螺栓连接，安装座12通过螺栓安装于Z轴平台9与XY平台8。XY平台8中的X轴双平行机构8-5、X轴传动铰链8-6、Y轴双平行机构8-3、Y轴传动铰链8-4、XY平台末端执行件8-7均为一体成型结构。本专利技术工作原理如下：当直线电机动子3两端施加交流电压时，直线电机动子3在直线电机定子4的磁场作用下，带动Z轴平台9两侧的滑块2沿着导轨5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，其特征在于，包括基座、导轨、滑块、直线电机定子、直线电机动子、Z轴平台、XY平台、旋转电机、联轴器、筋板、安装座和柔性针；所述导轨对称安装于所述基座顶部的两侧，所述直线电机定子安装于导轨之间，所述直线电机动子嵌装于直线电机定子上下部分间隙，两侧导轨分别滑动连接有所述滑块；两侧滑块对称分布于所述Z轴平台两侧且通过螺栓与Z轴平台连接；所述XY平台通过螺栓与所述Z轴平台相连接；所述XY平台包括X轴压电陶瓷驱动器、X轴预紧螺栓、Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴预紧螺栓、X轴传动机构、Y轴传动机构和XY平台末端执行件，X轴压电陶瓷驱动器通过所述X轴预紧螺栓和所述X轴传动机构连接，Y轴压电陶瓷驱动器通过所述Y轴预紧螺栓与所述Y轴传动机构连接；所述X轴传动机构包括X轴双平行机构和X轴传动铰链，所述Y轴传动机构包括Y轴双平行机构和Y轴传动铰链，所述X轴传动机构与所述Y轴传动机构通过所述XY平台末端执行件与所述旋转电机相连接，所述旋转电机安装于所述XY平台末端执行件内侧，并通过所述XY平台末端执行件轴向间隙与所述联轴器相连接；所述柔性针与所述联轴器相连接，所述筋板与所述安装座通过螺栓连接，所述安装座通过螺栓安装于所述Z轴平台与所述XY平台。...

【技术特征摘要】
1.一种宏动和微动结合的四自由度柔性针穿刺平台，其特征在于，包括基座、导轨、滑块、直线电机定子、直线电机动子、Z轴平台、XY平台、旋转电机、联轴器、筋板、安装座和柔性针；所述导轨对称安装于所述基座顶部的两侧，所述直线电机定子安装于导轨之间，所述直线电机动子嵌装于直线电机定子上下部分间隙，两侧导轨分别滑动连接有所述滑块；两侧滑块对称分布于所述Z轴平台两侧且通过螺栓与Z轴平台连接；所述XY平台通过螺栓与所述Z轴平台相连接；所述XY平台包括X轴压电陶瓷驱动器、X轴预紧螺栓、Y轴压电陶瓷驱动器、Y轴预紧螺栓、X轴传动机构、Y轴传动机构和XY平台末端执行件，X轴压电陶瓷驱动器通过所述X轴预紧螺栓和所述X轴传动机构连接，Y轴压电陶瓷驱动器通过所述Y轴预紧螺栓与所述Y轴传动机构连接；所述X轴传动机构包括X轴双平行机构和X轴传动铰链，所述Y轴传动机构包括Y轴双平行机构和Y轴传动铰链，所述X轴传动机构与所述Y轴传动机构通过所述XY平台末端执行件与所述旋转电机相连接，所述旋转电机安装于所述XY平台末端执...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志永，李盼，姜杉，刘琬钰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12