腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)器械設(shè)計(jì)

邱雪芹，潘 博，付宜利

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所，哈爾濱150001)

國(guó)外機(jī)器人腹腔微創(chuàng)手術(shù)以及得到了商品化并得以推廣，在臨床上也到了應(yīng)用.傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)器械自由度低，只具有末端兩個(gè)鉗爪的開合自由度，靈活性也較差.腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)器械在傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)器械的基礎(chǔ)上，提高了自由度，靈活性也大大加強(qiáng)［1－2］.手術(shù)器械的可達(dá)范圍也提高了.本文所設(shè)計(jì)的手術(shù)器械是機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它的功能和精度直接決定手術(shù)的質(zhì)量.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求

1)結(jié)構(gòu)與材料

由于手術(shù)器械所掛接的機(jī)械臂末端具有遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，搭載手術(shù)器械的機(jī)械臂自由度要求為平移自由度，手術(shù)器械操作桿軸線必須經(jīng)過遠(yuǎn)心點(diǎn)［3］.手術(shù)器械的整體結(jié)構(gòu)必須相對(duì)緊湊，以避免掛接手術(shù)器械的機(jī)械臂尺寸過大，保證機(jī)械臂的靈活度和活動(dòng)空間，防止機(jī)械臂干涉.

目前微創(chuàng)手術(shù)用鞘管有5 mm和10 mm兩種規(guī)格，前者用于各類手術(shù)器具，后者用于管徑較大的內(nèi)窺鏡.考慮到手術(shù)器械整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，選用10 mm的鞘管.因此手術(shù)器械末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外包圓直徑應(yīng)小于10 mm，即操作桿直徑應(yīng)選取為10 mm(操作桿直徑比鞘管直徑過小，易造成腹腔漏氣).

手術(shù)器械的質(zhì)量影響到機(jī)械臂的負(fù)載，末端的慣性進(jìn)一步影響整體機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型慣性控制.為此，手術(shù)器械應(yīng)減少質(zhì)量，盡量選用輕便的材料.另外根據(jù)國(guó)家藥監(jiān)局相關(guān)規(guī)定，手術(shù)器械與人體組織接觸部位應(yīng)選用人體親和材料.

2)功能與效果

傳統(tǒng)手術(shù)器械自由度少，靈活性低.為完成腹腔內(nèi)對(duì)組織的夾持、切割和縫合等操作，所設(shè)計(jì)的手術(shù)器械要根據(jù)需求增加自由度，提高靈活性.同時(shí)還應(yīng)保證足夠的操作精度，以完成各種精細(xì)的手術(shù)動(dòng)作.

在手術(shù)過程中，手術(shù)鉗要求保持一定的夾持力，以抓取組織器官或縫針進(jìn)行縫合.由于傳輸距離遠(yuǎn)，因此傳動(dòng)鏈應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，以減少傳遞中力矩?fù)p失.手術(shù)過程中手術(shù)器械頻繁更換，要求設(shè)計(jì)能快速更換的接口，使手術(shù)器械迅速搭載到機(jī)械臂接口模塊上.快速更換手術(shù)器械后，機(jī)械臂模塊能夠進(jìn)入有效驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，減少手術(shù)時(shí)間，提高效率.

1.2 自由度和傳動(dòng)方式

本課題所設(shè)計(jì)的手術(shù)器械具有4自由度:操作桿的旋轉(zhuǎn)、腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)和兩手指各自的轉(zhuǎn)動(dòng).所設(shè)計(jì)的腹腔微創(chuàng)手術(shù)用電刀具有3個(gè)自由度:操作桿的旋轉(zhuǎn)、腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)和手指的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示.

圖1 手術(shù)器械自由度

手術(shù)器械需要深入人體，傳動(dòng)距離遠(yuǎn)，可選的傳動(dòng)方式有剛性桿傳動(dòng)、齒輪鏈傳動(dòng)和繩傳動(dòng).剛性桿傳動(dòng)不易控制，多自由度機(jī)構(gòu)，體積龐大;齒輪鏈傳動(dòng)對(duì)應(yīng)用環(huán)境要求較高，制造要求高，不便于維護(hù)保養(yǎng);繩傳動(dòng)傳動(dòng)距離長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離交錯(cuò)軸動(dòng)力傳遞，傳動(dòng)平穩(wěn)，但需使用過程中會(huì)逐漸變松，需要設(shè)置預(yù)緊裝置.綜合上述情況，本文選用繩傳動(dòng)方案，利用線輪拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)繩帶動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng).

1.3 預(yù)緊機(jī)構(gòu)

繩的預(yù)緊可選用的方法有彈簧預(yù)緊、摩擦輪預(yù)緊和張緊輪預(yù)緊3種［4］.本手術(shù)器械繩傳動(dòng)空間走向直接，傳動(dòng)繩松動(dòng)較小，預(yù)緊頻率低.彈簧預(yù)緊傳動(dòng)比不恒定.且當(dāng)載荷大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，末端相應(yīng)關(guān)節(jié)會(huì)有空行程，如圖2所示;張緊輪需要一定的空間，布局和排線困難;摩擦輪能保證傳動(dòng)剛度，且所需空間較小，可以通過合理的線輪設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)緊的效果.針對(duì)上述情況本課題選擇摩擦輪預(yù)緊為所需的預(yù)緊方式.

圖2 彈簧預(yù)緊

手術(shù)器械摩擦輪采用左右線輪結(jié)構(gòu).手指驅(qū)動(dòng)線輪如圖所示.半圓結(jié)構(gòu)的兩個(gè)線輪左右配合，采用兩個(gè)螺栓夾緊固定在離合盤上.其中一個(gè)線輪具有螺旋繞線槽，如圖3所示.鋼絲繩繞著螺旋繞線槽螺旋繞線，穿過線輪上的孔.拉緊鋼絲繩后用將鋼絲繩一端固定.如此便完成了鋼絲繩的預(yù)緊.

圖3 摩擦輪預(yù)緊

1.4 快換機(jī)構(gòu)

如圖4所示，上離合盤(機(jī)械臂接口模塊)設(shè)有非對(duì)稱的缺口，相應(yīng)地下離合盤(手術(shù)器械本體模塊)設(shè)有非對(duì)稱的兩個(gè)凸柱.當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上離合盤也旋轉(zhuǎn).上離合盤旋轉(zhuǎn)至配合位置，彈簧推動(dòng)上離合盤，凸柱和缺口相咬合，上離合盤帶動(dòng)下離合盤一塊轉(zhuǎn)動(dòng).下離合盤再驅(qū)動(dòng)手術(shù)器械的腕部，手指和操作桿做出相應(yīng)動(dòng)作.手術(shù)器械兩邊的突起和手術(shù)器械支架上的凹槽相配合，也起到了輔助定位的作用，如圖5所示.

圖4 手術(shù)器械驅(qū)動(dòng)平臺(tái)

圖5 手術(shù)器械

當(dāng)要卸載手術(shù)器械時(shí)，只需捏住手術(shù)器械兩邊的夾塊，夾塊推動(dòng)手術(shù)器械支架上的浮動(dòng)盤向下運(yùn)動(dòng)，壓住彈簧，如圖6所示.浮動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)也帶動(dòng)下離合盤向下運(yùn)動(dòng)，上下離合盤分離，此時(shí)退出手術(shù)器械即可.

圖6 手術(shù)器械與驅(qū)動(dòng)平臺(tái)配合圖

1.5 夾持機(jī)構(gòu)

腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的鉗子采用了以下設(shè)計(jì)，如圖7所示.

1)設(shè)有安裝孔，手指轉(zhuǎn)動(dòng)軸從孔中穿過，手指連接到腕部相對(duì)腕部旋轉(zhuǎn);

2)鋸齒狀配合結(jié)構(gòu)，兩個(gè)手指互相咬合，增大摩擦力，便于夾持人體組織等;

3)手術(shù)鉗手指中間有空腔，在夾持的時(shí)候人體組織陷入空腔，防止組織滑脫，手指能進(jìn)一步抓牢組織.

4)手指內(nèi)部設(shè)有傳動(dòng)繩槽，放置帶有鎖緊環(huán)的傳動(dòng)繩一端;

5)兩個(gè)手指之間設(shè)有突起和凹槽，相互配合，防止手指過度旋轉(zhuǎn);

6)手指設(shè)有環(huán)槽來引導(dǎo)傳動(dòng)繩.

圖7 手術(shù)器械手指

手指A傳動(dòng)繩的走向?yàn)?從手指A上的環(huán)槽內(nèi)引出的傳動(dòng)繩A1經(jīng)過導(dǎo)向輪1、腕部導(dǎo)向輪1，過腕部連接件上所對(duì)應(yīng)的通孔進(jìn)入中空操作桿;另一側(cè)走線與此相同，如圖8所示.另一手指B的繞線方式相同.

圖8 手術(shù)器械末端傳動(dòng)繩走向

2 受力分析及電機(jī)選型

2.1 手術(shù)鉗手指受力分析

關(guān)于微創(chuàng)手術(shù)鉗在真實(shí)手術(shù)環(huán)境中所需的操作力，微創(chuàng)手術(shù)鉗對(duì)人體器官組織的夾持力不應(yīng)大于1 N［5］，引進(jìn)安全系數(shù) 1.5，最后選取微創(chuàng)手術(shù)鉗的夾持力最大值為1.5 N.本文所設(shè)計(jì)的手術(shù)器械，包括操作桿，兩個(gè)手指，腕部，其中操作桿的所承受的力比較?。?］.因此.本課題只對(duì)手指?jìng)鲃?dòng)繩和腕部傳動(dòng)繩進(jìn)行受力分析，如圖9所示.

取一個(gè)安全系數(shù)1.1，得出機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)手術(shù)鉗的夾持力fm為1.65 N.

如圖所示，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，兩個(gè)手指中，纏繞鋼絲槽的半徑為2 mm加上鋼絲繩自身半徑0.25 mm，所以在手指鋼絲驅(qū)動(dòng)中，有效動(dòng)力臂l1=2.25 mm.如圖9所示，在手術(shù)操作過程中，給手指的負(fù)載力臂l2=18 mm.通過下邊的關(guān)系式求解出手術(shù)鉗手指?jìng)鲃?dòng)繩拉力極值為Fm，D指為手指繞線輪直徑:

手指轉(zhuǎn)動(dòng)需提供轉(zhuǎn)矩:

手指所受應(yīng)力圖，如圖10所示.

圖10 手術(shù)鉗手指應(yīng)力圖

2.2 手術(shù)鉗腕部受力分析

對(duì)于手術(shù)器械末端執(zhí)行器的腕部主要是用來提升兩個(gè)手指夾持的組織，因在手術(shù)操作中，夾持力一般較小，但是提升時(shí)，不僅要克服組織跟兩個(gè)手爪的重力，還要克服組織之間的牽連力.所以腕部所提供的力必須大于手指力.但是腕部傳動(dòng)鏈相對(duì)短，最后選安全系數(shù)1.06.綜合給出本文所設(shè)計(jì)的手術(shù)器械腕部提拉力極值為1.749 N.

圖11 手術(shù)鉗腕部受力分析

腕部轉(zhuǎn)動(dòng)需提供轉(zhuǎn)矩:T腕=F×D=17.172×5.5=94.446 N·mm.因此得傳動(dòng)繩最大拉力為17.172 N，下線輪軸繞線圈直徑D=5.5 mm.需傳遞最大轉(zhuǎn)矩T腕=94.446 N·mm.腕部所受應(yīng)力圖，如圖12所示.

圖12 腕部應(yīng)力圖

如圖11所示，所設(shè)計(jì)的手術(shù)器械腕部鋼絲繞線槽半徑為2.75 mm，此值即為腕部運(yùn)動(dòng)時(shí)的主動(dòng)力臂，設(shè)為m1;

手術(shù)器械腕部旋轉(zhuǎn)軸到兩個(gè)手指協(xié)調(diào)夾持的有效距離m2為27 mm，即腕部運(yùn)動(dòng)時(shí)其最大負(fù)載力fwm為27 mm.由腕部拉力極值可得出手術(shù)鉗腕部傳動(dòng)繩的拉力極值F為:

2.3 電機(jī)選型

其中:T指出是驅(qū)動(dòng)手指的電機(jī)所需輸出轉(zhuǎn)矩，K為安全系數(shù)，其他表示各零件效率.

驅(qū)動(dòng)手指電機(jī)所需功率

其中:T腕出驅(qū)動(dòng)腕部的電機(jī)所需輸出轉(zhuǎn)矩，K為安全系數(shù).

腕部電機(jī)功率

操作桿轉(zhuǎn)動(dòng)需提供的轉(zhuǎn)矩最小，本課題操作桿選用電機(jī)跟手指選同一型號(hào).選maxon電機(jī)RE13功率2 W，減速比選131/1.

由上述分析知腕部電機(jī)載荷最大，且需傳遞最大扭矩M=255.06 N·mm.本文腕部電機(jī)選用maxon直流電機(jī)RE16，額定功率3.2 W.減速比選157/1，正齒齒輪箱GS 16 A.

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

手術(shù)器械第三個(gè)自由度和第四個(gè)自由度相同，這里采用簡(jiǎn)化的辦法，將手術(shù)器械看做三個(gè)自由度，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖13所示，表1為手術(shù)器械的連桿參數(shù)表.

圖13 手術(shù)器械坐標(biāo)系圖

圖14 手術(shù)器械自由度示意圖

3.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

表1 手術(shù)器械的連桿參數(shù)表

建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的方法有D－H法和旋轉(zhuǎn)動(dòng)量法，這里選用D－H法進(jìn)行建模，手術(shù)器械自由度如圖14所示.

配合關(guān)節(jié)角的工作角度，通過觀察有如下的關(guān)系

當(dāng) nz＜0時(shí)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

將模型導(dǎo)入ADAMS里面，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，當(dāng)三個(gè)關(guān)節(jié)角如圖15所示，運(yùn)動(dòng)學(xué)建模產(chǎn)生的軌跡如圖16所示.

圖15 手術(shù)器械關(guān)節(jié)角輸入

圖16 Matlab仿真軌跡

編寫程序，對(duì)產(chǎn)生的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆，得到三個(gè)關(guān)節(jié)角的曲線，導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到軌跡如圖17所示.

圖17 ADAMS仿真軌跡

由運(yùn)動(dòng)學(xué)正向建模得到的仿真軌跡與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的關(guān)節(jié)角導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行仿真的軌跡相同，由此驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建模是正確的.

5 結(jié)語

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)器械進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真.手術(shù)器械的設(shè)計(jì)滿足腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的操作要求.

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