一種四自由度微創(chuàng)手術(shù)器械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張明松，付少將

（1.三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002）

微創(chuàng)手術(shù)[1]技術(shù)因其創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、費(fèi)用低等顯著優(yōu)勢(shì)，成為21 世紀(jì)醫(yī)療技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。微創(chuàng)手術(shù)器械是微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的末端執(zhí)行裝置，也是手術(shù)中唯一跟病人病變組織直接接觸的手術(shù)部件，它的優(yōu)良程度直接影響整個(gè)微創(chuàng)手術(shù)的成功與否。由于病人的心跳和呼吸是無(wú)法克服的生理因素，傷口在手術(shù)過(guò)程中并不嚴(yán)格固定，因此可能會(huì)降低手術(shù)機(jī)器人的操作精度。為了使微創(chuàng)手術(shù)更加精準(zhǔn)有效，筆者設(shè)計(jì)了一種四自由度微創(chuàng)手術(shù)器械。

1 微創(chuàng)手術(shù)器械整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 微創(chuàng)手術(shù)器械

設(shè)計(jì)的微創(chuàng)手術(shù)器械一共有4 個(gè)自由度，即肘關(guān)節(jié)的自轉(zhuǎn)、腕關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)、指關(guān)節(jié)的俯仰以及手指間的開(kāi)合，由末端執(zhí)行器、傳動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成[2]，如圖1 所示。末端執(zhí)行器位于最前端，由傳動(dòng)桿連接后面的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器是手術(shù)器械的關(guān)鍵部位，能夠影響微創(chuàng)手術(shù)器械從操作手的整體性能。傳統(tǒng)手術(shù)器械的驅(qū)動(dòng)方式為連桿驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有腕部的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和指關(guān)節(jié)的俯仰運(yùn)動(dòng)，手術(shù)動(dòng)作的靈活度較低。本末端執(zhí)行器如圖2 所示，整個(gè)部分可以繞傳動(dòng)桿的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，腕關(guān)節(jié)可以繞軸A 轉(zhuǎn)動(dòng)，手指關(guān)節(jié)可以繞軸B 完成轉(zhuǎn)動(dòng)和開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。

圖2 末端執(zhí)行器

1.2 絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足器械尺寸小、質(zhì)量輕并且傳動(dòng)距離長(zhǎng)的裝置要求，本手術(shù)器械傳動(dòng)方式采用絲傳動(dòng)。末端執(zhí)行器各關(guān)節(jié)上的鋼絲繩穿過(guò)中間傳動(dòng)桿的內(nèi)部連接于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)腕關(guān)節(jié)的俯仰運(yùn)動(dòng)、指關(guān)節(jié)的俯仰和手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。鋼絲繩的傳動(dòng)原理如圖3 所示。

圖3 手術(shù)器械傳動(dòng)原理圖

圖3 中，C1～C6 是6 根鋼絲繩，D1～D8 是8 組鋼絲繩導(dǎo)輪，其中D6 和電機(jī)1 連接，D7 和電機(jī)2 連接，D8 和電機(jī)3 連接。一旦電機(jī)1 處于工作狀態(tài)，C1 和C2 將依次繞過(guò)D6、D5 帶動(dòng)指關(guān)節(jié)的下爪轉(zhuǎn)動(dòng)；而電機(jī)3 工作時(shí)C5 和C6 將依次繞過(guò)D8、D4 帶動(dòng)指關(guān)節(jié)的上爪轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就能實(shí)現(xiàn)指關(guān)節(jié)的俯仰和開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2 工作時(shí)，C3 和C4將依次繞過(guò)D7、D3 轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)閉合回路，腕關(guān)節(jié)的俯仰運(yùn)動(dòng)也就實(shí)現(xiàn)了[3]。

傳動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)鋼絲繩傳動(dòng)示意圖如圖4 所示。鋼絲繩C9 和C10 一端纏繞在傳動(dòng)桿，另一端纏繞在導(dǎo)向輪的絲孔。當(dāng)導(dǎo)向輪繞C 軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)桿在鋼絲繩的帶動(dòng)下將會(huì)繞著D 軸完成自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就可實(shí)現(xiàn)4 個(gè)自由度的設(shè)計(jì)目的。

圖4 傳動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)鋼絲繩傳動(dòng)示意圖

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微創(chuàng)手術(shù)器械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖5 所示，所采用的傳動(dòng)方式為“鋼絲繩-導(dǎo)向輪”。電機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，帶動(dòng)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用鋼絲繩的長(zhǎng)距離傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)各個(gè)器械關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

圖5 微創(chuàng)手術(shù)器械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2 手術(shù)器械對(duì)組織的夾持力分析

手術(shù)器械的夾持力是1.0N，安全系數(shù)取3.0，可以得到手術(shù)器械的負(fù)載極值是3.0N。微創(chuàng)手術(shù)器械使用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)手術(shù)器械相比較，從電機(jī)到手術(shù)器械末端執(zhí)行器的距離較遠(yuǎn)，因此在動(dòng)力傳動(dòng)的過(guò)程中動(dòng)力損失更多，因此必須在負(fù)載極值的基礎(chǔ)上再取一個(gè)安全系數(shù)2.0，這樣可以得到最終的夾持力極值fmax=6.0N。

2.1 鋼絲繩選型

考慮到微創(chuàng)手術(shù)器械在實(shí)際工作中的夾持力要求，一般對(duì)病人器官組織的夾持力不得超過(guò)1N，可以得出手指的夾持力極值為6.0N。手術(shù)器械的手指驅(qū)動(dòng)輪的鋼絲繩槽的半徑和鋼絲繩的半徑均為0.25mm，因此可以得出有效半徑，即主動(dòng)力矩為R1=0.5mm。手術(shù)器械手指的負(fù)載力矩L1=12.2mm。手術(shù)器械的手指夾持力極值F1=6.0N。以上可得手指的傳動(dòng)繩拉力極值F2為：

控制手指運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為：

其中，D2為指關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪的有效直徑。

鋼絲繩屬于易損部件，因此鋼絲繩的質(zhì)量和效率必須得到有效的保證。每根鋼絲繩都不是單獨(dú)的一根線(xiàn)，而是由許多股線(xiàn)合制而成的。股和線(xiàn)都有各自共同的旋向，提高了繩的抗拉強(qiáng)度和耐磨損能力。鋼絲繩的基本結(jié)構(gòu)常用M×N 來(lái)表示（其中N 表示線(xiàn)數(shù)），比如常見(jiàn)的1×7、1×19等，由于M×N 的值越大鋼絲繩柔性越大，但抗拉強(qiáng)度會(huì)有所降低[4]，所以采用的鋼絲繩為1×7 結(jié)構(gòu)，直徑為0.5mm。

鋼絲繩最小破斷力的計(jì)算公式為：

其中，鋼絲繩的最小破斷拉力用F2表示，單位是N；鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)用K 表示；D 代表鋼絲繩的繩徑，單位為mm；R0代表鋼絲繩的公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度，單位為MPa；M 為鋼絲繩安全系數(shù)。

本文所選鋼絲繩最大拉力為146.4N，依據(jù)工作載荷和安全系數(shù)確定鋼絲繩的最小破斷拉力，取安全系數(shù)M 為3.0，最小破斷拉力系數(shù)K 為0.82，求得鋼絲繩的公稱(chēng)抗拉強(qiáng)為:

因此，本文所選材料所受的公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度小于其固有抗拉強(qiáng)度的最小值2 420MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 電機(jī)選型

選擇RE 系列的直流伺服電機(jī)，因?yàn)槠湓趷毫拥沫h(huán)境下仍能保證極高的有效性和精確性，并且它的體積性能比很好，適用于手術(shù)機(jī)器人。對(duì)于末端執(zhí)行器的絲傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，長(zhǎng)距離傳動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩的損失較大，相應(yīng)的負(fù)載就會(huì)較大。而傳動(dòng)桿的傳動(dòng)方式距離較短，所以電機(jī)轉(zhuǎn)矩?fù)p失較小，負(fù)載也就偏小[5]。由式（2）可知，手指運(yùn)動(dòng)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為：T2=732.0N·mm

因此，驅(qū)動(dòng)手指的電機(jī)所需輸出轉(zhuǎn)矩為：

其中，K 代表安全系數(shù)，ηM代表電機(jī)效率，ηC代表鋼絲繩效率，ηP代表導(dǎo)向輪效率。

將手指的轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)為ω=π/2（rad/s），可得到手指轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電機(jī)所需功率：

減速比為：

其中，T0代表初選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)Maxon motor 2011/12 的產(chǎn)品目錄選取電機(jī)Maxon DC motor RE13，直徑為13mm，失模電刷，功率為3W。選擇的電機(jī)型號(hào)為118610，它的額定電壓是24V，額定轉(zhuǎn)速是10 600rpm，額定轉(zhuǎn)矩是2.42N·mm。減速器選擇Maxon 行星輪減速箱GP16M，直徑是16mm，選擇型號(hào)312920，減速比是690∶1。

驗(yàn)證：

因此，本文所選電機(jī)型號(hào)符合要求。因?yàn)閚=576.3<690，所以選擇的行星輪減速箱的型號(hào)符合要求。

由于本文設(shè)計(jì)的手術(shù)器械的各個(gè)關(guān)節(jié)處的電機(jī)選擇同種型號(hào)，所以統(tǒng)一選擇型號(hào)為118610 的電機(jī)Maxon DC motor RE13。選擇型號(hào)為312920 的Maxon 行星齒輪箱GP16M[2]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種四自由度微創(chuàng)手術(shù)器械，區(qū)別于傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式本設(shè)計(jì)選用了絲傳動(dòng)方式，有效地提高了靈活度和精準(zhǔn)度。目前，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究還處于初級(jí)階段，仍需研究人員不斷努力，相信未來(lái)隨著科技水平的不斷發(fā)展，醫(yī)療機(jī)器人必將造福全人類(lèi)。