多自由度手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真

范 磊,田佳程,范振敏

江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 常州 213001

0 引言

目前,微創(chuàng)醫(yī)療手術(shù)器械在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色,但國外高端微創(chuàng)外科機(jī)器人存在價(jià)格昂貴、操作繁瑣、不符合中國醫(yī)療環(huán)境和操作習(xí)慣等問題,限制了微創(chuàng)外科機(jī)器人在國內(nèi)的推廣應(yīng)用[1]。因此,結(jié)合國內(nèi)醫(yī)療環(huán)境,開發(fā)適合中國國情的多自由度手術(shù)器械迫在眉睫。

本文基于一種具有多自由度柔性蛇形關(guān)節(jié)的手術(shù)器械[2]和4自由度微創(chuàng)手術(shù)器械的機(jī)構(gòu)綜合及運(yùn)動學(xué)分析[3]研發(fā)了多自由度微創(chuàng)手術(shù)器械,可以直接操作,通過多個(gè)萬向節(jié)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)。通過采用齒輪、帶輪、萬向節(jié)、絲傳動等傳動方式,并考慮各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,提升手術(shù)質(zhì)量,降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 多自由度手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多自由度手術(shù)微創(chuàng)器械包括手柄、3個(gè)萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)、外殼、末端執(zhí)行器及驅(qū)動萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)的牽引絲線、驅(qū)動末端執(zhí)行器的傳動桿。牽引絲線用于驅(qū)動末端執(zhí)行器在1個(gè)自由度內(nèi)擺動,牽引絲線和傳動桿在手柄內(nèi)。擺動關(guān)節(jié)固定座、十字型萬向節(jié)、擺動關(guān)節(jié)組成的萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu),手柄處的任意運(yùn)動可經(jīng)由牽引絲線傳遞給末端執(zhí)行器,實(shí)現(xiàn)手動直接仿形操作。傳動桿延伸到末端執(zhí)行器內(nèi),用來響應(yīng)手指的運(yùn)動進(jìn)而控制末端執(zhí)行器的開合。

1.2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械從手裝置應(yīng)該力求結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動靈活、操作輕巧,同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的能力[4]。本微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械主要由以下5個(gè)部分組成。

1)手柄?？傮w呈槍型,由手指環(huán)和轉(zhuǎn)動軸組成。轉(zhuǎn)動軸遠(yuǎn)端有一通孔,過盈配合與軸固定連接。

2)3個(gè)萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)。分為主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)、從萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)和鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)。主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)包括外擺動關(guān)節(jié)手柄、固定關(guān)節(jié)、內(nèi)擺動關(guān)節(jié),從萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)(鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu))包括外擺動關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)、內(nèi)擺動關(guān)節(jié)。2個(gè)萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)之間由牽引絲線連接,總體呈槍形,遠(yuǎn)側(cè)端鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)通過鉗口外殼與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接,近側(cè)端在擺動關(guān)節(jié)手柄上設(shè)有支撐手柄轉(zhuǎn)動的支撐臺。

3)外殼?？煞譃樯贤鈿?、下外殼和鉗口外殼,上外殼固連于主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)的固定關(guān)節(jié),下外殼固定連接于主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)的外擺動關(guān)節(jié)手柄,鉗口外殼一端固連于鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu),另一端固定連接于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中上外殼和下外殼都可分為左右2部分,左右2部分運(yùn)用螺紋連接,方便拆卸,便于清洗內(nèi)部各個(gè)零件。

4)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。具有2個(gè)擺動自由度和1個(gè)開合自由度。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu),外部與鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)、鉗口外殼順次連接控制末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)2個(gè)擺動自由度,內(nèi)部與傳動桿通過鉗口萬向節(jié)傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)用螺紋傳動控制末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開合。

5)牽引絲線。共4股,每股牽引絲線起始于從主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)的外擺動機(jī)構(gòu)手柄,經(jīng)過從萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)的外擺動關(guān)機(jī),終止于鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)的外擺動機(jī)構(gòu),4股牽引絲分布于正方形的4個(gè)端點(diǎn)。

2 傳動設(shè)計(jì)

2.1 鉗口開合

鉗口開合如圖1所示,手術(shù)醫(yī)生將食指和大拇指分別放置于手柄處,食指和大拇指捏合,使得手柄傳動機(jī)構(gòu)和差速器機(jī)構(gòu)運(yùn)動,進(jìn)一步帶動轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動軸遠(yuǎn)端固定連接于鉗口萬向節(jié)傳動機(jī)構(gòu)近端,鉗口萬向節(jié)傳動機(jī)構(gòu)跟隨轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn),最后末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可模仿手指動作實(shí)現(xiàn)鉗口的開合。

圖1 鉗口開合

2.2 上下擺動

上擺動如圖2所示,圖中4根鋼絲繩近端固定連接于主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu),中部穿過從萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu),最后遠(yuǎn)端固定連接于鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)。鉗口外殼內(nèi)設(shè)有鉗口萬向節(jié)傳動機(jī)構(gòu),以此來保證鉗口末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在多個(gè)自由度內(nèi)仍可模仿手指動作實(shí)現(xiàn)鉗口的開合。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、鉗口外殼、鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)三者緊固連接。主、從、鉗口3個(gè)萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)始終保持平行。握住器械下把手向前運(yùn)動,1、2兩根鋼絲繩往后運(yùn)動同時(shí)收緊,3、4兩根鋼絲繩往前運(yùn)動同時(shí)放松。最后末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可模仿手部動作同時(shí)向上擺動。

1—左上牽引絲線;2—右上牽引絲線 3—右下牽引絲線;4—左下牽引絲線

下擺動如圖3所示,握住器械下把手向后運(yùn)動,1、2兩根鋼絲繩往前運(yùn)動同時(shí)放松,3、4兩根鋼絲繩往后運(yùn)動同時(shí)收緊。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可模仿手部動作同時(shí)向下擺動。

1—左上牽引絲線;2—右上牽引絲線 3—右下牽引絲線;4—左下牽引絲線

2.3 左右擺動

左右擺動與上下擺動同理,如圖4所示。握住器械下把手向左運(yùn)動,2、3兩根鋼絲繩往前運(yùn)動同時(shí)放松,1、4兩根鋼絲繩往后運(yùn)動同時(shí)收緊,末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可模仿手部動作同時(shí)向左擺動。相反的,握住器械下把手向右運(yùn)動,1、4兩根鋼絲繩往前運(yùn)動同時(shí)放松,2、3兩根鋼絲繩往后運(yùn)動同時(shí)收緊,末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可模仿手部動作同時(shí)向右擺動。

1—左上牽引絲線;2—右上牽引絲線 3—右下牽引絲線;4—左下牽引絲線

3 牽引絲線運(yùn)動幾何學(xué)分析

4根鋼絲繩近端固定連接于主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu),中部穿過從萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu),最后遠(yuǎn)端固定連接于鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)。由于從萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)傳動到鉗口萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)是平行面?zhèn)鲃?牽引絲線不會有任何變化,所以在此只討論主萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)傳動到從萬向節(jié)擺動機(jī)構(gòu)的牽引絲線的變化。具體分析過程如下。

圖5 平面計(jì)算說明圖

圖6 立體計(jì)算說明圖

當(dāng)多自由度手術(shù)微創(chuàng)器械處于傾斜狀態(tài)時(shí),如圖7所示,取傾斜角為60°,即∠AFB=∠AEC=60°。∠DEC=120°,AF=a,BF=b。

圖7 平面傾斜計(jì)算說明圖

圖8 立體傾斜計(jì)算說明圖

4 運(yùn)動學(xué)分析

如圖9所示,新型微創(chuàng)手術(shù)器械可由手術(shù)醫(yī)生手指直接操作,手轉(zhuǎn)動方向與鉗口轉(zhuǎn)動方向一致。

圖9 微創(chuàng)手術(shù)器械運(yùn)動簡圖

在系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上所求出的工作空間為多自由度手術(shù)器械系統(tǒng)可達(dá)到的工作空間[5]。而醫(yī)生在實(shí)際操作過程中,為了避免手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)動到極限位置時(shí)可能會出現(xiàn)不可控的現(xiàn)象,同時(shí)增加末端鉗口在操作上的靈活性,在對手術(shù)器械的工作空間的分析求解中,只考慮人們所需的目標(biāo)工作空間。多自由度手術(shù)器械系統(tǒng)的工作空間可分為實(shí)際可到達(dá)工作空間(RW)和目標(biāo)工作空間(DW),其表達(dá)關(guān)系為DW?RW。

即目標(biāo)工作空間為可到達(dá)工作空間的子空間,本產(chǎn)品可到達(dá)空間：左右方向-45°～45°,上下方向-45°～45°。

5 運(yùn)動學(xué)仿真

Adams是一種多體動力學(xué)仿真軟件,由MSC Software公司開發(fā)。它被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、汽車工程、航空航天工程等領(lǐng)域,用于模擬和分析復(fù)雜的多體動力學(xué)系統(tǒng)。Adams可以幫助工程師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化,預(yù)測系統(tǒng)的性能和行為,并提供可靠的工程決策依據(jù)。其可以模擬各種物理現(xiàn)象,包括運(yùn)動、碰撞、摩擦、彈性等,以及考慮各種力和約束條件。

本文選擇在SolidWorks中建模導(dǎo)入到Adams中的方式進(jìn)行。首先,在SolidWorks中建立多自由度微創(chuàng)手術(shù)器械的三維模型,導(dǎo)入Adams中,并添加合理約束和驅(qū)動以此驗(yàn)證模型的正確性[6]。其次,添加外部載荷,進(jìn)行仿真分析,處理之后得到所需結(jié)果,具體流程如圖10所示。

圖10 微創(chuàng)手術(shù)器械A(chǔ)DAMS仿真建模流程

6 結(jié)束語

本文針對微創(chuàng)手術(shù)器械從手裝置的應(yīng)用,研究設(shè)計(jì)了具備上下左右擺動和鉗口開合的微創(chuàng)手術(shù)器械。主要研究工作包含以下幾方面。

1)根據(jù)微創(chuàng)手術(shù)的操作,分析了其操作的特點(diǎn)。根據(jù)微創(chuàng)手術(shù)器械的操作特征以及既有的經(jīng)驗(yàn),討論出機(jī)械從手的整體設(shè)計(jì)思路,確定了機(jī)械從手的自由度數(shù)目以及功能等,劃分為5個(gè)組成部分。

2)從鉗口開合、上下擺動、左右擺動3方面詳細(xì)地介紹了多自由度手術(shù)器械傳動過程和具體實(shí)施方式。

3)對多自由度手術(shù)器械進(jìn)行了運(yùn)動幾何分析和運(yùn)動學(xué)分析,確定了多自由度手術(shù)器械末端操作空間：左右方向-45°～45°,上下方向-45°～45°。

4)采用SolidWorks和Adams對多自由度手術(shù)器械進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真,各個(gè)機(jī)構(gòu)傳動平穩(wěn),且運(yùn)動范圍能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)工作空間需求。