作 者：河南工業(yè)大學(xué) 尚鳳玲 岳龍旺 田 勇 岳 威

引言

近20年來(lái)，在微創(chuàng)外科及其市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，將先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、遠(yuǎn)程通訊技術(shù)、圖形圖像技術(shù)等有機(jī)結(jié)合起來(lái)的計(jì)算機(jī)輔助機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。與人類相比，機(jī)器人具有狀態(tài)穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、靈巧性好、工作范圍大、不怕輻射和病菌感染等優(yōu)勢(shì)^[1]。這將給2l世紀(jì)外科手術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命。

微創(chuàng)外科手術(shù)是指外科醫(yī)生在病人身體上開四個(gè)孔(1cm)，一個(gè)用于插入內(nèi)窺鏡，另兩個(gè)用于插入細(xì)長(zhǎng)的手術(shù)工具^[2]，剩下的一個(gè)孔用于輔助操作。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)的最少損傷、減少手術(shù)并發(fā)癥、縮短手術(shù)后康復(fù)時(shí)間，降低醫(yī)療費(fèi)用。因此，受到醫(yī)生和患者的普遍歡迎，是外科手術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
由于受到工作空間的限制，微創(chuàng)手術(shù)難度大，時(shí)間長(zhǎng)。現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)都是基于傳統(tǒng)“纏繞打結(jié)法^[3,4]”進(jìn)行縫合打結(jié)的。由于存在線圈從工具端部滑脫，張緊力不容易控制等問題，導(dǎo)致縫合線打結(jié)一次成功率低，手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)，縫合打結(jié)效果差。為了解決傳統(tǒng)“纏繞打結(jié)法”不適合機(jī)器人縫合打結(jié)的問題，本文提出一種新型的適合機(jī)器人縫合打結(jié)的“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”，基于該方法設(shè)計(jì)出新型的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

扭轉(zhuǎn)打結(jié)法

“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”^[5]既是通過夾持工具的旋轉(zhuǎn)使縫合線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，同時(shí)扭轉(zhuǎn)可以轉(zhuǎn)化為絞擰，形成打結(jié)所需的圓環(huán)的打結(jié)方法。

用“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”進(jìn)行縫合打結(jié)的一般步驟如圖1所示。



圖1 “扭轉(zhuǎn)打結(jié)”法打結(jié)過程

從圖1中可以看出，采用“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”在打結(jié)過程中，在縫合線兩端夾持點(diǎn)相互靠近時(shí)，縫合線由“扭轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)化為“絞擰”；而當(dāng)兩夾持點(diǎn)相互遠(yuǎn)離時(shí)，縫合線由“絞擰”轉(zhuǎn)化為“扭轉(zhuǎn)”。通過末端工具電機(jī)旋轉(zhuǎn)便能完成這個(gè)動(dòng)作要求，且左右工具之間沒有相對(duì)的位置與姿態(tài)的變化，因此不受工作空間大小的影響，也不會(huì)因縫合線的張緊力而損傷血管。

機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”通過對(duì)縫合線施加端部扭矩實(shí)現(xiàn)縫合線形狀的改變，形成打結(jié)所需的線圈，其運(yùn)動(dòng)形式包括沿軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、繞軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和夾持工具的開合運(yùn)動(dòng)。為了防止誤操作造成對(duì)病人的傷害，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)基于機(jī)構(gòu)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

該系統(tǒng)為雙臂機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)械臂有5個(gè)自由度，分別為繞r軸、v軸、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，繞u軸曲線移動(dòng)和沿v軸的手術(shù)器械的直線移動(dòng)。其中，z軸和r軸的轉(zhuǎn)動(dòng)為擺動(dòng)，v軸的轉(zhuǎn)動(dòng)為手術(shù)器械回轉(zhuǎn)。通過u軸和r軸實(shí)現(xiàn)基于機(jī)構(gòu)的定點(diǎn)（切口）運(yùn)動(dòng)，通過v軸和z軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)末端工作裝置的姿態(tài)變化。



圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)原理

各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

u軸曲線移動(dòng)和r軸擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微創(chuàng)手術(shù)是通過體表切口將手術(shù)器械伸入體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)的，為防止誤操作造成對(duì)切口的損傷，系統(tǒng)應(yīng)具備定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，采用半圓弧軌道機(jī)構(gòu)和軸直接驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

半圓弧軌道機(jī)構(gòu)如圖3，為實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)”運(yùn)動(dòng)，只要確保患者的體表切口位于圓弧軌道的圓心處即可。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以選擇具有傳動(dòng)準(zhǔn)確、可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、承載能力大、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)的齒輪傳動(dòng)。在圓弧軌道外側(cè)表面上加工成齒形結(jié)構(gòu)，把動(dòng)力源放置于軌道上面的滑塊上，小齒輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊沿u軸曲線移動(dòng)。



圖3 圓弧軌道機(jī)構(gòu)



圖4 軸直接驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

軸直接驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)如圖4，實(shí)現(xiàn)軸擺動(dòng)的軸線過圓弧軌道的圓心即患者體表切口也可實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)”運(yùn)動(dòng)。

此機(jī)構(gòu)的微型減速電機(jī)安置在滑塊上，安裝時(shí)要保證輸出軸線過圓弧軌道的圓心，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)方便。所以在實(shí)現(xiàn)繞r軸的轉(zhuǎn)動(dòng)中選用這種機(jī)構(gòu)。

v軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)主要有：螺旋機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、有特定尺寸的四桿機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)和齒輪-齒條機(jī)構(gòu)等幾種機(jī)構(gòu)。

v軸移動(dòng)要求手術(shù)器械做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)合各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，最后選用齒輪-齒條機(jī)構(gòu)。

齒條的一端用微型圓錐滾動(dòng)軸承連接在手術(shù)器械上，一端卡在套筒上，此機(jī)構(gòu)手術(shù)器械便于拆裝。

v軸轉(zhuǎn)動(dòng)和z軸擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手術(shù)器械自身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：為了減輕手術(shù)器械自身的質(zhì)量，以及體積限制，盡量選用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并盡可能緊湊。v軸轉(zhuǎn)動(dòng)選用微型減速電機(jī)直接帶動(dòng)手術(shù)器械實(shí)現(xiàn)。微型減速電機(jī)安置在套筒上，再把套筒與齒條固連，如圖5所示。



1—微型減速電機(jī)； 2、3—8xm1；4—齒條；
5—套筒；6—678zz軸承； 7—微型減速電機(jī)。

圖5 v軸轉(zhuǎn)動(dòng)和z軸擺動(dòng)

z軸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：為了減少進(jìn)入人體內(nèi)手術(shù)器械的直徑，把腕部的擺動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置在切口外部，這樣使控制部分與腕部有一定的距離，可以采用絲傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)z軸擺動(dòng)。不僅可以增加從手的精度和剛度，還能使從手結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、剛度高。

為了防止機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)引起末端工具的開合及其姿態(tài)的變化，絲傳動(dòng)原理如圖6所示。



1—軸驅(qū)動(dòng)軸；2、4—深溝球軸承；
3—鋼絲；5—末端工具。

圖6 走絲方法

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

按照d-h法嚴(yán)格建立桿件坐標(biāo)系及各關(guān)節(jié)的參數(shù)，分別如圖7和如表1所示。

表1 微創(chuàng)縫合機(jī)器人的d-h參數(shù)





圖7 微創(chuàng)縫合機(jī)器人結(jié)構(gòu)

然后根據(jù)各關(guān)節(jié)參數(shù)以及通過matlab進(jìn)行矩陣計(jì)算，可求得各桿系的轉(zhuǎn)換矩陣以及機(jī)器人末端在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位姿矩陣,如公式1-6所示。

（1）
（2）
（3）
（4）
（5）

機(jī)器人末桿在及坐標(biāo)系中的位姿矩陣為

(6)
其中



運(yùn)動(dòng)學(xué)方程逆解

根據(jù)正解結(jié)果，反求出機(jī)器人的各關(guān)節(jié)值。



工作空間分析

通過工作空間分析，按照實(shí)際的手術(shù)空間要求，得出機(jī)構(gòu)的參數(shù)。

結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及實(shí)際情況，設(shè)置機(jī)器人各桿的尺寸及極限位置如下：



結(jié)論

本文在分析“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”打結(jié)過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的微創(chuàng)縫合打結(jié)機(jī)器人，并詳細(xì)闡述了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)解算過程，結(jié)合實(shí)際給出了設(shè)置機(jī)器人各桿的尺寸及極限位置的參數(shù)。

作者簡(jiǎn)介
尚鳳玲 河南工業(yè)大學(xué)在讀研究生。

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