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微創(chuàng )機器人從手結構的設計及運動(dòng)學(xué)分析
作者：
時(shí)間：2014-02-13
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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引言
近20年來(lái)，在微創(chuàng )外科及其市場(chǎng)需求的驅動(dòng)下，將先進(jìn)機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、遠程通訊技術(shù)、圖形圖像技術(shù)等有機結合起來(lái)的計算機輔助機器人微創(chuàng )手術(shù)系統得到了迅速的發(fā)展。與人類(lèi)相比，機器人具有狀態(tài)穩定、定位準確、靈巧性好、工作范圍大、不怕輻射和病菌感染等優(yōu)勢[1]。這將給2l世紀外科手術(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)是指外科醫生在病人身體上開(kāi)四個(gè)孔(1cm)，一個(gè)用于插入內窺鏡，另兩個(gè)用于插入細長(cháng)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)后康復時(shí)間，降低醫療費用。因此，受到醫生和患者的普遍歡迎，是外科手術(shù)發(fā)展的必然趨勢，具有廣闊的應用前景。
由于受到工作空間的限制，微創(chuàng )手術(shù)難度大，時(shí)間長(cháng)?，F有微創(chuàng )手術(shù)機器人系統都是基于傳統“纏繞打結法[3,4]”進(jìn)行縫合打結的。由于存在線(xiàn)圈從工具端部滑脫，張緊力不容易控制等問(wèn)題，導致縫合線(xiàn)打結一次成功率低，手術(shù)時(shí)間長(cháng)，縫合打結效果差。為了解決傳統“纏繞打結法”不適合機器人縫合打結的問(wèn)題，本文提出一種新型的適合機器人縫合打結的“扭轉打結法”，基于該方法設計出新型的微創(chuàng )手術(shù)機器人系統。
扭轉打結法
“扭轉打結法”[5]既是通過(guò)夾持工具的旋轉使縫合線(xiàn)產(chǎn)生扭轉，同時(shí)扭轉可以轉化為絞擰，形成打結所需的圓環(huán)的打結方法。
用“扭轉打結法”進(jìn)行縫合打結的一般步驟如圖1所示。
圖1 “扭轉打結”法打結過(guò)程
從圖1中可以看出，采用“扭轉打結法”在打結過(guò)程中，在縫合線(xiàn)兩端夾持點(diǎn)相互靠近時(shí)，縫合線(xiàn)由“扭轉”轉化為“絞擰”；而當兩夾持點(diǎn)相互遠離時(shí)，縫合線(xiàn)由“絞擰”轉化為“扭轉”。通過(guò)末端工具電機旋轉便能完成這個(gè)動(dòng)作要求，且左右工具之間沒(méi)有相對的位置與姿態(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(xiàn)的張緊力而損傷血管。
機器人系統機構設計
“扭轉打結法”通過(guò)對縫合線(xiàn)施加端部扭矩實(shí)現縫合線(xiàn)形狀的改變，形成打結所需的線(xiàn)圈，其運動(dòng)形式包括沿軸向的往復運動(dòng)、繞軸向的旋轉運動(dòng)和夾持工具的開(kāi)合運動(dòng)。為了防止誤操作造成對病人的傷害，應該實(shí)現基于機構的定點(diǎn)運動(dòng)。系統原理圖如圖2所示。
該系統為雙臂機構，每個(gè)機械臂有5個(gè)自由度，分別為繞r軸、v軸、z軸的轉動(dòng)，繞u軸曲線(xiàn)移動(dòng)和沿v軸的手術(shù)器械的直線(xiàn)移動(dòng)。其中，z軸和r軸的轉動(dòng)為擺動(dòng)，v軸的轉動(dòng)為手術(shù)器械回轉。通過(guò)u軸和r軸實(shí)現基于機構的定點(diǎn)（切口）運動(dòng)，通過(guò)v軸和z軸轉動(dòng)實(shí)現末端工作裝置的姿態(tài)變化。
圖2 機械臂結構原理
各部分結構的設計
u軸曲線(xiàn)移動(dòng)和r軸擺動(dòng)結構的設計
微創(chuàng )手術(shù)是通過(guò)體表切口將手術(shù)器械伸入體內進(jìn)行手術(shù)的，為防止誤操作造成對切口的損傷，系統應具備定點(diǎn)運動(dòng)特性。在機構設計過(guò)程中，采用半圓弧軌道機構和軸直接驅動(dòng)擺動(dòng)機構實(shí)現系統的定點(diǎn)運動(dòng)。
半圓弧軌道機構如圖3，為實(shí)現“定點(diǎn)”運動(dòng)，只要確?；颊叩捏w表切口位于圓弧軌道的圓心處即可。這種結構簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，驅動(dòng)機構可以選擇具有傳動(dòng)準確、可靠、運轉平穩、承載能力大、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)的齒輪傳動(dòng)。在圓弧軌道外側表面上加工成齒形結構，把動(dòng)力源放置于軌道上面的滑塊上，小齒輪的運動(dòng)帶動(dòng)滑塊沿u軸曲線(xiàn)移動(dòng)。
圖3 圓弧軌道機構
圖4 軸直接驅動(dòng)擺動(dòng)機構
軸直接驅動(dòng)擺動(dòng)如圖4，實(shí)現軸擺動(dòng)的軸線(xiàn)過(guò)圓弧軌道的圓心即患者體表切口也可實(shí)現“定點(diǎn)”運動(dòng)。
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