顯微外科手術(shù)機(jī)器人手指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

顯微外科手術(shù)機(jī)器人手指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀在顯示出人類(lèi)無(wú)法執(zhí)行的精細(xì)手術(shù)時(shí)，由于醫(yī)生的長(zhǎng)期操作、手的疲勞、誤差、精確性不足等限制因素，手術(shù)的質(zhì)量和安全性受到嚴(yán)重影響。外科手術(shù)機(jī)器人可以完成手動(dòng)無(wú)法執(zhí)行的精細(xì)手術(shù)，這在手術(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性和準(zhǔn)確性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了外科醫(yī)生。因此，我們獨(dú)立開(kāi)發(fā)了中國(guó)第一個(gè)“精手”顯示外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。其中，手指是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分。在主手的控制下，該系統(tǒng)可以正確地完成各種手術(shù)的操作，如血管的切割、剝離、牽引和縫合。此外，精細(xì)的手指旋轉(zhuǎn)和打開(kāi)、快速的末端工具更換對(duì)于提高傳統(tǒng)手術(shù)的效率、質(zhì)量和安全性具有重要意義。2末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)“妙手”系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.該系統(tǒng)主要包括主從操作手、手指系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)以及PC控制系統(tǒng).其中的手指系統(tǒng)如圖1右側(cè)實(shí)物圖所示,作為整個(gè)“妙手”系統(tǒng)的末端執(zhí)行器,是其重要的組成部分.該手指系統(tǒng)體積小、重量輕、夾持力大、機(jī)構(gòu)精簡(jiǎn)、可靠性高,可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)工具的旋轉(zhuǎn)與開(kāi)合,能迅速地更換末端手術(shù)工具.在完成血管吻合(顯微外科手術(shù)中的關(guān)鍵步驟)的過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)諸如血管縫合與打結(jié)這樣的技術(shù)難度很高的手術(shù)操作時(shí),該手指系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)得淋漓盡致.手指系統(tǒng)的操作由醫(yī)生控制主操作手來(lái)完成.3顯微外科手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)特點(diǎn)顯微外科手術(shù)的操作對(duì)象主要是直徑在0.7mm至2mm之間的血管.在顯微鏡的幫助下,醫(yī)生可以在小于1mm的血管上縫十幾針.手術(shù)過(guò)程中,醫(yī)生的動(dòng)作是緩慢而輕柔的,因此可以對(duì)錄像每隔0.5秒鐘做一次記錄進(jìn)行分析.結(jié)果顯示,手術(shù)空間大約是20×20×20mm3的立方體,手術(shù)工具的操作空間近似圓錐體,手術(shù)動(dòng)作的完成需要旋轉(zhuǎn)和開(kāi)合兩個(gè)自由度.在此基礎(chǔ)上,根據(jù)手術(shù)要求進(jìn)行分析,得出顯微外科手術(shù)機(jī)器人手指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下:第一,滿(mǎn)足手術(shù)操作要求的末端工具;第二,高效精確的快換機(jī)構(gòu);第三,具有夾持力大、反應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)范圍大及可靠性高等特性的工具開(kāi)合機(jī)構(gòu);第四,實(shí)現(xiàn)末端工具繞自身軸線(xiàn)的360°旋轉(zhuǎn);第五,手指整體的小巧靈活.因此,我們采用開(kāi)合、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前后布置的串型包絡(luò)布局,結(jié)合醫(yī)生手術(shù)操作的方式和要求,自主開(kāi)發(fā)了顯微外科手術(shù)機(jī)器人的手指系統(tǒng),如圖2所示.該系統(tǒng)的外形、體積和普通自動(dòng)鉛筆相近,從而在工具近似錐體的操作空間里具有更好的靈活性.手指系統(tǒng)主要由以下4個(gè)部分構(gòu)成:末端工具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、末端工具開(kāi)合機(jī)構(gòu)、末端工具和快換機(jī)構(gòu).以下將對(duì)各部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.3.1末端工具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為了準(zhǔn)確地完成手術(shù)操作,特別是精細(xì)、復(fù)雜的動(dòng)作,需要利用工具的軸向旋轉(zhuǎn)來(lái)得到適合手術(shù)操作的位姿,以達(dá)到最佳的手術(shù)效果.而將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)加到從操作手上,勢(shì)必增加設(shè)計(jì)難度,導(dǎo)致從操作手機(jī)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量增加,影響機(jī)器人整體的剛度性能,直接關(guān)系到手術(shù)質(zhì)量的優(yōu)劣.因此,我們?cè)谑种赶到y(tǒng)中設(shè)計(jì)了末端工具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端工具360°的旋轉(zhuǎn).該機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:由旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)18(瑞士ARASPEAM1524)帶動(dòng)主動(dòng)法蘭17撥動(dòng)傳動(dòng)塊16,從而推動(dòng)內(nèi)擋環(huán)15和內(nèi)套筒13運(yùn)動(dòng).內(nèi)擋環(huán)15和內(nèi)套筒13運(yùn)動(dòng)通過(guò)摩擦力帶動(dòng)開(kāi)合步進(jìn)電機(jī)14旋轉(zhuǎn),同時(shí)內(nèi)套筒13通過(guò)支撐管8的前端鉚接的兩個(gè)銷(xiāo)軸3帶動(dòng)手指末端工具部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn).這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)典,傳動(dòng)平穩(wěn),徑向尺寸小,適合用在小巧靈活的手術(shù)工具中,既可以簡(jiǎn)化從操作手的結(jié)構(gòu),又能夠滿(mǎn)足手術(shù)操作中的位姿要求,從而有助于提高手術(shù)的質(zhì)量.3.2末端機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)夾持是顯微外科手術(shù)操作中的關(guān)鍵動(dòng)作之一,尤其是在血管縫合的過(guò)程中,要夾持縫合針、縫合線(xiàn)和血管外膜等.其中夾持縫合針需要足夠的夾持力,這就決定了部分末端工具(如彈性指尖等)需要有實(shí)現(xiàn)工具開(kāi)合的機(jī)構(gòu).由于手指系統(tǒng)要求尺寸小、質(zhì)量輕、夾持力大、反應(yīng)速度快以及開(kāi)合運(yùn)動(dòng)范圍大等特性,而采用壓電晶體驅(qū)動(dòng)方式的手指夾持力和運(yùn)動(dòng)范圍比較小,不能滿(mǎn)足顯微外科手術(shù)的要求;若采用SMA(形狀記憶合金彈簧)來(lái)驅(qū)動(dòng)手指,又存在反應(yīng)速度慢及夾持力難以控制等缺點(diǎn).而且,在手術(shù)過(guò)程中,醫(yī)生可以通過(guò)顯微鏡觀(guān)察指尖開(kāi)合的整個(gè)過(guò)程,對(duì)控制精確度要求不高,可以采用開(kāi)環(huán)控制方式.因此,根據(jù)國(guó)外使用Electro-MechanismsPO-25螺線(xiàn)管執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的成功經(jīng)驗(yàn),手指系統(tǒng)的末端工具開(kāi)合機(jī)構(gòu)采用了傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式.以下為該機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程:由開(kāi)合步進(jìn)電機(jī)14(瑞士ARASPEAM1020)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)法蘭11撥動(dòng)一端插入其小孔的扭簧10.當(dāng)開(kāi)合電機(jī)14正轉(zhuǎn)時(shí),扭簧10緊縮,通過(guò)另一端插入從動(dòng)管9來(lái)帶動(dòng)從動(dòng)管9正轉(zhuǎn),從而撥動(dòng)螺桿7旋轉(zhuǎn).螺桿7的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺紋傳動(dòng)變成內(nèi)螺紋套筒2的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),內(nèi)螺紋套筒2向前移動(dòng)擠壓彈性指尖1實(shí)現(xiàn)指尖閉合;當(dāng)開(kāi)合電機(jī)14反轉(zhuǎn)時(shí),扭簧10脹徑.當(dāng)脹徑到從動(dòng)管9內(nèi)壁時(shí),二者之間的摩擦力使得從動(dòng)管9反轉(zhuǎn),帶動(dòng)螺桿7反轉(zhuǎn),從而使內(nèi)螺紋套筒2向后移動(dòng),釋放指尖,實(shí)現(xiàn)指尖的張開(kāi).其中,末端工具的張開(kāi)角度和操作對(duì)象的尺寸(如血管直徑和表皮厚度)有關(guān).所以,只要保證工具操作部分張開(kāi)時(shí)的尺寸不小于上述尺寸即可.例如,手術(shù)剪張開(kāi)可以達(dá)到的最大角度為40°,而在實(shí)際操作中運(yùn)動(dòng)范圍的大小取決于內(nèi)螺紋套筒2的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的范圍以及相關(guān)零件的設(shè)計(jì).這種通過(guò)螺旋傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)能以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的軸向力,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn),能滿(mǎn)足手術(shù)操作中的性能要求.此外,由于顯微外科手術(shù)操作中對(duì)血管的夾持力不超過(guò)16gf,即手術(shù)工具的工作對(duì)象都是柔性的組織器官,因此手術(shù)工具不能采用剛性的夾持方式.上述扭簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的特性決定其恰好可以實(shí)現(xiàn)柔性體的夾持.3.3工具類(lèi)型和作用工具針對(duì)手術(shù)操作和動(dòng)作要求,我們?cè)趥鹘y(tǒng)醫(yī)生操作手術(shù)工具的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人手指的末端工具進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)出了適合手術(shù)機(jī)器人操作的手術(shù)工具.手指系統(tǒng)的末端工具主要包括彈性指尖、手術(shù)剪和手術(shù)刀(見(jiàn)圖3(a)、(b)、(c))3種工具.其中彈性指尖用來(lái)夾持、阻斷、拉長(zhǎng)、牽扯血管,夾持縫合針、線(xiàn)等;手術(shù)剪用于切割和剪斷血管等;手術(shù)刀則用于切割、切斷和剝離血管等.上述工具均是顯微外科手術(shù)中的必備工具.我們開(kāi)發(fā)的手術(shù)工具不僅符合手術(shù)器械的規(guī)范和設(shè)計(jì)理念,而且結(jié)合了手術(shù)機(jī)器人的自身特點(diǎn),同時(shí)將精確定位以及快速更換工具等因素考慮進(jìn)去,從而保證了設(shè)計(jì)出的手術(shù)末端工具具有良好的醫(yī)學(xué)性能,能夠圓滿(mǎn)地完成手術(shù)操作.3.4種獨(dú)立的快換機(jī)構(gòu)在完成一次顯微外科手術(shù)的過(guò)程中,需要交替地使用多把不同的手術(shù)工具.如何能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)工具進(jìn)行更換,對(duì)于縮短手術(shù)時(shí)間,提高手術(shù)的質(zhì)量和安全性等方面都起著重要的作用.因此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種獨(dú)立的快換機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)的基本原理如下:在每種手術(shù)末端工具的尾部都開(kāi)有彎槽,一端開(kāi)口,另一端封閉.安裝時(shí)把開(kāi)口端對(duì)準(zhǔn)銷(xiāo)軸3插入內(nèi)螺紋套筒2,將支撐柱4往里頂,插到底后(見(jiàn)圖4(a))旋轉(zhuǎn)90°,松開(kāi)器械,壓縮彈簧5通過(guò)支撐柱4將其頂出,銷(xiāo)軸3卡至封閉端限制住工具的位置(見(jiàn)圖4(b)),這樣就完成安裝.拆卸時(shí),只需將工具往里推,然后反方向旋轉(zhuǎn)90°拔出即可.這種快換機(jī)構(gòu)可以高效迅速地更換末端工具,定位精確,夾緊可靠,操作極為簡(jiǎn)單,并且具有很好的通用性.4繪制有效的彈性受力由于在顯微外科手術(shù)中,對(duì)各種柔性組織的操作力嚴(yán)格要求不大于100gf,其中又以鑷子(即手指系統(tǒng)末端工具中的彈性指尖)需要的夾持力最大,而且其受力過(guò)程相對(duì)其他末端工具(手術(shù)剪、手術(shù)刀)更為復(fù)雜,因此以彈性指尖為例,對(duì)閉合后的工具進(jìn)行受力分析.圖5為彈性指尖受力分析簡(jiǎn)圖.其中AB段及CD段有一定的彈性,其余部分可視為剛體.將其一端固定,當(dāng)套筒向右移動(dòng)擠壓指尖時(shí),AB段和CD段發(fā)生彈性變形,指尖逐漸閉合,在此期間沒(méi)有夾持力;當(dāng)指尖閉合之后,AB段和CD段不再變形,套筒也不能繼續(xù)移動(dòng),夾持力迅速增大至極值.當(dāng)套筒向左移動(dòng)時(shí),指尖在AB段和CD段彈性力作用下逐漸張開(kāi).對(duì)指尖上半部分中的A點(diǎn)取矩,可得:N?a=M+f?b+FG?c(1)Ν?a=Μ+f?b+FG?c(1)式中:N為套筒對(duì)BE斜面的壓力;M為指尖彈性變形產(chǎn)生的力矩;f為套筒與BE斜面的摩擦力;FG為指尖的夾持力;a、b、c為N、f、FG分別相對(duì)于A點(diǎn)的力臂.對(duì)套筒來(lái)說(shuō),其水平方向上的受力平衡.它受到上下兩部分指尖對(duì)它的反作用力,則有:FA=2(N′sinα+f′cosα)(2)FA=2(Ν′sinα+f′cosα)(2)式中:FA為套筒受水平推力;N′、f′為N、f的反作用力;α為斜面BE與水平線(xiàn)的夾角.已知摩擦力與壓力之間的關(guān)系:f=μN(yùn)(3)f=μΝ(3)式中:μ為摩擦系數(shù).由式(1)～(3)可得夾持力FG與套筒水平推力FA之間的關(guān)系:FG=[12FA(a?μb)sinα+μcosα?M]/c(4)FG=[12FA(a-μb)sinα+μcosα-Μ]/c(4)當(dāng)摩擦力的力臂b和指尖的彈性力矩M較小時(shí),可以將其忽略不計(jì).則有:FG=a2cFAsinα+μcosα(5)FG=a2cFAsinα+μcosα(5)由式(4)、(5)可知,在沒(méi)有套筒的推力時(shí),即FA=0時(shí),夾持力FG=0.這表明了如果用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺紋傳動(dòng),則當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí),即使指尖閉合,夾持力仍然為零,這在實(shí)際使用過(guò)程中是不允許的.因此需要在步進(jìn)電機(jī)和螺紋傳動(dòng)指尖增加一個(gè)儲(chǔ)能的環(huán)節(jié),使其在電機(jī)停轉(zhuǎn)后仍然能夠保持一定的夾持力.這里我們選擇了扭簧來(lái)作為儲(chǔ)能的環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但可以有效地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的作用.由于開(kāi)合步進(jìn)電機(jī)(瑞士ARASPEAM1020)的最大功率為600mW,配減速比為16∶1的行星減速器后的連續(xù)轉(zhuǎn)矩為100mNm,考慮傳動(dòng)效率及摩擦損失等情況后,該電機(jī)通過(guò)螺旋傳動(dòng)可以提供320gf左右的推力FA,由式(5)可得彈性指尖的夾持力:FG≈100gf.因此,該手指末端工具的夾持力能夠滿(mǎn)足顯微外科手術(shù)的操作要求.5試驗(yàn)與研究5.1手指系統(tǒng)的性能測(cè)試手指系統(tǒng)的性能測(cè)試包括指尖開(kāi)合和工具旋轉(zhuǎn)兩個(gè)基本動(dòng)作的測(cè)試.(1)脈沖數(shù)計(jì)算正確從指尖張到最大(40°)開(kāi)始,電機(jī)正轉(zhuǎn),同時(shí)發(fā)出2560個(gè)脈沖信號(hào),觀(guān)察到此過(guò)程中指尖閉合正常.電機(jī)停轉(zhuǎn)后,指尖閉合到極限,說(shuō)明脈沖數(shù)計(jì)算正確;電機(jī)反轉(zhuǎn),同樣發(fā)出2560個(gè)脈沖信號(hào).觀(guān)察到指尖張開(kāi)正常,電機(jī)停轉(zhuǎn)后,指尖張到最大(40°).根據(jù)開(kāi)合電機(jī)及對(duì)應(yīng)減速器的特性,按照手術(shù)操作要求對(duì)工具開(kāi)合速度進(jìn)行調(diào)整.經(jīng)多次試驗(yàn)確定工具完成一次張開(kāi)或閉合的時(shí)間在2s左右時(shí),工具開(kāi)合運(yùn)動(dòng)性能良好,能滿(mǎn)足手術(shù)操作的要求.試驗(yàn)結(jié)果表明指尖開(kāi)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足手術(shù)開(kāi)合動(dòng)作的要求.(2)電機(jī)停轉(zhuǎn)后旋轉(zhuǎn)從其中一個(gè)極限位置開(kāi)始,電機(jī)正轉(zhuǎn),同時(shí)發(fā)出283個(gè)脈沖信號(hào),控制末端工具旋轉(zhuǎn).觀(guān)察旋轉(zhuǎn)情況,電機(jī)停轉(zhuǎn)后,測(cè)出旋轉(zhuǎn)的實(shí)際角度接近360°;電機(jī)反轉(zhuǎn),同樣發(fā)出283個(gè)脈沖信號(hào),末端工具則旋轉(zhuǎn)回到原來(lái)的極限位置.根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)及對(duì)應(yīng)減速器的特性對(duì)自轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)整.當(dāng)工具自轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間在2.5s左右時(shí),旋轉(zhuǎn)較為平穩(wěn),滿(mǎn)足手術(shù)要求.試驗(yàn)結(jié)果表明工具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.5.2血管模擬試驗(yàn)試驗(yàn)主要由兩部分內(nèi)容構(gòu)成:仿真試驗(yàn)和穿針引線(xiàn)試驗(yàn).(1)手術(shù)工具的選擇如圖6所示,將細(xì)小的仿真血管作為微細(xì)血管的替代物,用手術(shù)工具進(jìn)行夾持和切割操作.試驗(yàn)結(jié)果表明,工具符合顯微外科手術(shù)的操作要求,機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好.(2)手術(shù)工具夾持的可靠性用一只從操作手的手指末端工具(彈性指尖)夾持一根普通縫衣針,另外一只則用來(lái)夾持手術(shù)縫合針.將帶線(xiàn)的手術(shù)縫合針插入到針眼(直徑1mm左右)中,然后從另外一側(cè)拔出.試驗(yàn)結(jié)果表明,手術(shù)工具夾持的可靠性能夠滿(mǎn)足顯微外科手術(shù)的要求.5.3無(wú)故障、手術(shù)操作2個(gè)月內(nèi)試驗(yàn)?zāi)康?驗(yàn)證“妙手”系統(tǒng)各項(xiàng)功能,包括手指系統(tǒng)性能.試驗(yàn)對(duì)象:兔子頸部和腿部直徑為1mm的動(dòng)脈血管.試驗(yàn)的主要進(jìn)程:切開(kāi)表皮、血管剝離、剪切、縫合、打結(jié)、表皮縫合、打結(jié),如圖8所示.通過(guò)以上的試驗(yàn)研究及動(dòng)物試驗(yàn)的成功,結(jié)果表明,該手指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足顯微外科手術(shù)操作的相關(guān)規(guī)定的要求,能夠在主操作手的控制下順