多自由度手術器械的結構設計及運動學仿真

范 磊,田佳程,范振敏

江蘇理工學院機械工程學院,江蘇 常州 213001

0 引言

目前,微創醫療手術器械在現代醫學領域中扮演著至關重要的角色,但國外高端微創外科機器人存在價格昂貴、操作繁瑣、不符合中國醫療環境和操作習慣等問題,限制了微創外科機器人在國內的推廣應用[1]。因此,結合國內醫療環境,開發適合中國國情的多自由度手術器械迫在眉睫。

本文基于一種具有多自由度柔性蛇形關節的手術器械[2]和4自由度微創手術器械的機構綜合及運動學分析[3]研發了多自由度微創手術器械,可以直接操作,通過多個萬向節實現了多個方向的偏轉。通過采用齒輪、帶輪、萬向節、絲傳動等傳動方式,并考慮各個機構之間的協調關系,提升手術質量,降低手術風險。

1 結構設計

1.1 多自由度手術器械的結構設計

多自由度手術微創器械包括手柄、3個萬向節擺動機構、外殼、末端執行器及驅動萬向節擺動機構的牽引絲線、驅動末端執行器的傳動桿。牽引絲線用于驅動末端執行器在1個自由度內擺動,牽引絲線和傳動桿在手柄內。擺動關節固定座、十字型萬向節、擺動關節組成的萬向節擺動機構,手柄處的任意運動可經由牽引絲線傳遞給末端執行器,實現手動直接仿形操作。傳動桿延伸到末端執行器內,用來響應手指的運動進而控制末端執行器的開合。

1.2 主要機構設計

微創手術機械從手裝置應該力求結構緊湊、運動靈活、操作輕巧,同時具備實現相關設計指標要求的能力[4]。本微創手術機械主要由以下5個部分組成。

1)手柄?？傮w呈槍型,由手指環和轉動軸組成。轉動軸遠端有一通孔,過盈配合與軸固定連接。

2)3個萬向節擺動機構。分為主萬向節擺動機構、從萬向節擺動機構和鉗口萬向節擺動機構。主萬向節擺動機構包括外擺動關節手柄、固定關節、內擺動關節,從萬向節擺動機構(鉗口萬向節擺動機構)包括外擺動關節、固定關節、內擺動關節。2個萬向節擺動機構之間由牽引絲線連接,總體呈槍形,遠側端鉗口萬向節擺動機構通過鉗口外殼與末端執行機構連接,近側端在擺動關節手柄上設有支撐手柄轉動的支撐臺。

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擺動機構的固定關節,下外殼固定連接于主萬向節擺動機構的外擺動關節手柄,鉗口外殼一端固連于鉗口萬向節擺動機構,另一端固定連接于末端執行機構。其中上外殼和下外殼都可分為左右2部分,左右2部分運用螺紋連接,方便拆卸,便于清洗內部各個零件。

4)末端執行機構。具有2個擺動自由度和1個開合自由度。末端執行機構遠離主萬向節擺動機構,外部與鉗口萬向節擺動機構、鉗口外殼順次連接控制末端執行機構2個擺動自由度,內部與傳動桿通過鉗口萬向節傳動機構運用螺紋傳動控制末端執行機構的開合。

5)牽引絲線。共4股,每股牽引絲線起始于從主萬向節擺動機構的外擺動機構手柄,經過從萬向節擺動機構的外擺動關機,終止于鉗口萬向節擺動機構的外擺動機構,4股牽引絲分布于正方形的4個端點。

2 傳動設計

2.1 鉗口開合

鉗口開合如圖1所示,手術醫生將食指和大拇指分別放置于手柄處,食指和大拇指捏合,使得手柄傳動機構和差速器機構運動,進一步帶動轉動軸旋轉。轉動軸遠端固定連接于鉗口萬向節傳動機構近端,鉗口萬向節傳動機構跟隨轉動軸旋轉,最后末端執行機構可模仿手指動作實現鉗口的開合。

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擺動機構,中部穿過從萬向節擺動機構,最后遠端固定連接于鉗口萬向節擺動機構。鉗口外殼內設有鉗口萬向節傳動機構,以此來保證鉗口末端執行機構在多個自由度內仍可模仿手指動作實現鉗口的開合。末端執行機構、鉗口外殼、鉗口萬向節擺動機構三者緊固連接。主、從、鉗口3個萬向節擺動機構始終保持平行。握住器械下把手向前運動,1、2兩根鋼絲繩往后運動同時收緊,3、4兩根鋼絲繩往前運動同時放松。最后末端執行機構即可模仿手部動作同時向上擺動。

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動,1、2兩根鋼絲繩往前運動同時放松,3、4兩根鋼絲繩往后運動同時收緊。末端執行機構即可模仿手部動作同時向下擺動。

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動,2、3兩根鋼絲繩往前運動同時放松,1、4兩根鋼絲繩往后運動同時收緊,末端執行機構即可模仿手部動作同時向左擺動。相反的,握住器械下把手向右運動,1、4兩根鋼絲繩往前運動同時放松,2、3兩根鋼絲繩往后運動同時收緊,末端執行機構即可模仿手部動作同時向右擺動。

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 牽引絲線運動幾何學分析

4根鋼絲繩近端固定連接于主萬向節擺動機構,中部穿過從萬向節擺動機構,最后遠端固定連接于鉗口萬向節擺動機構。由于從萬向節擺動機構傳動到鉗口萬向節擺動機構是平行面傳動,牽引絲線不會有任何變化,所以在此只討論主萬向節擺動機構傳動到從萬向節擺動機構的牽引絲線的變化。具體分析過程如下。

圖5 平面計算說明圖

圖6 立體計算說明圖

當多自由度手術微創器械處于傾斜狀態時,如圖7所示,取傾斜角為60°,即∠AFB=∠AEC=60°?！螪EC=120°,AF=a,BF=b。

圖7 平面傾斜計算說明圖

圖8 立體傾斜計算說明圖

4 運動學分析

如圖9所示,新型微創手術器械可由手術醫生手指直接操作,手轉動方向與鉗口轉動方向一致。

圖9 微創手術器械運動簡圖

在系統各機構的尺寸設計參數基礎上所求出的工作空間為多自由度手術器械系統可達到的工作空間[5]。而醫生在實際操作過程中,為了避免手術機器人系統在運動到極限位置時可能會出現不可控的現象,同時增加末端鉗口在操作上的靈活性,在對手術器械的工作空間的分析求解中,只考慮人們所需的目標工作空間。多自由度手術器械系統的工作空間可分為實際可到達工作空間(RW)和目標工作空間(DW),其表達關系為DW?RW。

即目標工作空間為可到達工作空間的子空間,本產品可到達空間：左右方向-45°～45°,上下方向-45°～45°。

5 運動學仿真

Adams是一種多體動力學仿真軟件,由MSC Software公司開發。它被廣泛應用于機械工程、汽車工程、航空航天工程等領域,用于模擬和分析復雜的多體動力學系統。Adams可以幫助工程師進行產品設計和優化,預測系統的性能和行為,并提供可靠的工程決策依據。其可以模擬各種物理現象,包括運動、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中建模導入到Adams中的方式進行。首先,在SolidWorks中建立多自由度微創手術器械的三維模型,導入Adams中,并添加合理約束和驅動以此驗證模型的正確性[6]。其次,添加外部載荷,進行仿真分析,處理之后得到所需結果,具體流程如圖10所示。

圖10 微創手術器械ADAMS仿真建模流程

6 結束語

本文針對微創手術器械從手裝置的應用,研究設計了具備上下左右擺動和鉗口開合的微創手術器械。主要研究工作包含以下幾方面。

1)根據微創手術的操作,分析了其操作的特點。根據微創手術器械的操作特征以及既有的經驗,討論出機械從手的整體設計思路,確定了機械從手的自由度數目以及功能等,劃分為5個組成部分。

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

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

4)采用SolidWorks和Adams對多自由度手術器械進行了運動學仿真,各個機構傳動平穩,且運動范圍能夠滿足微創手術工作空間需求。