微創(chuàng)機器人從手結(jié)構(gòu)的設(shè)計及運動學(xué)分析
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近20年來，在微創(chuàng)外科及其市場需求的驅(qū)動下，將先進機器人技術(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(jié)合起來的計算機輔助機器人微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。與人類相比，機器人具有狀態(tài)穩(wěn)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)域帶來一場新的技術(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孔(1cm)，一個用于插入內(nèi)窺鏡，另兩個用于插入細長的手術(shù)工具[2]，剩下的一個孔用于輔助操作。該技術(shù)可以實現(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)時間，降低醫(yī)療費用。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，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，時間長。現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)都是基于傳統(tǒng)“纏繞打結(jié)法[3,4]”進行縫合打結(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)時間長，縫合打結(jié)效果差。為了解決傳統(tǒng)“纏繞打結(jié)法”不適合機器人縫合打結(jié)的問題，本文提出一種新型的適合機器人縫合打結(jié)的“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”，基于該方法設(shè)計出新型的微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(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相互靠近時，縫合線由“扭轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)化為“絞擰”；而當兩夾持點相互遠離時，縫合線由“絞擰”轉(zhuǎn)化為“扭轉(zhuǎn)”。通過末端工具電機旋轉(zhuǎn)便能完成這個動作要求，且左右工具之間沒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，也不會因縫合線的張緊力而損傷血管。
機器人系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計
“扭轉(zhuǎn)打結(jié)法”通過對縫合線施加端部扭矩實現(xiàn)縫合線形狀的改變，形成打結(jié)所需的線圈，其運動形式包括沿軸向的往復(fù)運動、繞軸向的旋轉(zhuǎn)運動和夾持工具的開合運動。為了防止誤操作造成對病人的傷害，應(yīng)該實現(xiàn)基于機構(gòu)的定點運動。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
該系統(tǒng)為雙臂機構(gòu)，每個機械臂有5個自由度，分別為繞r軸、v軸、z軸的轉(zhuǎn)動，繞u軸曲線移動和沿v軸的手術(shù)器械的直線移動。其中，z軸和r軸的轉(zhuǎn)動為擺動，v軸的轉(zhuǎn)動為手術(shù)器械回轉(zhuǎn)。通過u軸和r軸實現(xiàn)基于機構(gòu)的定點（切口）運動，通過v軸和z軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)末端工作裝置的姿態(tài)變化。
圖2 機械臂結(jié)構(gòu)原理
各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計
u軸曲線移動和r軸擺動結(jié)構(gòu)的設(shè)計
微創(chuàng)手術(shù)是通過體表切口將手術(shù)器械伸入體內(nèi)進行手術(shù)的，為防止誤操作造成對切口的損傷，系統(tǒng)應(yīng)具備定點運動特性。在機構(gòu)設(shè)計過程中，采用半圓弧軌道機構(gòu)和軸直接驅(qū)動擺動機構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的定點運動。
半圓弧軌道機構(gòu)如圖3，為實現(xiàn)“定點”運動，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)簡單，容易實現(xiàn)，驅(qū)動機構(gòu)可以選擇具有傳動準確、可靠、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、承載能力大、體積小、效率高等優(yōu)點的齒輪傳動。在圓弧軌道外側(cè)表面上加工成齒形結(jié)構(gòu)，把動力源放置于軌道上面的滑塊上，小齒輪的運動帶動滑塊沿u軸曲線移動。
圖3 圓弧軌道機構(gòu)
圖4 軸直接驅(qū)動擺動機構(gòu)
軸直接驅(qū)動擺動如圖4，實現(xiàn)軸擺動的軸線過圓弧軌道的圓心即患者體表切口也可實現(xiàn)“定點”運動。
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