微創(chuàng)機器人從手結構的設計及運動學分析
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近20年來，在微創(chuàng)外科及其市場需求的驅動下，將先進機器人技術、計算機技術、控制技術、遠程通訊技術、圖形圖像技術等有機結合起來的計算機輔助機器人微創(chuàng)手術系統(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世紀外科手術領域帶來一場新的技術革命。
微創(chuàng)外科手術是指外科醫(yī)生在病人身體上開四個孔(1cm)，一個用于插入內窺鏡，另兩個用于插入細長的手術工具[2]，剩下的一個孔用于輔助操作。該技術可以實現手術的最少損傷、減少手術并發(fā)癥、縮短手術后康復時間，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)手術難度大，時間長?，F有微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)都是基于傳統(tǒng)“纏繞打結法[3,4]”進行縫合打結的。由于存在線圈從工具端部滑脫，張緊力不容易控制等問題，導致縫合線打結一次成功率低，手術時間長，縫合打結效果差。為了解決傳統(tǒng)“纏繞打結法”不適合機器人縫合打結的問題，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)手術機器人系統(tǒng)。
扭轉打結法
“扭轉打結法”[5]既是通過夾持工具的旋轉使縫合線產生扭轉，同時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”法打結過程
從圖1中可以看出，采用“扭轉打結法”在打結過程中，在縫合線兩端夾持點相互靠近時，縫合線由“扭轉”轉化為“絞擰”；而當兩夾持點相互遠離時，縫合線由“絞擰”轉化為“扭轉”。通過末端工具電機旋轉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)機構設計
“扭轉打結法”通過對縫合線施加端部扭矩實現縫合線形狀的改變，形成打結所需的線圈，其運動形式包括沿軸向的往復運動、繞軸向的旋轉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，應該實現基于機構的定點運動。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
該系統(tǒng)為雙臂機構，每個機械臂有5個自由度，分別為繞r軸、v軸、z軸的轉動，繞u軸曲線移動和沿v軸的手術器械的直線移動。其中，z軸和r軸的轉動為擺動，v軸的轉動為手術器械回轉。通過u軸和r軸實現基于機構的定點（切口）運動，通過v軸和z軸轉動實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軸曲線移動和r軸擺動結構的設計
微創(chuàng)手術是通過體表切口將手術器械伸入體內進行手術的，為防止誤操作造成對切口的損傷，系統(tǒng)應具備定點運動特性。在機構設計過程中，采用半圓弧軌道機構和軸直接驅動擺動機構實現系統(tǒng)的定點運動。
半圓弧軌道機構如圖3，為實現“定點”運動，只要確?；颊叩捏w表切口位于圓弧軌道的圓心處即可。這種結構簡單，容易實現，驅動機構可以選擇具有傳動準確、可靠、運轉平穩(wěn)、承載能力大、體積小、效率高等優(yōu)點的齒輪傳動。在圓弧軌道外側表面上加工成齒形結構，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
圖4 軸直接驅動擺動機構
軸直接驅動擺動如圖4，實現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“定點”運動。
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