多自由度手术器械的结构设计及运动学仿真

范 磊,田佳程,范振敏

江苏理工学院机械工程学院,江苏 常州 213001

0 引言

目前,微创医疗手术器械在现代医学领域中扮演着至关重要的角色,但国外高端微创外科机器人存在价格昂贵、操作繁琐、不符合中国医疗环境和操作习惯等问题,限制了微创外科机器人在国内的推广应用[1]。因此,结合国内医疗环境,开发适合中国国情的多自由度手术器械迫在眉睫。

本文基于一种具有多自由度柔性蛇形关节的手术器械[2]和4自由度微创手术器械的机构综合及运动学分析[3]研发了多自由度微创手术器械,可以直接操作,通过多个万向节实现了多个方向的偏转。通过采用齿轮、带轮、万向节、丝传动等传动方式,并考虑各个机构之间的协调关系,提升手术质量,降低手术风险。

1 结构设计

1.1 多自由度手术器械的结构设计

多自由度手术微创器械包括手柄、3个万向节摆动机构、外壳、末端执行器及驱动万向节摆动机构的牵引丝线、驱动末端执行器的传动杆。牵引丝线用于驱动末端执行器在1个自由度内摆动,牵引丝线和传动杆在手柄内。摆动关节固定座、十字型万向节、摆动关节组成的万向节摆动机构,手柄处的任意运动可经由牵引丝线传递给末端执行器,实现手动直接仿形操作。传动杆延伸到末端执行器内,用来响应手指的运动进而控制末端执行器的开合。

1.2 主要机构设计

微创手术机械从手装置应该力求结构紧凑、运动灵活、操作轻巧,同时具备实现相关设计指标要求的能力[4]。本微创手术机械主要由以下5个部分组成。

1)手柄。总体呈枪型,由手指环和转动轴组成。转动轴远端有一通孔,过盈配合与轴固定连接。

2)3个万向节摆动机构。分为主万向节摆动机构、从万向节摆动机构和钳口万向节摆动机构。主万向节摆动机构包括外摆动关节手柄、固定关节、内摆动关节,从万向节摆动机构(钳口万向节摆动机构)包括外摆动关节、固定关节、内摆动关节。2个万向节摆动机构之间由牵引丝线连接,总体呈枪形,远侧端钳口万向节摆动机构通过钳口外壳与末端执行机构连接,近侧端在摆动关节手柄上设有支撑手柄转动的支撑台。

3)外壳。可分为上外壳、下外壳和钳口外壳,上外壳固连于主万向节摆动机构的固定关节,下外壳固定连接于主万向节摆动机构的外摆动关节手柄,钳口外壳一端固连于钳口万向节摆动机构,另一端固定连接于末端执行机构。其中上外壳和下外壳都可分为左右2部分,左右2部分运用螺纹连接,方便拆卸,便于清洗内部各个零件。

4)末端执行机构。具有2个摆动自由度和1个开合自由度。末端执行机构远离主万向节摆动机构,外部与钳口万向节摆动机构、钳口外壳顺次连接控制末端执行机构2个摆动自由度,内部与传动杆通过钳口万向节传动机构运用螺纹传动控制末端执行机构的开合。

5)牵引丝线。共4股,每股牵引丝线起始于从主万向节摆动机构的外摆动机构手柄,经过从万向节摆动机构的外摆动关机,终止于钳口万向节摆动机构的外摆动机构,4股牵引丝分布于正方形的4个端点。

2 传动设计

2.1 钳口开合

钳口开合如图1所示,手术医生将食指和大拇指分别放置于手柄处,食指和大拇指捏合,使得手柄传动机构和差速器机构运动,进一步带动转动轴旋转。转动轴远端固定连接于钳口万向节传动机构近端,钳口万向节传动机构跟随转动轴旋转,最后末端执行机构可模仿手指动作实现钳口的开合。

图1 钳口开合

2.2 上下摆动

上摆动如图2所示,图中4根钢丝绳近端固定连接于主万向节摆动机构,中部穿过从万向节摆动机构,最后远端固定连接于钳口万向节摆动机构。钳口外壳内设有钳口万向节传动机构,以此来保证钳口末端执行机构在多个自由度内仍可模仿手指动作实现钳口的开合。末端执行机构、钳口外壳、钳口万向节摆动机构三者紧固连接。主、从、钳口3个万向节摆动机构始终保持平行。握住器械下把手向前运动,1、2两根钢丝绳往后运动同时收紧,3、4两根钢丝绳往前运动同时放松。最后末端执行机构即可模仿手部动作同时向上摆动。

1—左上牵引丝线;2—右上牵引丝线 3—右下牵引丝线;4—左下牵引丝线

下摆动如图3所示,握住器械下把手向后运动,1、2两根钢丝绳往前运动同时放松,3、4两根钢丝绳往后运动同时收紧。末端执行机构即可模仿手部动作同时向下摆动。

1—左上牵引丝线;2—右上牵引丝线 3—右下牵引丝线;4—左下牵引丝线

2.3 左右摆动

左右摆动与上下摆动同理,如图4所示。握住器械下把手向左运动,2、3两根钢丝绳往前运动同时放松,1、4两根钢丝绳往后运动同时收紧,末端执行机构即可模仿手部动作同时向左摆动。相反的,握住器械下把手向右运动,1、4两根钢丝绳往前运动同时放松,2、3两根钢丝绳往后运动同时收紧,末端执行机构即可模仿手部动作同时向右摆动。

1—左上牵引丝线;2—右上牵引丝线 3—右下牵引丝线;4—左下牵引丝线

3 牵引丝线运动几何学分析

4根钢丝绳近端固定连接于主万向节摆动机构,中部穿过从万向节摆动机构,最后远端固定连接于钳口万向节摆动机构。由于从万向节摆动机构传动到钳口万向节摆动机构是平行面传动,牵引丝线不会有任何变化,所以在此只讨论主万向节摆动机构传动到从万向节摆动机构的牵引丝线的变化。具体分析过程如下。

图5 平面计算说明图

图6 立体计算说明图

当多自由度手术微创器械处于倾斜状态时,如图7所示,取倾斜角为60°,即∠AFB=∠AEC=60°。∠DEC=120°,AF=a,BF=b。

图7 平面倾斜计算说明图

图8 立体倾斜计算说明图

4 运动学分析

如图9所示,新型微创手术器械可由手术医生手指直接操作,手转动方向与钳口转动方向一致。

图9 微创手术器械运动简图

在系统各机构的尺寸设计参数基础上所求出的工作空间为多自由度手术器械系统可达到的工作空间[5]。而医生在实际操作过程中,为了避免手术机器人系统在运动到极限位置时可能会出现不可控的现象,同时增加末端钳口在操作上的灵活性,在对手术器械的工作空间的分析求解中,只考虑人们所需的目标工作空间。多自由度手术器械系统的工作空间可分为实际可到达工作空间(RW)和目标工作空间(DW),其表达关系为DW⊆RW。

即目标工作空间为可到达工作空间的子空间,本产品可到达空间：左右方向-45°～45°,上下方向-45°～45°。

5 运动学仿真

Adams是一种多体动力学仿真软件,由MSC Software公司开发。它被广泛应用于机械工程、汽车工程、航空航天工程等领域,用于模拟和分析复杂的多体动力学系统。Adams可以帮助工程师进行产品设计和优化,预测系统的性能和行为,并提供可靠的工程决策依据。其可以模拟各种物理现象,包括运动、碰撞、摩擦、弹性等,以及考虑各种力和约束条件。

本文选择在SolidWorks中建模导入到Adams中的方式进行。首先,在SolidWorks中建立多自由度微创手术器械的三维模型,导入Adams中,并添加合理约束和驱动以此验证模型的正确性[6]。其次,添加外部载荷,进行仿真分析,处理之后得到所需结果,具体流程如图10所示。

图10 微创手术器械ADAMS仿真建模流程

6 结束语

本文针对微创手术器械从手装置的应用,研究设计了具备上下左右摆动和钳口开合的微创手术器械。主要研究工作包含以下几方面。

1)根据微创手术的操作,分析了其操作的特点。根据微创手术器械的操作特征以及既有的经验,讨论出机械从手的整体设计思路,确定了机械从手的自由度数目以及功能等,划分为5个组成部分。

2)从钳口开合、上下摆动、左右摆动3方面详细地介绍了多自由度手术器械传动过程和具体实施方式。

3)对多自由度手术器械进行了运动几何分析和运动学分析,确定了多自由度手术器械末端操作空间：左右方向-45°～45°,上下方向-45°～45°。

4)采用SolidWorks和Adams对多自由度手术器械进行了运动学仿真,各个机构传动平稳,且运动范围能够满足微创手术工作空间需求。