显微外科手术机器人手指系统的设计与研究

显微外科手术机器人手指系统的设计与研究

1国内应用现状在显示出人类无法执行的精细手术时，由于医生的长期操作、手的疲劳、误差、精确性不足等限制因素，手术的质量和安全性受到严重影响。外科手术机器人可以完成手动无法执行的精细手术，这在手术的准确性、可靠性和准确性上远远超过了外科医生。因此，我们独立开发了中国第一个“精手”显示外科手术机器人系统。其中，手指是整个机器人系统的重要组成部分。在主手的控制下，该系统可以正确地完成各种手术的操作，如血管的切割、剥离、牵引和缝合。此外，精细的手指旋转和打开、快速的末端工具更换对于提高传统手术的效率、质量和安全性具有重要意义。2末端执行器的设计“妙手”系统的总体结构示意图如图1所示.该系统主要包括主从操作手、手指系统、图像系统以及PC控制系统.其中的手指系统如图1右侧实物图所示,作为整个“妙手”系统的末端执行器,是其重要的组成部分.该手指系统体积小、重量轻、夹持力大、机构精简、可靠性高,可准确实现工具的旋转与开合,能迅速地更换末端手术工具.在完成血管吻合(显微外科手术中的关键步骤)的过程中,实现诸如血管缝合与打结这样的技术难度很高的手术操作时,该手指系统的性能优势显现得淋漓尽致.手指系统的操作由医生控制主操作手来完成.3显微外科手术机器人的设计特点显微外科手术的操作对象主要是直径在0.7mm至2mm之间的血管.在显微镜的帮助下,医生可以在小于1mm的血管上缝十几针.手术过程中,医生的动作是缓慢而轻柔的,因此可以对录像每隔0.5秒钟做一次记录进行分析.结果显示,手术空间大约是20×20×20mm3的立方体,手术工具的操作空间近似圆锥体,手术动作的完成需要旋转和开合两个自由度.在此基础上,根据手术要求进行分析,得出显微外科手术机器人手指系统的设计技术要求如下:第一,满足手术操作要求的末端工具;第二,高效精确的快换机构;第三,具有夹持力大、反应速度快、运动范围大及可靠性高等特性的工具开合机构;第四,实现末端工具绕自身轴线的360°旋转;第五,手指整体的小巧灵活.因此,我们采用开合、旋转机构前后布置的串型包络布局,结合医生手术操作的方式和要求,自主开发了显微外科手术机器人的手指系统,如图2所示.该系统的外形、体积和普通自动铅笔相近,从而在工具近似锥体的操作空间里具有更好的灵活性.手指系统主要由以下4个部分构成:末端工具旋转机构、末端工具开合机构、末端工具和快换机构.以下将对各部分的机构设计进行详细说明.3.1末端工具旋转机构设计为了准确地完成手术操作,特别是精细、复杂的动作,需要利用工具的轴向旋转来得到适合手术操作的位姿,以达到最佳的手术效果.而将旋转机构加到从操作手上,势必增加设计难度,导致从操作手机构复杂、质量增加,影响机器人整体的刚度性能,直接关系到手术质量的优劣.因此,我们在手指系统中设计了末端工具旋转机构,并由步进电机驱动来实现末端工具360°的旋转.该机构的具体结构及实现过程如下:由旋转步进电机18(瑞士ARASPEAM1524)带动主动法兰17拨动传动块16,从而推动内挡环15和内套筒13运动.内挡环15和内套筒13运动通过摩擦力带动开合步进电机14旋转,同时内套筒13通过支撑管8的前端铆接的两个销轴3带动手指末端工具部件进行旋转.这种结构设计简单、经典,传动平稳,径向尺寸小,适合用在小巧灵活的手术工具中,既可以简化从操作手的结构,又能够满足手术操作中的位姿要求,从而有助于提高手术的质量.3.2末端机构的结构和实现夹持是显微外科手术操作中的关键动作之一,尤其是在血管缝合的过程中,要夹持缝合针、缝合线和血管外膜等.其中夹持缝合针需要足够的夹持力,这就决定了部分末端工具(如弹性指尖等)需要有实现工具开合的机构.由于手指系统要求尺寸小、质量轻、夹持力大、反应速度快以及开合运动范围大等特性,而采用压电晶体驱动方式的手指夹持力和运动范围比较小,不能满足显微外科手术的要求;若采用SMA(形状记忆合金弹簧)来驱动手指,又存在反应速度慢及夹持力难以控制等缺点.而且,在手术过程中,医生可以通过显微镜观察指尖开合的整个过程,对控制精确度要求不高,可以采用开环控制方式.因此,根据国外使用Electro-MechanismsPO-25螺线管执行机构进行驱动的成功经验,手指系统的末端工具开合机构采用了传统的步进电机驱动方式.以下为该机构的具体结构和实现过程:由开合步进电机14(瑞士ARASPEAM1020)驱动主动法兰11拨动一端插入其小孔的扭簧10.当开合电机14正转时,扭簧10紧缩,通过另一端插入从动管9来带动从动管9正转,从而拨动螺杆7旋转.螺杆7的旋转运动通过螺纹传动变成内螺纹套筒2的直线运动,内螺纹套筒2向前移动挤压弹性指尖1实现指尖闭合;当开合电机14反转时,扭簧10胀径.当胀径到从动管9内壁时,二者之间的摩擦力使得从动管9反转,带动螺杆7反转,从而使内螺纹套筒2向后移动,释放指尖,实现指尖的张开.其中,末端工具的张开角度和操作对象的尺寸(如血管直径和表皮厚度)有关.所以,只要保证工具操作部分张开时的尺寸不小于上述尺寸即可.例如,手术剪张开可以达到的最大角度为40°,而在实际操作中运动范围的大小取决于内螺纹套筒2的直线运动的范围以及相关零件的设计.这种通过螺旋传动将旋转运动变成直线运动的结构能以较小的转矩得到很大的轴向力,结构简单、传动平稳,能满足手术操作中的性能要求.此外,由于显微外科手术操作中对血管的夹持力不超过16gf,即手术工具的工作对象都是柔性的组织器官,因此手术工具不能采用刚性的夹持方式.上述扭簧储能机构的特性决定其恰好可以实现柔性体的夹持.3.3工具类型和作用工具针对手术操作和动作要求,我们在传统医生操作手术工具的基础上对机器人手指的末端工具进行了专门设计,开发出了适合手术机器人操作的手术工具.手指系统的末端工具主要包括弹性指尖、手术剪和手术刀(见图3(a)、(b)、(c))3种工具.其中弹性指尖用来夹持、阻断、拉长、牵扯血管,夹持缝合针、线等;手术剪用于切割和剪断血管等;手术刀则用于切割、切断和剥离血管等.上述工具均是显微外科手术中的必备工具.我们开发的手术工具不仅符合手术器械的规范和设计理念,而且结合了手术机器人的自身特点,同时将精确定位以及快速更换工具等因素考虑进去,从而保证了设计出的手术末端工具具有良好的医学性能,能够圆满地完成手术操作.3.4种独立的快换机构在完成一次显微外科手术的过程中,需要交替地使用多把不同的手术工具.如何能够快速准确地对工具进行更换,对于缩短手术时间,提高手术的质量和安全性等方面都起着重要的作用.因此,我们设计了一种独立的快换机构,该机构的基本原理如下:在每种手术末端工具的尾部都开有弯槽,一端开口,另一端封闭.安装时把开口端对准销轴3插入内螺纹套筒2,将支撑柱4往里顶,插到底后(见图4(a))旋转90°,松开器械,压缩弹簧5通过支撑柱4将其顶出,销轴3卡至封闭端限制住工具的位置(见图4(b)),这样就完成安装.拆卸时,只需将工具往里推,然后反方向旋转90°拔出即可.这种快换机构可以高效迅速地更换末端工具,定位精确,夹紧可靠,操作极为简单,并且具有很好的通用性.4绘制有效的弹性受力由于在显微外科手术中,对各种柔性组织的操作力严格要求不大于100gf,其中又以镊子(即手指系统末端工具中的弹性指尖)需要的夹持力最大,而且其受力过程相对其他末端工具(手术剪、手术刀)更为复杂,因此以弹性指尖为例,对闭合后的工具进行受力分析.图5为弹性指尖受力分析简图.其中AB段及CD段有一定的弹性,其余部分可视为刚体.将其一端固定,当套筒向右移动挤压指尖时,AB段和CD段发生弹性变形,指尖逐渐闭合,在此期间没有夹持力;当指尖闭合之后,AB段和CD段不再变形,套筒也不能继续移动,夹持力迅速增大至极值.当套筒向左移动时,指尖在AB段和CD段弹性力作用下逐渐张开.对指尖上半部分中的A点取矩,可得:N⋅a=M+f⋅b+FG⋅c(1)Ν⋅a=Μ+f⋅b+FG⋅c(1)式中:N为套筒对BE斜面的压力;M为指尖弹性变形产生的力矩;f为套筒与BE斜面的摩擦力;FG为指尖的夹持力;a、b、c为N、f、FG分别相对于A点的力臂.对套筒来说,其水平方向上的受力平衡.它受到上下两部分指尖对它的反作用力,则有:FA=2(N′sinα+f′cosα)(2)FA=2(Ν′sinα+f′cosα)(2)式中:FA为套筒受水平推力;N′、f′为N、f的反作用力;α为斜面BE与水平线的夹角.已知摩擦力与压力之间的关系:f=μN(3)f=μΝ(3)式中:μ为摩擦系数.由式(1)～(3)可得夹持力FG与套筒水平推力FA之间的关系:FG=[12FA(a−μb)sinα+μcosα−M]/c(4)FG=[12FA(a-μb)sinα+μcosα-Μ]/c(4)当摩擦力的力臂b和指尖的弹性力矩M较小时,可以将其忽略不计.则有:FG=a2cFAsinα+μcosα(5)FG=a2cFAsinα+μcosα(5)由式(4)、(5)可知,在没有套筒的推力时,即FA=0时,夹持力FG=0.这表明了如果用步进电机直接驱动螺纹传动,则当电机停转时,即使指尖闭合,夹持力仍然为零,这在实际使用过程中是不允许的.因此需要在步进电机和螺纹传动指尖增加一个储能的环节,使其在电机停转后仍然能够保持一定的夹持力.这里我们选择了扭簧来作为储能的环节,结构简单但可以有效地实现储能的作用.由于开合步进电机(瑞士ARASPEAM1020)的最大功率为600mW,配减速比为16∶1的行星减速器后的连续转矩为100mNm,考虑传动效率及摩擦损失等情况后,该电机通过螺旋传动可以提供320gf左右的推力FA,由式(5)可得弹性指尖的夹持力:FG≈100gf.因此,该手指末端工具的夹持力能够满足显微外科手术的操作要求.5试验与研究5.1手指系统的性能测试手指系统的性能测试包括指尖开合和工具旋转两个基本动作的测试.(1)脉冲数计算正确从指尖张到最大(40°)开始,电机正转,同时发出2560个脉冲信号,观察到此过程中指尖闭合正常.电机停转后,指尖闭合到极限,说明脉冲数计算正确;电机反转,同样发出2560个脉冲信号.观察到指尖张开正常,电机停转后,指尖张到最大(40°).根据开合电机及对应减速器的特性,按照手术操作要求对工具开合速度进行调整.经多次试验确定工具完成一次张开或闭合的时间在2s左右时,工具开合运动性能良好,能满足手术操作的要求.试验结果表明指尖开合机构设计满足手术开合动作的要求.(2)电机停转后旋转从其中一个极限位置开始,电机正转,同时发出283个脉冲信号,控制末端工具旋转.观察旋转情况,电机停转后,测出旋转的实际角度接近360°;电机反转,同样发出283个脉冲信号,末端工具则旋转回到原来的极限位置.根据旋转电机及对应减速器的特性对自转速度进行调整.当工具自转一周所用时间在2.5s左右时,旋转较为平稳,满足手术要求.试验结果表明工具旋转机构满足设计要求.5.2血管模拟试验试验主要由两部分内容构成:仿真试验和穿针引线试验.(1)手术工具的选择如图6所示,将细小的仿真血管作为微细血管的替代物,用手术工具进行夹持和切割操作.试验结果表明,工具符合显微外科手术的操作要求,机构运行良好.(2)手术工具夹持的可靠性用一只从操作手的手指末端工具(弹性指尖)夹持一根普通缝衣针,另外一只则用来夹持手术缝合针.将带线的手术缝合针插入到针眼(直径1mm左右)中,然后从另外一侧拔出.试验结果表明,手术工具夹持的可靠性能够满足显微外科手术的要求.5.3无故障、手术操作2个月内试验目的:验证“妙手”系统各项功能,包括手指系统性能.试验对象:兔子颈部和腿部直径为1mm的动脉血管.试验的主要进程:切开表皮、血管剥离、剪切、缝合、打结、表皮缝合、打结,如图8所示.通过以上的试验研究及动物试验的成功,结果表明,该手指系统的设计满足显微外科手术操作的相关规定的要求,能够在主操作手的控制下顺