微创手术机器人机械臂结构设计与工作空间分析

微创手术机器人机械臂结构设计与工作空间分析

曲太旭

大连科技学院机械工程学院辽宁大连116052

摘要：近年来，机器人辅助微创手术技术的运用扩展了术式类别高了手术操作的精度和灵活度，因此引起了广泛关注以及研究。微创外科手术在减轻患者病痛方面具有创口小、出血少和愈合快等特点，手术及护理成本相比开放性手术也具有巨大优势，因此其已广泛应用于传统外科手术领域且在技术上口趋成熟。机器人与人手相比在持续性精度及运动范围上具有无可比拟的优势，而将其运用于腹腔微创手术领域能够在有效提高手术质量的同时提高手术操作的方便性，因此腹腔微创手术机器人系统已成为机器人领域的研究新热点。本文就微创手术机器人机械臂结构设计与工作空间展开探讨。

关键词：新型微创手术机器人；定位机构；远心机构；运动学分析；仿真分析

引言

微创外科手术源于对传统开放式手术的发展，传统手术创口大，切口一般大于100mm，疤痕明显，容易造成患者切口处的组织损伤，引发组织感染并发症。微创手术则改变上述传统手术的诸多问题，它通过体表的微小切口（一般小于10mm），将手术器械及相关的医疗设备探入体内，并在显像技术的引导下施行手术。使得病人的创口很小，恢复时间得以大幅减小。当前微创手术在外科手术的各个领域得到了广泛的运用，如肝胆外科、心胸外科、妇科、泌尿外科。

1国内外（微创手术机器人用）手术器械研究现状

微创手术机器人的控制方式一般为主从式，包括主手系统和从手系统。主手系统包含一个或多个主手（操作杆）和脚踏板，以及一套2D或3D显示系统；从手系统一般由机械臂及其搭载的手术器械构成。医生通过观察显示设备输出的图像来操作主手，通过控制系统的同步比例缩放作用，使从手作用于手术部位完成各种手术动作。

图1主从式微创手术机器人系统结构

手术器械是微创手术机器人系统从手中直接作用于病患部位的部分，它代替传统微创手术中医生直接操作手术工具所具备的所有功能，在腹腔微创手术机器人的机械系统中尤为重要。它包含手术钳、手术剪刀、高频电刀等工具，能够完成抓取、剪切、切割、夹捏等动作。以手术钳为例，它需要具有4个自由度，即1个旋转、1个俯仰及2个末端手爪的开合。相似地，高频电刀需要3个自由度，为1个旋转、1个俯仰及1个电刀头的摆动。

2腹腔微创手术机器人机械臂设计及臂长优化

2.1腹腔微创手术机器人的工作要求

传统的腹腔微创手术是通过腹腔镜和手术器械完成的。手术前，医生先在患者体表开3-5个l10mm微小“切口”，然后将器械穿过切口进入腹腔。其中腹腔镜可以提供患者病灶处的视觉图像；借助病灶的三维图像，医生操作手术刀、镊子等器械完成手术任务。术前，需要由医生在肚脐周围设置气腹仪，通过向腹腔内充适量的C02气体，将腹部与手术操作区分开以暴露手术的空间。医生根据不同的手术任务，选用不同功能的器械完手术。如常见的腹腔胆囊微创切除手术，根据临床经验，一般在脐部下lOmm左右处做一个手术切口并插入腹腔镜，然后在腹腔镜上侧建立2个手术切口，以供手术器械插入操作「39]。手术的各器械通道的切口位置如图2所示。

图2微创胆囊切除手术切口位置

通过分析传统的腹腔微创手术要求，微创手术是通过体表的微小切口，将内窥镜和手术器械伸入到腹腔内部，完成手术操作。由于切口平面的自由度限制，考虑到手术的安全，避免器械的运动对切口产生干涉及损害，要求器械在切口位置处做四个自由度的运动：绕器械自身轴线的旋转运动、沿切口的直线探入运动以及绕切口切线方向的两个转动；器械在切口处切线方向的两个直线运动是被限制的，器械在手术切口处的这种“定点”式的运动成为远心运动，实现这种远心运动的机构称为“远心机构”。根据微创手术所需的工作要求和临床经验，在实际的腹腔镜手术操作中，远心机构需夹持内窥镜实现绕切口切线方向的两个转动和直线探入运动三个运动。由此要求内窥镜绕体表切口点从头到脚的摆动角度范围为60度，从病人的左边到右边的摆动角度范围为70度。而内窥镜的直线探入为200mm。

2.2主动定位机械臂的运动构型

（1）受控冗余自由度构型。考虑采用一个六自由度的机械臂做为定位机械臂，然后，我们将其最后的一根连杆限制在一个固定点上，当成一个四个自由度的机械臂来使用。这样，由于手术器械末端至少要有六个空间运动自由度和一个钳子自由度，那么，整个机械臂就最少需要有9个自由度，并且都是受控的。增加的冗余自由度和其驱动单元是个很大的浪费。并且，自由度的增加会直接导致机械结构设计和加工的复杂程度的增加，这在设计过程中我们是极力避免的。（2）被动冗余自由度构型。或则我们可以选择在设计中引入被动的冗余自由度。这些自由度在轴承的支撑下可以自由旋转或者滑动。如果想避免主动的去解算这些冗余自由度，可以选择用插在病人身体上导管或者直接用身体组织来约束这些冗余自由度。这样做可以使机械结构的设计变得简单，同时只需要和受控的自由度同样多的驱动单元就可以实现，可以节约成本。但是，这种方法同样有其缺点。身体组织是柔软的，受到力时很容易发生形变，于是，手术机械臂的器械末端变得无法控制。并且，手术器械直接和身体的相互作用力会很大，很容易对身体造成不必要的伤害。

2.6机械臂整体最终结构

通过对持镜机械臂进行构型设计以及各部分详细的结构设计，得出具有冗余自由度的持镜臂，替代助手把持内窥镜。所研制的新型辅助微创手术机器人系统同时包括了牵、拉组织的两个末端执行器。为了减少整个手术机器人的空间体积，将夹持内窥镜的远心机构与和牵、拉组织末端执行器集成在一个机械臂。远心机构夹持内窥镜，实现内窥镜在切口处的远心运动，为医生提供稳定的手术图像。牵拉组织的末端执行器，可以设计为钢丝传动的多关节柔性结构，保证牵拉组织的末端执行器可以在体外无运动，而在体内进行夹持和牵拉活动，以暴露手术区域。根据各自的运动特点以及实现的功能，在不占据医生的手术操作空间的前提下，将牵、拉组织的末端执行器和夹持内窥镜的远心机构布置在同一条臂上。其中持镜的远心机构位于中间部分，牵拉组织的末端执行器可以布置在左、右两边，左、右两边设计了旋转关节和摆动关节，从而使牵拉组织的末端执行器能够灵活到达所需的手术位置。同时通过关节40旋转，还可以调整持镜远心机构和牵、拉组织末端执行器的相对位置，使持镜远心机构位于牵、拉执行器的一侧，从而可以满足不同位置的手术切口。

结语

由于腹腔微创手术机器人相对传统开放手术和微创手术在灵活性，操作精度，稳定性方面有着巨大的优势，越来越得到世界先进国家的重视。我国在微创手术机器人的研究上虽然起步较晚，但近年来也获得了很大的成就。相信在各大科研院所，企业和医院的合作下，微创手术机器人必将获得重大的突破并实现市场化，最终走入医院服务于广大患者。

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