無耦合運動微創手術器械的設計與實驗

潘 博，付宜利，邱雪芹，徐殿國

（1.哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，150080哈爾濱；2.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，150001哈爾濱）

無耦合運動微創手術器械的設計與實驗

潘 博1，2，付宜利1，邱雪芹1，徐殿國2

（1.哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，150080哈爾濱；2.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，150001哈爾濱）

為增加微創手術器械操作的靈活性，提高主從操作性能，設計一種新型無耦合運動微創手術器械.在分析耦合運動產生的原理和現有消除耦合運動方法的基礎上，提出一種在腕部傳動軸中心打孔走線的微創手術器械設計方法，研制出具有4個自由度的無耦合手術器械.該無耦合手術器械采用鋼絲進行傳動，可實現術中快速更換，并具有使用信息記錄功能.求解手術器械及主手的運動學，研究手術器械主從式控制方法，并建立主從控制實驗平臺.實驗結果表明：器械腕部單獨運動時，器械腕部與兩個手指之間位置相對不變，消除了耦合運動，具有較好的主從操作性能，有利于微創手術操作.

微創手術；機器人；控制；器械；耦合運動

微創手術具有創傷小、恢復快等優點，得到了廣泛地應用.機器人技術與微創外科技術相結合，改善了醫生進行微創手術的環境和工具，提高了手術質量［1］.目前，醫療機器人技術已經成為國際前沿研究熱點之一［2］，美國、歐盟、以色列、日本、韓國等國家紛紛將其作為未來高技術研究和戰略性新興產業之一［3-4］.

在機器人微創手術中，需要將狹長的手術器械通過10 mm的小孔探入體腔來進行相關手術操作，手術器械末端執行器的運動精度和靈活度將影響到手術的質量和效果.da Vinci系統中的Endowrist系列手術器械在技術上比較成熟，包含分離鉗、剪刀、單極電凝、雙極電凝等工具，器械桿部直徑為5～10 mm［5］.器械依據不同種類一般具有3或4個自由度，使用鋼絲進行傳動，為保障器械運動的精確性和可靠性，每使用10次就需更換新的手術器械［6-7］.Zeus系統作為早期微創手術機器人的成功案例，已開發出一整套微創手術器械，包括手術刀、鑷子、剪子、針持器、穩定夾等，可以實施多種機器人微創外科手術［8］.美國密歇根州立大學科研人員提出一種齒輪鏈傳動方式的微創手術器械AMMIS，器械整體彎曲范圍達到±180°，具有較大的運動空間和較高的靈活度；其不足是對齒輪及齒輪架制造精度要求過高，傳動結構對灰塵較敏感［9］.天津大學研制了應用于“妙手A”系統的系列化手術器械，可以實現微創手術切開、剝離、止血、縫合等操作，采用鋼絲進行動力傳遞，其研制的手術器械已經在動物試驗中進行了應用［10-11］.哈爾濱工業大學機器人研究所研制了一種采用單元關節配置的微創手術器械，通過為腕部機構配置不同數目的單元關節，來滿足不同器械對腕部自由度及運動范圍的不同要求［12-13］.

本文針對微創手術器械采用鋼絲傳動而存在的耦合運動問題，提出一種在腕部傳動軸中心打孔走線的微創手術器械設計方法，研制出無耦合運動的微創手術器械，并開展微創手術器械的主從控制方法研究.通過耦合運動測試及主從控制實驗，驗證微創手術器械設計方法及主從控制方法的有效性.

1 耦合運動分析

手術器械是微創手術機器人進行手術操作的執行部分，其性能直接影響到機器人微創手術的質量和效率.器械一般具有3或4個自由度，以最具代表性的組織鉗進行分析，其具有4個自由度，采用鋼絲實現動力的傳遞.組織鉗末端一般采用如圖1所示的結構，主要由左指、右指、腕部、腕桿連接件、導向輪等構成.組織鉗可實現操作桿旋轉、腕部旋轉、左指旋轉和右指旋轉4個動作.兩個手指運動相互獨立，其相對運動實現夾持操作，同向運動實現偏擺操作.在運動分析中發現，當腕部進行俯仰運動時會導致器械末端手指運動，這種耦合運動在實際應用中會帶來諸多不便.

圖1 組織鉗末端結構

簡化組織鉗模型如圖2所示，當牽引手指的鋼絲保持不動時，令器械的腕部做俯仰運動，牽引手指鋼絲與腕部導向輪間的包角θ發生改變.鋼絲與手指固定，由于鋼絲保持不動，故包角的增加會引起手指的轉動.因此，腕部的運動會引起手指的運動，這種耦合運動在手術中會影響到醫生手術操作的精度.

圖2 腕部運動引起的耦合運動

為使醫生在操作腕部運動過程中保持手指的穩定，需要消除上述耦合運動.目前，主要的解耦方法為控制軟件解耦及機械結構解耦.控制軟件解耦的原理為:腕部電機運動時，手指電機根據耦合情況而運動，從而補償手指傳動鋼絲因腕部運動而產生的有效長度變化［14］.控制軟件解耦對傳動結構間隙、加工裝配精度要求較高，且受驅動電機回差及控制系統時延等因素影響較大.因此，手指電機的實際補償量不易控制，會導致腕部運動過程中手指發生一定量的運動.基于行星輪系傳動原理的機械解耦方法為:腕部電機的運動能夠經過行星輪系傳遞到手指上，從而對手指因腕部運動而產生的耦合運動進行補償［15-16］；當腕部不運動時，手指電機單獨通過行星輪系驅動手指運動.在實際應用中，行星輪系機械解耦方法對行星架、齒輪及相關軸孔的加工、裝配精度要求較高，任何精度上的缺陷都會影響解耦效果.采用行星輪系傳動會增加傳動鏈中的負載，加大鋼絲傳動時所承載的拉力.

為去除手術器械的耦合運動，提高手術器械的操作性能，在分析耦合運動產生的基礎上，提出一種在腕部傳動軸中心打孔走線的微創手術器械設計方法.

2 無耦合運動手術器械設計

2.1 手術器械設計要求

為使手術器械在狹小的工作空間內完成一系列的手術動作，要求所設計的手術器械不僅需具有較大的靈活性，而且還應具有較高的運動精度.為減少患者創傷，器械操作桿直徑不大于10 mm，且器械要保持足夠大的夾持力來實現操作任務.手術器械需具有快速更換功能，以便在術中更換不同種類的器械來完成微創手術.手術器械需具有使用情況記錄功能，嚴格限制器械的使用次數，保障器械使用的安全性、可靠性.手術器械的材料應滿足醫學要求，且消毒、清洗方便.

2.2 無耦合運動手術器械結構設計

依據手術器械結構特點，將器械結構劃分為末端執行器、操作桿和傳動箱3個部分，如圖3所示.末端執行器在微創手術中與組織直接接觸，進行相關的手術操作.操作桿為連接傳動箱與末端執行器的構件，傳動鋼絲經其內部通過，將傳動箱內的運動傳遞給末端執行器.傳動箱將電機的旋轉運動傳遞給鋼絲，為末端執行器的運動提供動力.傳動箱內部設計有動力離合裝置，可實現手術器械與電機驅動單元間的快速離合.傳動箱設計有電氣接口實現與機器人系統間的數據通信.

圖3 手術器械總體結構

傳動箱結構如圖4所示，4個傳動輪組分別與操作桿、腕部、左指、右指相連接，傳動輪組上的鋼絲預緊輪用于鋼絲預緊，傳動輪1的兩段鋼絲與操作桿端部連接，驅動操作桿旋轉.其余傳動輪組的鋼絲經過6個導向輪導向后，穿過操作桿與對應的零件連接.

手術器械末端執行器結構如圖5所示，傳動輪2固連的兩段鋼絲與腕部相連接，實現手術器械末端執行器的俯仰運動.為了消除器械運動過程中腕部和手指之間的耦合運動，將腕部傳動軸與鋼絲交涉部分設計為半圓柱形結構，并在其剩下的半圓柱截面上打通孔，使傳動輪3、傳動輪4固接的鋼絲通過對應的通孔及相應的導向輪與兩個手指連接.從圖6中可知手指傳動鋼絲的長度A—B—C—D—E在腕部俯仰運動前和運動后保持不變，消除了手術器械的耦合運動.

圖4 手術器械傳動箱模型

圖5 手術器械末端執行器模型

圖6 無耦合運動末端執行器簡圖

2.3 無耦合運動手術器械功能設計

機械臂驅動單元上的上離合盤設計有兩個非對稱的定位孔，手術器械傳動箱外側的下離合盤設計有兩個非對稱的定位柱，如圖7所示.將手術器械通過傳動箱兩邊的凸緣和驅動單元的滑槽相配合后，就將4個上離合盤下壓.當電機帶動上離合盤旋轉至上下離合盤配合位置時，彈簧推動上離合盤彈起，定位孔與定位柱相配合，上離合盤帶動下離合盤一起轉動，實現電機動力的傳遞.當要更換手術器械時，只需捏住手術器械傳動箱兩邊的夾塊，使手術器械驅動單元上的浮動盤向下運動，帶動上離合盤回縮，進而使上下離合盤分離，將手術器械從驅動單元中拆卸下來.

為了實現器械的使用信息記錄功能，記憶芯片采用AT24C1024，能掉電記憶，工作電壓2.7～5.5 V，內存有1 024 kB，可允許10萬次讀寫操作.由于器械驅動單元與器械接口采用按壓式的接口設計，因此器械記憶芯片的電氣觸點采用可按壓的彈簧觸點，既保證接觸良好，又使器械容易更換.記憶芯片通過I2C總線和STC89C52芯片進行通信.當器械安裝到驅動單元上時，器械彈簧觸點信號接通，STC89C52芯片上電讀取記憶芯片的使用次數，并判斷使用次數是否達到上限值，達到上限值則通過串口發送報警信息.如果沒有達到上限值，則將使用次數增加1次后，將數據寫入記憶芯片.

圖7 手術器械接口模型

2.4 無耦合手術器械實現

研制的無耦合運動手術器械如圖8所示.手術端蓋上設計有小孔，可以插入電凝的導線和吹孔的導管，進行電凝手術操作或清潔器械末端的工作.

圖8 無耦合運動手術器械圖片

3 主從控制方法

3.1 手術器械運動學求解

研制的無耦合運動手術器械具有4個自由度，因為開合自由度由主手手柄上的夾持機構直接進行關節量控制，因此可將手術器械簡化為三自由度模型.采用D-H方法分析手術器械的正運動學，如圖9所示.手術器械連桿參數及關節變量如表1所示.將θ的正弦、余弦簡化表示:si= sinθi，ci=cosθi，最終得到器械末端點的齊次變換矩陣:

圖9 手術器械參考坐標系

式中:Te為器械末端點的齊次變換矩陣，T為器械各關節的齊次變換矩陣，Ps表示器械末端點的位置矢量，ns、os、as分別為器械末端點處相互垂直的單位向量．

表1 手術器械運動學參數表

最終得到手術器械的運動學逆解為

3.2 主手運動學求解

主手采用Force Dimension公司的omega 7.0設備，其末端3個旋轉關節的軸線交于一點，主手手柄上有專用的夾持機構實現對器械開合自由度的控制.在手術器械的控制中，為使器械運動能夠跟隨醫生手部的動作，要求器械末端手指的姿態要和主手手柄的姿態保持一致，如圖10所示.分析主手正運動學得到主手手柄的姿態矩陣:

式中:Rm為主手手柄的姿態矩陣，Rot為繞坐標軸旋轉的旋轉矩陣，nm，om，am分別為主手手柄處相互垂直的單位向量．

圖10 主手設備及自由度圖示

為方便醫生操作主手完成對器械末端的控制，可將主手手柄類比為器械末端的手指，器械末端手指的姿態時刻跟隨主手手柄的姿態，從而完成對器械末端的主從控制.由于固連在器械手指和主手手柄上的坐標系不一致，為實現上述控制方法，需要對兩個坐標系進行匹配，得到以下的對應關系:

這樣就可獲得器械末端手指的姿態，再利用式（1）～（3）得到手術器械每個關節的運動角度，進而控制電機實現器械手指對主手手柄姿態的跟隨.

4 實驗研究

4.1 器械耦合運動測試

借助NDI公司的Optotrak Certus三維運動測量系統對手術器械耦合運動進行測試，將3個Marker點分別粘附到器械的腕部及兩個手指上，如圖11（a）所示.當控制器械腕部單獨運動時，記錄3個Marker點的空間位置.如果3個Marker點的空間位置相對不變，說明器械手指相對于腕部沒有產生耦合運動.實驗結果如圖11（b）、（c）、（d）、（e）所示，橫坐標n為Optotrak Certus系統在實驗過程中接收到Marker點空間坐標變化數據量，縱坐標d1、d2、d3為3個Marker點間的距離.在器械腕部單獨運動過程中3個Marker點之間的距離d1、d2、d3變化很小，考慮到器械加工、裝配誤差及腕部運動過程中3個Marker點同Optotrak Certus系統攝像機之間映射角度變化而導致d1、d2、d3數值的變化，可認為器械腕部與兩個手指之間位置相對不變，器械在腕部運動過程中是無耦合運動產生的.

圖11 器械耦合運動測試結果

4.2 主從控制實驗

為驗證手術器械性能，構建了主從控制平臺. PC104用于上位機控制，采用CAN總線實現上位機與各驅動器間的通信，手術器械安裝在驅動單元上，驅動單元上的4個電機通過鋼絲傳動方式來驅動器械4個自由度運動，操作者通過操作主手來控制手術器械運動.實驗中將主手手柄當前姿態通過式（4）轉換為器械末端手指的姿態，再利用式（1）～（3）得到手術器械末端各關節所需的運動角度，驅動電機使器械末端各關節到達相應的運動角度后，實現了對主手手柄姿態的跟隨.由于所設計的手術器械不存在耦合運動，因此不需要補償由器械腕部運動而引起手指的運動.

5 結 論

1）在分析微創手術器械耦合運動產生原理的基礎上，提出了一種在腕部傳動軸中心打孔走線的微創手術器械設計方法，最終研制出一種無耦合運動的微創手術器械.

2）研制的無耦合運動手術器械可實現術中快速更換，具有使用信息記錄功能，增加了手術器械在機器人微創手術中的適應性和安全性.

3）在求解器械和主手運動學的基礎上，給出了手術器械的主從控制方法，該方法可以使醫生更易于對器械進行主從式操作.

4）構建了手術器械主從控制平臺，開展了手術器械耦合運動測試及主從控制實驗研究，結果表明了所研制的手術器械消除了耦合運動，具有較好的主從操作性能.

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（編輯楊 波）

Design and experiment of surgical instrument w ithout coupled motions for m inimally invasive surgery

PAN Bo1，2，FU Yili1，QIU Xueqin1，XU Dianguo2
（1.State Key Laboratory of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，150080 Harbin，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China）

To increase the operation dexterity of surgical instruments in minimally invasive surgery（MIS），and improve manipulation performance ofmaster-slave control，a novel surgical instrument without coupled motions used in MIS is designed.On the basis of analyzing the formation principle of coupled motions and existingmethods of coupled motions elimination，a design method that steel wire crosses the centre of wrist shaft in the radial direction for surgical instrument used in MIS is proposed.The developed instrumenthas four DOFs and is driven by means of steel wire.Besides that，the instrument can realize quick replacement and useful information record aswell.After researching kinematics of surgical instrument and master，master-slave control method for surgical instrument is proposed and experiments platform for master-slave control is established.The experimental results indicate that the position of instrument′s wrist in relation to two fingers remains unchanged in the process of surgical instrument＇s wristmoving individually，which means that the developed surgical instrument eliminates coupled motions and has good manipulation performance in masterslave control.The design method that steel wire crosses the centre of wrist shaft in the radial direction for surgical instrument used in MIS can eliminate coupled motions，and the developed surgical instrument is beneficial to surgical operation in MIS.

minimally invasive surgery；robot；control；instrument；coupled motions

TP241

A

0367-6234（2014）09-0019-06

2013-10-24.

國家高技術研究發展計劃資助項目（2012AA041601）；中央高校基本科研業務費專項資助（HIT.NSRIF.2013052）.

潘 博（1981—），男，講師；付宜利（1966—），男，教授，博士生導師；徐殿國（1960—），男，教授，博士生導師.

潘 博，panbo4034＠163.com.