使用鋼帶傳動(dòng)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手設(shè)計(jì)

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300387)

一、引言

微創(chuàng)手術(shù)(MIS)即微小創(chuàng)傷手術(shù)，借助內(nèi)窺鏡和微器械在人體內(nèi)實(shí)施手術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)以最小的創(chuàng)傷達(dá)到與開放式手術(shù)相同的效果。相比于傳統(tǒng)開口手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)傷口小，對(duì)組織的損傷輕，減輕開口手術(shù)給病人帶來的痛苦。在手術(shù)的操作過程中，最重要的就是保證末端手術(shù)器械通過遠(yuǎn)程中心運(yùn)動(dòng)點(diǎn)即不動(dòng)點(diǎn)，保證相對(duì)于病人身體做開口手術(shù)地方位置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[1]。本文針對(duì)微創(chuàng)機(jī)器人末端手術(shù)器械必須通過不動(dòng)點(diǎn)而設(shè)計(jì)了一種新型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手。該機(jī)器人使用鋼帶傳動(dòng)，具有同步性好、不打滑、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精密傳動(dòng)，從而保證了不動(dòng)點(diǎn)的位置精度。

二、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)手術(shù)器械自由度被限制為3個(gè)，且3個(gè)自由度應(yīng)滿足以下要求：移動(dòng)自由度250mm，繞自身軸旋轉(zhuǎn)角度為360°，繞插入點(diǎn)的俯仰仰和偏轉(zhuǎn)角度為±60°。

所以提出了如下整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)：(1)擁有4個(gè)自由度，繞遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的俯仰、偏轉(zhuǎn)和冗余自由度，沿工具軸的移動(dòng)。(2)滿足工作空間要求 沿工具軸位移270mm。俯仰角度為140°，偏轉(zhuǎn)角度為160°。整體設(shè)計(jì)如圖1所示，該該機(jī)構(gòu)擁有四個(gè)自由度，分別為手術(shù)器械沿的水平運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和冗余自由度。如圖1所示微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手的整體外觀結(jié)構(gòu)圖，包括骨架1、動(dòng)力系統(tǒng)2、傳動(dòng)系統(tǒng)3。骨架包括冗余臂1-1、偏轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1-2、臂1-3、臂1-4、臂1-5和手術(shù)器械臂1-6，其中俯仰、偏轉(zhuǎn)、冗余三個(gè)自由度由模塊化驅(qū)動(dòng)單元提供扭矩，手術(shù)器械臂使用伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械沿手術(shù)切口的平移。臂1、臂2、臂3通過交叉滾子軸承固連在一起。手術(shù)器械臂1-6上安裝手術(shù)器械4。

圖1 從手整體結(jié)構(gòu)

三、遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的選擇

本遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式屬于大中心距往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不動(dòng)點(diǎn)的方法主要有兩種，一種是連桿結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，另一種是鋼絲繩傳動(dòng)。本傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使用鋼帶傳動(dòng)，克服桿傳動(dòng)與鋼絲繩傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜繁瑣、運(yùn)動(dòng)不靈活、精度低等缺陷。具有同步性好、不打滑、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精密傳動(dòng)，從而保證了不動(dòng)點(diǎn)的位置精度。

(一)鋼帶規(guī)格計(jì)算

選擇鋼帶厚度為0.8mm，根據(jù)鋼帶寬度計(jì)算公式(1)計(jì)算得B=8mm。為保證鋼帶在傳動(dòng)中的平穩(wěn)性,鋼帶需進(jìn)行預(yù)緊，根據(jù)公式(2)得預(yù)緊長(zhǎng)度為2mm。

(1)

ΔL0≥ΔLmaxM0=1.2Mmax

(2)

(二)預(yù)緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為保證鋼帶在傳動(dòng)中的平穩(wěn)性，鋼帶需進(jìn)行預(yù)緊，如圖2-1為鋼帶固定輪的結(jié)構(gòu)圖，鋼帶端頭使用螺絲固定于鋼帶固定輪上。如圖2-2為鋼帶預(yù)緊輪的結(jié)構(gòu)示意圖，鋼帶端頭使用螺絲與預(yù)緊連接件固定在一起，左端通過鎖緊螺絲將預(yù)緊連接件拉向左端從而實(shí)現(xiàn)了鋼帶的預(yù)緊功能。導(dǎo)槽的預(yù)緊范圍為3mm，滿足所需預(yù)緊長(zhǎng)度2mm的要求。

圖2-1 鋼帶固定輪設(shè)計(jì) 圖2-2 鋼帶預(yù)緊輪設(shè)計(jì)

(三)機(jī)構(gòu)正運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算

為提高從操作手位置精度，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本文采采用旋量法建立從操作手四自由度正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[1]，從操作手零位構(gòu)型如圖3所示，其運(yùn)動(dòng)方程組可以表示為：

圖3 零位機(jī)構(gòu)圖

四、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款4自由度微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從操作手，并對(duì)其各部分結(jié)構(gòu)以及鋼帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。該機(jī)器人使用鋼帶傳動(dòng)，具有同步性好、不打滑、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精密傳動(dòng)，從而保證了不動(dòng)點(diǎn)的位置精度。使用旋量法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。