一種四自由度微創手術器械結構設計

張明松，付少將

（1.三峽大學機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002）

微創手術[1]技術因其創傷小、恢復快、費用低等顯著優勢，成為21 世紀醫療技術發展的重要方向之一。微創手術器械是微創手術機器人系統的末端執行裝置，也是手術中唯一跟病人病變組織直接接觸的手術部件，它的優良程度直接影響整個微創手術的成功與否。由于病人的心跳和呼吸是無法克服的生理因素，傷口在手術過程中并不嚴格固定，因此可能會降低手術機器人的操作精度。為了使微創手術更加精準有效，筆者設計了一種四自由度微創手術器械。

1 微創手術器械整體結構設計

圖1 微創手術器械

設計的微創手術器械一共有4 個自由度，即肘關節的自轉、腕關節的偏轉、指關節的俯仰以及手指間的開合，由末端執行器、傳動桿和驅動系統三部分組成[2]，如圖1 所示。末端執行器位于最前端，由傳動桿連接后面的驅動系統。

1.1 末端執行器設計

末端執行器是手術器械的關鍵部位，能夠影響微創手術器械從操作手的整體性能。傳統手術器械的驅動方式為連桿驅動，沒有腕部的偏轉運動和指關節的俯仰運動，手術動作的靈活度較低。本末端執行器如圖2 所示，整個部分可以繞傳動桿的中心軸轉動，腕關節可以繞軸A 轉動，手指關節可以繞軸B 完成轉動和開合運動。

圖2 末端執行器

1.2 絲傳動結構設計

為了滿足器械尺寸小、質量輕并且傳動距離長的裝置要求，本手術器械傳動方式采用絲傳動。末端執行器各關節上的鋼絲繩穿過中間傳動桿的內部連接于驅動系統中，驅動腕關節的俯仰運動、指關節的俯仰和手指的開合運動。鋼絲繩的傳動原理如圖3 所示。

圖3 手術器械傳動原理圖

圖3 中，C1～C6 是6 根鋼絲繩，D1～D8 是8 組鋼絲繩導輪，其中D6 和電機1 連接，D7 和電機2 連接，D8 和電機3 連接。一旦電機1 處于工作狀態，C1 和C2 將依次繞過D6、D5 帶動指關節的下爪轉動；而電機3 工作時C5 和C6 將依次繞過D8、D4 帶動指關節的上爪轉動，這樣就能實現指關節的俯仰和開合運動。電機2 工作時，C3 和C4將依次繞過D7、D3 轉動，形成一個閉合回路，腕關節的俯仰運動也就實現了[3]。

傳動桿轉動鋼絲繩傳動示意圖如圖4 所示。鋼絲繩C9 和C10 一端纏繞在傳動桿，另一端纏繞在導向輪的絲孔。當導向輪繞C 軸轉動時，傳動桿在鋼絲繩的帶動下將會繞著D 軸完成自轉運動，這樣就可實現4 個自由度的設計目的。

圖4 傳動桿轉動鋼絲繩傳動示意圖

1.3 驅動系統設計

微創手術器械驅動系統如圖5 所示，所采用的傳動方式為“鋼絲繩-導向輪”。電機處于工作狀態時，帶動導向輪轉動，利用鋼絲繩的長距離傳動驅動各個器械關節運動。

圖5 微創手術器械驅動系統

2 手術器械對組織的夾持力分析

手術器械的夾持力是1.0N，安全系數取3.0，可以得到手術器械的負載極值是3.0N。微創手術器械使用的驅動系統是電機驅動。與傳統手術器械相比較，從電機到手術器械末端執行器的距離較遠，因此在動力傳動的過程中動力損失更多，因此必須在負載極值的基礎上再取一個安全系數2.0，這樣可以得到最終的夾持力極值fmax=6.0N。

2.1 鋼絲繩選型

考慮到微創手術器械在實際工作中的夾持力要求，一般對病人器官組織的夾持力不得超過1N，可以得出手指的夾持力極值為6.0N。手術器械的手指驅動輪的鋼絲繩槽的半徑和鋼絲繩的半徑均為0.25mm，因此可以得出有效半徑，即主動力矩為R1=0.5mm。手術器械手指的負載力矩L1=12.2mm。手術器械的手指夾持力極值F1=6.0N。以上可得手指的傳動繩拉力極值F2為：

控制手指運動的驅動電機需要提供的轉矩為：

其中，D2為指關節驅動輪的有效直徑。

鋼絲繩屬于易損部件，因此鋼絲繩的質量和效率必須得到有效的保證。每根鋼絲繩都不是單獨的一根線，而是由許多股線合制而成的。股和線都有各自共同的旋向，提高了繩的抗拉強度和耐磨損能力。鋼絲繩的基本結構常用M×N 來表示（其中N 表示線數），比如常見的1×7、1×19等，由于M×N 的值越大鋼絲繩柔性越大，但抗拉強度會有所降低[4]，所以采用的鋼絲繩為1×7 結構，直徑為0.5mm。

鋼絲繩最小破斷力的計算公式為：

其中，鋼絲繩的最小破斷拉力用F2表示，單位是N；鋼絲繩的最小破斷拉力系數用K 表示；D 代表鋼絲繩的繩徑，單位為mm；R0代表鋼絲繩的公稱抗拉強度，單位為MPa；M 為鋼絲繩安全系數。

本文所選鋼絲繩最大拉力為146.4N，依據工作載荷和安全系數確定鋼絲繩的最小破斷拉力，取安全系數M 為3.0，最小破斷拉力系數K 為0.82，求得鋼絲繩的公稱抗拉強為:

因此，本文所選材料所受的公稱抗拉強度小于其固有抗拉強度的最小值2 420MPa，滿足設計要求。

2.2 電機選型

選擇RE 系列的直流伺服電機，因為其在惡劣的環境下仍能保證極高的有效性和精確性，并且它的體積性能比很好，適用于手術機器人。對于末端執行器的絲傳動方案的設計，長距離傳動將會導致電機轉矩的損失較大，相應的負載就會較大。而傳動桿的傳動方式距離較短，所以電機轉矩損失較小，負載也就偏小[5]。由式（2）可知，手指運動的時候驅動電機需要提供的轉矩為：T2=732.0N·mm

因此，驅動手指的電機所需輸出轉矩為：

其中，K 代表安全系數，ηM代表電機效率，ηC代表鋼絲繩效率，ηP代表導向輪效率。

將手指的轉動速度設為ω=π/2（rad/s），可得到手指轉動時的電機所需功率：

減速比為：

其中，T0代表初選電機的額定轉矩。

根據Maxon motor 2011/12 的產品目錄選取電機Maxon DC motor RE13，直徑為13mm，失模電刷，功率為3W。選擇的電機型號為118610，它的額定電壓是24V，額定轉速是10 600rpm，額定轉矩是2.42N·mm。減速器選擇Maxon 行星輪減速箱GP16M，直徑是16mm，選擇型號312920，減速比是690∶1。

驗證：

因此，本文所選電機型號符合要求。因為n=576.3<690，所以選擇的行星輪減速箱的型號符合要求。

由于本文設計的手術器械的各個關節處的電機選擇同種型號，所以統一選擇型號為118610 的電機Maxon DC motor RE13。選擇型號為312920 的Maxon 行星齒輪箱GP16M[2]。

3 結束語

本文設計了一種四自由度微創手術器械，區別于傳統的傳動方式本設計選用了絲傳動方式，有效地提高了靈活度和精準度。目前，微創手術機器人的研究還處于初級階段，仍需研究人員不斷努力，相信未來隨著科技水平的不斷發展，醫療機器人必將造福全人類。