一種臨床微創(chuàng)手術(shù)用剛性可控機(jī)械手設(shè)計(jì)與研究

姚方輝，扶玉珍，李文仿

1.十堰市太和醫(yī)院（湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬太和醫(yī)院）普外科，湖北 十堰 442000；2.湖北醫(yī)藥學(xué)院 組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室，湖北 十堰 442000

[關(guān)鍵字] 微創(chuàng)手術(shù)；機(jī)械手；折疊結(jié)構(gòu)；剛性可控

引言

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)[1-2]的不斷發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)療設(shè)備的要求也越來(lái)越高。微創(chuàng)手術(shù)（Minimally Invasive Surgery，MIS）具有瘢痕小、術(shù)后疼痛輕、住院時(shí)間短和術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要一環(huán)，受到了人們廣泛地關(guān)注[3-5]。自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery，NOTES）作為一種典型的MIS，可通過(guò)口、結(jié)腸或陰道途徑進(jìn)入病變部位，從而減少組織損傷[6-7]。然而，NOTES手術(shù)過(guò)程中對(duì)機(jī)械手要求較高：① 機(jī)械手結(jié)構(gòu)需緊湊且靈活，從而可在不扭結(jié)或損壞腔內(nèi)壁的情況下穿過(guò)病變部位；② 在操作過(guò)程中，機(jī)械手需要滿足剛性要求，從而為順利操縱手術(shù)工具奠定基礎(chǔ)。因此，需要開(kāi)發(fā)滿足上述要求的手術(shù)器械，這對(duì)推動(dòng)NOTES的快速發(fā)展和其廣泛應(yīng)用具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的剛性手術(shù)工具和柔性?xún)?nèi)窺鏡不能完全滿足臨床要求，因此不能直接應(yīng)用于NOTES。基于此，有研究者對(duì)剛性蛇形機(jī)械手進(jìn)行研究，并取得了一定進(jìn)展。孟巧玲等[8]提出了一種基于柔性鉸鏈的仿生外骨骼機(jī)械手，該機(jī)械手通過(guò)增大控制線張力來(lái)增加剛性連桿之間的摩擦。然而，高剛度需要高的線張力，并且連桿需要足夠大以承受負(fù)載。Gao等[9]提出了一種考慮相變傳熱過(guò)程與材料溫度效應(yīng)的可變剛度內(nèi)窺鏡機(jī)械手設(shè)計(jì)方法。相變材料使得機(jī)械手在不同溫度變化時(shí)在剛性模式和柔性模式之間切換。這種方法可以獲得較好的剛度，然而較長(zhǎng)的激活時(shí)間限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。張德福[10]和郝兵等[11]設(shè)計(jì)了氣動(dòng)和液壓機(jī)械手，通過(guò)可控流體壓力或液壓，能獲得穩(wěn)定剛度，然而這類(lèi)設(shè)計(jì)的機(jī)械手對(duì)于精細(xì)化操縱存在明顯的不足。此外，還有研究提出具有折疊式結(jié)構(gòu)[12-18]的機(jī)械手裝置，該裝置通過(guò)交叉交織的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可在縱向拉伸時(shí)顯著減小直徑，這類(lèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具備折疊性、重量輕、柔韌性、抗疲勞性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、織物、建筑等領(lǐng)域中。

本文旨在提出一種剛度可調(diào)的新型折疊結(jié)構(gòu)機(jī)械手密封管結(jié)構(gòu)，該密封管主要采用編織骨架實(shí)現(xiàn)徑向折疊，并利用薄膜密封骨架，從而可通過(guò)負(fù)壓調(diào)節(jié)剛度，以期滿足MIS機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、剛性可控等要求。

1 機(jī)械手密封管設(shè)計(jì)與制造

1.1 機(jī)械手密封管設(shè)計(jì)原理

密封管由織管骨架和密封管薄膜組成，編織管的幾何形狀如圖1a所示，分別由編織角度（β）、管直徑（D）、管長(zhǎng)度（L）以及纖維直徑（d）和纖維數(shù)量（n）決定。縱向拉伸/壓縮時(shí)，D隨β的改變而發(fā)生變化，導(dǎo)致管折疊或展開(kāi)。然而纖維在變形過(guò)程中幾乎不可拉伸，其長(zhǎng)度（l）可通過(guò)公式（1）計(jì)算。

式中，c為常數(shù)，表示每根纖維的線圈數(shù)；D'和β'分別表示管變形后的直徑和編織角度。根據(jù)公式（1），變形管的D'計(jì)算方式如公式（2）所示。

理論上，β在0～90°。當(dāng)β接近0°時(shí)，D'趨于上限D(zhuǎn)/cosβ；當(dāng)β接近90°時(shí)，D'趨于下限2d。因此，最大折疊比（r），即管直徑的最大值和最小值之間的比率計(jì)算如公式（3）所示。

由于編織管的纖維在交叉點(diǎn)處松散地相互接觸，相對(duì)移動(dòng)僅受摩擦約束，因此編織管具有很大的彎曲靈活性，可以實(shí)現(xiàn)較大的曲率。這種靈活性有助于管通過(guò)彎曲的孔口，并在操作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“S”形曲線。為實(shí)現(xiàn)可調(diào)剛度，采用薄膜覆蓋編織管的內(nèi)外表面，形成管狀密封腔（圖1b）。在正常柔性狀態(tài)下，機(jī)械手密封管的編織骨架占主導(dǎo)地位，且裝置具有柔性和可折疊性。當(dāng)空腔為真空時(shí)，設(shè)備進(jìn)入剛性狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，空氣壓力將膜緊緊壓縮到編織管上，膜在彎曲時(shí)也會(huì)變形，從而提高機(jī)械手密封管的剛度。

圖1 密封管結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)械手密封管制造

考慮到尼龍纖維具有良好的彈性和對(duì)3D打印模具的順應(yīng)性，以及較低的熱處理溫度[19]，本研究選用尼龍纖維制作編織管。此外，由于聚乙烯膜易于密封，且具有較高的拉伸剛度，可為纖維提供約束力，因此使用聚乙烯膜形成空腔。機(jī)械手密封管制造過(guò)程如下：① 制作尼龍纖維編織管，形成骨架結(jié)構(gòu)，并通過(guò)熱封制作管狀聚乙烯膜；② 將聚乙烯膜覆蓋在編織管骨架內(nèi)外表面，形成管狀空腔結(jié)構(gòu)；③ 將導(dǎo)管插入空腔，并用膠水密封空腔，從而保證管狀空腔結(jié)構(gòu)處于密封狀態(tài)。

采用上述方法和真空系統(tǒng)制作的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。尼龍纖維和聚乙烯膜的楊氏模量均在Instron 5982實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，參數(shù)如表1所示。

圖2 機(jī)械手實(shí)驗(yàn)過(guò)程

表1 機(jī)械手密封管相關(guān)參數(shù)

2 結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及分析

為了評(píng)估機(jī)械手密封管的彎曲剛度，對(duì)物理試樣進(jìn)行了純彎曲實(shí)驗(yàn)，從而統(tǒng)計(jì)設(shè)備力矩情況。彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方案如圖3所示，圖中虛線表示的傳輸線由4個(gè)固定滑輪定向，當(dāng)水平拉動(dòng)鋼絲時(shí)，純力矩將施加到支架上，并傳遞到實(shí)驗(yàn)樣品上，其中力矩計(jì)算方式如公式（4）所示。

圖3 彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方案

式中，M為力矩；rw和F分別為傳輸線的半徑和受力大小；γ為彎曲角度；h為兩個(gè)滑輪之間的高度差；α為兩個(gè)滑輪中心線連接線與水平面的夾角；rp為滑輪半徑。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī)放于一個(gè)平坦的平臺(tái)上，試樣的兩端固定在彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī)上。穿過(guò)彎曲測(cè)試儀的傳輸線一端固定，另一端連接到可移動(dòng)稱(chēng)重傳感器。車(chē)輪安裝在測(cè)試儀的拐角處，以便在平臺(tái)上自由移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中采用位移控制，加載速率為0.3 mm/s。

圖4 機(jī)械手測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 有限元數(shù)值分析

為進(jìn)一步分析密封管剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)應(yīng)力分布情況，本研究使用有限元Abaqus/Explicit[20]對(duì)彎曲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。① 建立了包括內(nèi)外膜和編織管的剛性狀態(tài)模型，對(duì)于柔性狀態(tài)，去除兩層膜，只考慮編織管，同時(shí)，利用Matlab確定編織管的纖維軌跡；② 在Matlab中獲取編織管的節(jié)點(diǎn)和單元信息，建立孤立網(wǎng)格零件并導(dǎo)入Abaqus。編織管兩端的節(jié)點(diǎn)分別連接到2個(gè)參考點(diǎn)Rp1和Rp2，作為剛體結(jié)構(gòu)。膜的幾何形狀在Abaqus中建立，其中內(nèi)膜直徑略小于編織管直徑，而外膜直徑略大，從而避免物理干擾；③ 分別使用梁?jiǎn)卧狟31和膜單元M3D4R對(duì)編織管和膜進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元分時(shí)所有參數(shù)與彎管和編織管實(shí)際參數(shù)一致（表1）。通過(guò)驗(yàn)證的數(shù)值模型，分析密封管在剛性狀態(tài)下的剛度增強(qiáng)機(jī)理。圖5為剛性狀態(tài)下密封管和編織管的變形效果分析圖，由圖5可知，剛性狀態(tài)中獲得了測(cè)量曲率半徑ρ=136.17 mm的近似純彎曲，柔性狀態(tài)中曲率半徑為ρ=144.36 mm，表明，在剛性狀態(tài)下，編織管在骨架上緊密壓縮，密封管的變形模式不會(huì)受到顯著影響，仍然可正常工作。

圖5 剛性和柔性數(shù)值模擬結(jié)果

2.3 綜合分析

圖6為理論計(jì)算、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)在剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)力矩-彎曲角曲線。表2為當(dāng)彎曲角度為60°時(shí)，剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)理論及實(shí)驗(yàn)力矩統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表2可知，剛性狀態(tài)實(shí)驗(yàn)力矩為136.21 Nmm，柔性力矩為19.91 Nmm。此外，剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)下，數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分別為14.05%和8.97%。分析原因，該誤差主要是由負(fù)載測(cè)試儀中存在摩擦消耗，然而數(shù)值模擬中未考慮摩擦消耗情況。此外，數(shù)值計(jì)算得到的變形構(gòu)型和力矩曲線與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出相同的趨勢(shì)。因此，數(shù)值模型可作為解釋剛度增強(qiáng)機(jī)理的可靠方法。

圖6 剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)力矩-彎曲角曲線

表2 剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)理論及實(shí)驗(yàn)力矩結(jié)果

3 討論

本文討論了一種用于微創(chuàng)手術(shù)的新型機(jī)械手密封管，對(duì)機(jī)械手密封管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該密封管由編織管骨架和薄膜組成，其中編織管骨架可實(shí)現(xiàn)縱向柔性和徑向折疊，薄膜密封管通過(guò)負(fù)壓可調(diào)剛度。在正常柔性狀態(tài)下，機(jī)械手密封管的編織骨架占主導(dǎo)地位，且裝置具有柔性和可折疊性。當(dāng)空腔為真空時(shí)，設(shè)備進(jìn)入剛性狀態(tài)，從而滿足機(jī)械手剛度要求。為驗(yàn)證所提機(jī)械手密封管有效性，通過(guò)有限元數(shù)值分析，剛性狀態(tài)中獲得了測(cè)量曲率半徑ρ=136.17 mm的近似純彎曲，柔性狀態(tài)中曲率半徑為ρ=144.36 mm。表明，在剛性狀態(tài)下，編織管在骨架上緊密壓縮，密封管的變形模式不會(huì)受到顯著影響，仍然可正常工作。通過(guò)綜合分析，當(dāng)彎曲角度為60°時(shí)，剛性狀態(tài)實(shí)驗(yàn)力矩為136.21 Nmm，柔性力矩為19.91 Nmm。

本文中的新型機(jī)械手與仿生外骨骼機(jī)械手[8]相比，經(jīng)有限元數(shù)值分析表明受力較低，變形時(shí)機(jī)械臂不需要承受過(guò)大負(fù)載。與相變材料[9]設(shè)計(jì)的機(jī)械手相比，本文所提新型機(jī)械手及其密封管通過(guò)負(fù)壓調(diào)節(jié)，激活時(shí)間較低。與氣動(dòng)和液壓機(jī)械手[10-11]相比，所提新型機(jī)械手及其密封管具有良好的彈性和較高的拉伸剛度，可實(shí)現(xiàn)一定程度上的精確定位及精細(xì)控制。綜上，本研究設(shè)計(jì)的新型機(jī)械手及其密封管具有有效性及實(shí)用性，該設(shè)備可為微創(chuàng)手術(shù)機(jī)械手設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供一定借鑒，具有一定推廣價(jià)值。未來(lái)可進(jìn)一步對(duì)機(jī)械手精確定位及精細(xì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，從而進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)械手的實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于微創(chuàng)手術(shù)的新型機(jī)械手，并對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。數(shù)值計(jì)算得到的變形構(gòu)型和力矩曲線與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出相同的趨勢(shì)，表明本研究設(shè)計(jì)的新型機(jī)械手及其密封管具有一定的實(shí)用性。