內(nèi)容來源于馮美教授博士論文《腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究》。僅自學(xué)習(xí)用，侵權(quán)聯(lián)刪。

一、腹腔鏡手術(shù)背景介紹

傳統(tǒng)的腹腔微創(chuàng)外科手術(shù)是借助腹腔鏡和手術(shù)器械來完成手術(shù)操作的。腹腔鏡和手術(shù)器械通過體表約5~10mm的手術(shù)切口進(jìn)入患者腹腔，醫(yī)生在腹腔鏡提供的病灶區(qū)域的視覺顯示下，操作手術(shù)器械完成手術(shù)任務(wù)。

微創(chuàng)手術(shù)是靠手術(shù)器械和腹腔鏡探入體表切口進(jìn)行手術(shù)任務(wù)的，由于體表切口的限制，為保證手術(shù)的安全性，要求手術(shù)器械和腹腔鏡繞體表切口做“定點(diǎn)”運(yùn)動。手術(shù)器和腹腔鏡在體表切口處的運(yùn)動自由度如圖所示，為防止手術(shù)器械和腹腔鏡對體表切口造成劃傷，要求手術(shù)器械和腹腔鏡在體表切口只允許做以下四個自由度運(yùn)動：沿體表切口的探入運(yùn)動自由度，繞體表切口的兩個轉(zhuǎn)動自由度，繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度，而手術(shù)器械和腹腔鏡在體表切口處沿切口切線方向的直線運(yùn)動自由度是必須被限制的。手術(shù)器械和腹腔鏡在體表切口處的這種類似“定點(diǎn)”運(yùn)動稱為遠(yuǎn)心運(yùn)動，手術(shù)切口稱之為遠(yuǎn)心點(diǎn)，將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心運(yùn)動的機(jī)構(gòu)稱之為遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)。

手術(shù)機(jī)器人（從手）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是機(jī)械臂遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)和手術(shù)器械。

二、從手機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)組成

腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的工作模式應(yīng)為主從式操作模式，即醫(yī)生通過操作主操作手來控制從手機(jī)器人運(yùn)動，從手機(jī)器人的功能是代替醫(yī)生把持特制的手術(shù)器械，并在醫(yī)生的控制下完成手術(shù)操作的基本動作。

根據(jù)從手機(jī)器人的功能，將從手機(jī)器人的設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是機(jī)器人車，另一部分是手術(shù)器械。機(jī)器人車由基座和數(shù)個機(jī)械臂構(gòu)成。機(jī)械臂的功能相同，都是用來夾持器械完成手術(shù)操作，區(qū)別僅在于機(jī)械臂末端夾持的器類型不同。根據(jù)機(jī)械臂要實(shí)現(xiàn)的手術(shù)任務(wù)要求，機(jī)械臂應(yīng)由定位關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。定位關(guān)節(jié)用來完成術(shù)前手術(shù)器械（腹腔鏡）到達(dá)切口點(diǎn)的定位，遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)用來夾持手術(shù)器械（腹腔鏡）并保證術(shù)中手術(shù)器械的運(yùn)動是圍繞切口的遠(yuǎn)心運(yùn)動。

（圖中為達(dá)芬奇，非論文中的機(jī)器人）

三、從手機(jī)械臂設(shè)計(jì)

從手機(jī)器人機(jī)械臂的最終構(gòu)型如圖所示（跟上圖中的達(dá)芬奇架構(gòu)不太一樣）。機(jī)械臂是具有個冗余自由度的七自由度機(jī)械臂，由定位關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)組成，關(guān)節(jié)1~關(guān)節(jié)4為定位關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)5~關(guān)節(jié)7組成遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，其中關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)7為直線移動關(guān)節(jié)，其余的幾個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

各關(guān)節(jié)的功能分別是：關(guān)節(jié)1來設(shè)置機(jī)械臂在垂直方向上的位置，使機(jī)械臂末端所夾持的手術(shù)器械（腹腔鏡）在重直方向上的位置符合切口位置要求;關(guān)節(jié)2~關(guān)節(jié)4為三個平行的擺動關(guān)節(jié)，用來設(shè)置機(jī)械臂在水平方向的位置，使得機(jī)械臂末端所夾持的手術(shù)器械（腹腔鏡）在水平方向上的位置符合切口位置要求;

關(guān)節(jié)5~關(guān)節(jié)7組成遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，用來夾持手術(shù)器械（腹腔鏡）并保證手術(shù)器械（腹鏡）繞手術(shù)切口做遠(yuǎn)心運(yùn)動，其中關(guān)節(jié)5用來實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械（腹腔鏡）繞手術(shù)切口的偏擺遠(yuǎn)心運(yùn)動，關(guān)節(jié)6用來實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械（腹腔鏡）繞手術(shù)切口的俯仰遠(yuǎn)心運(yùn)動，關(guān)節(jié)7用來實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械（腹腔鏡）沿切口的探入運(yùn)動。

為了防止手術(shù)過程中遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)與病人身體發(fā)生干涉，根據(jù)腹部氣腹形狀，將遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)置成與水平面成30夾角的配置方式，這樣可以避免與患者腹部的干涉。

四、手術(shù)器械設(shè)計(jì)（帶腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)）

手術(shù)器械安裝在機(jī)械臂遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)上，通過遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)提供的遠(yuǎn)心運(yùn)動和手術(shù)器械的自身運(yùn)動自由度，實(shí)現(xiàn)對組織或臟器的夾持、牽引、剪切和縫合等手術(shù)操作。大部分的傳統(tǒng)手術(shù)器械都是以連桿驅(qū)動，只具有兩個運(yùn)動自由度：操作桿的旋轉(zhuǎn)和小爪的張合，手術(shù)操作靈活度較低。

為提高手術(shù)器械手術(shù)操作的靈活度，本文采用基于絲傳動的帶有腕部裝置的這一手術(shù)器械構(gòu)型（如圖所示）進(jìn)行手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)手術(shù)器械相比，帶有腕部裝置的手術(shù)器械增加了腕部的偏轉(zhuǎn)動作和小爪的獨(dú)立轉(zhuǎn)動自由度。這樣手術(shù)器械就具備了四個自由度，分別是手術(shù)器械繞自身軸線的轉(zhuǎn)動自由度、腕部機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)自由度、小爪繞公共軸反向運(yùn)動的開合自由度和小爪繞公共軸的同向旋轉(zhuǎn)自由度。

綜上，手術(shù)器械的總體設(shè)計(jì)如下：

底座安裝在機(jī)械臂的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)上，底座電機(jī)分別控制手術(shù)器的四個自由度運(yùn)動，并且通過驅(qū)動盤將動力傳遞給傳動箱。手術(shù)器的每個自由度運(yùn)動均由一根鋼絲繩驅(qū)動，為了實(shí)現(xiàn)鋼絲的無滑動傳動，在鋼絲繩的中間打上一個小結(jié)，并將小結(jié)埋入小爪的埋孔里。由結(jié)點(diǎn)分開的兩股鋼絲繩纏繞在小爪的滑槽里，并通過導(dǎo)輪導(dǎo)向和操作桿的導(dǎo)向孔固定于傳動箱里的消耦裝置上。這樣鋼絲運(yùn)動和小爪運(yùn)動為同步運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了鋼絲的精確傳動。

五、腕關(guān)節(jié)與小爪關(guān)節(jié)解耦設(shè)計(jì)

基于絲傳動的帶有腕部裝置的手術(shù)器械這一構(gòu)型提高了手術(shù)操作的靈活度，但這種構(gòu)型的缺點(diǎn)是腕部運(yùn)動和小爪運(yùn)動之間存在一個耦合運(yùn)動。

如圖所示，腕部的一端安裝在操作桿上，可以相對操作桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動，小爪安裝在腕部的另一端，并且相對腕部也可進(jìn)行轉(zhuǎn)動;導(dǎo)輪A和導(dǎo)輪B安裝在腕部上，用于對驅(qū)動小爪運(yùn)動的鋼絲進(jìn)行導(dǎo)向，其中導(dǎo)輪A的轉(zhuǎn)動軸線與腕部運(yùn)動軸線同軸。為了保證鋼絲的精確傳動，鋼絲工作在無滑動傳動狀態(tài)。當(dāng)腕部由θ運(yùn)動到θ'時，驅(qū)動小爪運(yùn)動的鋼絲在導(dǎo)輪A上的包角發(fā)生改變，即纏繞在導(dǎo)輪A上的鋼絲繩長會發(fā)生改變。又因?yàn)殇摻z為無滑動傳動，則腕部的運(yùn)動勢必會給小爪帶來一個耦合運(yùn)動。

伴隨著腕部的運(yùn)動，附加給小爪關(guān)節(jié)運(yùn)動上的耦合運(yùn)動是變化著的，這使得小爪的運(yùn)動狀態(tài)變的不可控制，不利于醫(yī)生的手術(shù)操作。因此為了精確控制小爪的運(yùn)動狀態(tài)，需要消除腕部帶給小爪的耦合運(yùn)動。通過對小爪施加一個相對于耦合運(yùn)動等值反向的補(bǔ)償運(yùn)動可以消除耦合運(yùn)動對小爪運(yùn)動的影響，通常有兩類方法可以實(shí)現(xiàn)這一補(bǔ)償運(yùn)動：一類是用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ赐ㄟ^控制算法來協(xié)調(diào)腕部電機(jī)和小爪電機(jī)的運(yùn)動，以此來消除小爪的耦合運(yùn)動;另一類是通過機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ赐ㄟ^一個補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，當(dāng)腕部運(yùn)動時將腕部的一部分驅(qū)動力傳遞給小爪，并使小爪朝著與耦合運(yùn)動相反的方向運(yùn)動，以此來消除小爪的耦合運(yùn)動。

論文中用的是機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄟ_(dá)芬奇也是）

消耦補(bǔ)償裝置設(shè)置在動力盒中。由于手術(shù)器械的耦合運(yùn)動是單向性的，即腕部的運(yùn)動會帶給小爪耦合運(yùn)動，而小爪的運(yùn)動卻對腕部的運(yùn)動沒有影響。考慮到耦合運(yùn)動的這種單向性特點(diǎn)，本文采用差動行星齒輪來設(shè)計(jì)消耦裝置。

補(bǔ)償裝置由腕部關(guān)節(jié)和兩個小爪關(guān)節(jié)組成的差動行星齒輪組構(gòu)成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖 2-21（b）（c）（d）所示。差動行星齒輪（如 圖2-21（c））由齒輪軸、太陽輪、三個行星輪和下線輪組成，下線輪為三個行星輪的行星架。

（注：根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，文章提到的齒輪軸實(shí)際上應(yīng)該叫“太陽輪”，太陽輪實(shí)際上叫“外齒圈”）

當(dāng)腕部關(guān)節(jié)運(yùn)動時，動力由底座電機(jī)傳給腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動盤并驅(qū)動腕部齒輪軸運(yùn)動，與此同時，通過惰輪的動力傳遞，腕部齒輪軸將一部分動力傳遞給小爪關(guān)節(jié)的太陽輪，小爪關(guān)節(jié)太陽輪的轉(zhuǎn)動帶動著三個行星齒輪一起運(yùn)動，進(jìn)而帶動小爪關(guān)節(jié)的線輪運(yùn)動，末端組件小爪得到運(yùn)動補(bǔ)償而消除耦合運(yùn)動。小爪解耦補(bǔ)償運(yùn)動的動力由腕部提供，解耦運(yùn)動伴隨著腕部運(yùn)動同時進(jìn)行。

當(dāng)小爪運(yùn)動時，底座電機(jī)通過驅(qū)動盤驅(qū)動小爪齒輪軸運(yùn)動，小爪齒輪軸的轉(zhuǎn)動會帶動三個行星齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動線輪運(yùn)動，末端組件小爪運(yùn)動。在小爪運(yùn)動過程中，由于腕部關(guān)節(jié)電機(jī)處于使能狀態(tài)且具有大的傳動比，因此小爪太陽輪受到腕部齒輪軸阻力會靜止不動（注：實(shí)際測試達(dá)芬奇4的器械，腕部關(guān)節(jié)電機(jī)即使不使能，腕部關(guān)節(jié)的齒輪軸也是靜止不動的）。所以小爪的運(yùn)動不會對腕部運(yùn)動狀態(tài)產(chǎn)生影響，滿足耦合運(yùn)動的單向性要求。

由以上分析可知，小爪的實(shí)際運(yùn)動量為解耦運(yùn)動和電機(jī)驅(qū)動運(yùn)動的疊加。通過合理設(shè)置傳動裝置傳動比，可以實(shí)現(xiàn)在腕部運(yùn)動的同時實(shí)現(xiàn)小爪的解耦運(yùn)動。

具體傳動比計(jì)算過程請直接參閱原論文。

最終要達(dá)到的效果就是：

1、電機(jī)驅(qū)動腕部關(guān)節(jié)盤時，器械末端只有腕部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動（小爪不動）

2、電機(jī)驅(qū)動小爪關(guān)節(jié)盤時，器械末端只有小爪關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動（腕部和另外一個小爪臂不動）

這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)動跟末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動就可以做到一一對應(yīng)了。

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