內(nèi)容來源于馮美教授博士論文《腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(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”運動。手術(shù)器和腹腔鏡在體表切口處的運動自由度如圖所示，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動：沿體表切口的探入運動自由度，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”運動稱為遠(yuǎn)心運動，手術(shù)切口稱之為遠(yuǎn)心點，將實現(xiàn)遠(yuǎn)心運動的機構(gòu)稱之為遠(yuǎn)心機構(gòu)。

手術(shù)機器人（從手）的結(jié)構(gòu)設(shè)計重點是機械臂遠(yuǎn)心機構(gòu)和手術(shù)器械。

二、從手機器人基本結(jié)構(gòu)組成

腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(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器人運動，從手機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)從手機器人的功能，將從手機器人的設(shè)計分為兩部分，一部分是機器人車，另一部分是手術(shù)器械。機器人車由基座和數(shù)個機械臂構(gòu)成。機械臂的功能相同，都是用來夾持器械完成手術(shù)操作，區(qū)別僅在于機械臂末端夾持的器類型不同。根據(jù)機械臂要實現(xiàn)的手術(shù)任務(wù)要求，機械臂應(yīng)由定位關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)心機構(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)切口點的定位，遠(yuǎn)心機構(gòu)用來夾持手術(shù)器械（腹腔鏡）并保證術(shù)中手術(shù)器械的運動是圍繞切口的遠(yuǎn)心運動。

（圖中為達(dá)芬奇，非論文中的機器人）

三、從手機械臂設(shè)計

從手機器人機械臂的最終構(gòu)型如圖所示（跟上圖中的達(dá)芬奇架構(gòu)不太一樣）。機械臂是具有個冗余自由度的七自由度機械臂，由定位關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)心機構(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)置機械臂在垂直方向上的位置，使機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)置機械臂在水平方向的位置，使得機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)心運動，其中關(guān)節(jié)5用來實現(xiàn)手術(shù)器械（腹腔鏡）繞手術(shù)切口的偏擺遠(yuǎn)心運動，關(guān)節(jié)6用來實現(xiàn)手術(shù)器械（腹腔鏡）繞手術(shù)切口的俯仰遠(yuǎn)心運動，關(guān)節(jié)7用來實現(xiàn)手術(shù)器械（腹腔鏡）沿切口的探入運動。

為了防止手術(shù)過程中遠(yuǎn)心機構(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（帶腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計）

手術(shù)器械安裝在機械臂遠(yuǎn)心機構(gòu)上，通過遠(yuǎn)心機構(gòu)提供的遠(yuǎn)心運動和手術(shù)器械的自身運動自由度，實現(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。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、腕部機構(gòu)的偏轉(zhuǎn)自由度、小爪繞公共軸反向運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)計如下：

底座安裝在機械臂的遠(yuǎn)心機構(gòu)上，底座電機分別控制手術(shù)器的四個自由度運動，并且通過驅(qū)動盤將動力傳遞給傳動箱。手術(shù)器的每個自由度運動均由一根鋼絲繩驅(qū)動，為了實現(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。這樣鋼絲運動和小爪運動為同步運動，實現(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

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)型的缺點是腕部運動和小爪運動之間存在一個耦合運動。

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運動到θ'時，驅(qū)動小爪運動的鋼絲在導(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。又因為鋼絲為無滑動傳動，則腕部的運動勢必會給小爪帶來一個耦合運動。

伴隨著腕部的運動，附加給小爪關(guān)節(jié)運動上的耦合運動是變化著的，這使得小爪的運動狀態(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動狀態(tài)，需要消除腕部帶給小爪的耦合運動。通過對小爪施加一個相對于耦合運動等值反向的補償運動可以消除耦合運動對小爪運動的影響，通常有兩類方法可以實現(xiàn)這一補償運動：一類是用軟件補償?shù)姆椒?，即通過控制算法來協(xié)調(diào)腕部電機和小爪電機的運動，以此來消除小爪的耦合運動;另一類是通過機械補償?shù)姆椒?，即通過一個補償機構(gòu)，當(dāng)腕部運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動相反的方向運動，以此來消除小爪的耦合運動。

論文中用的是機械補償?shù)姆椒ǎㄟ_(dá)芬奇也是）

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

補償裝置由腕部關(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)機械設(shè)計基礎(chǔ)，文章提到的齒輪軸實際上應(yīng)該叫“太陽輪”，太陽輪實際上叫“外齒圈”）

當(dāng)腕部關(guān)節(jié)運動時，動力由底座電機傳給腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動盤并驅(qū)動腕部齒輪軸運動，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動，進(jìn)而帶動小爪關(guān)節(jié)的線輪運動，末端組件小爪得到運動補償而消除耦合運動。小爪解耦補償運動的動力由腕部提供，解耦運動伴隨著腕部運動同時進(jìn)行。

當(dāng)小爪運動時，底座電機通過驅(qū)動盤驅(qū)動小爪齒輪軸運動，小爪齒輪軸的轉(zhuǎn)動會帶動三個行星齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動線輪運動，末端組件小爪運動。在小爪運動過程中，由于腕部關(guān)節(jié)電機處于使能狀態(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：實際測試達(dá)芬奇4的器械，腕部關(guān)節(jié)電機即使不使能，腕部關(guān)節(jié)的齒輪軸也是靜止不動的）。所以小爪的運動不會對腕部運動狀態(tài)產(chǎn)生影響，滿足耦合運動的單向性要求。

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

具體傳動比計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）

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

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