微創(chuàng)外科機(jī)器人夾持手操作力感知機(jī)構(gòu)研究?

張 禹，高金龍，劉慧芳

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110270）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，醫(yī)療外科領(lǐng)域也在不斷地進(jìn)步。傳統(tǒng)的腹腔鏡手術(shù)已經(jīng)滿足不了人們對(duì)治療效果的要求，由此，微創(chuàng)外科手術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［1］。近年來(lái)以Computer Motion公司的ZEUS和Intuitive Surgical公司的Da Vinci為代表的手術(shù)機(jī)器人均推動(dòng)了世界微創(chuàng)手術(shù)的進(jìn)步［2］。這兩款手術(shù)機(jī)器人都擁有3D視覺(jué)成像系統(tǒng)，但是還沒(méi)有力感知、力反饋功能。對(duì)于力反饋的研究國(guó)外起步的較晚，在國(guó)內(nèi)的研究也不成熟［3］。

本文在主從式手術(shù)機(jī)器人的研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究手術(shù)機(jī)器人從手的力覺(jué)感知、力反饋系統(tǒng)，使手術(shù)機(jī)器人擁有視覺(jué)、力覺(jué)雙感知系統(tǒng)，更加完善手術(shù)機(jī)器人的機(jī)能，使手術(shù)操作者更深一層地感知手術(shù)環(huán)境，從而完善外科手術(shù)的整個(gè)過(guò)程［4］。

1 微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1.1 主從手力感知與力反饋控制系統(tǒng)

微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人主要由主操作手、從操作手和控制系統(tǒng)組成。主操作手由手術(shù)醫(yī)生控制，通過(guò)主手控制系統(tǒng)將手術(shù)機(jī)器人的位姿信號(hào)傳遞給從操作手；從操作手進(jìn)行手術(shù)的直接操作，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集力傳感裝置測(cè)得的夾持信號(hào)并傳至PC端進(jìn)行運(yùn)算生成控制信號(hào)，再把控制信號(hào)傳遞給控制主手運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)主手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行力反饋控制［5］。圖1為主從手力感知與力反饋系統(tǒng)控制原理圖。

圖1 主從手力感知與力反饋系統(tǒng)控制原理圖

1.2 從手夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)

微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主手的主要功能是把手術(shù)醫(yī)生的模擬操作轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳入控制中心，而從手機(jī)械手實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)操作的執(zhí)行任務(wù)，所以從手機(jī)械手在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)著很重要的地位。

手術(shù)機(jī)器人從手夾持手的總體結(jié)構(gòu)包括4個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、夾持機(jī)構(gòu)和力感知裝置。由于微創(chuàng)手術(shù)是在病人腹腔中操作完成的，所以要求從手整體結(jié)構(gòu)尺寸小且緊湊，而且對(duì)人體內(nèi)組織沒(méi)有損害，傳動(dòng)方式采取鋼絲繩傳動(dòng)。圖2為從手機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

1.3 力感知方法研究

在微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程中從手夾持手在人體的腹腔內(nèi)進(jìn)行操作，為了直接獲得手指夾持力的大小就需要在夾持末端安裝載有力感知功能的機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)應(yīng)具有整體結(jié)構(gòu)小、耐腐蝕性高等特點(diǎn)。

圖2 從手機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 力覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的結(jié)構(gòu)與布置

機(jī)構(gòu)是用來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、力或能量傳遞或轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置，傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動(dòng)副連接的剛性桿件組成的。而柔順機(jī)構(gòu)也能傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)、力或能量，但與剛性機(jī)構(gòu)不同，柔順機(jī)構(gòu)不僅由運(yùn)動(dòng)副傳遞運(yùn)動(dòng)，還至少?gòu)钠淙嵝圆考淖冃沃蝎@得一部分運(yùn)動(dòng)。傳感裝置的結(jié)構(gòu)主要考慮到以下兩點(diǎn)：①能夠直接檢測(cè)到夾持手夾持時(shí)與目標(biāo)體接觸力的信息；②不能影響手術(shù)操作的各個(gè)環(huán)節(jié)。為此將力傳感裝置做成柔順機(jī)構(gòu)并集成在夾持手指的末端，在柔順機(jī)構(gòu)上附著應(yīng)變片以完成力信號(hào)的捕捉。圖3為力傳感裝置柔順機(jī)構(gòu)。

此柔順機(jī)構(gòu)的上表面與夾持手的手指端直接接觸安裝在一起，下表面是粘貼的一層相同材質(zhì)的薄片，與上表面的空間距離為3mm，由于夾持手在夾持物體時(shí)多以幾何中點(diǎn)為受力點(diǎn)，所以在薄片的中心粘貼應(yīng)變片，圖3中的鏤空部分是走線用的。圖4為柔順機(jī)構(gòu)手指裝配圖。

圖3 力傳感裝置柔順機(jī)構(gòu)

圖4 柔順機(jī)構(gòu)手指裝配圖

2.2 傳感器的材料選擇

考慮到微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程中機(jī)械裝置在患者腹腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)并且與病人的內(nèi)組織相接觸，這就要求材料的耐腐蝕性以及對(duì)人體組織的無(wú)害性，因此傳感器需要選擇耐腐蝕的材料，經(jīng)過(guò)比較，選擇傳感器彈性體的材料為醫(yī)用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，其力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 醫(yī)用不銹鋼1Cr18Ni9Ti的力學(xué)性能參數(shù)

2.3 傳感器形變參數(shù)校核

之所以選擇柔順機(jī)構(gòu)作為力傳感的載體是因?yàn)槿犴槞C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且可以通過(guò)應(yīng)變片的粘貼來(lái)實(shí)現(xiàn)力信號(hào)的采集。將柔順機(jī)構(gòu)視為一柔性簡(jiǎn)支梁，L為梁的長(zhǎng)度，F(xiàn)為作用在中點(diǎn)的集中力，圖5為中點(diǎn)受力的柔順機(jī)構(gòu)。

圖5 中點(diǎn)受力的柔順機(jī)構(gòu)

關(guān)于微創(chuàng)手術(shù)鉗在真實(shí)手術(shù)環(huán)境中所需的操作力，Dong-Soo Kwon進(jìn)行了一系列的分析和研究，得出微創(chuàng)手術(shù)鉗對(duì)人體器官組織的夾持力不應(yīng)大于1 N［6］，但是為了接下來(lái)實(shí)驗(yàn)工作的顯著性取最大夾持力為10N，中點(diǎn)受力的簡(jiǎn)支梁撓曲線方程為：

其中：E為簡(jiǎn)支梁的彈性模量；I為簡(jiǎn)支梁的截面慣性矩。由式（1）可求出在x＝L/2處有最大的撓度：

將相關(guān)參數(shù)代入式（2），計(jì)算出ymax＝0.27mm，小于柔性機(jī)構(gòu)中間的間隙。

2.4 夾持手驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)設(shè)備的選擇

本次研究采取電機(jī)直驅(qū)的方式，由于減速器中存在回程，并且在微創(chuàng)手術(shù)中的控制精度要求很高，無(wú)論是通過(guò)硬件或者是軟件減小回程都不足以達(dá)到精度的要求，所以采取電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式。圖6為手指受力圖，其力矩平衡方程為：

其中：Fe×Re為驅(qū)動(dòng)夾持手電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩；Fj為柔順機(jī)構(gòu)受到夾持手夾持人體組織器官的力；Ro為Fj作用點(diǎn)到O點(diǎn)的距離；Mf1為兩個(gè)手指座的摩擦轉(zhuǎn)矩；Mf2為手指座與末端支架內(nèi)壁的摩擦轉(zhuǎn)矩。

將相關(guān)參數(shù)代入式（3），可求出所需最大輸入轉(zhuǎn)矩為406N·mm；由于夾持手的運(yùn)動(dòng)是在低速的狀態(tài)下進(jìn)行，而有刷電機(jī)在低速時(shí)擁有良好的剛性，所以選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)為Maxon公司的RE50空心杯有刷電機(jī)。

3 柔性體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可采用3種方法，即完全法（Full）、縮減法（Reduced）及模態(tài)疊加法（Mode Superposition），本次分析采用完全法。將三維軟件創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到ANSYS中，選擇單元類(lèi)型，設(shè)置材料屬性，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。柔順機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖7所示。

設(shè)置初始條件時(shí)，將初始位移和初始速度均設(shè)為默認(rèn)值0，選擇分析類(lèi)型為T(mén)ransient。設(shè)置載荷步結(jié)束時(shí)間為1.0，載荷子步數(shù)為5，將圖7中的底面進(jìn)行X，Y，Z向的位移約束，同時(shí)對(duì)圖7上表面施加壓力0.000 134MPa并在Write LS File命令中將上述載荷步設(shè)置作為載荷步1寫(xiě)入載荷文件。重復(fù)上述操作，分別施加0.000 29MPa、0.000 4MPa、0.000 53 MPa、0.000 7MPa為2～5步的載荷，并且寫(xiě)入載荷文件，最后求解。圖8為柔順機(jī)構(gòu)的位移云圖。

圖6 手指受力圖

圖7 柔順機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

圖8 柔順機(jī)構(gòu)的位移云圖

拾取形變底表面中線上靠近幾何中心的3個(gè)節(jié)點(diǎn)繪制位移曲線，如圖9所示。其中，橫坐標(biāo)為長(zhǎng)度L。

結(jié)果表明，柔順機(jī)構(gòu)在受到壓力時(shí)發(fā)生的形變值與理論值相互吻合，所設(shè)計(jì)的柔順機(jī)構(gòu)合理，而且從圖8和圖9中可以看出：柔順機(jī)構(gòu)底表面上的幾何中心位置的形變量最大，而且形變的線性度適合應(yīng)變片對(duì)數(shù)據(jù)的采集。

4 結(jié)論

本文在建立微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手夾持手模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)末端夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了可集成在手指上的力覺(jué)傳感裝置。通過(guò)夾持力的計(jì)算，確定了電機(jī)的參數(shù)及驅(qū)動(dòng)方式，最后通過(guò)有限元瞬態(tài)分析表明力覺(jué)傳感裝置的形變量與手指受力的線性度密切相關(guān)，并且確定了應(yīng)變片粘貼的最佳位置。手指的夾持力作用于柔順機(jī)構(gòu)并且使柔順機(jī)構(gòu)的形變趨于線性，這為確定控制系統(tǒng)中力信號(hào)的處理及轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。

圖9 節(jié)點(diǎn)位移曲線

［1］杜志江，孫立寧，富歷新.醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展綜述［J］.機(jī)器人，2003，25（2）：182-187.

［2］王國(guó)彪，彭芳瑜，王樹(shù)新，等.微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人研究進(jìn)展——“微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人及器械基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”雙清論壇綜述［J］.中國(guó)科學(xué)基金，2009（4）：209-214.

［3］Ng WS，Davies BL.Robotic surgery［J］.IEEE Engineering in Medicine and Biology，1993，12（1）：120-125.

［4］Christopher R.Nicholas S.Robert D.The role of force feedback in surgery.analysis of bount dissection［G］//Proceeding of 10th symposium on haptic interface for virtual environment and teleoperator systems.［s.l.］：［s.n.］，2002：118-125.

［5］謝琦，潘博，付宜利，等.基于腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的主從控制技術(shù)研究［J］.Robot，2011（1）：53-58.

［6］Dong S K，Kim W S，Kwon D S.Analysis of microsurgery task for developing micromanipulator［G］//Proceedings of the 12th Korea Automatic Control Conference.Korea：［s.n.］，1997：1631-1634.