微创手术机器人被动式关节设计和优化

方婉霏，潘 博，付宜利

(哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨150001)

微创外科手术(MIS)因其疼痛小、出血少、术后恢复快等特点得到了广泛运用，而将机器人技术和微创手术相结合更可以减小医生的劳动强度，恢复医生操作手术的灵活性和对手术过程的感觉，提高手术质量[1－2].目前，世界各国特别是西方发达国家都争先进行机器人辅助微创手术技术的研究，并制定了各种研究计划，研制出多种系统.

为实现手术过程中的安全性，手术过程中需要实现部分关节的锁紧，目前手术机器人中常用的锁紧方式有液压锁紧[3]，偏心锁紧，电磁锁紧[4]等.北京航空航天大学的刘达采用了液压装置实现了机器人关节的锁紧，但其关节结构设计较为复杂，且不利于机器人系统的一体化设计.哈尔滨工业大学采用制动器来实现机器人关节锁紧，但存在着关节尺寸较大、电磁干扰及发热较大的缺点.因此，需要进一步开展适用于微创手术环境的机器人被动关节研究.

本文基于一体化设计[5]思想，设计用于微创腹腔手术机器人机械臂的被动关节，并创新性采用楔形结构实现关节在任意位置锁紧，实现被动关节较大锁紧力矩功能.

1 设计准则

在机器人微创手术中，术前医生需要手动设置机器人构型，在完成设置后将机器人被动关节锁紧，只依靠机器人主动关节来完成微创手术操作.在此过程中，被动关节既要将自身关节转动角度反馈给控制系统，实现机器人运动学计算，又必须实现关节的可靠性锁紧，增加机器人微创手术的可操作性及安全性.因此，在机器人被动关节的设计中应该满足如下的设计准则:

转动的连续性:每一个被动关节应可以连续的转过任意的角度，从而实现末端手术器械可以达到工作空间水平面内的任意位置.

具有关节角度反馈:机器人运动学需要实时反馈各关节的转动角度，因此，在被动关节设计中应安装角度反馈元件，实现关节角度反馈.

锁紧位置的任意性:手术器械运动到合适的位置后进行手术过程中，为保证患者的安全和手术的成功率，需要对被动关节进行锁紧.由于每次手术中末端手术器械位置时变化的，因此要求被动关节旋转到任意角度时均可以锁紧.

足够的锁紧力矩:根据微创手术机器人手术试验得出，满足定位要求的安全可靠的锁紧力矩达到50N·m.

一体化设计:被动关节的设计在力求轻量小型基础上，要优化机械结构、合理选用元器件，实现机构、驱动、传动、传感集成化、一体化，实现机械臂内部关节走线.

2 结构设计

根据以上准则设计用于微创手术机器人的被动关节，手术前由辅助手术人员手动转动三个被动关节，调节末端手术器械在水平面的位置以满足手术要求;手术过程中，关节实现可靠锁紧.

2.1 传动结构设计

被动关节的上下壳体分别与前后的机械臂相连，上壳体通过一对轴承进行支撑;通过轴承的联接上下壳体可以进行相对的回转运动，实现连续的转动.通过安装在下壳体上的绝对编码器测量关节上下壳体相对转动的角度并将关节转角信号返回给上位机，免去了断电之后的调零操作.

关节内部同时设置驱动锁紧机构运动的传动结构，将动力源输出的动力经过谐波减速组件、齿轮传递至丝杠轴上，并由丝杠螺母副将回转运动转化为支撑件、摩擦件等沿上下壳体中心轴线方向的直线运动，实现关节的锁紧和松开.

2.2 锁紧机构设计

2.2.1 锁紧机构分析

锁紧机构是被动式关节设计的关键，关系到机器人末端器械的操作精度，目前各研究机构采用的锁紧类型主要包括机械装置锁紧、液压驱动锁紧、气动驱动锁紧、电磁动力锁紧以及电动锁紧.

机械锁紧方式:一般采用搭扣、销轴[6]、偏心等方式实现锁紧，其优点是结构简单，易于实现，缺点是搭扣、销轴锁定只能在几个位置进行锁定，不能实现任意位置锁定;偏心锁定构件变形大.

液压驱动摩擦锁紧:采用液压来提供进行锁紧动力源，其优点是驱动力可调，锁紧力大，缺点是液压系统复杂，不适合和现有系统结合，且液压油易泄露不易于应用医疗器械产品.

气动驱动锁紧:采用气压方式为锁紧装置提供动力源，其优点是结构相对简单，不对环境造成污染，缺点是由于需要气泵，噪声比较大.

电磁动力锁紧:电磁动力锁紧主要是利用电磁转换装置为锁紧装置提供动力，锁紧装置主要有摩擦片结构及齿式结构.电磁动力锁紧优点是结构设计简单，便于实现关节锁紧，缺点是采用摩擦片结构时锁紧力矩较小，要实现较大锁紧力矩是电磁转换装置的尺寸较大;而采用齿式结构的锁紧装置能够在相对较小尺寸下实现较大锁紧力矩，但齿式结构锁紧后仍会产生较小位移转动，锁紧可靠性不够.

因此，为满足微创手术机器人环境使用要求，结合上述锁紧方式的优缺点，创新的采用电机为驱动源、丝杠螺纹传递动力、楔形锁紧机构为执行元件来实现机器人被动关节的可靠、稳定锁紧，该锁紧机构具有动力清洁、结构简单、锁紧可靠、易于一体化设计等优点.

2.2.2 锁紧结构设计

本文采用步进电机驱动的摩擦锁紧的方式.摩擦块采用楔形的独特构型，可以巧妙的利用楔形的侧面发挥构件间的相互作用，增大接触面积，同时楔形件和与之摩擦接触构件的侧面之间除切向摩擦力外还有法向抗力[7].得以增大摩擦力从而增大锁紧力矩.

楔形锁紧块在丝杠螺母副的带动下沿轴向运动，同时设置导向件限制了楔形锁紧块和螺母绕丝杠轴轴线方向的转动.电机驱动丝杠螺母副的运动.上下壳体上分别加工出和楔形锁紧块楔角相配合的斜面，锁紧块向上运动至配合处，接触产生摩擦力，也就产生了使关节锁紧的摩擦转矩.见图1.

出于手术中安全性的考虑，需要实现断电锁紧，因此选用带自锁功能的滑动丝杠，电机停转后，楔形锁紧块在丝杠的自锁作用下停在原位置，可以持续性的锁紧，解决了原锁紧机构断电后不能锁紧的问题.

利用步进电机正反转控制楔形圆筒沿轴线方向的上下移动，从而实现套筒和螺母之间的锁紧和松开.

图1 摩擦块结构图

2.2.3 锁紧力矩的计算

若已知单元上的摩擦应力，对单位高度上的摩擦转矩进行积分，则得出摩擦转矩的计算公式为:

其中:R为楔形对称轴至中心轴线的距离，α为楔形块的圆周角，θ为楔角，ph为单元的摩擦应力.l内、l外分别为内外两侧接触单元沿圆周方向的长度，f为摩擦力.见图2.

图2 楔形块截面示意图

2.3 被动关节一体化设计

本文设计的被动式关节，主要构件如图3中所示.除可以实现相对回转运动的上下壳体、摩擦锁紧块、带动锁紧块运动的滑动丝杠螺母副、传动齿轮等机械零部件外，考虑到关节电气元件和机械本体的一体化和集成化，选用了以下元件:

SAMSR步进电机 SS1702A10，静力矩0.257 Nmm，在同样驱动力矩的前提下具有较小的轴向尺寸.

XB3谐波传动组件，速比64，输出扭矩1.2 N·m.测量关节角信号的960单圈绝对编码器，外形小巧，通孔安装，输出格雷码，经过格雷码转二进制码电路之后可以直接向上位机输出关节转角信息.

步进电机驱动控制电路:利用嵌入摩擦件和支撑件之间的LB－13单压传感器检测摩擦件沿轴向的压力值，此压力值表征摩擦转矩的大小，并由INA128放大电路对信号进行放大;利用L298N步进电机驱动电路和AVR最小系统板实现关节的锁紧控制，控制流程图如图4.

为了更好的集成电气元件，结构设计上采用了以下两点:1)关节中间丝杠轴采用中空结构以进行内部走线;2)通过齿轮传动合理布置了电机、谐波组件等构件的位置，给出了安放驱动控制元件的空间.最终加工出的关节结构如图5所示.

3 锁紧机构性能分析

键部件间的接触，得出接触面之间摩擦应力的分布情况.由于接触面的结构形式，楔形角度，以及选用的摩擦材料的参数性能都对最终摩擦力矩的大小具有影响;并且接触问题是一个高度非线性的问题[8－9]，各种参数的设置均对结果的收敛性造成一定的影响.在有限元分析过程中采用了APDL语言进行参数化建模和求解，以综合比较各个参数，得出摩擦力最大的配置形式.

图6、7为仿真出的单元应力和接触单元的摩擦应力云图.

利用ANSYS模拟机械臂摆动关节锁紧机构关

利用仿真出的节点摩擦应力数值和计算摩擦转矩的公式得出摩擦力矩大于50N·m，满足锁紧的可靠性要求.

4 结语

该被动关节在结构上实现了机械结构和控制系统的一体化，在功能上实现了断电时可靠锁紧.该锁紧机构能够在任意位置锁紧，锁紧力矩大，且锁紧力矩大小可调.满足微创手术机器人机械臂的操作要求.

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