重力平衡式手术显微镜机架平衡机构设计与研究
2018-12-26,
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(江苏科技大学机械工程学院,江苏 镇江 212003)
0 引言
随着显微外科技术的不断发展,手术显微镜已经广泛应用于各类手术中[1]。手术显微镜机架作为手术显微镜的重要组成部分,用于支撑显微镜并提供手术过程中显微镜的移动调整功能。其性能是至关重要的,影响着医生的工作效率,以及操作时的舒适性和便捷性。
手术显微镜机架的平衡方式一般分为3种,即机械弹簧平衡、气动弹簧平衡和重力平衡。机械弹簧及气动弹簧都存在同样的问题,就是平衡区间内平衡力的变化是非线性的,需要对转动关节施加较大的阻尼来保证在任意位置的平衡[2]。这不仅增加了移动显微镜的阻力,也限制了手术显微镜机架的伸展范围。平衡机构是重力平衡式手术显微镜机架的关键部分,它利用了杠杆平衡的原理,依靠配重来平衡显微镜的重量[3-5]。当显微镜增减附件后,可以移动配重进行平衡调节。如今,重力平衡在国外已经成为了一种发展潮流,蔡司和徕卡先后将重力平衡应用在高端手术显微镜机架上,但国内目前尚未推出重力平衡式手术显微镜产品。
针对上述问题,以一种新型重力平衡式手术显微镜机架(下文简称机架)为研究对象,对机架的平衡机构进行设计和分析研究[6]。
1 机架的组成
机架的整体结构如图1所示,主要由底座、配重、电控箱、悬臂、主支撑臂、配重臂和头部机架等组成。该机架可以提供足够的伸展空间,实现显微镜的大范围移动。
图1 机架的整体结构
机架共有6个转动关节,类似于关节机器人的“腰”、“肩”、“肘”和“腕部”。但与机器人不同的是,机架所有转动关节都采用失电式电磁锁,失电锁紧,得电松开,通过末端手动引导的方式来调整位姿。
2 平衡机构设计与计算
2.1 平衡调节方案设计
平衡机构是实现重力平衡的关键部分,能够使显微镜在接近失重的状态下移动。双轴调节的平衡机构由支撑框架和配重组成,如图2所示。首先,从整体上来看,支撑框架由2组平行四边形构成,采用这种结构形式可以提高平衡机构整体的稳定性,增加其强度和刚度。其次,配重用于维持整体质心C与支点O的重合,实现整体的平衡,使显微镜移动省力。当显微镜根据手术需要增减一些附件(包括助手镜、CCD摄像系统等)后,整体质心会沿水平和垂直方向发生偏移,所以需要左右移动的配重G1和上下移动的配重G2来共同调节,使质心回到支点,保持重合。
双轴调节可以保证整体质心与支点是重合的,能够实现完美的平衡,但利用电机控制2个配重在不同的轴线上运动,必然会增加结构的复杂性。为了使平衡机构简单紧凑,考虑在图2基础上进行改进。
图2 双轴调节的平衡机构
由图2可知,显微镜与支点之间的水平距离比垂直距离大很多。所以,当显微镜增减附件后,引起整体质心的偏移是以水平方向为主,垂直方向只有少量的偏移。因此,去除垂直方向的配重G2,只保留G1,采用图3所示的单轴调节的平衡机构。该方案的结构更为简单,控制也很方便。但是,由于缺少了竖直方向的配重,无法消除整体质心与支点之间沿竖直方向的少量偏移,只能消除沿水平方向的偏移。因此,整体质心(图3中C点)与支点无法重合,而是在同一竖线上,只能达到近似平衡。当平衡机构发生转动时,会产生不平衡力矩[7],需要对这一力矩进行校核。
图3 单轴调节的平衡机构
2.2 平衡调节参数计算
该机架采用了单轴调节的平衡机构,仅依靠水平移动的配重进行平衡调节,需要进一步计算出配重的质量以及它的调节距离。
如图4所示,以支点O为原点建立平衡机构的坐标系。由于单轴调节实现的是近似平衡,只能调节整体质心与支点沿水平方向的偏移为零,即整体质心的横坐标为零。根据质心坐标公式得到近似平衡的条件为:
(1)
又因为∑mi≠0,所以式(1)简化为:
∑mixi=0
(2)
Xc为整体质心的横坐标;xi为第i部分质心的横坐标;mi为第i部分的质量。
图4 单轴调节计算
将图4整体看成3部分组成,分别是显微镜及其附件、支撑框架和配重。其中,显微镜及其附件的质量是可变的,在8~12 kg之间,增量Δm不超过4 kg。在2种极限情况Δm=0 kg,Δm=4 kg时,也能达到近似平衡,所以利用近似平衡条件式(2)对2种情况进行计算,求出配重质量以及它的调节范围。
如图5所示,根据平衡机构的三维模型,通过SolidWorks质量属性分别获取Δm=0 kg,Δm=4 kg时3部分的质量和质心坐标,如表1和表2所示。
图5 平衡机构三维模型
表2 各部分质心坐标
根据表1和表2,由式(2)可得:
m1x1+m2x2+m3x3=0
(3)
当Δm=0 kg时,显微镜及其附件的质量最小,配重质心C在最右端a处;由于配重臂长度及其结构的限制,经设计取l1=450 mm,然后将表1和表2中的第1行数据代入式(3),计算得到配重质量m3=47.3 kg。
当Δm=4 kg时,显微镜及其附件的质量最大,配重质心C在最左端b处。将表1和表2的第2行数据代入计算得到l2=535.7 mm。a点与b点之间的长度,也就是调节距离。调节距离S=l2-l1=85.7 mm。
通过上面的计算,粗略地得到了平衡调节的相关参数,即配重的质量m3=47.3 kg,调节距离S=85.7 mm,能够满足使用要求。
2.3 不平衡力矩校核
单轴调节的平衡机构可以实现近似平衡,但是整体质心与支点沿Y方向还存在少量偏移。所以,一旦平衡机构发生转动,整个系统的重力就会产生额外的力矩。为了使显微镜移动省力,锁紧可靠,就需要对该不平衡力矩进行校核。
首先,计算2种极限情况Δm=0 kg,Δm=4 kg时整体质心的纵坐标Yc1,Yc2,就得到了整体质心的2个极限位置。根据质心公式:
(4)
Yc为整体质心的纵坐标;yi为第i部分质心的纵坐标。
代入表1和表2的数据计算得:
T=(m1+m2+m3)g×r×sinθ
(5)
计算得到最大不平衡力矩Tm=5.8 N·m。而电磁锁提供的锁紧力矩一般为40~50 N·m,可以有效锁紧,而且,当不平衡力矩作为移动阻力时,并不是很大,可以轻松地移动显微镜,满足使用要求。
图6 不平衡状态简图
3 平衡机构分析与优化
3.1 平衡机构的有限元分析
有限元分析包括静力分析、模态分析和疲劳分析等。其中,静力分析是基础,用于获得结构在静载荷作用下的响应,不用考虑惯性和阻尼的影响,只为求得结构的位移、应力、应变和约束反力等未知量。
3.1.1 几何模型的简化
当主支撑臂与竖直方向的夹角达到最大,为50°时,且其他两臂保持水平,此时平衡机构所承受的弯矩最大,所以对该位姿进行分析。由于平衡机构相对复杂,零部件数量较多,为了能够得到简洁有效的有限元模型,提高有限元分析的可行性和效率[8],需要对其进行必要的简化。简化方法如下:
a.移除模型中对结构性能影响较小的特征,如倒角、圆角和螺纹孔等。
b.去除臂内质量较小的零件,包括轴承、圆螺母和螺钉等,但为了保证分析精度,较大的零件如带轮、电磁铁等,则不能忽略它们的质量,将它们简化成质点,用质量单元来模拟。
c.去除配重、头部机架和显微镜,将它们简化成外力进行施加。
简化后的平衡机构如图7所示。
图7 平衡机构简化后的模型
3.1.2 有限元模型的建立
将简化后的几何模型导入ABAQUS中,添加各个零部件的材料属性。平衡机构具体的材料属性如表3所示。
表3 零件材料属性
网格平均尺寸为8 mm,单元数为127 718,节点数为217 135。网格划分结束后,继续完成以下几个步骤:
a.添加各零部件之间的连接关系,如接触、绑定等。
b.添加边界条件,由于实体单元不考虑转动自由度,所以只需约束支点处孔内壁的U1,U2,U33个方向的平动自由度。
c.添加整个平衡机构的重力,重力加速度为-9.8 m/s2。
d.将配重、头部机架和显微镜的重量等效为均布力进行施加。
3.1.3 求解及结果分析
利用ABAQUS进行求解,得到位移和应力云图分别如图8和图9所示。
图8 位移云图
由图8可知,最大位移发生在前支架处,最大值为4.475 mm。由于前支架处于结构的末端,因此最大位移量是由各部分叠加而得的,在允许范围内,刚度满足要求。
图9 应力云图
由图9可知,应力较大区域主要分布在主支撑臂上部及悬臂根部附近,符合实际情况。最大应力值为29.05 MPa,位于悬臂根部,远低于2A12铝合金的屈服强度345 MPa,因此强度也符合要求。
3.2 平衡机构的优化
由上面的分析可知,平衡机构的强度和刚度都满足要求,最大应力远小于材料的屈服强度。因此,可以对结构进行优化来减轻质量。由于配重臂及主支撑臂内部结构复杂,优化难度较大,所以针对图10所示的悬臂和拉杆做2点改进:
a. 悬臂的厚度由6 mm改为4 mm。
b. 拉杆由实心杆改用无缝钢管。上拉杆直径为18 mm,厚度为3 mm;下拉杆直径为25 mm,厚度为4 mm。
对改进后的平衡机构再进行有限元分析,求解结果如图11和图12所示。改进前后参数对比如表4所示。
图10 平衡机构改进处
图11 改进后的位移云图
图12 改进后的应力云图
名称改进前改进后最大变形/mm4.4754.714最大应力/MPa29.0535.37总质量/kg46.5039.62
由表4可知,改进后平衡机构的最大变形和最大应力都有所增加,但仍符合设计要求,满足刚度、强度,以及机架整体精度要求。改进后平衡机构的质量为39.62 kg,比优化前减轻了14.8%,实现了轻量化。
4 结束语
针对一种新型重力平衡式手术显微镜机架,对其平衡机构进行设计和分析优化,得到以下几个结论:
a.采用单轴调节的平衡机构,简单紧凑,同时具备良好的平衡性能,计算得到的最大不平衡力矩,小于电磁锁的锁紧力矩Tm=5.8 N·m,可以有效锁紧。此外,克服不平衡力矩对显微镜进行移动也比较轻松。
b.利用ABAQUS对平衡机构进行有限元分析,得知在危险位置时结构的应力及变形都在允许范围内,满足强度刚度要求,验证了平衡机构采用双平行四边形框架的合理性。
c.在保证强度刚度满足要求的前提下,对平衡机构进行优化改进。改进后,质量相比之前减轻了14.8%,实现了轻量化。