一种四自由度微创手术器械结构设计

张明松，付少将

（1.三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002）

微创手术[1]技术因其创伤小、恢复快、费用低等显著优势，成为21 世纪医疗技术发展的重要方向之一。微创手术器械是微创手术机器人系统的末端执行装置，也是手术中唯一跟病人病变组织直接接触的手术部件，它的优良程度直接影响整个微创手术的成功与否。由于病人的心跳和呼吸是无法克服的生理因素，伤口在手术过程中并不严格固定，因此可能会降低手术机器人的操作精度。为了使微创手术更加精准有效，笔者设计了一种四自由度微创手术器械。

1 微创手术器械整体结构设计

图1 微创手术器械

设计的微创手术器械一共有4 个自由度，即肘关节的自转、腕关节的偏转、指关节的俯仰以及手指间的开合，由末端执行器、传动杆和驱动系统三部分组成[2]，如图1 所示。末端执行器位于最前端，由传动杆连接后面的驱动系统。

1.1 末端执行器设计

末端执行器是手术器械的关键部位，能够影响微创手术器械从操作手的整体性能。传统手术器械的驱动方式为连杆驱动，没有腕部的偏转运动和指关节的俯仰运动，手术动作的灵活度较低。本末端执行器如图2 所示，整个部分可以绕传动杆的中心轴转动，腕关节可以绕轴A 转动，手指关节可以绕轴B 完成转动和开合运动。

图2 末端执行器

1.2 丝传动结构设计

为了满足器械尺寸小、质量轻并且传动距离长的装置要求，本手术器械传动方式采用丝传动。末端执行器各关节上的钢丝绳穿过中间传动杆的内部连接于驱动系统中，驱动腕关节的俯仰运动、指关节的俯仰和手指的开合运动。钢丝绳的传动原理如图3 所示。

图3 手术器械传动原理图

图3 中，C1～C6 是6 根钢丝绳，D1～D8 是8 组钢丝绳导轮，其中D6 和电机1 连接，D7 和电机2 连接，D8 和电机3 连接。一旦电机1 处于工作状态，C1 和C2 将依次绕过D6、D5 带动指关节的下爪转动；而电机3 工作时C5 和C6 将依次绕过D8、D4 带动指关节的上爪转动，这样就能实现指关节的俯仰和开合运动。电机2 工作时，C3 和C4将依次绕过D7、D3 转动，形成一个闭合回路，腕关节的俯仰运动也就实现了[3]。

传动杆转动钢丝绳传动示意图如图4 所示。钢丝绳C9 和C10 一端缠绕在传动杆，另一端缠绕在导向轮的丝孔。当导向轮绕C 轴转动时，传动杆在钢丝绳的带动下将会绕着D 轴完成自转运动，这样就可实现4 个自由度的设计目的。

图4 传动杆转动钢丝绳传动示意图

1.3 驱动系统设计

微创手术器械驱动系统如图5 所示，所采用的传动方式为“钢丝绳-导向轮”。电机处于工作状态时，带动导向轮转动，利用钢丝绳的长距离传动驱动各个器械关节运动。

图5 微创手术器械驱动系统

2 手术器械对组织的夹持力分析

手术器械的夹持力是1.0N，安全系数取3.0，可以得到手术器械的负载极值是3.0N。微创手术器械使用的驱动系统是电机驱动。与传统手术器械相比较，从电机到手术器械末端执行器的距离较远，因此在动力传动的过程中动力损失更多，因此必须在负载极值的基础上再取一个安全系数2.0，这样可以得到最终的夹持力极值fmax=6.0N。

2.1 钢丝绳选型

考虑到微创手术器械在实际工作中的夹持力要求，一般对病人器官组织的夹持力不得超过1N，可以得出手指的夹持力极值为6.0N。手术器械的手指驱动轮的钢丝绳槽的半径和钢丝绳的半径均为0.25mm，因此可以得出有效半径，即主动力矩为R1=0.5mm。手术器械手指的负载力矩L1=12.2mm。手术器械的手指夹持力极值F1=6.0N。以上可得手指的传动绳拉力极值F2为：

控制手指运动的驱动电机需要提供的转矩为：

其中，D2为指关节驱动轮的有效直径。

钢丝绳属于易损部件，因此钢丝绳的质量和效率必须得到有效的保证。每根钢丝绳都不是单独的一根线，而是由许多股线合制而成的。股和线都有各自共同的旋向，提高了绳的抗拉强度和耐磨损能力。钢丝绳的基本结构常用M×N 来表示（其中N 表示线数），比如常见的1×7、1×19等，由于M×N 的值越大钢丝绳柔性越大，但抗拉强度会有所降低[4]，所以采用的钢丝绳为1×7 结构，直径为0.5mm。

钢丝绳最小破断力的计算公式为：

其中，钢丝绳的最小破断拉力用F2表示，单位是N；钢丝绳的最小破断拉力系数用K 表示；D 代表钢丝绳的绳径，单位为mm；R0代表钢丝绳的公称抗拉强度，单位为MPa；M 为钢丝绳安全系数。

本文所选钢丝绳最大拉力为146.4N，依据工作载荷和安全系数确定钢丝绳的最小破断拉力，取安全系数M 为3.0，最小破断拉力系数K 为0.82，求得钢丝绳的公称抗拉强为:

因此，本文所选材料所受的公称抗拉强度小于其固有抗拉强度的最小值2 420MPa，满足设计要求。

2.2 电机选型

选择RE 系列的直流伺服电机，因为其在恶劣的环境下仍能保证极高的有效性和精确性，并且它的体积性能比很好，适用于手术机器人。对于末端执行器的丝传动方案的设计，长距离传动将会导致电机转矩的损失较大，相应的负载就会较大。而传动杆的传动方式距离较短，所以电机转矩损失较小，负载也就偏小[5]。由式（2）可知，手指运动的时候驱动电机需要提供的转矩为：T2=732.0N·mm

因此，驱动手指的电机所需输出转矩为：

其中，K 代表安全系数，ηM代表电机效率，ηC代表钢丝绳效率，ηP代表导向轮效率。

将手指的转动速度设为ω=π/2（rad/s），可得到手指转动时的电机所需功率：

减速比为：

其中，T0代表初选电机的额定转矩。

根据Maxon motor 2011/12 的产品目录选取电机Maxon DC motor RE13，直径为13mm，失模电刷，功率为3W。选择的电机型号为118610，它的额定电压是24V，额定转速是10 600rpm，额定转矩是2.42N·mm。减速器选择Maxon 行星轮减速箱GP16M，直径是16mm，选择型号312920，减速比是690∶1。

验证：

因此，本文所选电机型号符合要求。因为n=576.3<690，所以选择的行星轮减速箱的型号符合要求。

由于本文设计的手术器械的各个关节处的电机选择同种型号，所以统一选择型号为118610 的电机Maxon DC motor RE13。选择型号为312920 的Maxon 行星齿轮箱GP16M[2]。

3 结束语

本文设计了一种四自由度微创手术器械，区别于传统的传动方式本设计选用了丝传动方式，有效地提高了灵活度和精准度。目前，微创手术机器人的研究还处于初级阶段，仍需研究人员不断努力，相信未来随着科技水平的不断发展，医疗机器人必将造福全人类。