張 禹，高金龍，劉慧芳

（沈陽工業(yè)大學 機械學院，遼寧 沈陽 110270）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，醫(yī)療外科領域也在不斷地進步。傳統(tǒng)的腹腔鏡手術已經(jīng)滿足不了人們對治療效果的要求，由此，微創(chuàng)外科手術應運而生［1］。近年來以Computer Motion公司的ZEUS和Intuitive Surgical公司的Da Vinci為代表的手術機器人均推動了世界微創(chuàng)手術的進步［2］。這兩款手術機器人都擁有3D視覺成像系統(tǒng)，但是還沒有力感知、力反饋功能。對于力反饋的研究國外起步的較晚，在國內(nèi)的研究也不成熟［3］。

本文在主從式手術機器人的研究基礎上，重點研究手術機器人從手的力覺感知、力反饋系統(tǒng)，使手術機器人擁有視覺、力覺雙感知系統(tǒng)，更加完善手術機器人的機能，使手術操作者更深一層地感知手術環(huán)境，從而完善外科手術的整個過程［4］。

1 微創(chuàng)外科手術機器人結構

1.1 主從手力感知與力反饋控制系統(tǒng)

微創(chuàng)外科手術機器人主要由主操作手、從操作手和控制系統(tǒng)組成。主操作手由手術醫(yī)生控制，通過主手控制系統(tǒng)將手術機器人的位姿信號傳遞給從操作手；從操作手進行手術的直接操作，通過數(shù)據(jù)采集卡采集力傳感裝置測得的夾持信號并傳至PC端進行運算生成控制信號，再把控制信號傳遞給控制主手運動的驅(qū)動器對主手的運動進行力反饋控制［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 從手夾持手機械結構

微創(chuàng)手術機器人主手的主要功能是把手術醫(yī)生的模擬操作轉化為數(shù)字信號并傳入控制中心，而從手機械手實現(xiàn)微創(chuàng)手術操作的執(zhí)行任務，所以從手機械手在整個系統(tǒng)中占據(jù)著很重要的地位。

手術機器人從手夾持手的總體結構包括4個部分：驅(qū)動裝置、傳動裝置、夾持機構和力感知裝置。由于微創(chuàng)手術是在病人腹腔中操作完成的，所以要求從手整體結構尺寸小且緊湊，而且對人體內(nèi)組織沒有損害，傳動方式采取鋼絲繩傳動。圖2為從手機械結構圖。

1.3 力感知方法研究

在微創(chuàng)手術過程中從手夾持手在人體的腹腔內(nèi)進行操作，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構，此機構應具有整體結構小、耐腐蝕性高等特點。

圖2 從手機械結構圖

2 力覺傳感器設計

2.1 傳感器的結構與布置

機構是用來進行運動、力或能量傳遞或轉換的機械裝置，傳統(tǒng)剛性機構是由運動副連接的剛性桿件組成的。而柔順機構也能傳遞或轉換運動、力或能量，但與剛性機構不同，柔順機構不僅由運動副傳遞運動，還至少從其柔性部件的變形中獲得一部分運動。傳感裝置的結構主要考慮到以下兩點：①能夠直接檢測到夾持手夾持時與目標體接觸力的信息；②不能影響手術操作的各個環(huán)節(jié)。為此將力傳感裝置做成柔順機構并集成在夾持手指的末端，在柔順機構上附著應變片以完成力信號的捕捉。圖3為力傳感裝置柔順機構。

此柔順機構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多以幾何中點為受力點，所以在薄片的中心粘貼應變片，圖3中的鏤空部分是走線用的。圖4為柔順機構手指裝配圖。

圖3 力傳感裝置柔順機構

圖4 柔順機構手指裝配圖

2.2 傳感器的材料選擇

考慮到微創(chuàng)手術過程中機械裝置在患者腹腔內(nèi)運動并且與病人的內(nèi)組織相接觸，這就要求材料的耐腐蝕性以及對人體組織的無害性，因此傳感器需要選擇耐腐蝕的材料，經(jīng)過比較，選擇傳感器彈性體的材料為醫(yī)用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，其力學性能參數(shù)見表1。

表1 醫(yī)用不銹鋼1Cr18Ni9Ti的力學性能參數(shù)

2.3 傳感器形變參數(shù)校核

之所以選擇柔順機構作為力傳感的載體是因為柔順機構的結構簡單并且可以通過應變片的粘貼來實現(xiàn)力信號的采集。將柔順機構視為一柔性簡支梁，L為梁的長度，F(xiàn)為作用在中點的集中力，圖5為中點受力的柔順機構。

圖5 中點受力的柔順機構

關于微創(chuàng)手術鉗在真實手術環(huán)境中所需的操作力，Dong-Soo Kwon進行了一系列的分析和研究，得出微創(chuàng)手術鉗對人體器官組織的夾持力不應大于1 N［6］，但是為了接下來實驗工作的顯著性取最大夾持力為10N，中點受力的簡支梁撓曲線方程為：

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

將相關參數(shù)代入式（2），計算出ymax＝0.27mm，小于柔性機構中間的間隙。

2.4 夾持手驅(qū)動方式及驅(qū)動設備的選擇

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

其中：Fe×Re為驅(qū)動夾持手電機的輸入轉矩；Fj為柔順機構受到夾持手夾持人體組織器官的力；Ro為Fj作用點到O點的距離；Mf1為兩個手指座的摩擦轉矩；Mf2為手指座與末端支架內(nèi)壁的摩擦轉矩。

將相關參數(shù)代入式（3），可求出所需最大輸入轉矩為406N·mm；由于夾持手的運動是在低速的狀態(tài)下進行，而有刷電機在低速時擁有良好的剛性，所以選取驅(qū)動電機為Maxon公司的RE50空心杯有刷電機。

3 柔性體瞬態(tài)動力學仿真分析

瞬態(tài)動力學分析可采用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)建的模型導入到ANSYS中，選擇單元類型，設置材料屬性，同時進行網(wǎng)格劃分。柔順機構的網(wǎng)格劃分如圖7所示。

設置初始條件時，將初始位移和初始速度均設為默認值0，選擇分析類型為Transient。設置載荷步結束時間為1.0，載荷子步數(shù)為5，將圖7中的底面進行X，Y，Z向的位移約束，同時對圖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置作為載荷步1寫入載荷文件。重復上述操作，分別施加0.000 29MPa、0.000 4MPa、0.000 53 MPa、0.000 7MPa為2～5步的載荷，并且寫入載荷文件，最后求解。圖8為柔順機構的位移云圖。

圖6 手指受力圖

圖7 柔順機構的網(wǎng)格劃分

圖8 柔順機構的位移云圖

拾取形變底表面中線上靠近幾何中心的3個節(jié)點繪制位移曲線，如圖9所示。其中，橫坐標為長度L。

結果表明，柔順機構在受到壓力時發(fā)生的形變值與理論值相互吻合，所設計的柔順機構合理，而且從圖8和圖9中可以看出：柔順機構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變片對數(shù)據(jù)的采集。

4 結論

本文在建立微創(chuàng)手術機器人從手夾持手模型的基礎上，針對末端夾持機構進行研究，設計了可集成在手指上的力覺傳感裝置。通過夾持力的計算，確定了電機的參數(shù)及驅(qū)動方式，最后通過有限元瞬態(tài)分析表明力覺傳感裝置的形變量與手指受力的線性度密切相關，并且確定了應變片粘貼的最佳位置。手指的夾持力作用于柔順機構并且使柔順機構的形變趨于線性，這為確定控制系統(tǒng)中力信號的處理及轉換奠定了基礎。

圖9 節(jié)點位移曲線

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

［2］王國彪，彭芳瑜，王樹新，等.微創(chuàng)手術機器人研究進展——“微創(chuàng)手術機器人及器械基礎理論與關鍵技術”雙清論壇綜述［J］.中國科學基金，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)手術機器人的主從控制技術研究［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.