摘要：腔镜手术是一种新兴外科手术， 传统的腔镜手术器械在手术过程中会产生很多问题， 最主要的一个问题是腕部自由度的缺 失及运动不灵活， 这严重影响了医生在手术过程中的操作。为解决以上问题， 设计了一种基于万向节组件的两自由度腕部机构， 提出了一种四自由度手术器械。腕部机构将人手腕运动范围作为器械手腕运动范围的参考， 由钢丝驱动， 能够在±45°的范围里实 现俯仰和偏航。设计并搭建了腕部轨迹跟踪实验台， 基于轨迹跟踪实验台展开了手术器械腕部轨迹跟踪实验; 通过 NDI 三维视觉 跟踪系统测试了腕部机构运动的可行性，使俯仰及偏航 2 个自由度分别在±15°和±30°之间上下运动， 实验误差在可接受范围内，在 一定程度上验证了器械腕部的灵活性。

　　关键词：腔镜手术; 手术器械;腕部结构;轨迹跟踪

　　Design of Wrist Mechanism and Trajectory Tracking for Surgical Instruments
       Liu Xinyu1 ，Xie Yanhui2 ，Zhuo Yue1 ，Chen Chuanbao1 ，Wang Xiao1 ，Li Kun1

　　( 1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101. China;2. Jinan Second Machine Tool Group Co., Ltd., Jinan 250101. China)

　　Abstract: The lumpectomy is an emerging surgical procedure, and the traditional lumpectomy instruments produce many problems during the surgery, the main one being the lack of wrist freedom and inflexible movement, which seriously affects the operation of the surgeon during the surgery. To solve the above problems, a two-degree-of-freedom wrist mechanism is designed based on the universal joint components, and a four-degree-of-freedom surgical instrument is proposed. The wrist mechanism takes the human wrist motion range as the reference of the wrist motion range of the instrument, and is driven by a steel wire, which can achieve pitch and yaw in the range of ±45° . The wrist trajectory tracking experiment is designed and built, and the wrist trajectory tracking experiment of the surgical instrument is carried out based on the trajectory tracking experiment; the feasibility of the wrist mechanism motion is tested by NDI 3D visual tracking system, and the two degrees of freedom of pitch and yaw are moved up and down between ±15° and ±30° respectively, and the experimental error is within the acceptable range, which verified the flexibility of the wrist of the instrument to a certain extent.

　　Key words: endoscopic surgery; surgical instruments; wrist structure; trajectory tracking

　　引言

　　腔镜微创手术是一项较为新颖的外科手术， 该手术 仅需在患者表皮上切割很小的伤口， 将手术器械和内窥 镜等伸入人体内进行即可。与常规的开放式手术相比， 腔镜微创手术具有伤口小、减轻病人痛苦、术后恢复快 的优势， 可以大大提高治疗效率和安全性、减少诊疗成 本 [1-8]。但是腔镜微创手术在技术上还面临几个问题： 手 术器械腕部活动的缺失以及与机器人系统的不适配; 操 作不稳定等人为因素对手术质量影响严重。将机器人技 术应用到腔镜微创手术中， 能够缓解医生的疲劳， 消除 医生手部抖动， 增强器械的灵活性， 让远程手术从不可 能变成可能[9-13]。机器人技术的应用很好地克服了以上 大部分问题， 提高了手术质量， 但是在机器人微创手术 中，手术器械腕部活动的缺失依旧没有得到很好的解决。

　　如今， 国内外很多专家学者对手术器械的腕部进行 了优化改进， 已经取得了很大的进展。 Guthart 等[14]为 da Vinci 系统研发的 Endo Wrist 是应用广泛的手术器械， 它 采用钢丝传动， 能够实现像人手一样的横滚、俯仰、偏 航和开合动作， 但是 EndoWrist 的腕部存在运动耦合。 Ishii 和 Kobayashi[15]提出了一种新型腕部结构， 此结构由 右旋螺杆、万向节和左旋螺杆组成的 2 个连杆机构构成， 实现了全方位的弯曲运动， 称这种机构为双螺杆驱动 (DSD) 机构， 但是其刚度比较低。美国的 K.Grace[16]设 计了一种具有解耦运动传输的刚性连接关节腕， 但此结 构只有一个可铰接的自由度。马如奇等[17]研发出一种模 块化蛇形腹腔 MISR 手术器械， 此器械前端自由度包括 俯仰、偏航和夹钳的开合， 但是器械的腕部和夹钳的总 长为 70 mm， 由于太长导致这套器械在临床应用中受到很大的限制。

　　针对器械腕部机构自由度缺失和活动不灵活的问题， 本文提出了一种能够实现俯仰和偏航的腕部机构。此机构 由与俯仰轴和偏航轴相交的万向节组件构成，能够在±45° 的范围里实现俯仰和偏航，并针对腕部机构搭建了实验平 台，进行了腕部轨迹跟踪实验，验证了腕部机构的灵活性。

       1 手术器械腕部机构设计

       器械末端包括钳头和腕部， 其中夹钳要求具有 1 个 自由度， 腕部具有 2 个自由度， 并且为了器械插入患者 皮肤时不受限制， 该器械必须提供至少 2 个额外的体内 腕部自由度。

　　器械腕部的运动范围和灵活性对于微创手术来说至 关重要，这将意味着可以选择不同难度的手术任务。虽然 器械腕部的运动范围可以尽可能地扩大，但是也不能无限 扩大，需要根据器械腕部的关节来选择一个合理的运动范 围。器械腕部和夹钳在手术中替代的是人手腕和手指，因 此器械腕部的运动范围可以根据人手腕的运动范围来确定。

　　Luttgens 认为人手腕屈曲和伸展运动的平均范围为 60°, 如图 1 所示， 甚至能够达到 80°, 尺偏和桡偏的运 动范围则要小很多， 在 20°~30°[18-19]。当前臂靠近人体躯 干并处于水平的位置， 并且在提前设置人体最佳工作场 所与最佳操作区域的情况下， 人手腕的运动范围可以满 足高精度任务的要求。但是由于人手腕与器械手腕的运 动情况又不完全相同， 不能根据人手腕的最佳位置来定 位器械。人手腕的运动范围是不对称的， 而手术器械腕 部的工作空间需要一个对称的空间， 因此应该为手术器 械腕部提供一个对称的球形工作空间， 这也为其他器械 的操作提供了便利[20]。

　　具有独立末端执行器的横摇-俯仰-偏航(RPY) 腕 部 关 节 在 手 术 器 械 设 计 中 得 到 了 广 泛 应 用 。Intuitive Surgical 公司开发的 EndoWrist 器械是 RPY 配置的紧凑形式， 偏航轴和末端执行 器轴相互重合。本文提 出 了 另 一 种 缩 短 的 RPY 配 置 ， 如 图 2 所 示 ， 即 俯仰轴和偏航轴相交的 万向节组件， 并且根据 此 结 构 设 计 出 如 图 3 所 示的器械末端。

　　图 4 所示的腕部机构是一个单级离散球形手腕。手 腕的基本形式由 3 个结构组件和 2 个钢丝回路组成。为了 确保手腕的工作空间为球形对称的， 将手腕具有的 2 个 自由度的最大运动范围限制为±45°。配置万向节的一个 主要优点是末端执行器可以绕其接近轴旋转， 而不改变 器械工作轴的方向， 这大大减少了使用弯曲针头穿透组 织时机器人的必要运动。

　　万向节的工作空间是有限的， 最有可能超出该工作 空间的则是 θ2 和 θ3 ，但是近端和远端关节部分会在中间方 向上发生干涉。为了避免手腕锁定， θ2 和 θ3 的运动范围 都限制在±43°, 从而形成矩形工作空间 (θ2=θ3 =±40° ), 确保通过直线运动可以到达工作空间中的所有点。如图 5 所示， 3 个腕关节组件(近端、中心和远端) 通过卡扣 装配在一起， 并通过钢丝张力固定， 机械限位挡块也集 成在手腕中心， 以便物理上将运动范围限制在±43°, 并 保护张力分解机构的有效性以及免受机械损伤。

       如图 5 所示，所有手腕部件都包含用作驱动钢丝的导向滑轮的弯曲(圆形)表面。驱动钢丝和手腕远端段之间不存在相对运动，驱动钢丝在近端和中心部件弯曲的导轨上滑动。圆形导向表面确保整个工作空间内的瞬时滑轮直径保持不变。因此， 传动比也是恒 定的， 手腕运动与整个工作空间中的钢丝运动成正比， 使手腕运动的控制大为简化。

　　驱动钢丝由 2 个单独的钢丝回路组成， 如图 6 中的红 色和蓝色回路所示， 每个钢丝回路的中间都安装有一个 卷曲的不锈钢球形端子， 该端子连接到远端手腕组件。 在其近端， 钢丝回路与 2 个致动器交叉连接(图 6 中的 P1 和 P2)。图 6 中使用的是横向布局， 只需要 2 个固定的 旋转驱动装置即可完全驱动接头， 从而实现线性传动特性。仅驱动一个致动器就会导致器械末 端 与 关 节 主 轴 成 45°角倾斜运动。

　　2 传动和驱动单元设计

　　力感知手术器械的传动单元包括横滚、腕部(即俯仰和偏航)、夹持 4 个自由度的线轮、线轮轴、张紧轮和 导向轮， 以及前后 2 个支撑板，整体结构如图 7 所示。传 动单元是整套丝传动系统的绕线中心， 采用 304 不锈钢 及 6061 铝加工而成。器械横滚、腕部俯仰和偏航、夹持 4 个自由度的钢丝绕线方式如图 8 所示。横滚主动线轮是 器械横滚机构的动力输入部分， 固定在传动轴上与电机 相连， 当驱动电机驱动腕部线轮传动轴转动时， 在钢丝 绳的力和运动传递作用下， 一根钢丝绳向关节驱动机构 上收线， 另一根钢丝绳因反向运动实现从关节驱动机构 上向外放线， 从而保证钢丝绳传递不同方向运动的连续 性， 如图 8 (a)所示。力感知手术器械腕部采用十字轴 结构， 包括偏航、俯仰 2 个自由度， 采用 4 根钢丝形成 2 个钢丝环通过差速的控制方式实现 2 个自由度的驱动， 其绕线方式如图 8 (b)所示。腕部传动系统同样由主动 线轮轴、主动线轮、导线轮， 2 个钢丝环有 4 个钢丝端 头， 采用交叉方式固定到腕部的 2 个主动线轮上， 受到 传动单元的体积限制， 采用张紧轮和导向轮将钢丝引入 到器械轴中， 另外还通过线轮的高低差预防钢丝之间的 干涉; 手术器械夹钳自由度采用 2 种驱动方式， 由钢丝 控制夹钳的闭合， 由夹钳内部扭簧保持夹钳张开， 因此 夹钳钢丝呈对称分布， 保证夹钳的位置同步对称运动， 夹持自由度的绕线方式如图 8(c)所示。

　　驱动机构由 4 个伺服电机、驱动板以及外壳组成， 为整套手术器械提供动力。电机采用 Maxon 直流电机，配合行星减速器以及编码器实现精确控制。驱动机构具体配置形式如图 9 所示， 通过螺钉将电机连接到外壳上。驱动单元外壳分为两部分： 电机外壳部分以及驱动外壳部分， 两者之间采用螺 钉固定，方便后期拆装及维修。

　　3 实验台的搭建及轨迹跟踪实验

　　手术器械由器械末端、器械轴、传动机构和驱动机 构组成， 手术器械样机如图 10 所示。手术器械全长 742 mm， 器械轴外径为 10 mm， 与人体组织接触的部分结构 采用医用不锈钢材料， 同时为使器械具有较好的生物兼 容性以及减少对人体的伤害， 器械采用柔性钢丝绳。并 且器械还要在高温高压环境下消毒 20 min， 以保证卫生 和安全性。

　　3.1 实验台的搭建

　　为了进行器械腕部的轨迹跟踪实验， 针对器械设计 一套腕部轨迹跟踪测试平台， 如图 11 所示。测试平台主 要由 1 个底部平台和 3 个支撑架组成，支撑架主要用来支 撑器械轴、传动机构和驱动机构， 通过这 3 个部分的支 撑，将手术器械固定牢固并保持 4 个自由度的活动自由。

　　在器械轴上固定 4个标记点， 通过三维跟踪系统的 测量， 得到在测量系统坐标下 4个点位的世界坐标。如 图 11 所示， 通过 4个点位的世界坐标建立手术器械上的 参考坐标。在器械末端固定 1个球形标点， 通过坐标转 换得出此标点与手术器械参考坐标的相对位置， 从而测 量手术器械末端的动态运动轨迹。

　　3.2 腕部轨迹跟踪实验研究

　　为了测量手腕的跟踪精度， 需要通过手术器械腕部 的轨迹跟踪实验得出。本次实验采用 VXtrack 三维扫描 动态跟踪系统， 对末端运动进行动态跟踪。 VXtrack 三 维扫描动态跟踪系统如图 12(a) 所示， 是一种光学测 量系统， 它使用先进的光学测量技术来跟踪附着在特定 应用工具上的标记的 3D 位置和方向。系统测量范围如图 12(b)所示。

　　通过主动控制将手术器械腕部在 5 、 10 Hz 的频率 下， 对腕部俯仰及偏航 2 个自由度在 15°和 30°的空间内 的运动进行动态追踪。实验硬件系统组成如图 13 所示。

　　测量系统的上位机采用 VXelements 软件， 通过与硬 件系统的连接可以实时检测各个标记点的三维坐标， 并 导出数据。通过对数据的处理以及与理论数据的对照， 能够得到腕部 2 个自由度解耦后的运动误差。动态腕部 测试实验结果如图 14~15 所示。腕部运动轨迹通过 2 个 电机的实时位置经过运动方程的解算输入理论运动轨迹， 理论轨迹与实际轨迹之间的差值为运动误差。

　　根据结果可知， 对腕部俯仰自由度来说， 最大跟踪 误差在±5°范围内保持得比较一致; 对偏航自由度而言， 最大跟踪误差在 15°运动范围内仍然控制在±5°以内， 然 而在运动范围扩大到 30°时， 最大跟踪误差有所增大， 这些误差在所有运动频率下都是相似的。手术器械由于 使用了钢丝作为传动方式， 其运动精度受钢丝张紧力及迟滞性的影响， 实际轨迹与理论轨迹之间存在相应误差。 误差随着运动范围的增大或频率的升高而降低。

　　4 结束语

　　本文针对腔镜手术器械腕部运动存在的问题， 设计 了一种新型的腕部机构， 此结构包含 2 个自由度， 由钢 丝驱动， 运动范围参考人手腕， 由万向节组件构成， 可 以实现腕部在±45°的运动范围内俯仰和偏航。搭建了腕部 轨迹跟踪的试验台，进行了手术器械腕部轨迹跟踪实验， 通过 NDI 三维视觉跟踪系统标定了腕部的运动范围，使俯 仰及偏航 2 个自由度分别在±30°之间上下运动， 比对测得 的实际轨迹和理论轨迹可以得出，误差随着腕部运动范围 的增加而降低，此实验在一定程度上验证了器械腕部的灵 活性。在后续研究中， 可以对手术器械腕部结构不断进 行优化， 使得腔镜手术器械与手术机器人结合， 安装在 远心机构上进行体外实验，从而验证器械运动的可行性。

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