內容來源于馮美教授博士論文《腹腔微創手術機器人系統關鍵技術研究》。僅自學習用，侵權聯刪。

一、腹腔鏡手術背景介紹

傳統的腹腔微創外科手術是借助腹腔鏡和手術器械來完成手術操作的。腹腔鏡和手術器械通過體表約5~10mm的手術切口進入患者腹腔，醫生在腹腔鏡提供的病灶區域的視覺顯示下，操作手術器械完成手術任務。

微創手術是靠手術器械和腹腔鏡探入體表切口進行手術任務的，由于體表切口的限制，為保證手術的安全性，要求手術器械和腹腔鏡繞體表切口做“定點”運動。手術器和腹腔鏡在體表切口處的運動自由度如圖所示，為防止手術器械和腹腔鏡對體表切口造成劃傷，要求手術器械和腹腔鏡在體表切口只允許做以下四個自由度運動：沿體表切口的探入運動自由度，繞體表切口的兩個轉動自由度，繞自身軸線旋轉的轉動自由度，而手術器械和腹腔鏡在體表切口處沿切口切線方向的直線運動自由度是必須被限制的。手術器械和腹腔鏡在體表切口處的這種類似“定點”運動稱為遠心運動，手術切口稱之為遠心點，將實現遠心運動的機構稱之為遠心機構。

手術機器人（從手）的結構設計重點是機械臂遠心機構和手術器械。

二、從手機器人基本結構組成

腹腔微創手術機器人系統的工作模式應為主從式操作模式，即醫生通過操作主操作手來控制從手機器人運動，從手機器人的功能是代替醫生把持特制的手術器械，并在醫生的控制下完成手術操作的基本動作。

根據從手機器人的功能，將從手機器人的設計分為兩部分，一部分是機器人車，另一部分是手術器械。機器人車由基座和數個機械臂構成。機械臂的功能相同，都是用來夾持器械完成手術操作，區別僅在于機械臂末端夾持的器類型不同。根據機械臂要實現的手術任務要求，機械臂應由定位關節和遠心機構兩部分構成。定位關節用來完成術前手術器械（腹腔鏡）到達切口點的定位，遠心機構用來夾持手術器械（腹腔鏡）并保證術中手術器械的運動是圍繞切口的遠心運動。

（圖中為達芬奇，非論文中的機器人）

三、從手機械臂設計

從手機器人機械臂的最終構型如圖所示（跟上圖中的達芬奇架構不太一樣）。機械臂是具有個冗余自由度的七自由度機械臂，由定位關節和遠心機構組成，關節1~關節4為定位關節，關節5~關節7組成遠心機構，其中關節1和關節7為直線移動關節，其余的幾個關節都是轉動關節。

各關節的功能分別是：關節1來設置機械臂在垂直方向上的位置，使機械臂末端所夾持的手術器械（腹腔鏡）在重直方向上的位置符合切口位置要求;關節2~關節4為三個平行的擺動關節，用來設置機械臂在水平方向的位置，使得機械臂末端所夾持的手術器械（腹腔鏡）在水平方向上的位置符合切口位置要求;

關節5~關節7組成遠心機構，用來夾持手術器械（腹腔鏡）并保證手術器械（腹鏡）繞手術切口做遠心運動，其中關節5用來實現手術器械（腹腔鏡）繞手術切口的偏擺遠心運動，關節6用來實現手術器械（腹腔鏡）繞手術切口的俯仰遠心運動，關節7用來實現手術器械（腹腔鏡）沿切口的探入運動。

為了防止手術過程中遠心機構與病人身體發生干涉，根據腹部氣腹形狀，將遠心機構設置成與水平面成30夾角的配置方式，這樣可以避免與患者腹部的干涉。

四、手術器械設計（帶腕部關節的設計）

手術器械安裝在機械臂遠心機構上，通過遠心機構提供的遠心運動和手術器械的自身運動自由度，實現對組織或臟器的夾持、牽引、剪切和縫合等手術操作。大部分的傳統手術器械都是以連桿驅動，只具有兩個運動自由度：操作桿的旋轉和小爪的張合，手術操作靈活度較低。

為提高手術器械手術操作的靈活度，本文采用基于絲傳動的帶有腕部裝置的這一手術器械構型（如圖所示）進行手術器械的結構設計。與傳統手術器械相比，帶有腕部裝置的手術器械增加了腕部的偏轉動作和小爪的獨立轉動自由度。這樣手術器械就具備了四個自由度，分別是手術器械繞自身軸線的轉動自由度、腕部機構的偏轉自由度、小爪繞公共軸反向運動的開合自由度和小爪繞公共軸的同向旋轉自由度。

綜上，手術器械的總體設計如下：

底座安裝在機械臂的遠心機構上，底座電機分別控制手術器的四個自由度運動，并且通過驅動盤將動力傳遞給傳動箱。手術器的每個自由度運動均由一根鋼絲繩驅動，為了實現鋼絲的無滑動傳動，在鋼絲繩的中間打上一個小結，并將小結埋入小爪的埋孔里。由結點分開的兩股鋼絲繩纏繞在小爪的滑槽里，并通過導輪導向和操作桿的導向孔固定于傳動箱里的消耦裝置上。這樣鋼絲運動和小爪運動為同步運動，實現了鋼絲的精確傳動。

五、腕關節與小爪關節解耦設計

基于絲傳動的帶有腕部裝置的手術器械這一構型提高了手術操作的靈活度，但這種構型的缺點是腕部運動和小爪運動之間存在一個耦合運動。

如圖所示，腕部的一端安裝在操作桿上，可以相對操作桿進行轉動，小爪安裝在腕部的另一端，并且相對腕部也可進行轉動;導輪A和導輪B安裝在腕部上，用于對驅動小爪運動的鋼絲進行導向，其中導輪A的轉動軸線與腕部運動軸線同軸。為了保證鋼絲的精確傳動，鋼絲工作在無滑動傳動狀態。當腕部由θ運動到θ'時，驅動小爪運動的鋼絲在導輪A上的包角發生改變，即纏繞在導輪A上的鋼絲繩長會發生改變。又因為鋼絲為無滑動傳動，則腕部的運動勢必會給小爪帶來一個耦合運動。

伴隨著腕部的運動，附加給小爪關節運動上的耦合運動是變化著的，這使得小爪的運動狀態變的不可控制，不利于醫生的手術操作。因此為了精確控制小爪的運動狀態，需要消除腕部帶給小爪的耦合運動。通過對小爪施加一個相對于耦合運動等值反向的補償運動可以消除耦合運動對小爪運動的影響，通常有兩類方法可以實現這一補償運動：一類是用軟件補償的方法，即通過控制算法來協調腕部電機和小爪電機的運動，以此來消除小爪的耦合運動;另一類是通過機械補償的方法，即通過一個補償機構，當腕部運動時將腕部的一部分驅動力傳遞給小爪，并使小爪朝著與耦合運動相反的方向運動，以此來消除小爪的耦合運動。

論文中用的是機械補償的方法（達芬奇也是）

消耦補償裝置設置在動力盒中。由于手術器械的耦合運動是單向性的，即腕部的運動會帶給小爪耦合運動，而小爪的運動卻對腕部的運動沒有影響。考慮到耦合運動的這種單向性特點，本文采用差動行星齒輪來設計消耦裝置。

補償裝置由腕部關節和兩個小爪關節組成的差動行星齒輪組構成，詳細結構如圖 2-21（b）（c）（d）所示。差動行星齒輪（如 圖2-21（c））由齒輪軸、太陽輪、三個行星輪和下線輪組成，下線輪為三個行星輪的行星架。

（注：根據機械設計基礎，文章提到的齒輪軸實際上應該叫“太陽輪”，太陽輪實際上叫“外齒圈”）

當腕部關節運動時，動力由底座電機傳給腕部關節驅動盤并驅動腕部齒輪軸運動，與此同時，通過惰輪的動力傳遞，腕部齒輪軸將一部分動力傳遞給小爪關節的太陽輪，小爪關節太陽輪的轉動帶動著三個行星齒輪一起運動，進而帶動小爪關節的線輪運動，末端組件小爪得到運動補償而消除耦合運動。小爪解耦補償運動的動力由腕部提供，解耦運動伴隨著腕部運動同時進行。

當小爪運動時，底座電機通過驅動盤驅動小爪齒輪軸運動，小爪齒輪軸的轉動會帶動三個行星齒輪轉動，進而帶動線輪運動，末端組件小爪運動。在小爪運動過程中，由于腕部關節電機處于使能狀態且具有大的傳動比，因此小爪太陽輪受到腕部齒輪軸阻力會靜止不動（注：實際測試達芬奇4的器械，腕部關節電機即使不使能，腕部關節的齒輪軸也是靜止不動的）。所以小爪的運動不會對腕部運動狀態產生影響，滿足耦合運動的單向性要求。

由以上分析可知，小爪的實際運動量為解耦運動和電機驅動運動的疊加。通過合理設置傳動裝置傳動比，可以實現在腕部運動的同時實現小爪的解耦運動。

具體傳動比計算過程請直接參閱原論文。

最終要達到的效果就是：

1、電機驅動腕部關節盤時，器械末端只有腕部關節轉動（小爪不動）

2、電機驅動小爪關節盤時，器械末端只有小爪關節轉動（腕部和另外一個小爪臂不動）

這樣電機的轉動跟末端執行機構的轉動就可以做到一一對應了。

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