一种手术机器人末端执行器设计

论文总字数：21382字

摘 要

本文对膝关节镜微创手术和半月板清除术的手术过程和手术部位进行了分析，设计了一种带刀具的手术机器人末端执行器。

该执行器安装在手术机械臂上，能够通过微创单通道进入病患膝关节处，自动控制微型操作臂的张开，同时该臂具有伸缩、回转以及执行切割主动作等运动自由度。

对满足微小尺寸要求和手术需要的扭矩转速要求的微型电机进行选型，分别控制各自由度的运动。根据所选择的微型电机尺寸和结构，进行执行器的结构设计。根据现在的膝关节关节镜微创手术所使用的技术及手术工具，选择合适的刀具或磨头，将其与设计的传动杆件连接。设计合适的锁紧机构，用于微型操作臂收放。

最后，将几个关键机构连接起来，设计合理的可拆装外壳，组成完整的执行器，并进行外观优化设计。

关键词：半月板，微创手术，微型电机，刨削刀具

Abstract

In this paper, a surgical robot end-effector with a cutter is designed for minimally invasive knee arthroscopy and meniscus removal.

The procedure and site of minimally invasive knee arthroscopic surgery and meniscus removal were analyzed.The actuator is mounted on the surgical arm and can enter the patient's knee joint through a minimally invasive single channel, automatically control the opening of the micro-manipulator arm, and the arm has the freedom of movement such as stretching, turning and performing active cutting.

The micro-motor which meets the requirement of small size and operation torque and rotation speed is selected and the motion of each degree of freedom is controlled respectively.According to the size and structure of the micro-motor selected, the structure of the actuator is designed.According to the techniques and surgical tools used in minimally invasive knee arthroscopy, a suitable cutter or grinding head is selected and connected with the designed transmission rod.Suitable locking mechanism is designed for the retraction and retraction of micro-manipulator.

Finally, several key mechanisms are connected to design a reasonable detachable shell to form a complete actuator and carry out appearance optimization design.

KEY WORDS: Meniscus, minimally invasive surgery, micro motor, planer cutter

目 录

第一章 绪论 3

1.1 引言 3

1.2 膝关节镜微创清理术和半月板修复术研究现状 3

1.3 手术机器人研究现状 5

1.4 关节镜手术及其使用工具前期调研 7

1.5 研究内容和设计方法 8

第二章 末端执行器总体结构设计 10

2.1 设计要求 10

2.2 执行器机构简图 10

2.3 刨削刀具的选择 10

2.4 整体结构设计 12

2.5 各自由度的运动副设计 12

2.5.1 刀具操作臂的伸缩运动 12

2.5.2 刀具臂的收放运动 13

2.5.3 执行器整体的回转运动 14

2.5.4 刀具旋转运动 15

第三章 各控制电机的受力分析和选型 16

3.1 控制刀具旋转的微型电机选择 16

3.2 带丝杠和螺母滑块的微型电机选择 17

3.3 控制刀具臂收放的电机选择 19

第四章 关键零部件的设计和计算校核 21

4.1 微型丝杠上的螺母滑块及导轨的设计 21

4.2 刀具电机的滑块底座设计 25

4.3 锁紧机构的设计 26

4.4 刀具臂回转轴的校核 26

4.5 执行器外壳的设计及其组装 28

结论 29

参考文献 30

致 谢 31

第一章 绪论

• 1. 引言

微创手术与传统手术相比而言,是损伤更小的一种手术,它借助各种视觉影像设备和先进灵活的手术器械,通过一个微小的切口，使得手术器械进入人体治疗或诊断,与传统手术相比,微创切口显著降低,从而减少各种并发症,大大改善了手术效果，提高患者在手术之后的舒适度，缩短病人恢复期，降低住院时间。因此，受到医生和患者的普遍欢迎，是外科发展的必然趋势，具有广阔的应用前景。

然而,微创手术迫切需要解决一些在图像引导上的问题。例如在操作中,医生在超声波、x光,CT或MRI图像引导手术器械进入病人的身体病变位置,由于手部运动亏的局限性和长时间准确的手术工具可以使医生感到非常疲劳。

机器人技术是解决上述问题的重要途径。与人类相比，机器人具有定位准确、状态稳定、规模大、工作范围广、不怕辐射和感染等优点。其次，锁定关节后，机器人可以作为手术器械的固定支架，为手术提供一个稳定可靠的平台。机器人手术助手已经展示了通过摄像机转向的自动化减轻医护人员负担的良好能力。同样的，机器人可以在专家在场或不在场的情况下，被编程来执行全部或部分手术。与传统工业机器人结构相比,针对性强的医疗手术机器人系统,一种结构只适用于手术操作,不同的结构,因此带来了运动学,动力学,不同的控制系统,然而,现在的许多工业机器人的直接使用,手术机器人系统的可靠性、安全性、可操作性不能满足操作的要求。

需要设计一种应用于骨科微创手术的末端执行器，该执行器安装在手术机械臂上，能够通过微创单通道进入病患膝关节处，自动控制微型操作臂的张开，同时该臂具有伸缩、回转以及执行切割主动作等运动自由度。医生可通过末端执行器上的关节镜控制其动作，完成残缺半月板的切割等操作。

• 1. 膝关节镜微创清理术和半月板修复术研究现状

作为关节镜微创手术之一，膝关节镜微创清理术是一种先进的微创手术，利用关节镜、动态平面系统等手术器械去除关节处的生物组织，恢复关节表面的光滑，消除引起疼痛和活动障碍的因素。它被认为是20世纪骨科领域的三大进步之一。采用直径5mm的杆式光学仪器(关节镜)对关节内部结构进行观察、诊断和治疗。同时，使用显微外科器械进行关节组织切除和修复。不破坏关节的解剖结构、不干扰关节血运，并有利于其功能的恢复。

进行关节组织切除的工具，便是关节镜清理术刨削刀具。对膝关节镜清理术刨削刀具的设计与制造要求，是由这一高端微创手术器械和人体的活性相互作用的性质决定的，因为膝关节微创刨刀的临床应用的主要功能是切削软组织或软骨,适当的选择刀具材料、结构设计和加工技术将直接影响组织的切割效率和病人的恢复效果,它还将影响其生物相容性,刀具切割组织的生物污染程度,并决定了刀具的耐变形性、耐腐蚀性和耐磨性。因此,刨削工具需要满足医生的需求和便携式使用,精确定位,少破坏健康的细胞和组织,小的应力变形和在操作过程中,没有刀具磨损的金属颗粒污染,手术后恢复快,术后并发症少,容易加工和生产,可重复刃磨使用和降低医疗费用等高要求。

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