无耦合运动微创手术器械的设计与实验

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1、第４６卷第９期哈尔滨工业大学学报Ｖｏｌ?４６Ｎｏ?９２０１４年９月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＡＲＢＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＳｅｐ．２０１４无耦合运动微创手术器械的设计与实验１，２１１２潘博，付宜利，邱雪芹，徐殿国（１．哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，１５００８０哈尔滨；２．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，１５０００１哈尔滨）摘要：为增加微创手术器械操作的灵活性，提高主从操作性能，设计一种新型无耦合运动微创手术器械．在分析耦合运动产生的原理和现有消除耦合运动方法的基础上，提出一种在腕部传动轴中心打孔走线的微创手术器械设计方法，研制出具有４个自由度的无耦合手术

2、器械．该无耦合手术器械采用钢丝进行传动，可实现术中快速更换，并具有使用信息记录功能．求解手术器械及主手的运动学，研究手术器械主从式控制方法，并建立主从控制实验平台．实验结果表明：器械腕部单独运动时，器械腕部与两个手指之间位置相对不变，消除了耦合运动，具有较好的主从操作性能，有利于微创手术操作．关键词：微创手术；机器人；控制；器械；耦合运动中图分类号：ＴＰ２４１文献标志码：Ａ文章编号：０３６７－６２３４（２０１４）０９－００１９－０６Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗｉｔｈｏｕｔｃｏｕｐｌｅｄｍｏｔｉｏｎｓｆｏｒｍｉｎｉｍａｌｌｙｉｎｖａｓｉｖｅ

3、ｓｕｒｇｅｒｙ１，２１１２ＰＡＮＢｏ，ＦＵＹｉｌｉ，ＱＩＵＸｕｅｑｉｎ，ＸＵＤｉａｎｇｕｏ（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＳｙｓｔｅｍ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５００８０Ｈａｒｂｉｎ，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５０００１Ｈａｒｂｉｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｄｅｘｔｅｒｉｔｙｏｆｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｉｎｍｉｎｉｍａｌｌｙｉ

4、ｎｖａｓｉｖｅｓｕｒｇｅｒｙ（ＭＩＳ），ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍａｓｔｅｒ⁃ｓｌａｖｅｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｏｖｅｌｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗｉｔｈｏｕｔｃｏｕｐｌｅｄｍｏｔｉｏｎｓｕｓｅｄｉｎＭＩＳｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｕｐｌｅｄｍｏｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｕｐｌｅｄｍｏｔｉｏｎｓｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ，ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｓｔｅｅｌｗｉｒｅｃｒｏｓｓｅｓｔｈｅｃｅｎｔｒｅｏｆｗｒｉｓｔｓｈａｆｔ

5、ｉｎｔｈｅｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｕｓｅｄｉｎＭＩＳｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｈａｓｆｏｕｒＤＯＦｓａｎｄｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙｍｅａｎｓｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓｔｈａｔ，ｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃａｎｒｅａｌｉｚｅｑｕｉｃｋｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｕｓｅｆｕｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｃｏｒｄａｓｗｅｌｌ．Ａｆｔｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄｍａｓｔｅｒ，ｍａｓｔｅｒ⁃ｓｌａｖｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｕｒｇｉｃ

6、ａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｍａｓｔｅｒ⁃ｓｌａｖｅｃｏｎｔｒｏｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ′ｓｗｒｉｓｔｉｎｒｅｌａｔｉｏｎｔｏｔｗｏｆｉｎｇｅｒｓｒｅｍａｉｎｓｕｎｃｈａｎｇｅｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ＇ｓｗｒｉｓｔｍｏｖｉｎｇｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ，ｗｈｉｃｈｍｅａｎｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｌｉｍｉｎａｔｅｓｃｏｕｐ

7、ｌｅｄｍｏｔｉｏｎｓａｎｄｈａｓｇｏｏｄｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｍａｓｔｅｒ⁃ｓｌａｖｅｃｏｎｔｒｏｌ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｓｔｅｅｌｗｉｒｅｃｒｏｓｓｅｓｔｈｅｃｅｎｔｒｅｏｆｗｒｉｓｔｓｈａｆｔｉｎｔｈｅｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｓｕｒｇｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｕｓｅｄｉｎＭＩＳｃａｎｅｌｉｍｉｎａｔｅｃｏｕｐｌｅｄｍｏｔｉｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅ