18、手术机器人柔性主干构建与工具集成技术解析

手术机器人柔性主干构建与工具集成技术解析

1. 柔性主干构建

在构建手术机器人的柔性主干时，提出了三种不同的肌腱固定方式，其中重点关注的是内穿肌腱的压缩弹簧方式。在这种设计中，导向系统置于弹簧杆内圆周，肌腱被约束在弹簧护套内，避免损伤周围组织。然而，制造直径小于 3 毫米的导向装置颇具挑战，为此定制了工具和钻头套装，能钻出直径达 0.3 毫米的孔，还使用 1 平方毫米的铝板制作导向装置。

在实现柔性驱动方面，由于单个通道仅有 2 - 3 毫米的严格几何限制，这一过程极具挑战性。首先广泛考虑现有的驱动原理，采用以设计为中心的方法，聚焦于肌腱驱动机制，并设想如何将其应用于 3 毫米的弹簧主干。基于肌腱驱动原理，提出了一种驱动方法，可将工具小型化至针孔大小（1 毫米）。通过此方法，对三种不同的肌腱固定方式进行了原型制作，并根据评估矩阵进行评估，最终开发出数学模型，以实现对新机器人的精确控制。

2. 肌腱导向锚定方法

在采用肌腱驱动机制实现压缩弹簧的驱动和操作时，需要解决四个主要问题：
- 确保肌腱施加在压缩弹簧上的力为纯垂直力，避免水平力导致的不可预测弯曲。
- 固定肌腱至与垂直力方向一致的位置，防止肌腱相互缠绕，以免影响控制系统的可重复性和再现性，并引发安全问题。
- 锚定装置需适配 3 毫米直径的弹簧，同时为手术器械的驱动系统留出足够空间。
- 保证锚定装置不影响设备的灵活性和功能性。

为解决这些问题，探索了以下几种肌腱导向方法：
|方法|优点|缺点|
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|绑扎技术（如方绑扎）|可实现肌腱的锚定|3 毫米直径弹簧无法容纳三个此