4、用于机器人儿科神经内窥镜的双向槽口关节的设计与分析

用于机器人儿科神经内窥镜的双向槽口关节的设计与分析

1. 背景与问题提出

小儿脑积水是一种常见于婴儿的致命疾病，在发达国家每千例活产中有 0.7 例受影响，发展中国家的发病率更高。内镜下第三脑室造瘘术（ETV）是治疗该疾病的常用方法，医生会在第三脑室底部开一个小口，让脑脊液正常循环。由于到达目标区域的路径曲折，且手术工具需通过神经内窥镜狭窄的工作通道，因此需要一种灵活的机器人工具。

机器人内窥镜的关节设计通常有两种类型：一种是两个刚性部件之间的滚动或滑动关节；另一种是利用材料的物理柔韧性形成的弯曲挠性关节，即槽口关节。槽口关节通过从管状轴上蚀刻材料来构建，没有移动部件，适合小型化，适用于 ETV 手术中的神经内窥镜。常见的槽口关节有三种类型：
- 对称双向槽口关节：在 Y - Z 平面两侧对称去除材料，可在该平面两侧偏转，但由于弯曲部件沿 Y - Z 平面居中，致动力的力臂较低，关节较硬。
- 单向不对称槽口关节：弯曲部件移到一侧，可获得更高的力臂，但单向槽口关节无法抵抗特定方向的外力。
- 不对称双向槽口关节：在 Y - Z 平面两侧都有槽口，且不对称排列。与单向不对称槽口关节相比，在去除相同材料的情况下，其弯曲灵活性更高，且对外部力的刚度影响不大。

2. 技术方法

为了估计不对称双向槽口关节的弯曲刚度，建立了基于欧拉梁的弯曲模型，并使用有限元分析（FEA）进行指导。
- 有效梁长度 (L = 2d - OD)（从底部槽口左侧到顶部槽口右侧），肌腱到槽口的距离 (l = l_{arm}+(OD - d))。
- 梁的变形 (v) 由以下方程控制：
[EIv^{\prime\prime}=\fra