研究人员开发出用于微创手术的混合式电磁驱动执行器

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微创手术(MIS)是一种通过患者有限的小切口或自然口进入患者体内组织和器官的手术技术。这种技术需要具有高度灵活性和功能性的专门细长的外科器械。然而,目前可用的MIS仪器是刚性的,只能提供有限的自由度(DOFs),这妨碍了外科医生的努力,以准确地执行所需的手术。在这项研究中,研究人员开发了一种电磁和肌腱驱动的混合驱动器,作为MIS手术器械的一个组成部分,以提供最佳的角度。该设计采用一种新颖的电磁结构来锁定单个关节的位置,并采用一种肌腱驱动的结构来控制手术器械的关节。利用有限元方法对执行器的性能进行了预测,并进行了实验验证。随后,组装了样机,并进行了相应的运动学分析,以可视化所开发机构对MIS仪器功能工作空间的改进。该机构可为手术器械提供3个额外的自由度,并可为每个关节提供180度的角度。


相关论文以题为“A Hybrid Electromagnetic and Tendon-Driven Actuator for Minimally Invasive Surgery”于北京时间2020年09月21号发表在《Actuators》上。


研究人员开发出用于微创手术的混合式电磁驱动执行器


微创手术由于切口较小,与传统开放手术相比具有创伤小、伤口感染风险小、术后疼痛小、住院时间短、恢复正常等优点。因此,MIS近年来变得越来越受欢迎,并被公众所接受。然而,由于手术空间的限制和手术工具的灵活性的限制,导致了仪器三角测量的缺乏,这是所有MIS技术的固有问题,使得某些MIS任务非常困难和耗时。


为了解决这一问题,提高MIS仪器的灵巧性,研究人员已经开发了许多铰接式执行机构,如肌腱驱动执行机构。这些驱动器已广泛应用于各种外科系统,包括达芬奇外科机器人。与人类肌肉类似,这种由肌腱驱动的致动器需要一对导线来控制每个自由度(DOF)。为了实现一个多自由度的MIS仪器,多个柔性关节的驱动应该通过在柔性鞘中或绕滑轮的多个肌腱从外部单元传递,以避免导线摩擦和缠结。这种安排将明显占据MIS工具的内部和外部空间,并阻碍其进一步小型化。由于肌腱固有的摩擦问题以及系统的反作用力滞后引起的控制问题,使得肌腱的复杂路径也会导致较差的力传递能力。此外,为了保持肌腱驱动执行机构的角度,还需要较高的肌腱预张力和相应的过大拉力,从而导致手术系统体积庞大。


在这项研究中,研究人员提出了一种电磁和肌腱驱动的混合驱动器作为MIS手术器械的一个组成部分,以实现最佳的角度。该设计使用了一个肌腱驱动结构来驱动各个关节和一个电磁结构来锁定执行器的形状。所提出的驱动器的原型制造。然后对所开发的系统进行了正运动学分析,并对新执行机构的性能进行了数值和实验评估。


MIS电磁与肌腱混合驱动执行机构的设计


锁定机构长期以来一直是机器人位置控制的有效解决方案。优化的锁紧结构可以实现柔性关节的结构调整,使其具有尺寸紧凑、响应速度快、能耗低的特点。因此在这项研究中,新致动器由一个电磁结构作为测角的锁定机制和tendon-driven结构(如图1所示)。tendon-driven结构设计手动开动转动组件所需的测角和电磁结构提出了锁(持有)的地位。具体来说,位于手术器械手柄近端的两个滚动轮用于控制连接到器械远端执行器的两个肌腱。当其中一个轮子滚动时,它的相关腱被拉到护套通道上,导致旋转部件转动。


研究人员开发出用于微创手术的混合式电磁驱动执行器


图1. 电磁和腱驱动混合执行器的设计。


可根据MIS仪器的要求调整关节的对中位置。研究人员给出了一个例子,其中每个肌腱通过一个位于旋转部件铰链90度处的覆盖通道,这给MIS仪器在不同方向上额外的三个自由度运动。


执行机构的旋转部件设计为正齿轮结构,下棘爪齿轮部件连接永磁体,如图2所示。新型电磁结构利用永磁体与中央腔室软磁端之间建立的磁力,在执行器失活(不消耗电能)时保持电枢的位置。位于中心腔室两端的两个线圈用来产生一个短脉冲的排斥磁力,它驱动电枢在两端滑动。


研究人员开发出用于微创手术的混合式电磁驱动执行器


图2. 电磁结构的工作原理。(a)一个执行器的等距视图。(b)处于锁定位置的致动器的剖视图。(c)齿轮和棘爪元件脱开,而旋转接头通过腱驱动结构旋转。(d)达到所需的角度后,旋转接头再次锁定。


目前所研制样机的铰接是通过手动滚轮拉动相应的肌腱钢丝来控制,造成机械侧隙,控制精度不高。此外,每个关节的锁解状态是单独控制的,这种设计可能会增加手术的复杂性,不会受到外科医生的青睐。为了解决这些问题,可以在该仪器的近端手柄上集成一个轻便的电动机来驱动导线,从而控制仪器的运动。执行机构应该是紧凑的,可以适合目前的MIS工具的近端手柄,同时能够产生扭矩输出至少14 N.mm。理想的执行机构应该提供高功率密度,高扭矩在低速和精确的运动。将引入力传感器和位置跟踪系统,以进一步评估所研制的执行机构的精度和输出能力。按钮可以安排在外科医生的拇指附近,以控制单个嵌入式电磁驱动器的锁定和释放,以及肌腱的拉动。给出了该系统的相应框图,如图3所示。但是,本研究是初步研究,主要集中在新型驱动器的设计上,而上述系统将通过进一步的研究进行全面的开发和评估。


研究人员开发出用于微创手术的混合式电磁驱动执行器


图3. 用于进一步优化开发的执行器的建议系统的框图。


结论


在本研究中,研究人员介绍了一种新型的混合电磁和肌腱驱动执行器。该驱动器被设计成一个完整的部分,沿MIS仪器的杆,可以提供三个额外的角。研究人员制作了所开发的执行器的原型,并通过数值和实验方法对执行器的性能进行了评估。给出了开发系统的工作空间,并发现由于该设计的加入,MIS工具的灵活性得到了显著提高。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-0825/9/3/92/htm



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