基于厚板折纸理论的微创手术钳

doi:10.3901/JME.2018.17.036

机械工程学报 ›› 2018, Vol. 54 ›› Issue (17): 36-45.doi: 10.3901/JME.2018.17.036

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基于厚板折纸理论的微创手术钳

杨名远^1,2, 马家耀^1,2, 李建民^1,2, 陈焱^1,2, 王树新^1,2

1. 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津 300072;
2. 天津大学机械工程学院天津 300072

收稿日期:2018-01-19 修回日期:2018-05-08 出版日期:2018-09-05 发布日期:2018-09-05
通讯作者: 陈焱(通信作者),女,1974年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为可展结构、机构学和可重构机构等。E-mail:yan_chen@tju.edu.cn
作者简介:杨名远,男,1995年出生。主要研究方向为可展结构、机械智能等。E-mail:jack_yang@tju.edu.cn;马家耀,男,1986年出生,博士,副教授,博士研究生导师。主要研究方向为折纸结构,微创手术医疗器械等。E-mail:jiayao.ma@tju.edu.cn;李建民,男,1984年出生,博士,副教授,博士研究生导师。主要研究方向为机器人学、计算机辅助手术技术等。E-mail:mjli@tju.edu.cn;王树新,男,1966年出生,博士,教授.主要研究方向为机械系统动力学、水下机器人与医疗手术机器人等。E-mail:shuxinw@tju.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目（51290293，51575377，51422506）。

Thick-panel Origami Inspired Forceps for Minimally Invasive Surgery

YANG Mingyuan^1,2, MA Jiayao^1,2, LI Jianmin^1,2, CHEN Yan^1,2, WANG Shuxin^1,2

1. Key Laboratory of Mechanism Theory and Equipment Design of the Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072;
2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300372

Received:2018-01-19 Revised:2018-05-08 Online:2018-09-05 Published:2018-09-05

摘要/Abstract

摘要： 微创手术操作器械，作为微创手术机器人的重要组成部分，其性能的优劣直接影响手术的质量。目前的微创手术器械大多是针对手术过程中的夹取、缝合等基本操作设计的，但由于它们通常是通过简单地将传统外科手术工具小型化获得的，造成现有微创器械普遍存在着机械效益低、磨损严重、运动不协调等问题。为了提高手术操作的高效性和稳定性，基于厚板折纸理论设计了一种专门用于微创手术的新型手术钳，分析与试验表明其可提供多于传统微创手术钳1.5倍的夹持力，并具有更大的张角和更好的运动协调性，同时增加了手术操作的灵活性。动物试验表明其夹持组织更加稳定可靠。

关键词: 刚性折纸, 厚板折纸, 机械效益, 手术夹持工具, 微创手术

Abstract: Minimally invasive surgical instruments, as an essential component of surgical robots, play a critical role in the minimally invasive surgery (MIS). Currently most instruments for MIS are designed to realize basic operations such as clipping and stitching. They are often developed by miniaturization of traditional surgical tools, and therefore have the problems of low mechanical efficiency, severe wearing, and poor movement coordination. In order to improve the efficiency and stability of MIS, new surgical tweezers are designed based on origami of thick panel. Analytical and experimental studies show that the new design can offer 1.5 times more clamping force than its conventional counterpart. Furthermore, it has a larger opening angle and better movement coordination, thereby providing better flexibility of operation. Animal trials are also conducted, which confirms that the new device can clamp tissues in a more stable and reliable manner.

Key words: mechanical efficiency, minimally invasive surgery, rigid origami, surgical clamping tools, thick-panel origami

中图分类号:

TH112

杨名远, 马家耀, 李建民, 陈焱, 王树新. 基于厚板折纸理论的微创手术钳[J]. 机械工程学报, 2018, 54(17): 36-45.

YANG Mingyuan, MA Jiayao, LI Jianmin, CHEN Yan, WANG Shuxin. Thick-panel Origami Inspired Forceps for Minimally Invasive Surgery[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(17): 36-45.

参考文献

[1] 王国彪,彭芳瑜,王树新,等. 微创手术机器人研究进展[J]. 中国科学基金,2009,23(4):209. WANG Guobiao,PENG Fangyu,WANG Shuxin,et al. A perspective on medical robotics for minimally invasive surgery[J]. Science Foundation in China,2009,23(4):209.
[2] SATAVA R M. Surgical robotics:The early chronicles:A personal historical perspective[J]. Surgical Laparoscopy Endoscopy & Percutaneous Techniques,2002,12(1):6-16.
[3] BUTNER S E,GHODOUSSI M. A real-time system for tele-surgery[C]//Distributed Computing Systems,2001. 21st International Conference on. IEEE,2001:236-243.
[4] 王树新,贠今天,李群智,等. 显微外科手术机器人-"妙手"系统的研究[J]. 机器人,2006,28(2):130-135. WANG Shuxin,YUN Jintian,LI Qunzhi,et al. A robotic system for microsurgery:The "MicroHand" system[J]. Robot,2006,28(2):130-135.
[5] 付宜利,冯美,潘博,等. 基于钢丝传动的腹腔微创手术机器人手术器械的设计和实现[J]. 高技术通讯,2011,21(10):1062-1067. FU Yinli,FENG Mei,PAN Bo,et al. Design and implementation of a surgical instrument for minimally invasive celiac surgical robots based on steel wire transmission[J]. Chinese High Technology Letters,2011,21(10):1062-1067.
[6] 徐明. 被忽略的古老艺术——折纸艺术[J]. 艺术科技,2014(6):377-378. XU Ming. Origami-A neglected ancient art[J]. Art Science and Technology,2014(6):377-378.
[7] CHEN Yan,PENG Rui,YOU Zhong. Origami of thick panels[J]. Science,2015,349(6246):396-400.
[8] EDMONDSON B J,BOWEN L A,GRAMES C L,et al. Oriceps:Origami-inspired forceps[C]//ASME 2013 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems,September 16-18,2013,Utah,USA. ASME,2013:SMASIS2013-3299.
[9] BENNETT G T. A new mechanism[J]. Engineering,1903,76(12):777-778.
[10] BENNETT G T. The skew isogram mechanism[J]. Proceedings of the London Mathematical Society,1914,2(1):151-173.
[11] MYARD F E. Contribution à la géométrie des systèmes articulés[J]. Bulletin de la Société Mathématique de France,1931,59:183-210. MYARD F E. Contribution to the geometry of articulated systems[J]. Bulletin de la Société Mathématique de France,1931,59:183-210.
[12] BRICARD R. Leçons de Cinématique,T. Ⅱ[M]. Paris:Gauthier-Villars,1927. BRICARD R. Cinematic Lessons,T. Ⅱ[M]. Paris:Gauthier-Villars,1927.
[13] BAKER J E. An analysis of the Bricard linkages[J]. Mechanism and Machine Theory,1980,15(4):267-286.
[14] 王国彪,赖一楠,何柏岩. 天津大学陈焱教授团队在厚板折展机构学理论方面取得重要研究进展[EB/OL].[2015-7-27]. http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab38/info48757.htm. WANG Guobiao,LAI Yinan,HE Baiyan. Yan Chen from Tianjin University has achieved a major breakthrough in the theory of thick-panel origami[EB/OL].[2015-7-27]. http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab38/info48757.htm.
[15] BEGGS J S. Advanced mechanism[M]. Washington:Macmillan,1966.

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Thick-panel Origami Inspired Forceps for Minimally Invasive Surgery

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[1]	孙广开, 何彦霖, 于洋, 韩静, 赵冠棋, 周康鹏, 祝连庆. 连续体手术机器人光纤导航技术现状和展望[J]. 机械工程学报, 2023, 59(1): 1-18.
[2]	杨富富, 卢帅龙, 宋亚庆, 张俊, 姚立纲. 基于刚性折纸的新型可折展移动机器人折展原理分析及验证[J]. 机械工程学报, 2022, 58(23): 75-87.
[3]	尚祖峰, 马家耀, 王树新. 面向微创手术器械臂的可变刚度机理综述[J]. 机械工程学报, 2022, 58(21): 1-15.
[4]	冯美, 李妍, 赵继, 呼咏, 高奎鸿. 机器人辅助微创手术器械丝传动张力传递研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(11): 120-127.
[5]	张霄, 李明, 崔琦峰, 陈学松, 马家耀, 陈焱. 基于正六边形折纸的单自由度可展结构[J]. 机械工程学报, 2021, 57(11): 153-164.
[6]	叶伟, 谢镇涛, 李秦川. 一种可用于微创手术的并联机构运动学分析与性能优化[J]. 机械工程学报, 2020, 56(19): 103-112.
[7]	冯慧娟, 马家耀, 陈焱. 广义Waterbomb折纸管的刚性折叠运动特性[J]. 机械工程学报, 2020, 56(19): 143-159.
[8]	刘光, 张鹏飞, 陈华伟, 韩志武, 张德远. 载能电刀仿生防粘表面技术[J]. 机械工程学报, 2018, 54(17): 21-27.
[9]	陈煜宇, 刘磊, 李博, 魏超, 王树新, 李涤尘. 柔性驱动与刚度可调结构/功能一体化微创手术操作臂设计制造与性能研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(17): 53-61.
[10]	胡中伟, 林旺源, 徐西鹏. 三种典型生物软组织切割特性的试验研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(11): 186-192.
[11]	潘博;付宜利;王树国;杨宗鹏. 微创条件约束下内窥镜操作机器人运动学[J]. , 2009, 45(3): 162-168.