【正文】 濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 介入手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人定位機(jī)械臂設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 學(xué) 生 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 二〇一 一 年 五 月 三十 日濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 20 世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在制造業(yè)領(lǐng)域得到初步的應(yīng)用，在信息產(chǎn)業(yè)的帶動下進(jìn)入 21 世紀(jì)以來在非制造業(yè)領(lǐng)域也得到了初步的應(yīng)用。 介入治療是是利用現(xiàn)代高科技手段進(jìn)行的一種微創(chuàng)性治療 就是在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的引導(dǎo)下 ,將特制的導(dǎo)管 ,導(dǎo)絲等精密器械 ,引入人體 ,對體內(nèi)病態(tài)進(jìn)行診斷和局部治療 [1]。 介入治療應(yīng)用數(shù)字技術(shù) ,擴(kuò)大了醫(yī)生的視野 ,借助導(dǎo)管 ,導(dǎo)絲延長了醫(yī)生的雙手 ,它的切口（穿刺點(diǎn)） ,僅有米粒大小 ,不用切開人體組織 ,就可治療許多過去無法治療 ,必須手術(shù)治療或內(nèi)科治療療效欠佳的疾病 ,如腫瘤 ,血管瘤 ,各種出血等 .介入治療具有不開刀 ,創(chuàng)傷小 ,恢復(fù)快 ,效果好的特點(diǎn) .是未來醫(yī)學(xué)的發(fā)展趨勢 [2]。 如今，將機(jī)器人技術(shù)更好的應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域已成為各行各業(yè)的研究重點(diǎn)。發(fā)展醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)是涉及到多學(xué)科新型交叉研究領(lǐng)域 ，機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用不僅將帶動傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展同時也將帶動新技術(shù)、新理論的發(fā)展 [3]。 醫(yī)療機(jī)械臂的研究目的及意義 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與成熟，醫(yī)療 機(jī)器人也得到了廣泛的應(yīng)用。其中主要應(yīng)用于各種外科手術(shù)中 ，利用機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人操縱手術(shù)刀及其他醫(yī)療器械對病人進(jìn)行手術(shù) [4]。 與一般外科手術(shù)相比，機(jī)器人技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)機(jī)器人可以克服在手術(shù)過程中的人為因素，包括疲勞、心理因素等。保證手術(shù)的順利實(shí)施。 (2)機(jī)器人的運(yùn)動過程可以實(shí)現(xiàn)電腦控制，可以通過特定的運(yùn)行軌跡實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性。 (3)機(jī)器人系統(tǒng)具有大量的內(nèi)部數(shù)據(jù)比普通醫(yī)生憑經(jīng)驗(yàn)手術(shù)而言具有更高的科學(xué)依據(jù)。 普通的微小創(chuàng)傷手術(shù)醫(yī)生的活動空間非常有限，使原本非常簡單的動作變得很難實(shí)現(xiàn)，對醫(yī)生的操作要求很高 [5]。并且 長時間在小范圍內(nèi)進(jìn)行手術(shù)很容易產(chǎn)生疲勞，影響手術(shù)的質(zhì)量。運(yùn)用醫(yī)療輔助機(jī)械臂技術(shù)可以很好的解決以上問題。并且機(jī)械臂可以達(dá)到很高的精度。因此醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展 [6]。 醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，醫(yī)療機(jī)器人能技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用及發(fā)展 。在歐美等一些發(fā)達(dá)國家機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用。并且將機(jī)器人輔助外科手濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 術(shù)和虛擬醫(yī)療技術(shù)仿真作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域 [7]。 在歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家， 80%的腹腔手術(shù)都是在內(nèi)窺鏡的輔助下完成的。上世紀(jì) 90 年代末，美國 Computer Motion 公司研發(fā)了具有強(qiáng)大可視功能的 ZEUS 機(jī)器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)手術(shù)的弊端，極大地提高了手術(shù)的精確度和安全性。其中 ZEUS 系統(tǒng)可以分為 Surgeunside 系統(tǒng)和 Patientside 系統(tǒng)。在 ZEUS系統(tǒng)的幫助下醫(yī)生可以避免 在輻射環(huán)境下工作，很舒適的對患者進(jìn)行治療 [8]。 ZEUS系統(tǒng)及手術(shù)圖片如圖 ，圖 所示： 圖 ZEUS 機(jī)器人系統(tǒng) 圖 ZEUS 系統(tǒng)手術(shù)現(xiàn)場 除此之外 ，還有美國 Intuitive Surgical 公司開發(fā)的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，上世紀(jì) 90年代末瑞典 Medical Robitics 公司研制的 Pintrace骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，德國 Crigos 機(jī)器人系統(tǒng)等 [9]。 另外，在國內(nèi)機(jī)器人輔助外科手術(shù)也得到了初步的應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所、清華大學(xué)和海軍總醫(yī)院合作在國內(nèi)首先開始了遠(yuǎn)程腦外科手術(shù)機(jī)器人的研究工作，并且研制出用于臨床的腦外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng) CRASBH CRASBHCRASBH3 和黎元 BH600， 如圖 所示。 圖 北航腦外科醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng) 與機(jī)器人在腹腔、骨外 科手術(shù)上的應(yīng)用相比，介入血管手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人研究工作起步稍晚，直到上世紀(jì)末血管手術(shù)機(jī)器人的研究工作才剛剛開始。 1999 年 日本Hironobu Takizawa 開始從事血管機(jī)器人的研究 [10]。到 2021 年以色列海法醫(yī)學(xué)院的Beyar 開發(fā)了第一個血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)如圖 所示： 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 圖 心血管介入手術(shù)機(jī)器人 通過 對以上機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的了解，現(xiàn)在的血管手術(shù)機(jī)器人只是局限在人體血管內(nèi)的推進(jìn)與旋轉(zhuǎn)，而沒有涉及到定位、把持此機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂 [11]。通過機(jī)械臂醫(yī)生可以通過計(jì)算機(jī)自動將機(jī)器人移動到 手術(shù)部位進(jìn)行治療，提高手術(shù)的可控性 [12]。 課題研究內(nèi)容 就現(xiàn)如今血管手術(shù)技術(shù)要求高、手術(shù)環(huán)境差等問題，將機(jī)器人系統(tǒng)引入到手術(shù)過程中，解決手術(shù)過程中技術(shù)難度高、環(huán)境差 、手術(shù)要求精度高等問題。 本課題主要的研究內(nèi)容為血管介入手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，其中主要內(nèi)容包括： (1) 針對普通醫(yī)療手術(shù)中存在的問題及技術(shù)要求，提出將機(jī)器人系統(tǒng)引入血管介入手術(shù)中的意義及作用； (2) 機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中包括：電機(jī)選型、機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)綜合、傳動方式選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核。 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 機(jī)械臂的構(gòu)型設(shè)計(jì) 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 在機(jī)器人血管介入手術(shù)系統(tǒng)中，機(jī)械臂的任務(wù)是按照規(guī)定的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)對末端 推進(jìn)機(jī)構(gòu)的把持、定位。通過對血管手術(shù)的分析及研究對機(jī)械臂的設(shè)計(jì)提出以下要求： (1) 對機(jī)器人的功能進(jìn)行分析，不需要繞道管推進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此確定定位機(jī)械臂的自由度為五自由度； (2) 設(shè)計(jì)機(jī)械臂末端承重至少 2kg； (3) 機(jī)械臂末端到地面可調(diào)高度： 100cm150cm； (4) 工作范圍： 300mm x 300mm x 300mm； (5) 末端定位精度 ； (6) 關(guān)節(jié)最大角度： 5176。/s ； 介入手術(shù)機(jī)械臂構(gòu)型方案設(shè) 計(jì) 在血管手術(shù)的機(jī)械臂中，主要由手臂和手腕兩部分組成，其中手臂的作用是將手腕末端和手術(shù)器械送至規(guī)定的位置，而手腕的作用是 通過自身姿態(tài)的調(diào)整是手術(shù)器械達(dá)到進(jìn)行手術(shù)的方向。這兩部分在手術(shù)中的運(yùn)動方式不盡相同，因此應(yīng)避免兩部分的相互依賴關(guān)系。所以，定位機(jī)構(gòu)和定向機(jī)構(gòu)采用分離的方法獨(dú)立運(yùn)動 [13]。 介入手術(shù)機(jī)械臂大臂方案設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)器人介入血管手術(shù)的要求，大臂的作用是將手腕末端送到規(guī)劃點(diǎn)，因此對手臂提出以下要求： （ 1） 實(shí)現(xiàn)較高的定位精度； （ 2） 在保證工作空間的前提下，機(jī)構(gòu)尺寸盡量小； （ 3）能夠承受 2kg 的重量； 為了能夠?qū)崿F(xiàn)空間任意位置的變化，手臂應(yīng)至少具備 3 個自由度 ，可由 P(移動關(guān)節(jié) )和 R（轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)）組成。其中定位臂結(jié)構(gòu)及性能分析如圖表 所示： 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 表 定位臂結(jié)構(gòu)及性能 其中，圓柱坐標(biāo)性、 SCARA 型要求結(jié)構(gòu)尺寸比較大，不符合手術(shù)要求；直角坐標(biāo)型工作范圍比較小，不符合手術(shù)要求；通過多對各種結(jié)構(gòu)簡圖的分析關(guān)節(jié)坐標(biāo)型通過機(jī)構(gòu)綜合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)環(huán)境的要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)末端 2kg 的負(fù)載支撐。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 ,圖 所示： 圖 定位臂結(jié)構(gòu)簡圖 圖 定位臂結(jié)構(gòu)變形圖 在定位臂的機(jī)構(gòu)中定位臂通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。為保證精確的尺寸鏈才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的連貫性。第一關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。第二關(guān)節(jié)為連桿滑塊機(jī)構(gòu)。第三關(guān)節(jié)通過連桿機(jī)構(gòu)帶動平行四邊形的運(yùn)動。三個關(guān)節(jié)的聯(lián)動可以實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的任意位置。 介入 手術(shù)機(jī)械臂手腕方案設(shè)計(jì) 當(dāng)手術(shù)進(jìn)行時，末端推進(jìn)器或手術(shù)器械到達(dá)手術(shù)位置后要進(jìn)行位置的調(diào)整， 因此要在手臂的末端安裝旋轉(zhuǎn)功能的手腕 關(guān)節(jié)。而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以分為滾動關(guān)節(jié)和彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，另外根據(jù)自由度的個數(shù)分為一個、兩個、三個自由度的手腕關(guān)節(jié) [14]。一自由度手濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 腕關(guān)節(jié)僅能調(diào)整一個方向姿態(tài)。三個自由度的手腕關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)任意位置的姿態(tài)變化，但是在實(shí)際操作中不需要繞血管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此兩個自由度便可以滿足需求。根據(jù)彎轉(zhuǎn)和滾動關(guān)節(jié)的不同配置二自由度的手腕關(guān)節(jié)可以分為四種主要的結(jié)構(gòu)形式。如圖 所示： abcd 圖 二自由度手腕 根據(jù)血管介入手術(shù)的要求，末端推進(jìn)機(jī)構(gòu)不需要繞導(dǎo)管中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此手腕簡圖選用圖 中 b 結(jié)構(gòu)形式。 介入手術(shù)機(jī)械臂總體構(gòu)型方案 根據(jù) 所選機(jī)械臂大臂、手腕的構(gòu)型方案，可以確定機(jī)器人總體的構(gòu)型方案?？傮w構(gòu)型簡圖如圖 ： 圖 機(jī)器人構(gòu)型簡圖 從機(jī)構(gòu)見圖可以看出，機(jī)械臂共有 5個自由度 5 個關(guān)節(jié)最終確定的機(jī)構(gòu)簡圖和示意圖如圖 所示： 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖 圖 機(jī)器人示意圖 各關(guān)節(jié)匯總表如表 。 表 關(guān)節(jié)匯總表 關(guān)節(jié) 1 腰部關(guān)節(jié) R 腰部旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié) 2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) R 大臂旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié) 3 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) R 小臂旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié) 4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) R 手腕腕擺 關(guān)節(jié) 5 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) R 手腕臂轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)驅(qū)動方式選擇 目前常用的驅(qū)動器有電動驅(qū)動器、液壓驅(qū)動器、氣動驅(qū)動器等 [15]。其中： 液壓驅(qū)動器功率大，結(jié)構(gòu)簡單并且可以直接與被驅(qū)動裝置相連。但是其易產(chǎn)生液體泄露不易用于醫(yī)療機(jī)器人。 啟動驅(qū)動器體積小，但是功率也很小并且速度不易控制。 電動驅(qū)動器使用廣泛、功率高并且速度和精度比較容易控制。其中，電動驅(qū)動器可以分為直流電 機(jī)、交流電機(jī)、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)驅(qū)動塊電機(jī)特性好；交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但速度精度不高易產(chǎn)生振動；步進(jìn)電機(jī)啟動快，可以直接接受數(shù)字信號，但其噪音大不宜應(yīng)用在醫(yī)療機(jī)械中。 綜上各種電機(jī)的特點(diǎn)，決定使用電機(jī)驅(qū)動，并且根據(jù)醫(yī)療環(huán)境的特殊要求選用直流伺服電機(jī)。 濟(jì)南大學(xué) 泉城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 關(guān)節(jié)傳動方式設(shè)計(jì) 根據(jù)介入血管手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求及醫(yī)療環(huán)境的特殊要求對傳動機(jī)構(gòu)提出以下要求 [16]： （ 1）在保證傳動功率和傳動比的前提下做到結(jié)構(gòu)緊湊 ； （ 2）正反轉(zhuǎn)過程中空行程盡量小，保證較高的位置精度； 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)的是水 平面的轉(zhuǎn)動，加上小臂的長度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)只要轉(zhuǎn)動很小的角度就能實(shí)現(xiàn)空間很大位置的變動，因