【正文】 搭 橋 等 手 術(shù) 。 同 時(shí) 比 較 國(guó) 內(nèi) 和 國(guó) 外 現(xiàn) 狀 可 以 看 出 ,國(guó)內(nèi) 醫(yī) 院 的 醫(yī) 療 外 科 機(jī) 器 人 的 研 究 規(guī) 模 和 范 圍 小 ， 機(jī) 器 人 功 能 比 較 簡(jiǎn) 單 ， 能 夠執(zhí) 行 的 手 術(shù) 種 類 較 少 ， 臨 床 試 驗(yàn) 使 用 較 少 。 而 且 在 形 式 和 政策 方 面 ， 國(guó) 內(nèi) 缺 少 跨 學(xué) 科 研 究 激 勵(lì) 的 相 關(guān) 機(jī) 制 并 且 缺 乏 科 研 機(jī) 構(gòu) 、 院 和 產(chǎn) 業(yè) 界的 密 切 合 作 ,從 而 嚴(yán) 重 的 影 響 了 微 創(chuàng) 外 科 機(jī) 器 人 的 研 究 開 發(fā) 和 產(chǎn) 業(yè) 化 。它 依 靠 舵 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) ， 用 兩 組 鋼 絲 繩 耦 合 傳 動(dòng) ， 使 末 端 執(zhí) 行 器 可 繞 虛 擬 中 心 二 維 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 并 沿 著 自 身 軸 線 進(jìn) 行 一 維 插 入 運(yùn) 動(dòng) 。 同 時(shí) 由 于 舵 機(jī) 比 較 容 易 控 制 ， 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 簡(jiǎn) 單 ， 不需 要 齒 輪 傳 動(dòng) ， 帶 傳 動(dòng) 等 復(fù) 雜 的 結(jié) 構(gòu) 。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4本 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 采 用 的 鋼 絲 繩 傳 動(dòng) 具 有 以 下 的 優(yōu) 點(diǎn) ：（ 1） 鋼 絲 繩 能 夠 傳 遞 長(zhǎng) 距 離 的 負(fù) 載 （ 2） 鋼 絲 繩 能 夠 承 受 多 種 載 荷 及 變 載 荷 的 作 用 （ 3） 鋼 絲 繩 具 有 較 高 的 抗 拉 強(qiáng) 度 、 抗 疲 勞 強(qiáng) 度 和 抗 沖 擊 韌 性 （ 4） 鋼 絲 繩 在 高 速 工 作 條 件 下 ， 耐 磨 、 抗 震 、 運(yùn) 轉(zhuǎn) 穩(wěn) 定 性 好 （ 5） 鋼 絲 繩 的 耐 腐 蝕 性 好 ， 能 夠 在 各 種 有 害 介 質(zhì) 的 惡 劣 環(huán) 境 中 正 常 工 作 （6 ） 鋼 絲 繩 的 柔 軟 性 能 好 ， 適 宜 于 牽 引 、 拉 拽 、 捆 扎 等 多 方 面 的 用 途 （ 7） 鋼 絲 繩 的 承 載 安 全 系 數(shù) 大 ， 使 用 安 全 可 靠 綜 合 考 慮 了 舵 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 角 范 圍 ， 機(jī) 構(gòu) 外 形 美 觀 和 加 工 精 度 等 問(wèn) 題 ， 本 設(shè) 計(jì) 有具 體 的 性 能 數(shù) 據(jù) 要 求 ， 包 括 以 下 幾 個(gè) 方 面 ：機(jī)構(gòu)尺寸 250mm??140mm?? 30mm機(jī)構(gòu)重量 ≤ 600g運(yùn)動(dòng)范圍 180??120?最大速度 20? / sec運(yùn)動(dòng)范圍 ?25mm定位精度 最大速度 25mm/sec 針 對(duì) 以 上 的 任 務(wù) ， 本 文 完 成 的 工 作 包 括 :（ 1） 理 論 驗(yàn) 證 繩 驅(qū) 動(dòng) 可 以 實(shí) 現(xiàn) RCM 機(jī) 構(gòu) 的 基 本 功 能 ；（ 2） 用 Pro/E和 Auto CAD等 軟 件 設(shè) 計(jì) RCM機(jī) 構(gòu) 各 個(gè) 零 件 的 過(guò) 程 ；（ 3） 通 過(guò) Pro/E將 每 個(gè) 零 件 組 裝 的 過(guò) 程 ； 論 文 構(gòu) 成 第 一 章 前 言 ： 介 紹 課 題 來(lái) 源 、 背 景 及 目 的 ， RCM機(jī) 構(gòu) 的 國(guó) 內(nèi) 外 研 究 現(xiàn) 狀 。第 四 章 介 紹 了 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ： RCM 機(jī) 構(gòu) 樣 機(jī) 的 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 ，以 及 各 個(gè) 零 件 的 細(xì) 節(jié) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 以 及 設(shè) 計(jì) 中 出 現(xiàn) 的 問(wèn) 題 及 解 決 的 辦 法 。第 五 章 總 結(jié) 和 展 望 。 首 先 介 紹 了 自 由 度 的 定 義 及 計(jì) 算 ， 從 而 引 出 RCM機(jī) 構(gòu) 的 定 義 ， 介 紹 了 RCM機(jī) 構(gòu) 的 優(yōu) 點(diǎn) 和 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 構(gòu) 的 組 成 ， 詳細(xì) 的 介 紹 了 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 構(gòu) 組 成 的 各 個(gè) 零 件 以 及 這 些 零 件 在 機(jī) 構(gòu) 中 所起 的 作 用 ， 最 后 引 出 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 構(gòu) 原 理 ， 并 分 析 了 繩 驅(qū) 動(dòng) 的 優(yōu) 缺 點(diǎn) 。 如 果一 個(gè) 構(gòu) 件 組 合 體 的 自 由 度 F0， 他 就 可 以 成 為 一 個(gè) 機(jī) 構(gòu) ， 即 表 明 各 構(gòu) 件 間 可 有相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) ； 如 果 F=0， 則 它 將 是 一 個(gè) 結(jié) 構(gòu) （ structure） ， 即 已 退 化 為 一 個(gè) 構(gòu) 件 。平 面 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 及 計(jì) 算 方 法 ：設(shè) 平 面 機(jī) 構(gòu) 有 K 個(gè) 構(gòu) 件 。 在 未 用 運(yùn) 動(dòng) 副 聯(lián) 接 之 前 ， 這 些 活 動(dòng) 構(gòu) 件 的 自 由 度 總 數(shù) 為 3n。HP LPH因 此 活 動(dòng) 構(gòu) 件 的 自 由 度 總 數(shù) 減 去 運(yùn) 動(dòng) 副 引 入 的 約 束 總 數(shù) 就 是 該 機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度（ 舊 稱 機(jī) 構(gòu) 活 動(dòng) 度 ） ， 以 F 表 示 ， 即 32LHnP??這 就 是 計(jì) 算 平 面 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 的 公 式 ?？?間 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 ：由 于 空 間 機(jī) 構(gòu) 中 各 自 由 構(gòu) 件 的 自 由 度 位 6， 所 具 有 的 運(yùn) 動(dòng) 副 類 型 可 以 從I 級(jí) 副 到 V 級(jí) 副 ， 其 所 提 供 的 約 束 數(shù) 目 分 別 為 1 到 5,設(shè) 一 個(gè) 空 間 機(jī) 構(gòu) 共 有n 個(gè) 活 動(dòng) 構(gòu) 件 ， P1 個(gè) Ⅰ 級(jí) 副 ， P2 個(gè) Ⅱ 級(jí) 副 ， P3 個(gè) Ⅲ 級(jí) 副 ， P4 個(gè) Ⅳ 級(jí) 副 和 P5北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7個(gè) V 級(jí) 副 ， 則 空 間 機(jī) 構(gòu) 的 自 由 度 為 ： 55432116()6iiFnPPnp???????式 中 ， 為 i 級(jí) 運(yùn) 動(dòng) 副 的 約 束 數(shù) 。 RCM 機(jī) 構(gòu) 的 定 義 及 優(yōu) 點(diǎn) RCM 機(jī) 構(gòu) 是 一 種 利 用 機(jī) 構(gòu) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 固 定 的 虛 擬 轉(zhuǎn) 動(dòng) 中 心 的 一 種 機(jī) 構(gòu) ， 它 可以 使 末 端 執(zhí) 行 器 繞 空 間 內(nèi) 的 某 個(gè) 固 定 點(diǎn) 做 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 而 且 該 虛 擬 固 定 點(diǎn) 在 機(jī)構(gòu) 的 遠(yuǎn) 端 。 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM 機(jī) 構(gòu) 組 成 及 基 本 原 理 本 機(jī) 構(gòu) 一 共 分 為 七 部 分 ：第 一 部 分 是 軸 承 外 套 ， 軸 承 外 套 既 是 與 基 座 連 接 的 ， 也 是 機(jī) 械 臂 的 第 一 個(gè)關(guān) 節(jié) ， 增 加 軸 的 靈 活 性 。第 二 部 分 是 軸 ， 軸 是 支 承 轉(zhuǎn) 動(dòng) 零 件 并 與 之 一 起 回 轉(zhuǎn) 以 傳 遞 運(yùn) 動(dòng) 、 扭 矩 或 彎 矩的 機(jī) 械 零 件 ， 根 據(jù) 軸 線 形 狀 的 不 同 ， 軸 分 為 曲 軸 和 直 軸 兩 類 ； 根 據(jù) 軸 的 承 載 情況 轉(zhuǎn) 軸 、 心 軸 和 傳 動(dòng) 軸 ， 本 文 中 的 軸 將 RCM模 塊 與 末 端 執(zhí) 行 模 塊 連 接 在 一 起 ，將 轉(zhuǎn) 動(dòng) 角 度 傳 遞 給 末 端 執(zhí) 行 器 ， 從 而 完 成 末 端 執(zhí) 行 器 圍 繞 虛 擬 遠(yuǎn) 程 轉(zhuǎn) 動(dòng) 中 心 轉(zhuǎn)動(dòng) 的 工 作 。 假 如 在 傳 動(dòng) 軸 系 中 采 用 安 全 聯(lián) 軸 器 ， 利 用 聯(lián) 袖 器中 聯(lián) 接 元 件 的 破 斷 、 分 離 或 打 滑 ， 起 到 安 全 保 護(hù) 作 用 ， 同 時(shí) 改 善 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 的工 作 性 能 。 以 醫(yī) 療 為 例 ， 有 許 多 大 型 醫(yī) 學(xué) 中 心 使 用 以 手 動(dòng) 操 控 方 式 之 機(jī) 械手 臂 ， 結(jié) 合 顯 微 影 像 顯 示 系 統(tǒng) 所 結(jié) 合 的 手 術(shù) 型 機(jī) 器 人 。 本文 的 機(jī) 械 臂 在 RCM機(jī) 構(gòu) 中 是 起 連 接 作 用 的 零 件 ， 它 連 接 兩 個(gè) 關(guān) 節(jié) ， 它 的 長(zhǎng) 度 決 定著 遠(yuǎn) 程 運(yùn) 動(dòng) 中 心 與 整 體 機(jī) 構(gòu) 距 離 的 遠(yuǎn) 近 。第 六 部 分 是 鋼 絲 繩 ， 對(duì) 于 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 器 人 而 言 ， 鋼 絲 繩 就 好 像 機(jī) 器 人 的神 經(jīng) 一 樣 ， 圍 繞 著 機(jī) 器 人 全 身 ， 牽 引 著 機(jī) 械 臂 的 每 個(gè) 動(dòng) 作 。本 文 的 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) 虛 擬 遠(yuǎn) 程 運(yùn) 動(dòng) 中 心 機(jī) 構(gòu) ， 它 由 舵 機(jī) 做 驅(qū) 動(dòng) 力 ， 通 過(guò) 兩組 鋼 絲 繩 傳 動(dòng) ， 使 其 末 端 套 管 針 可 繞 虛 擬 中 心 二 維 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 并 沿 著 自 身 軸 線 進(jìn) 行插 入 運(yùn) 動(dòng) 。 介 紹 了 機(jī) 械 中 的 自 由 度 的 定 義 及 計(jì) 算 ， 通 過(guò) 自 由度 的 定 義 和 計(jì) 算 引 出 RCM 機(jī) 構(gòu) 的 定 義 ， 將 RCM 機(jī) 構(gòu) 引 入 本 文 里 ， 同 時(shí) 比 較了 RCM 機(jī) 構(gòu) 的 優(yōu) 點(diǎn) 介 紹 了 已 有 的 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 包 括 ： 軸承 外 套 、 軸 、 聯(lián) 軸 器 、 機(jī) 械 臂 、 末 端 執(zhí) 行 模 塊 、 鋼 絲 繩 和 舵 機(jī) ， 通 過(guò) 初 步 的查 閱 一 咨 詢 ， 力 求 機(jī) 構(gòu) 的 簡(jiǎn) 單 化 ， 緊 接 著 詳 細(xì) 地 介 紹 了 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 構(gòu) 組 成 的 每 一 個(gè) 零 件 以 及 這 些 零 件 在 機(jī) 構(gòu) 中 所 起 的 作 用 ， 最 后 提 出 繩 驅(qū) 動(dòng)RCM 機(jī) 構(gòu) 原 理 。 兩 種 典 型 的 RCM 機(jī) 構(gòu) 分 析 雙 平 行 四 桿 型 RCM 機(jī) 構(gòu) 分 析 雙 平 行 四 桿 RCM機(jī) 構(gòu) 是 指 通 過(guò) 對(duì) 兩 組 平 行 四 桿 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 平 面 耦 合 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 末端 執(zhí) 行 器 繞 虛 擬 中 心 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 一 類 RCM機(jī) 構(gòu) 。圖 如 圖 示 ， ACDF和 BCGH構(gòu) 成 了 相 互 耦 合 的 雙 平 形 四 桿 結(jié) 構(gòu) 。由 平 行 四 邊 形 定 理 可 知 ， ∵ BCGH是 平 行 四 邊 形 ∴ BC∥ GH ∵ GH∈ GO, CD∈ CG ∴ GO∥ AC， AF∥ CG 又 ∵ ACDF為 平 行 四 邊 形北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11 ∴ AC∥ DF， AF∥ CD 又 ∵ BC∈ AC, DE∈ DF ∴ BC∥ DE ∴ ACGO也 是 平 行 四 邊 形所 以 ， 當(dāng) AC轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 時(shí) ， GO也 轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 。 這 樣 O點(diǎn) 與 A點(diǎn) 的 距 離 始 終 不 變 GO繞 空 間 固 定 點(diǎn) O一 維 旋 轉(zhuǎn) ，所 以 O點(diǎn) 就 是 該 機(jī) 構(gòu) 的 遠(yuǎn) 程 運(yùn) 動(dòng) 中 心 （ RCM） 。 由 于 機(jī) 構(gòu) 中 BCDE回 路 有 冗 余 約 束 ， 通過(guò) 去 除 不 一 樣 的 相 關(guān) 的 約 束 ， 可 以 演 化 出 其 他 幾 種 不 同 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 一維的雙平行四桿型RCM機(jī)構(gòu)的 10種不同的構(gòu)型北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12雙 平 行 四 桿 型 RCM機(jī) 構(gòu) 優(yōu) 點(diǎn) 如 下 所 示 ： ① 機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 可以 放 置 在 基 座 處 ； ② 可 以 通 過(guò) 連 桿 的 不 同 的 彎 折 變 形 可 以 靈 活 的 安 排 RCM的位 置 以 此 來(lái) 適 應(yīng) 不 同 的 應(yīng) 用 要 求 ； ③ 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 較 大 。 如 圖 平 行 四 桿 運(yùn) 動(dòng) 到 圖 示 位 置 時(shí) ， 末 端 桿 出 現(xiàn) 兩 個(gè) 不 同 運(yùn)動(dòng) 方 向 ， 而 且 方 向 不 定 ， 影 響 其 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 ； 另 外 ， 由 于 鉸 鏈 數(shù) 目 多 造 成 機(jī) 構(gòu) 剛度 較 差 。 為 了 保 證 末 端 執(zhí) 行 器 的 軸 線 通 過(guò) 虛 擬 中 心點(diǎn) ， 一 般 有 如 圖 示 的 兩 種 方 法 ， 這 里 以 安 裝 末 端 執(zhí) 行 器 為 例 ： 圖 中 將 末 端 執(zhí) 行 器 相 對(duì) 末 端 桿 件 傾 斜 放 置 ， 從 而 使 末 端 執(zhí) 行 器 通 過(guò) 虛 擬 中 心 ； 圖 過(guò) 桿 件 彎 折 ， 使 得 虛 擬 中 心 移 動(dòng) 一 定 距 離 ， 以 滿 足 安 裝 需 要 。 在 末 端 加 上 獨(dú) 立 的 移 動(dòng) 副 和 繞 手 術(shù) 工 具 自 轉(zhuǎn) 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 副 則構(gòu) 成 一 個(gè) 實(shí) 用 的 4自 由 度 RCM機(jī) 構(gòu) （ 如 圖 示 ） 。 例 如 腹 腔 外 科 手 術(shù) 的 LARS機(jī) 器 人 系 統(tǒng) ， “Da Vinci”手 術(shù) 機(jī) 器 人 ， 加 拿 大 哥 倫 比 亞 大 學(xué) Salcludean等 提 出 的 輔 助 超 聲 波 成 像系 統(tǒng) 等 等 。 雖 然 形式 上 有 所 改 變 ， 但 基 本 原 理 相 同 。 可 以 看 出 ， 這 樣 一 套 等 比 同 向 的 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 可 以 等 效 為 一組 平 行 四 桿 機(jī) 構(gòu) 。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14 基域等比同向傳動(dòng)的RCM 構(gòu)型可 以 使 用 等 比 同 向 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 代 替 基 于 平 行 四 桿 RCM構(gòu) 型 中 的 一 組 平 行 四 桿 ，也 可 以 代 替 全 部 的 兩 組 平 行 四 桿 機(jī) 構(gòu) （ 如 圖 示 ） 。 同 時(shí) 因 為 O1軸 是 固 定不 動(dòng) 的 ， 所 以 O1O2同 時(shí) 也 轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 。這 樣 無(wú) 論 輪 怎 么 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， FO始 終 與 O1O2保 持 平 行 ， O2O3 始 終 與 AO保 持平 行 ， O1O2O3O構(gòu) 成 新 的 平 行 四 邊 形 。如 果 機(jī) 構(gòu) 整 體 可 以 同 時(shí) 沿 AO軸 線 方 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 就