初稿-053-三自由度绳驱动RCM机构设计

全套图纸联系 QQ：1834186366北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)题 目 三自由度绳驱动 RCM 机构设计 学 号 学生姓名 专业名称 所在系（院） 指导教师 年 月 日北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文） ，题目 全向移动平台的控制系统设计与实现是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 毕业设计（论文）使用权的说明本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。本人签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 全套图纸联系 QQ：1834186366I摘要微创外科技术是一门新兴的外科手术技术，它是通过微小创伤或微小入路，将特殊器械、物理能量或化学药剂送入人体内部，完成对人体内病变、畸形、创伤的灭活、切除、修复或重建等外科手术操作，以达到治疗目的的医学科学分支，其特点是对病人的创伤明显小于相应的传统外科手术。微创外科是临床医学界跨世纪的高新科技，微创外科的问世绝非偶然，是人类物质文明和精神文明高度发展的必然结果，是未来外科发展的方向，是一项重大的技术革新。微创外科手术具有局部创伤小、安全有效、病人痛苦少、康复快、减少医疗手术成本等诸多优点，是新世纪临床医学技术发展的新趋势。在微创外科手术中，由于切口的限制, 套管针需要绕着插入点进行转动或移动，一种利用机构实现固定虚拟转动中心的RCM机构可以为手术工具提供一个相对固定的插入点。RCM机构具有控制方便、结构简单、成本低廉等优点，可以有效提升微创外科手术的安全性。本文利用机械设计原理及方法，深入研究了三自由度绳驱动RCM机构的基本原理和结构，并运用三维计算机辅助设计软件对RCM机构的运动原理及等比同向传动型远程中心机构的运动原理进行了模拟和仿真，详细介绍了三自由度绳驱动RCM机构样机的零件设计过程、装配过程。所设计的RCM机构具有结构简单、重量轻、体积小、成本低廉，控制方便等优点，可在一定范围内推广应用。关键词：三自由度；绳驱动；RCM机构；全套图纸联系 QQ：1834186366IIAbstractRCM (Remote Center of Motion) is a kind of organization with which virtual fixed rotation center can be implemented. In minimally invasive surgery, because of the limitations of the incision, tracer has to rotate or move with the inserting point in due to the cut position. However, RCM can provide surgery tools a relatively fixed inserting point. The organization has brief architecture, convenience control, and low cost. RCM can increase the safety level of surgeries.Based on the above background, this paper begins from the definition and advantages of the three degrees of freedom cable-driven RCM institutions, then I will introduce the basic principle of cable-driven RCM organization, analyzes the motion principles of the classic organization, which are bi-parallel pole tetrad remote-center-motion organization and the same direction moving remote-center-motion organization, and synthesizes the principle and strongpoint of cable-driven organization. This paper will be focuses on the three-degree-of-freedom cable-driven the RCM institutions prototype part design, assembly process. At this project, designing process, assemble process and testing process of 3 Degree-of-Freedom cable-driven RCM organization sample is expatiated. Through the driving moment estimation and steering gear selection, 2D rotation of the steel cable-driven RCM organization end round virtual remote motion center is finally implemented. And it has inserting motion along its own axes. The organization has many specialties, such as, simple architecture, small volume, and low weight.Keywords: remote sports center cable-driven mechanical design surgical robot全套图纸联系 QQ：1834186366III目录摘要 .IABSTRACT .II1 引 言 .11.1 研 究 背 景 及 意 义 .11.2 国 内 外 研 究 现 状 .32 绳驱动 RCM 机构总体设计 .62.1 RCM 机 构 的 组 成 .62.2 RCM 机构的工作原理 .72.3 拟定 传动形式 .83 RCM 机构详细设计 .153.1 舵机的 选择 .153.2 曲柄滑块机构的设计 .193.3 机 械 臂 的 设 计 .213.4 钢丝绳的选择 .223.5 轴的设计 .234 RCM 机构的计算机辅助设计 .294.1 PRO/E 概 述 .294.2 PRO/E 的 设 计 方 法 .304.3 PRO/E 装 配 体 设 计 过 程 .345 总 结 .36致 谢 .37参 考 文 献 .38三自由度绳驱动 RCM 机构设计11 引 言1.1 研 究 背 景 及 意 义随着人们物质生活水平的不断提高和科技的发展，医疗外科手术技术发展迅速，微创外科技术不断得到广泛应用和发展。使患者达到和保持最佳的内环境稳定(局部和全身)状态,而尽可能减少给病人带来的创伤是医务工作者不断追求的目标。1985 年两位英国泌尿外科医生首次微创外科手术方法应用于是临床医学中取得成功，并迅速在医学界得到广泛推广。微创其实是在一定条件下的一个相对概念,就医疗技术本身其受制于科学技术的发展水平和程度;微创是有一定的前提条件,但努力创造条件、追求尽可能小的损伤则是永恒的。在当今科学技术下,微创的概念尚没有一个共同的尺度和统一的定义。1986 年德国外科医生完成了世界上首例腹腔镜胆囊切除微创外科手术。当前微创外科概念其真正内涵是指单独使用硬质腔镜为工具,所进行的各个专业领域的腔镜手术,其中以腹腔镜手术为主要内容。 “微创外科”在事实概念中也仅包含腔镜技术,其不包括具有微创实质内涵的其他技术,如以纤维内镜为工具的内镜外科技术,以间接影像学为工具的介入超声和介入放射技术的内容。因此,单纯腹腔镜外科技术不能够完全代表当今现代医疗实践中具有微创含义的其他外科手术，如纤维内镜手术、介入超声技术和介入放射技术等。微创医学体系建立在生物心理社会医学模式基础上，由微创医学理论系统和微创医学临床架构系统两部分内容构成,其医学目标、医疗主体和医疗模式,均有别于传统医学体系。是以微创理念和微创人文思想为指导,以人为本、以病人为主体,以现代临床医学上最先进的微创技术为核心手段,以相对独立器官(微观)和人与医学(宏观)为对象,以完全外科、内科和传统医学为基础,辅以人文、心理学以及所有对患者有益的手段和方法,微创医学方法主要用于“善待人体”解决以尽可能小的创伤诊断和治疗疾病的问题;微创人文思想则是体现在“关切人心”调节心态和扶正内心的问题。微创医学包括微创理念和微创技术两部分内容。微创医学包涵微创诊断学、微创治疗学和微创人文学三项内容,前两者属于是微创临床医学。微创理念贯穿于整个疾病诊断治疗的全过程;微创理念的建立、不断强化和融会贯通的运用是系统实施微创技术(微创手术、微创操作)的基本。现阶段,在医疗技术形式上,较为完整的微创技术方法(微创手术)主要包括内镜外科技术、腔镜外科技术、介入超声技术、介入放射技术,以及微创化外科技术等 5 种基本技术。三自由度绳驱动 RCM 机构设计2内镜微创治疗技术应用由于内镜微创治疗技术主要用于人体的生理存在的、与外界相通的管道结构中,因此内镜微创治疗技术可以分为:胃肠道的内镜微创治疗技术、肝胆胰疾病的内镜微创治疗技术、泌尿道疾病的内镜微创治疗技术、呼吸道的内镜微创治疗技术、耳鼻喉的内镜微创治疗技术。介入治疗:这是一种影像学技术引导下采用的局部治疗,包括放射性介入治疗和超声介入治疗。由于介入治疗具有微创,有效的特点,目前国内外许多机构都成立了介入放射科或介入治疗科,介入治疗已经成为部分疾病的常规诊治措施,甚至取代了外科手术。引导下的微创治疗技术这方面的技术应用还主要体现为辅助的立体定位技术,例如定位引导下的脑血肿清除手术和腰间盘突出的定位技术,还没有发展到引导下的微创手术技术。超声引导微创技术超声引导下的透视微创技术诞生和发展是伴随科技进步不断发展的,基本的发展方向主要是运用各种物理的或化学的方法直接破坏病灶的细胞,从而达到治疗的目的。机器人辅助手术系统为远程手术的实现奠定基础。日前主要机器人产品有美国研制生产的 da Vinci 机器人手术系统和美 ZEUS 机器人手术系统。机器人辅助腹腔镜结直肠手术己有成功报道，机器人辅助腹腔镜手术能改善肥胖病人结肠直肠手术视野的暴露，有助于盆神经及周围脏器的保护。然而，医用机器人设备本身及相关腹腔镜器械尚需不断改进，机器人操作的手术技术也有待成熟。微创技术在器官移植领域的应用是全方位的。腹腔镜诊断技术很早就用于恶性肿瘤患者术前评估,以判断移植的可行性和具体方案,采用微创技术对器官移植并发症和其它疾病的诊治无疑是未来发展的重要方向。随着科技的不断发展，微创外科手术已成为 21 世纪发展的重要趋势。机器人和远程操作外科手术机器人系统在微创外科的应用，特别是应用机器人替代医生实施外科手术正在迅速发展成为一个新的产业。借助计算机技术和软、硬件设备,实现一种人们可以通过视、听、触、嗅等手段所感受到的虚拟幻境的虚拟现实技术也应用到微创外科技术中，具有沉浸性、交互性和构想性的特点,在微创外科领域不仅可以用于手术方案的设计和手术训练,而且还可以直接用于手术的实施。为重要脏器和血管、神经的分离和处理提供了精确性的保证。国内外有关专家预测，微创外科手术将朝着向单个分子水平推进的毫微技术(微米/纳米科学)及毫微技术方向发展，未来几年，毫微机器人将来研制成功，他们能产生自体能量,具备原子尺度上的分子操作能力,携带可分离单个 DNA 分子的毫微尺度器械,随血流周游人体,“巡回医疗”,进行细胞修复、消除阻塞、攻击病毒、投以药物等诊疗项目。这一技术的迅速发展,必将为微创外科带来强大的技术支持,将现有的人体器官水平上的操作推向细胞操作、基因操作和分子操作,从而使“微创”更加深化,乃至达到“无三自由度绳驱动 RCM 机构设计3创” 。微创手术日渐普及,在诊断和治疗上具有显著的优越性,成为诸多年轻外科医生学习的目标。外科医生的双手将从传统开刀手术中解放出来,进入操纵内镜和微创器械的微创手术时代。进一步发展,将走向由外科医生指挥机器人来完成的极微创或无创治疗时代,这是人类社会进步和现代科学技术发展的必然,并不意味着外科医生的消亡,相反对外科医生提出了更高的要求,即未来微创外科医生须具备扎实的现代高科技基础,具备将传统的手术技能融入现代高科技的能力,并操纵机器人实施各类极微创手术和无创手术。微创外科的发展无疑使传统外科发生了一场深刻的技术革命。微创外科的发展与时俱进,在 21 世纪医学模式向生物-社会-生理医学模式的转型期内,将展示更加广阔的前景。随着科学技术的发展,“凡是创伤最大的外科手术,将是微创外科技术的最大得益者” 。微创外科前景是广阔而美好的。微创外科手术以其精度高、一致性好，尽量减少医院和病人的医疗费用为目的，因此在具体的手术操作过程中某些细节操作以人的手工操作是达不到要求的。微创外科手术与机器人技术的结合可以克服传统微创手术观察和活动范围有限、缺少视觉反馈以及医生易于疲劳等缺点，提供一个精确稳定的适合人类的操作环境，提高手术的安全性与可靠性。而在微创外科手术中，手术工具通常是通过套管针直接插入病人皮肤上的小切口到达病患位置，但是由于切口的限制，套管针需要绕着插入点进行转动或移动，这是现代微创外科手术的一个现有的特征，所以作为辅助这类手术的机器人一般都可以为手术工具提供一个相对较为固定的插入点。1.2 国 内 外 研 究 现 状1995 年 ， 研 究 学 者 在 研 究 腹 腔 外 科 手 术 机 器 人 的 过 程 中 首 次 提 出 了 远 程 运动 中 心 RCM（ Remote Center of Motion） 机 构 的 概 念 ， 并 通 过 机 械 机 构 的 形 式得 以 实 现 和 运 用 ， RCM 能 应 用 于 外 科 手 术 辅 助 机 器 人 。RCM 机 构 具 有 的 优 点 使 其 首 先 应 用 到 各 种 类 型 的 微 创 外 科 手 术 机 器 人 及相 关 领 域 中 ， 如 脑 外 科 、 腹 腔 外 科 、 矫 形 外 科 、 眼 科 、 泌 尿 外 科 等 。 近 十 年 来 ，国 外 对 RCM机 构 在 医 疗 领 域 的 研 究 已 经 有 很 多 的 应 用 ， 学 者 如 JENSEN， 对RCM机 构 进 行 了 研 究 ， 提 出 了 一 些 种 类 各 异 的 结 构 。 王 振 华 等 设 计 的 主 从 式 微创 外 科 手 术 机 器 人 的 从 操 作 手 也 采 用 了 RCM机 构 。 其 中 特 别 要 提 到 的 是 美 国Johns Hopkins大 学 包 括 Taylor教 授 在 内 的 研 究 小 组 在 RCM机 构 及 其 在 微 创 外 科手 术 机 器 人 方 面 的 应 用 研 究 做 出 了 开 创 性 的 贡 献 ， 设 计 了 数 种 不 同 结 构 的 2自由 度 RCM机 构 ， 如 BW-RCM机 构 、 MINI-RCM机 构 等 。 并 针 对 不 同 应 用 背 景 开发 出 多 种 RCM机 器 人 系 统 ， 如 面 向 腹 腔 外 科 手 术 的 LARS机 器 人 系 统 、 面 向眼 科 手 术 的 “稳 手 ”机 器 人 （ Steady Hand Robot） 系 统 和 面 向 前 列 腺 手 术 的MINI-RCM&PAKY机 器 人 系 统 等 。三自由度绳驱动 RCM 机构设计4当 然 ， 还 有 许 多 十 分 优 秀 的 手 术 机 器 人 设 计 中 运 用 了 RCM机 构 ， 比 如 用 于腹 腔 手 术 的 “Da Vinci”手 术 机 器 人 （ 图 1.21） 的 末 端 操 作 装 置 就 使 用 了 这 种结 构 ， 它 已 获 得 欧 洲 CE认 证 和 美 国 FDA认 证 。 日 本 东 京 大 学 的 Kim D.设 计 了一 种 单 自 由 度 的 RCM机 构 并 嵌 入 到 一 个 六 自 由 度 的 机 器 人 系 统 中 。 加 拿 大 哥 伦比 亚 大 学 Salcludean等 提 出 的 辅 助 超 声 波 成 像 系 统 拥 有 6个 自 由 度 ， 其 机 械 臂 使用 了 双 平 行 四 杆 型 RCM机 构 ， 加 有 配 重 使 力 矩 平 衡 ， 并 可 反 向 驱 动 。 Da Vinci机 器 人 系 统 东 京 大 学 设 计 的 RCM系 统图 1.21RCM的 应 用而 在 国 内 ， 我 国 从 20 世 纪 90 年 代 中 期 开 始 医 疗 外 科 机 器 人 的 应 用 研 究 ，有 些 医 院 相 继 采 用 国 外 的 机 器 人 进 行 微 小 创 伤 等 系 列 手 术 ， 如 膜 替 换 、 心 脏动 脉 搭 桥 等 手 术 。 哈 尔 滨 工 业 大 学 、 北 京 航