（机械电子工程专业论文）喉部手术机器人末端工具的研究与开发.pdf

摘要本文所研究与开发的喉部手术机器人从操作手末端工具，是喉部手术机器人系统的组成部分。系统面向喉部微创外科手术，能够在支撑喉镜下进行双手操作，完成对病变组织的夹持、分离、切除、手术清淤等操作。本套系统的使用，将扩大此类手术的适应症范围、提高手术质量、减轻医生疲劳及患者痛苦、缩短康复周期。首先，根据喉部手术自身特点，对手术布局、手术操作空间、手术动作进行量化分析，给出喉部手术机器人从操作手结构设计要求：此基础上，引出从操作手的构型综合问题，并对臂部构型、腕部构型以及手部构型分别加以分析，从而得出从操作手的整体构型；并应用d h 方法建立从操作手的数学模型。其次，对喉部手术机器人末端工具加以分析并进行详细设计，得出具有自转、俯仰和开合三自由度的末端工具整体结构，并针对若干关键结构的实现方式给出了方案；最后对末端工具的详细结构和功能进行讨论，并对关键结构进行静力学计算。建立喉部手术机器人末端工具的虚拟样机模型，使用a d a m s 软件对机构进行仿真分析。从运动学的角度出发，得出各关节的速度曲线和行程范围，确保各部件间传动正常、无干涉发生；从动力学的角度出发，得出各自由度电机输出轴的负载转矩和功率曲线，为控制系统的设计以及伺服机组的选型提供理论依据。最后，确定喉部手术机器人控制系统总体方案；对控制系统硬件进行设计，包括运动控制单元、伺服电机执行单元等；采用高性能的运动控制卡获来得相当高的运动控制品质；根据动力学仿真分析结果，在m a t l a bs i m u l i n k 模块中建立伺服系统开环模型，从而完成对各自由度电机的选型。关键词：微创手术喉部手术从操作手末端工具仿真分析控制系统a b s t r a c tam i c r o m a n i p u l a t o ro fas l a v e - m a n i p u l a t o ri sd e v e l o p e d ，w h i c hi sac o m p o n e n to fal a r y n g e a ls u r g i c a lr o b o ts y s t e m t h es y s t e mi sd e v e l o p e df o rm i n i m a l l yi n v a s i v es u 唱e r yo fl a r y n g e a la n da b l et op e r f o r mt w o ，a i ms u r g i c a lo p e r a t i o ni nal a r y n g o s c o p e ，f o re x a m p l e ，g r a s p i n g ，s e p a r a t i n g ，c u t t i n ga n ds u c t i o no fl a r y n g e a lt i s s u ei nn a r r o ws p a c e s e v e r a la d v a n t a g e so ft h es y s t e ma r ea c h i e v e da sf o l l o w s ：l e s sp a i na n dl e s ss t r a i no ft h ep a t i e n t s ，f a s t e rr e c o v e r y , s m a l li n j u r i e sa n dh i g h e ro p e r a t i o nq u a l i t y f i r s t l y , a f t e rq u a n t i t a t i v ea n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c ，a r r a n g e m e n t ，s p a c ea n dm o t i o no fl a r y n g e a ls u r g i c a lo p e r a t i o n ，ad e s c r i p t i o na b o u td e s i g np r i n c i p l e so ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e d t h e nt h ea n a l y s i so fa r m ，w r i s ta n dt o o li st a k e n ，w h i c hr e s u l t si nt h eo v e r a l lc o n f i g u r a t i o no ft h es y s t e m a n dw i t hd e n a v i t - h a r t e n b e r gm e t h o d , am a t h e m a t i cm o d e lo ft h em e c h a n i c a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h em i c r o m a n i p u l a t o ri sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n das y s t e mc o m p o s e do f3d o fo fr o t a t i o n ，p i t c h i n ga n dh o l d i n gi sd e s i g n e d aq u i c k - r e p l a c i n gm e c h a n i s mi sa d d e df o rl a r y n g e a ls u r g e r yo p e r a t i o n t h e nt h ed e t a i l e dc o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o no ft h em i c r o m a n i p u l a t o ra r ep r e s e n t e d , a n dt h em e c h a n i c a lc a l c u l a t i o ni st a k e n av i r t u a lp r o t o t y p eo ft h em i c r o - m a n i p u l a t o ri se s t a b l i s h e du s i n ga d a m st oa n a l y z ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i nk i n e m a t i cs i m u l a t i o n ，t h ea n g u l a rv e l o c i t yd i a 踟a n dd i s p l a c e m e n to fe a c hj o i n ta r eo b t a i n e d , w h i c hs h o wn oc o l l i s i o nb e t w e e nm e c h a n i c a lp a r t so ft h es y s t e m i nd y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h el o a d t o r q u ea n dp o w e rc o n s u m p t i o nd i a g r a mo fe a c hm o t o ra leo b t a i n e d ，w h i c hg i v et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e ma n dt h es e l e c t i o no fm o t o r s f i n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h el a r y n g e a lr o b o ts y s t e mi sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n go v e r a l la r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r e ，m o t i o nc o n t r o lc a r d sa n dm o t o r s h i g b p e r f o r m a n c em o t i o nc o n t r o lc a r d sa r eu t i l i z e dt og e tp r e c i s em o t i o nc o n t r 0 1 a no p e n - l o o pm o d e lo fs e r v os y s t e mi se s t a b l i s h e du s i n gm a t l a bs i m u l i n kt os e l e c ta p p r o p r i a t es e r v om o t o r s k e yw o r d s ：m i s ，l a r y n g e a ls u 唱e r y , s l a v e m a n i p u l a t o r , m i c r o - m a n i p u l a t o r ,s i m u l a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：必p 厂年厂, e l 膪日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名签字日期：2 吖年f 月1 2 日签字日期f 6 黾第一章绪论1 1 引言第一章绪论随着社会的进步和生活水平的不断提高，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防以及卫生健康给予越来越多的关注，数字化医疗仪器设备得到了迅速的发展，己经成为当今世界发展速度最快、贸易往来最活跃的高科技产业之一。其中，外科手术机器人技术是集现代医学、生物力学、机械工程学、计算机与机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点，预计今后几年医疗机器人的研究与开发将进入一个新的发展时则l 】【2 】。一般机器人在应用上有两个突出的特点：一是能够代替人类工作，代替人进行简单的重复劳动，代替人在脏乱环境和危险环境下工作，或者代替人进行劳动强度极大的工种作业；二是扩展人类的能力，做人很难进行的高细微精密的作业，以及超高速作业等。外科手术机器入正是运用机器人这两个特尉3 1 ，具有定位准确、动作精细、工作范围大、不怕辐射和避免病人感染等特点。譬如，在血管缝合手术时，人工很难进行细于1 毫米以下的血管缝合，如果使用外科手术机器人，血管缝合手术可以达到小于0 1 毫米的精度；用外科手术机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者的感染危险。由此可见，外科手术机器人不仅可以协助医生完成手术部位的精确定位，而且可以实现手术最小损伤，提高疾病诊断、手术治疗的精度与质量，提高手术安全，缩短治疗时间，降低医疗成本。外科手术机器人可以广泛应用于各种外科手术，如：显微外科手术、神经外科手术、微创外科手术、整形外科手术、胃肠道检测和其它手术中。2 0 世纪9 0年代初期至今，外科手术机器人的研制取得了飞跃性的发剧4 1 。许多发达国家纷纷设立专项计划，研究和开发外科手术机器人，并将研究成果迅速转化为产品，形成新的产业，其发展速度远远超过一般工业机器人，估计在以后五年里还会以每年2 0 3 0 的速度增长，将是增长最快的机器人领域。支撑喉镜下的喉部手术是一类处理喉部各种良性病变( 如声带息肉、声带小结、声带囊肿、任克水肿、乳头状瘤、披裂肉芽肿等) 、声带癌前病变和早期声带癌等的微创外科手术。手术中支撑喉镜的使用使医生能够进行双手操作，并且病变部位暴露好，手术视野大，术者有充足的时间反复观察、精细操作，在彻底第一章绪论处理病变的基础上，能够虽大限度地保护正常组织，因而手术时闻相对缩短在减少复发率和保护喉功能方面较其他喉镜下的手术有了跨越式发展。本文对面向喉部手术的机器人系统进行了应用开发。1 2 外科手术机器人的研究与发展概况1 2 1 国外外科手术机器人的发展现状近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划( 1 a r p ) 已召开过多届医疗外科机器人研讨会。美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 已经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培_ i i 、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。医疗领域也出现了开发医用机器人的热潮。可以说，目前医疗领域的机器人技术是最发达的领域之一。1 9 9 5 年，美国的航空航天管理局( n a s a ) 下属的空气推进动力学实验室( j p l ) 与美国的微型灵巧系统公司( m i c r o d e x t e r t ys y s t e m s ) 合作，研制出了用于眼科手术的机器人辅助显微外科手术系统( r a m s ) ，如图1 - 1 所示。该系统为取手主从遥控操作模式，每一个操作手都有6 个运动自由度，可以克服因长时问手术而使手术医师发生的振颤或肌肉痉挛等问题。但是由于机构采用丝传动形式的空间转动关节，位姿不解耦，操作控制复杂，不适合复杂的手术操作，尚不能进行缝合操作 5 1 。嘿吣习图1 - 1n a s a 开发的辅助显微外科手术系统( r a m s )9 9 9 年，美国j o h n sh o p k i n s 大学研制出面向限部手术的s 忙a d yh a n d 显微第一章绪论外科机器人系统。该系统能够实现包括医生判断力、综合传感技术以及服手协调工作在内的精细手术操作，图1 - 2 为s t e a d yh a n d 操作手臂原型以及s t e a d yh a n d进行视网膜手术的示意图。该装置可提高手术操作精度，消除医生操作颤抖对手术的影响，有效防止对器官的损伤，提高了手术的质量。同时，该系统的模块化设计对于外科手术机器人系统的发展起到了重要作用刚”。拦警备釜一1 鳓。圈卜2s t e a d y h 明d 显微外科机器人系统1 9 9 4 年，美国c o m p u t e rm o t i o n 公司推出了首台机器人辅助手术系统a e s o p ，主要用于心脏和其他手术中。1 9 9 6 年，c o m p u t e rm o t i o n 公司利用研制a e s o p 系列机器人积累的在计算机和机器人方面的关键技术，开发出功能强大的视觉系统，推出了z e u s 机器人系统，用于微创伤手术如图1 - 3 所示。这个系统让外科医生突破了传统微创伤手术的界限将手术精度和水平提高到新的高度，太大降低了病人的痛苦、手术创伤和手术费用，缩短了康复时间。同时也减轻了医生的疲劳强度。著名的超远程胆囊摘除手术“林白手术”就是通过z e u s系统完成的嗍。该系统从操作手的每个机械臂都具有6 + 1 个自由度，其中6 个用于位姿调整，另外一个用于位置优化，可以完成复杂的手术操作。然而，尽管z e u s 机器人系统安全性高，术前机器人安装准备时间少，但是其从操作手的布局方式占用空间较大，工作空间较小灵活性相对较低，成为制约其继续发展的关键因素。盼谨图1 3 z e u s 机器 系统第一章绪论2 0 0 1 年，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功开发出d av i n c i 外科手术机器人系统并通过美国f d a 认证如图i _ 4 所示。它是目前为数不多的商品化外科手术机器人之一被视为主从式外科机器人研究的一个里程碑。该系统包括一个医生控制平台、多功能手术床、各种手术器械和图像处理设备。d a v i n c i 系统可以为医生提供同开放式手术一样的直觉控制、运动范围和组织处理能力，医生可以进行远程控制实旅修复心脏瓣膜等多种精密手术。同时该系统具有自动纠错功能，可以克服医生在操纵控制杆时手臂的颤抖，避免出现谋操作。该系统精度高、创口小、效率高、费用低，大大减轻了患者的痛苦和经济负担。但是该系统从操作手存在机构庞大的问题而且主要针对胸腹部微创手术而设计，虽然可以应用于其他手术，但是有待于进一步完善。此外，该系统没有力感觉装置，相对医疗安全性较差，影响了其在更大范围内的推广应用。图l - 5 无框絮定向神经外科计算机辅助外科手术系统第一章绪论不必再戴厚重的金属框架以辅助定位，对病人造成的创伤面比传统手术小得多，定位也较传统手术精确口j 。2 0 0 5 年1 2 月2 0 日北京海军总医院神经外科太夫借助第五代神经外科手术机器人，通过互联网，成功地为远在延安的脑出血病人进行了手术整个手术仅用4 0 分钟。但该系统主要用于定位，而非手术操作。天津大学、南开大学与天津医院合作开发的辅助显微外科手术机器人系统( r a m s ) 是一个集图像处理、运动控制、央持力感觉等功能于一体的比较完整的主从式机器人系统，如图l 6 所示。该机器人系统可以消除医生操作时的抖动，具有良好的超低速运动特性，通过建立主从取向力反馈系统，实现r a m s主从机器人带有力感觉的微操作并最终辅助医生完成显微缝合过程【埘。圈i - 6 天津大学开发的辅助显微外科手术机器 系统( r a m s )2 0 0 4 年，天津大学开茇了主从遥操作显微外科手术机器人“妙手”系统( m i c r o h a n d ) ，如图i - 6 所示。“妙手”系统由从操作手、主操作手、工具、力传感器、图像采集装置和控制系统构成。从操作手为自主研究开发的关节式从操作手，主操作手为具有力反馈能力的p h a n t o md c s k t o p 装置，工具为可更换末端工具的手指系统。该系统可以实现显微血管的缝合，成功的对兔子的腿部l t u r n静脉和颈部3 m m 动脉进行了血管吻合手术。该系统可以实现远程操作旧。圈1 7 妙手( m i c m h a n 6 ) 系统第一章绪论1 2 3 喉部手术机器人的发展现状支撑喉镜下的喉部手术较开v i 手术和其他喉镜下手术有较大的优势。支撵喉镜下喉部手术是在对病人进行全身麻醉和使用肌肉松弛剂的情况下，借助支撑喉镜和手术显微镜来处理喉部的各种病变，患者无痛苦；支撑喉镜能够使病变部位暴露良好并固定不动，实现了双手操作井使机器人技术的应用成为可能；手术显微镜使得医生方便、清晰地看到微小病变术中对正常组织的刨伤小。总之，支撑喉镜下的喉部手术使医生有充足的时间反复观察，精细操作，在彻底处理病变的基础上，能够最大限度地保护正常组织，使手术时间相对缩短。近年来，随着激光、微波、射频等新型治疗仪器的问世，大大地拓宽了支撑喉镜下的喉部手术范围。然而，传统的支撑喉镜下喉部手术也有一定的缺点和局限性。手术操作受限于狭小的手术区域、有限的运动范围、双手于喉镜外端口的操作干涉、狭长喉镜内壁的空间限制、工具过长对手颤的放大、工具替换的频繁性及由其视觉引起的定位误差、医生半跪式操作的易于疲劳性和无力感觉的手术工具，所有这些给医生带来困扰，经常导致喉部肌肉损伤，在很大程度上影响了喉部手术的质量。使机器人系统与内窥镜系统相结台，不仅解决了传统内窥镜手术中的许多问题，而且使微创手术进入了一个全新的技术时代。借助内窥镜系统清晰的视觉显示信息，可以使外科医生获得一种与以往传统手术相似的操作环境。同时又有效地利用了机器人在外科手术中的稳定精确的操作，可以减少外科医生在手术中因为疲劳产生的误操作和手部的震颤，提高手术的精度和质量。喉部手术机器人属于此类微创手术机器人系统 n 】。2 0 0 4 年，美国j o h n s h o p k i n s 大学开发了一种新型基于支撑喉镜下的高自由度灵活喉部手术机器人如图1 8 所示。该系统的从操作手共有3 4 个自由度采用主从控制模式，可同时控制三个高灵敏度、高准确性的蛇形末端执行器，实现其在咽喉内的遥操作，尤其是缝合动作。其中，每个末端执行器都是由一个4自由度的分离式平行固定装置和一个7 自由度的可卸换多脊柱蛇形机构组成，采图i - 8 灵活喉部手术机器人- 6 一第一章绪论h j 多根高弹性管作为柔性脊柱，并采用推拉的工作模式来实现任意方向9 0 。的弯曲以及缝合，并能够将平行固定装置的旋转转换成为蛇形机构末端手爪的旋转。该机构外径约为4 r a m ，末端手爪能够产生犬于l n 的作用力，满足喉部手术的基本操作但是整套系统能否提供缝合时所需要的5 0 n 的持针力有待考究。整套机构尚处于基础实验研究阶段旧。2 0 0 6 年h o c k s l e i n 等人对耳鼻曝机器人使用的安全性进行了积极的讨论。机器人手术确实存在一定的优势而且d av i n c i 系统应用到胸腔和腹腔手术中的优秀安全记录，建立了全部设备安全性的坚强后盾但经喉部放置d a v i n c i 手臂仍然将病人暴露于新的风险中。在普及l 临床应用前病人安全必须得到保证。为了评估一些潜在的外科手术进行时的伤害，h o c k s t e i n 做了一些手术实验，从设备安全性、医疗模型和临床实验三个方面在一具尸体上进行了研究。结果表明由d a v i n c i 系统产生的力和作用到尸体皮肤、黏膜、下颚骨和颈椎骨的力都不足以导致在故意的不计后果的操作条件下的严重伤害。但是仍然强烈建议将机器人手臂放入口中的时候要非常小心，保护眼睛的安全防护镜的使用也是非常必要的。综上所述d a v m c i 外科手术机器人系统应用于胸腔、腹腔和泌尿外科手术已经得到了认可，而应用于耳鼻喉外科手术目前还存在系列问题。快速定位和干涉问题是目前支撑喉镜下喉部手术机器人开发的关键问题。为解决此问题，d av i n c i 系统的制造商正在开发小型、专门适用于喉部的手术工具“j 。图1 - 9 d a v m c i 系统应用于喉部手术2 0 0 5 年，天津大学开发出用于喉部手术的机器人“妙手l i ”( m i c r o h a n di i )系统。妙手1 1 具有2 + 6 + 1 个自由度其中粗调调整机构为手动水平旋转自由度与垂直升降自由度，精细操作机构为3 个位置自由度、3 个姿态自由度与末端执行器开台自由度。如图1 1 0 所示妙手i i 系统可在2 0 0 m m x 2 0 0 m m x 2 0 0 m m 空间内完成初步定位与大行程器械更换的轨迹要求：可在中2 0 m m 4 ) 2 5 m m 2 0 m m 的手术操作空间内，完成面向精细操作的全部手术动作。2 0 0 5 年9 月在第一章绪论专业医生的指导r 火津人学与天津市人民医院联合进行了猪声带肿物切除的动物实验。整个手术操作耗时约5 0 分钟由操作人员远程控制妙手i l 进行手术操作。手术过程进展顺利，没有伤害正常的组织也没有发生机器人与喉镜之间的碰撞现象，并最终顺利完成了手术预定目标，基本达到预期效果卅。图1 1 0 妙手i i ( m i 啪h a a di i ) 系统实验证明妙手i i 系统具有较好的可靠性和灵活性，其设计理念符合喉部手术要求，能够满足喉部手术的基本要求。但是，动物实验也暴露出妙手1 1 系统存在的问题：由于系统采用串联结构，导致末端工具的精度较低，抗干扰能力较弱；在双臂协调操作的情况下由于喉部空间狭窄，易导致两工具问产生干涉影响手术的安全性；3 、由于系统坐标系与图像坐标系不重舍，导致系统标定困难，末端工具不能迅速精确的进入到手术部位延误手术时间。1 3 本文的研究意义喉部手术机器人有着巨大潜力及发展前景，当前的手术机器人应用于喉部手术普遍尺寸偏大，需改进，迫切需要一种小型化、专用化、受到相对较少的约束的喉部手术机器人。本文将研究、开发一种专用的喉部手术机器人末端执行器。根据喉部手术特的特对其结构进行设计，降低外形尺寸、减少双手操作干涉，实现双手协调操作，提高手术精度，解决医生操作的位姿问题以及由此带来手的颤动、疲劳问题，减轻患者的痛苦，提高手术的质量和成功率，缩短治疗时间，降低医疗成本。第一章绪论1 4 本文的研究内容第一章绪论通过对医疗手术机器人特别是耳鼻喉手术机器人系统的国内外发展状况、研究水平以及存在的问题等诸多方面的研究，确立了本文研究的意义所在，并且在对设计任务进行充分分析的基础上，简要阐述了本文的主要研究内容。第二章喉部手术机器人从操作手总体方案设计本章首先针对喉部手术的特点，对喉部手术布局、工作空间、基本动作以及任务要求进行分析，并给出量化模型；之后引出喉部手术机器人从操作手的构型综合问题，确定从操作手的总体构型；最后用d h 方法给出从操作手的数学模型。第三章从操作手末端工具详细设计在对喉部手术工具进行分析的基础上，从喉部手术实际情况出发，得出具有自转、俯仰和开合三自由度的喉部手术机器人从操作手末端工具整体结构；之后对关键结构的具体实现方式进行讨论，从而给出末端工具的详细结构：最后对末端工具若干关键结构进行静力学计算。第四章从操作手末端工具结构仿真分析对喉部手术机器人从操作手末端工具进行结构仿真，使用a d a m s 建立末端工具的虚拟样机模型，并施加相关约束及负载。从动力学和运动学的角度出发，分析得出相关部件的运动曲线、电机输出轴的负载转矩曲线和功率曲线等，为控制系统的设计以及电机选择提供理论依据。第五章控制系统硬件设计根据仿真分析的结论以及喉部手术操作的具体要求，进行控制系统硬件设计，确定控制系统总体方案，选择运动控制单元以及伺服电机执行单元，并使用m a t l a bs i m u l i n k 对伺服电机的选择进行仿真验算。第六章全文总结对全文的课题研究工作进行简明扼要的总结，在肯定其研究工作的同时，也分析了其中存在的很多经验教训和不足之处，从而为明确下一步研究的方向打下基础。第谭喉部手术机器人从操作于总体方案设计第二章喉部手术机器人从操作手总体方案设计喉部手术机器人不同于常规工业机器人，其特殊的应用领域要求自身具有特殊的结构特点和运动特性，与工业机器人有明显区别。并且工业机器人在可靠性、安全性及可操作性方面均很难满足喉部手术的要求。为设计出满足要求的喉部手术机器人从操作手必须对喉部手术操作的特点进行分析和量化进而拟定符合手术要求的总体方案。本章首先针对喉部手术的特点，对喉部手术布局、工作空间、基本动作以及任务要求进行分析并给出量化模型；之后引出喉部手术机器人的构型综合问题，得出总体方案：最后给出操作手的数学模型。2 1 喉部手术分析2 1 1 喉部手术布局及操作方式支撑喉镜下喉部手术主要是在对病人进行全身麻醉和使用肌肉松弛剂的情况下，医生借助支撑喉镜和手术显微镜来处理喉部各种良性病变，如声带息肉、声带小结、声带囊肿、任克水肿、乳头状瘤、披裂肉芽肿、声带麻痹、声带癌前病变和早期声带癌等的一类手术。圈2 1 喉部手术布局手术过程中，患者平卧在床上，枕部垫高，医生位于病人头部的正前方，助手位于医生的右侧，替换用手木器械位于医生的右侧，内窥镜的显示器位于医生第- 章喉部手术机器人从操作手总体方案设_ f的左侧，如图2 一l 所示。这种布局方式使得医生和助手可以清楚地观察到手术的进程，并且有利于医生和助手的配合操作，提高手术效率和质量【1 8 】。支撑喉镜下的喉部手术基本动作有切、穿、剥、剪、拉、咬、吸七种，与之对应的手术器械主要包括平头喉剪、翘头喉剪、平头喉钳、翘头喉钳、喉刀、喉吸引管六种。其中喉剪用来分离和切除组织；喉钳用以夹持、稳定或提起组织，便于切开、剥离或缝合，还可以用来切除组织和病变部位，具有剪切力大、切除动作准确、创口小等特点；喉刀用于剥离和切除病变部位，是耳鼻喉手术最简单和常用的手术工具之一；喉吸引管用来在手术中临时清除血液、积液，从而显露出手术区域，使得手术医生可以清晰地看到手术情况。手术过程中，医生以右手操作为主，左手为辅。一般左手持一把喉钳，右手交替使用上述六种喉部手术器械，完成支撑喉镜下的喉部手术。由于受到支撑喉镜的限制，支撑喉镜下的手术总体而言只能完成一些较为简单的操作。图2 2 为支撑喉镜下切除声带息肉的示意图。2 1 2 喉部手术工作空间( 1 ) 喉的生理结构图2 2 喉部手术操作方式1 会厌软骨2 甲状软骨板3 声带4 环状软骨5 喉前庭6 室带7 喉室8 声门下区图2 3 咽喉内部及声带结构示意图一1 1 -第二章喉部手术机器人从操作手总体方案设计喉位于颈前正中部，上通喉咽，下接气管。喉是由软骨、肌肉、韧带、纤维组织及粘膜等所构成的一个管腔气管，前面有皮肤、筋膜及肌肉覆盖，主要具有呼吸、发声、保护和屏气等生理机能。如图2 3 所示，喉腔分为声门上区、声门区和声门下区三部分，其中，声门区室带( 亦称假声带) 、喉室和声带组成【1 8 】。手术过程中，患者枕部垫高，如图2 4 所示，使喉咽部处于拉直状态，由于此区域发生病变可能性较小，多用于放置喉镜，对深处喉部病变进行手术。根据中日友好医院耳鼻咽喉科于1 9 8 6 年1 月至2 0 0 0 年1 月开展的支撑喉镜下喉部手术治疗的1 0 4 0 例病例分析可知，支撑喉镜下喉部手术主要发生在两侧杓状软骨、喉室、声带以及室带上。图2 - 4 喉镜的放置( 2 ) 喉镜空间手术过程中，支撑喉镜位于喉咽部，目的使喉部病变暴露，使手术器械直接到达病变部位进行操作。因此支撑喉镜下的微创外科手术工作空间受到喉镜空间的制纠19 1 。支撑喉镜为薄壁管筒，其近端呈扁圆形，内径为2 8 m m 1 2 m m ：远端呈圆形，内径为1 7 m m ，长度为1 7 5 m m 。为得出简化模型，用足够大的圆域包围喉镜的近端内壁，此圆直径即为喉镜近端内壁所围区域的最大径向尺寸，为3 0 m m ；以同样方法取喉镜的远端内壁所围区域的最大径向尺寸，为2 0 m m ；保持喉镜长度不变，为a = 1 7 5 m m 。由此得到的喉镜空间的近似模型，为一台圆台，如图2 5所示。图2 5 喉镜空间简化模型第二章喉部于术机器人从操作手总体方案设计( 3 ) 手术工具操作空问手术过程中，医生首先调整支撑喉镜的位置，使病变体暴露在支撑喉镜远端附近。通常，当喉镜调整完毕后，喉镜远端与病变体近端距离d = l o m m 。当病变发生在两侧杓状软骨、喉室、声带或室带时，其病变区域的轴向长度约b = 2 0 m m ，此区域即为工具基本操作空间，其形状为圆柱，可以理解为喉镜远端面的延伸，直径为2 0 m m 。考虑支撑喉镜内壁对手术工具位置的约束、工具自身的长度以及喉部生理结构，以喉镜远端为端面，取高c - - 4 0 m m 的圆台，包围上述两区域，得出工具极限操作空间。( 4 ) 喉部手术工作空间综合由上述分析可知，支撑喉镜下喉部手术的工作空间由两部分组成，喉镜空间和手术工具操作空间。其中手术工具操作空间又包括工具的基本操作空间、工具的极限操作空间、喉镜远端与病变体近端之间的区域。具体来说，喉镜空间a ，是工具需要频繁穿过的区域，为0 2 0 m m x 3 0 m m 1 7 5 r a m 的圆台；工具的基本操作空间b ，是病变体存在的区域，为0 2 0 m m 2 0 m m 的圆柱；工具的极限操作空间c ，是工具在支撑喉镜的约束下的可达工作空间，为 2 0 m m x 0 3 0 r a m 4 0 m m 的圆台；喉镜远端与病变体近端之间的区域d ，为 2 0 m m xl o m m 的圆柱，空间b 、d 包含在空间c 中，如图2 6 所示。2 1 3 手术工具动作分析图2 - 6 喉部手术工作空间根据喉部手术录像分析可知【2 1 1 ，手术过程中工具的动作包括工具的位置调整、工具的姿态调整、工具末端的开合、工具的更换及就位。建立手术空间坐标系，以喉镜轴线方向为z o ，病患肩部方向为而，依右首定则给出；建立工具坐标系，以工具轴线方向为z ，病患肩部方向为，只依右首定则给出，如图2 - 6 所示。第_ 章喉部于术机器人从操作手总体方案设计( 1 ) 工具的位置调整指在工具基本操作空间内的小范围三方向移动，移动过程中保持工具姿态不变，此操作过程主要包括对喉部组织的拉拽、对大肿物和病变体的切除等，移动范围即工具基本操作空间2 0 m m 2 0 m m 圆柱；( 2 ) 工具的姿态调整指在工具基本操作空间内的转动，分为工具自转、工具俯仰和工具偏转三种。此操作过程主要包括根据不同的喉部生理结构对手术工具作相应的姿态调整，以及对组织的剥离等精细操作。其中工具自转以z 。为轴线，理论自转角度为3 6 0 0 ；工具偏转和俯仰分别以一和 为轴线，考虑到喉镜内壁的约束以及双手操作的干涉影响，旋转极限角度为8 。；( 3 ) 工具末端的开合指喉剪、喉钳类手术工具末端的开合动作，此操作过程主要针对喉部组织的剪切、夹持等动作，开合范围约为0 6 5 0 ：( 4 ) 工具的更换及就位指手术工具在喉镜空间内沿z n 方向的大范围移动。由于医生在手术过程中需要频繁更换手术工具，喉镜空间是手术工具就位所穿过的区域，移动范围为a + d = - 1 8 5 m m 。对工具更换过程运动轨迹无特别要求，但要求工具落位精确。手术操作过程中的动作可以看作为上述四基本种动作的合成，而整个手术过程即为是依据工作空间中的手术对象，调整工具位姿到达目标点和操作目标点的不断重复。2 1 4 手术工具受力分析喉部手术工具对病变组织施加力主要包括最组织的夹持、牵引以及切割力，根据一般显微外科手术中对组织操作力的统计【2 0 1 ，如图2 7 所示，通常不超过1 n 。由于喉部组织相对密度和韧性较大，取安全系数s = 5 ，从而得出喉部手术工摄子剪刀刀针拉伸夹持牵引修剪剪切切口穿刺i-一：-一一一02 04 06 08 01 0 0 图2 7 一般显微外科手术组织操作力值第_ 章喉部手术机器人从操作手总体方案设计具对喉部病变组织施加的力值极限为5 n ，将此值作为喉部手术系统结构设计及控制系统设计的负载极限值。2 2 喉部手术机器人从操作手设计要求由上述分析可知，喉部手术机器人除了满足外科手术机器人设计的一般原则外，还要满足手术环境、手术工具、手术空间、手术动作等多项技术指标。通过与真实的支撑喉镜下喉部手术操作分析对比，针对喉部手术机器人提出如下设计要求：( 1 ) 从手术实际情况出发，以满足或部手术的基本布局为前提，简化机构；( 2 ) 实现手术工具灵活、准确的位置及姿态调整，实现手术工具在支撑喉镜约束下的狭小范围内的精细手术操作；( 3 ) 快速更换手术工具，并使工具准确落位；( 4 ) 能够双手操作，减小末端工具径向尺寸，有效避免工具间以及工具与支撑喉镜间的干涉；( 5 ) 系统具有较高的刚度；( 6 ) 为完成复杂的手术操作，手术工具末端应具有俯仰、开合功能，以便完成狭小空间内的缝合、打结等操作。2 3 喉部手术机器人从操作手构型综合构型综合是指在机器人设计初期，对机器人的基本构型进行确定，实现运动的位置和姿态，确定机构的基本形式和关节( 或运动副) 的类型、数目、连接方式和相对布置情况等。机器人的构型综合对机器人的机械性能非常重要，它决定了关节空间的运动和力到机器人末端执行器的运动和力的传输【2 2 1 。传统工业机器人构型分为臂部、腕部和手部三部分。其中臂部主要负责机器人末端的大范围移动，使末端达到三维空间内的任意工作位置，即位置调整；腕部主要负责末端工具就位后的方向调整，使末端工具达到所需姿态，即姿态调整；手部主要负责对作业目标的操作，如夹持。喉部手术机器人要求具有足够的承载能力和刚度，且结构紧凑、运动平稳、定位精度高、质量和转动惯量小。应采用适当的驱动方式以避免干涉，适应喉部手术操作空间的要求。另外，还应采用适当的材质和润滑方式，以满足手术对卫生条件的要求。第_ 章喉部手术机器人从操作于总体方案设计根据2 2 2 节分析可知，喉部手术操作在操作空间内进行，其运动范围很小。因此放弃传统机械臂式结构，将臂部和腕部结构集中到喉镜近端附近，即医生双手位置，模拟双手操作。此方式对降低机构质景和体积、提高系统刚度、增强灵活性、适应小范围内的精细操作有重要的作用。机器人的运动通过不同关节实现，关节的基本结构类型主要有五种：转动副r 、移动副p 、圆柱副c 、万向节t 、球面副s 和螺旋副h 等。不同的关节组合形式形成不同的臂部或腕部结构，通常我们选用单自由度关节( 转动副r 、移动副p 、螺旋副h ) 使机构更宜于控制和计算。2 3 1 臂部构型机器人的臂部一般具有三个自由度，用于末端工具的位置调整。根据转动副r 和移动副p 的不同组合，通常有p p p 、r r r 、s c a r a 、r r p 、砒，p 等类型【2 3 1 ，如图2 8 所示，将各类型特点分析如下。( 1 ) 笛卡儿操作臂，即p p p 型三个关节均为移动副p ，且互相垂直，分别对应笛卡儿坐标系的x 、y 、z 轴。此类型操作臂结构简单、具有很高的结构刚度，且三关节解耦，从而使控制系统设计简化，避免了出现运动学奇点。笛卡儿操作臂所能达到的极限范围取决于其自身的结构，因此，当需要扩大其运动范围时将导致机构体积庞大；( 2 ) 关节型操作臂，即r r r 型此类型操作臂和人类手臂相似，由三个转动副r 组成，具有很高的灵活性，在较小的占用空间情况下能够达到较大的操作范围，但其运动学模型复杂，且刚度较差：( 3 ) s c a r a 操作臂由两个平行的转动副r 和垂直于上述旋转平面的移动副p 组成，此类型操作臂适合于执行平面操作，能实现相当高的运动速度；( 4 ) 球面坐标型操作臂，即r r p 型此类型机械臂与关节型操作臂有很多相似之处，但是用移动副p 代替最后一个转动副r ；p p p一多s c a r ai u l pr p p图2 - 8 机器人臂部构型第一章喉部于术机器人从操作手总体方案设计( 5 ) 圆柱坐标型操作臂，即r p p 型此类型机械臂由两个正交的移动副p 和与其中一个p 副同方向的转动副r 组成，其体积较大、灵活性较差。手术的操作空间为q ) 2 0 m m x 3 0 m m 圆柱体，手术操作均为相当小范围内的精细操作，不需要大范围运动。上述各种操作臂，除笛卡儿操作臂以外，均有使运动放大的结构，这将导致运动精度的降低。同时，考虑到机构的刚性、易实现性，从设计、运动方程的简化角度出发，宜选用笛卡儿操作臂作为喉部手术臂部构型方案。2 3 2 腕部构型为使系统具有足够的灵活性，喉部手术机器人腕关节至少需要3 个用于调整姿态的自由度。如图2 - 9 ( a ) 所示，最常见的腕关节由三个正交并交于一点的转动副r 组成，这种结构可以在不改变末端工具位置的情况下使操作臂达到任意期望的姿态，并且具有封闭的运动学解；另外一种机器人腕关节没有相交轴或三轴不交于一点，如图2 - 9 ( b ) 所示，其运动学解较复杂【2 3 1 ，但具有较灵活的结构来实现自转、俯仰和偏转三种运动。图2 - 9 机器人腕部构型腕部构型直接决定了机器人的灵巧性，所以此部分的设计至关重要。由2 2 3节分析可知，喉部手术机器人姿态调整之一是绕末端工具轴线的3 6 0 0 自转，即此旋转轴线已确定沿工具轴线。因此，若采用三轴交于一点的腕部构型，必须将另外两轴机构布置于工具轴线之上，这种布置方式将导致两工具之间的干涉，不宜选用。因此，采用三轴不交于一点的腕部构型，使另外两轴( 即俯仰和偏转)机构后置，从而避免两工具干涉。第二章喉部手术机器人从操作手总体方案设计2 3 3 手部构型喉部手术过程中使用的器械主要包括平头喉剪、翘头喉剪、平头喉钳、翘头喉钳、喉刀、喉吸引管等，如图2 1 0 所示。其中喉钳、喉剪属于复杂手术工具，具有开合自由度。为满足手术需要，现有的方法是采用具有不同角度的喉部手术工具来适应具体的手术状况。在手术过程中，医生要根据具体情况频繁更换手术工具。t 瞬l jj 。： 鼍艰话一，一t 话磅矧直二角唯奢。，一异物键上奇角暇锄碜巧魄口曩散锚鱼醉方卢掣雀钳：上翘型喉剪吉开里嚷钳j 吸引管图2 1 0 喉部手术工具末端为增强喉部手术机器人的灵活性和适应能力，在手术工具末端增加俯仰自由度，从而使一把手术工具适应多种手术状况【2 4 1 。以喉钳为例，将俯仰自由度与自转自由度相配合，即可在一把手术工具上实现左开型喉钳、直型喉钳、右开型喉钳的功能。另外，将开合自由度轴线与俯仰自由度轴线重合，即上、下颚能够独立转动，这样将末端工具的结构精简到最小，传动部件的设计也将得到简化。这对于减小末端杆件的径向尺寸，避免双手操作的干涉起到重要作用。为使上、下颚能够独立运动的同时避免双手操作干涉，必须将驱动装置后置。以单颚为例进行讨论，得到如下方案：( 1 ) 钢丝绳传动如图2 1 l ( a ) 所示，将闭合的钢丝绳缠绕在颚的旋转轴上，另一端经过中间轮缠绕在后置的电机输出轴上，通过电机来带动颚开合。此结构具有较高的效率，较低的回程误差，以及较好的灵活性，且运动直观、易于控制。然而，为提供足够大的摩擦力，钢丝绳在颚的旋转轴上至少缠绕一整周，从而增加了末端部分的尺寸，导致工具干涉；同时，与丝传动相配合的张紧机构也增加了系统的复杂程度；最重要的，当末端工具自转超过1 8 0 。时，将造成钢丝绳间的干涉，从而无法达到期望的功能。( 2 ) 正切机构如图2 1 l ( b ) 所示，由两个移动副组成正切机构，其中连架杆第二章喉部手术机器人从操作手总体方案设计以机架为导路作竖直运动，通过移动副带动摇杆( 即颚) 在一定范围内摆动，机构在一定范围内( _ 4 5 4 5 0 ) 运动近似呈线性，且力学特性较好。然而，此机构末端需要三个运动副( r p r ) ，过于复杂，并且小尺寸p 副加工困难，很难保证运动副间隙达到要求。( 3 ) “类曲柄滑块机构”曲柄滑块机构由滑块的往复运动带动曲柄转动。注意到，手术工具径长比很小( 小于l ：5 0 ) ，连杆将具有一定的挠性，因此，将连杆与滑块固结，以连杆的挠性摆动代替转动副，组成“类曲柄滑块机构”，如图所2 1 1 ( c ) 示。