（机械电子工程专业论文）外科手术机器人从手控制研究.pdf

外科手术机器人从手控制研究摘要外科手术机器人能够将其末端的精密器械引入人体，进行相应的检查或者手术。它将机械技术、机器人技术、电子技术以及视觉等方面的技术应用到了外科手术中。由于具有巨大的经济效益和社会效应，外科手术机器人已经成为国内外研究的热点。通常，外科手术机器人系统采用的是主从控制方式，医生操纵主手实现对从手的控制。本文主要对从手部分进行研究，具体如下t提出一种外科手术机器人从手部分的总体结构方案。该方案将从手分为手臂和手指两部分，分别对手臂和手指进行结构设计，并建立各自的运动学模型。加工出了手臂部分的样机；选用工控机、u s b c a n 、直流驱动器、直流电机以及限位开关等硬件设备，完成了手臂部分的控制方案；运用v c + + 6 0 编写了单关节运动和多关节运动的软件。针对该样机进行了实验研究，包括单关节实验和多关节实验。单关节实验主要用于调试出合适的p d 参数；多关节实验用于对手臂末端进行轨迹控制，并获取每个关节的实验数据。对多关节实验的数据进行了分析，得出了每个关节的误差曲线；使用s i m u l i n k 建立了手臂部分的运动学仿真模型。通过每个关节的实验数据和仿真模型，计算出该机器人末端的误差曲线，、完成了误差正分析。同时为了改进系统，进行了误差逆分析，即在给出末端最大误差的前提下，分析并求解了各个关节的理论最大误差。误差分析结果表明，该机器人系统满足设计要求。关键词：外科手术机器人；控制；实验研究；误差分析外科手术机器人从手控制研究置；i ；i 宣i 葺置暑暑葺i i i ；昌宣宣宣i 昌置暑i 宣i i i i i ；i i i 置i i i ；暑置置a b s t r a c ts u 画c a lr o b o ti sak i n do fm a c h i n et h a tt h ee n do fw h i c hg e t si n t ot h eh u m a nb o d y , f o re x a m i n a t i o no rs u r g e r y t h et e c h n o l o g yo fm e c h a n i c s ，r o b o t i c s ，e l e c t r o n i c s ，a n dv i s u a li sa p p l i e dt os u r g e r y d u et oh u g ee c o n o m i ca n ds o c i a le f f e c t s ，s u r g i c a lr o b o th a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u sa th o m ea n da b r o a d t y p i c a l l y , t h es u r g i c a lr o b o ts y s t e mu s e sam a s t e r - s l a v ec o n t r o lm o d e ，a n dt h ed o c t o r sm a n i p u l a t et h em a i nh a n dt oc o n t r o lt h es l a v eh a n d t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g no ft h es l a v eh a n d ，a n dt h es p e c i f i cs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ：t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es l a v eh a n di sd e s i g n e di nt h ep a p e r , w h i c hi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ea l la n df i n g e r e a c ho ft h e mi sd e s i g n e d t h ek i n e m a t i cm o d e lo ft h e mi se s t a b l i s h e d t h ep r o t o t y p eo ft h ea r mi sp r o c e s s e d t h ei p cu s b c a n ，d cd r i v e r s ，d cm o t o r sa n dl i m i ts w i t c h e sa r cs e l e c t e da n dt h ec o n t r o ls y s t e mp r o g r a mi sd e s i g n e d t h es o f t w a r eo ft h es i n g l e - j o i n ta n dm u l t i - j o i n tm o v e m e n ti sp r o g r a m m e db yu s i n gt h ev c + + 6 0p r o g r a m m i n gs o f t w a r e t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h e 锄a r cc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gt h es i n g l e - j o i n ta n dm u l t i - j o i n te x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n to ft h es i n g l e - j o i n ti sm a i n l yu s e dt od e b u gs u i t a b l ep dp a r a m e t e r s ，a n dt h ee x p e r i m e n to ft h em u l t i - j o i n ti su s e dt oc o n t r o lt h em o v et r a c ko ft h ee n do ft h ea f l n ，a n dg e t st h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fe a c hj o i n t t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r ep r o c e s s e df o ro b t a i n i n gt h ee r r o rc u r v eo fe a c hj o i n t t h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h ea r n li se s t a b l i s h e db yu s i n gt h es i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ee l l o rc u r v e so ft h ee n da l eo b t a i n e d m e a n w h i l e ，i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m ，t h ei n v e r s ea n a l y s i so ft h ee l t o li sa c c o m p l e t e d t h a ti s ，t h em a x i m u me r r o ro fe a c hj o i n ti ss o l v e dw h e nt h ee r r o ro ft h ee n di sd e f i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er o b o ts y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s u r g i c a lr o b o t ；c o n t r o l ；e x p e r i m e n t a ls t u d i e s ；e r r o ra n a l y s i s第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题目的及意义近几十年来，随着机器人技术的日益发展，外科手术机器人越来越受到国际医学研究者的关注，它是- f - j 多学科交叉的新型研究领域，将传统医疗技术与机器人技术完美的结合了起来。现在的外科手术机器人主要是用来帮助医生完成一些辅助动作，或者代替医生的双手来完成手术，但是医生还是在手术中起着决定性的作用。外科手术机器人可以说是现代医学的一次革命，它将机械技术、机器人研究、电子技术以及可视研究等方面的技术应用到了外科手术，机器人技术在医疗微创手术规划、手术定位操作、无损伤治疗、无痛医疗等方面得到了很多的赞誉，他不但将传统的医学进一步发展，还将新的科学技术、新的医学理念融入到了现代医学中p 棚。外科手术机器人的主要作用是代替医生手臂和双手的功能，精确地按照医生的指令完成手术。外科手术机器人是现代医学新的发展方向，它代表了更精确的医疗手段和更好的治疗效果m 。在传统的外科手术中，外科医生的手法即使很高明，也无法避免手术中手部的颤抖和意外的医疗事故，应用外科手术机器人，就会避免这种情况。外科手术机器人只会通过类似人手臂部分的机构将手指部分送至病灶，再由医生操作手指完成手术。这样对人体组织的伤害就会减少，手术精确性也大大的提高。可以说，外科手术机器人是外科病人的新希望例。1 2 国外发展概况在国外，外科手术机器人已经应用于手术当中，并且有一些手术机器人实现了商业化运行。美 c o m p u t e rm o t i o n 公司在2 0 世纪9 0 9 代成功研制了a e s o p 手术机器人，如图1 1所示，该系统能够极大的减少病人的痛苦，而且能使病人恢复期大大缩短。它主要是模仿人的手臂各项功能，代替人体把持内窥镜，可以避免人手会产生的震动导致的镜头不稳定等情况，可以为手术医生提供更加准确、稳定的手术视野，避免手术失误p q 。随后，c o m p u t e rm o t i o n 公司又推出了z e u s 机器人外科手术系统，如图1 2 所示。z e u s 系统不但具有a e s o p 手术机器人的功能，代替人手完成工作，而且能够大大降低病人的痛苦和恢复时间，也提高了手术的精度和安全性，不但降低了病人遭受的痛苦，也减轻了医生的负担，使得医生能够更加准确的进行手术，减少了手术风险n 1 。堋。2 0 0 1哈尔滨丁程大学硕士学位论文年9 月，医生用z e u s 系统在纽约成功地为一位身在法国东部斯特拉斯堡的病人经行了胆囊手术。这次手术具有里程碑式意义，为外科手术系统的全球化奠定了基础。同时也显示了z e u s 系统的强大1 1 5 1 。z e u s 系统中从手系统的每个机械臂具有6 + 1 个自由度，其中6 个自由度用于机器人位置和姿态的调整，另外一个用于位置优化。z e u s 系统采用主从遥操作技术，医生可以舒适地操纵主手，并通过控制台上的显示器观看由内窥镜拍摄的患者体内情况。从手在主从对应算法下模拟主手操作的动作，进而完成手术 们。图1 1a e s o p 机器人图1 2z e u s 外科手术机器人2 0 0 0 年，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司研制开发出了d av i n c i ( 达芬奇) 外科手术机器人手术系统，如图1 - 3 所示。他相比较以前的a e s o p 机器人和z e u s 机器人，有了很大的进步，被称为里程碑式的产品。他目前已经商业化，出口到了很多国家。d a v i n c i 系统包括摄像及视频处理器、主手操作手以及从手操作手。医生操作主手控制从手做与之相应的手术动作。d av i n c i 系统的手术床由机器人手臂和腹腔镜挟持器组成。从手的手指可以在手术切口上回转，从来避免划伤病人的皮肤组织n7 1 。达芬奇系统已经商业化运作，一套系统高达1 0 0 万美元。它主要由两个部分组成：主手控制台和从手手术臂。在使用达芬奇进行手术时，需要先在病人的身体表面切开了三个切口，直径大概1 厘米左右，其中两个切口插入从手操作手，用来进行手术；另一个切口插入内窥镜，反馈手术的实际情况，供医生实际控制手术过程。外科手术医生并不直接接触到病人身体或者机械手，而是站在控制台边，离手术台很远，甚至远程操作时可以相距几千里，实时控制两个正在工作的从手机械手。像操纵杆一样的主手控制手柄，则位于屏幕的正下方，由外科医生操作来控制从手机械手运动。每次主手移动时，2第1 章绪论计算机就向仪器发送信号，控制机械手按照外科医生的意图移动n 8 1 。图1 3d av i n c i p l 科手术机器人系统达芬奇系统的手术控制能力、视觉系统和活动范围都和一般的外科手术大致相同，医生通过操作主手来控制从手机械手来完成各种手术动作。机械手可以避免人手有可能发生的颤抖和痉挛等意外情况，使手术风险大大降低。而且达芬奇系统的手术切口小、病人痛苦小、术后恢复时间短，这也是外科手术机器人的普遍优点。美国斯坦福研究所的p h i l i pg r e e n 研制出了临场感远距离手术系统，被称为格林系统，如图1 4 所示。格林系统是医生坐在一个操作台前面，带上特制的眼镜，通过观察显示装置来观看远距离之外的病人以及手术设备的情况。然后手术医生通过双手控制一个操作手发出信号，操作手中的传感器就会采集到信号，交给计算机处理，然后通过远程通信发送到病人的手术装置上，按照医生的动作完成手术。同时，手术装备还会将完成的动作通过传感器和通信反馈给医生，让医生感觉到当前的动作。目前，这种手术系统仅仅只做了动物实验，离真正的人体试验还有一定的距离h 9 l 。图1 4 格林系统3哈尔滨工程入学硕士学位论文美国j o h n sh o p k i n s 大学研制了能够完成眼部手术的s t e a d yh a n d 夕i , 科机器人系统，如图1 5 所示，该机器人系统共有6 个自由度，包括3 个位置状态调试装置、2 个调节手术姿态的机构以及1 个调节末端直线运动的机构。机械手的末端还安装有力传感器，可以精确到完成手术。这套系统也是外科手术机器人历史上的一个里程碑m 1 。人的眼睛周围的血管和神经都非常细微，稍不注意就会造成损伤，引发严重后果。因此，眼科手术操作都是微米级的微小移动。而人手再做手术的时候，不可避免的会有抖动，而采用机器人的话，就会避免出现这种情况，可以说是眼科手术最需要的工具，他可以帮助医生完成各种高精度的手术操作。s t e a d yh a n d 系统的控制精度最高可达1 5 0微米。图1 5s t e a d yh a n d 机器人2 0 0 7 年，英国圣玛利亚医院进行了革命性的创新，他们使用了h a n s e nm e d i c a l 公司研制生产的s e n s e ir o b o t i c 手术系统来为病人做心脏手术，如图1 6 所示。目前，全世界仅有四所医院拥有这种机器人系统。采用这种心脏手术机器人进行手术，能够大大减少临床危险、增加病人康复机会m 1 。( a )主从对应操作图( b )导管末端上作图图1 6s e n s e i 外科手术机器人系统4第1 章绪论在手术过程中，医生操作一个控制手柄，手柄上的力传感器将医生的动作转换为信号发送到操作导管上，控制导管刺穿病人的静脉到达病人的心脏。当导管的尖端到达病灶后，使用射频电流消除掉引起房颤的异常心肌组织。在医生进行手术的过程中，安装在导管上的摄像装置会反馈回来即使图像，使医生能够通过屏幕随时看到手术的情况。2 0 0 9 年，h a n s e nm e d i c a l 公司在加利福尼亚宣布美国食品药品监督管理总局已经批准其新一代的s e n s e i ( r ) x 导管机器人上市。进一步拓展了s e n s e i 手术系统的发展，新一代的s e n s e i 系统为医生提供了更先进的过程规划和工作流，增强了对机械手导管的控制，减少了对医生和患者的辐射田。2 0 0 9 年，德国航空航天中心机器人与机械电机研究所研制的d l rm i r o 第二代微创手术机器人获得了i f 产品设计和进阶研究大奖。d l rm i r o 系统的结构更紧凑，大小与人的手臂相当；重量更轻，仅仅才1 0 公斤：精度也更高，如图1 7 所示。该系统尤其适合在空间狭小的环境下手术，例如骨骼分离、骨骼表面打孔等。d l rm i r o 系统的显著特点就是采用冗余运动设计。虽然只实现三个自由度的动作，却使用了多达7 个的关节。完全模仿人的手臂，运动非常灵巧，手臂的最大伸展可达1 1 m 。( a )手术示意图( b )手臂结构图图1 7d l rm i r o 系统此外，还有一些很著名的研究成果，例如德国机器人与嵌入式研究中心等研制的针对心脏的微创外科手术系统：日本东京大学所研制开发出的主从遥操作超声诊断系统降2 5 1 ；加拿大科学家和机器人专家研制成功世界首部脑外科手术机器人“神经臂 系统等等。1 3 国内发展概况在国内，外科手术机器人也受到了越来越多的重视，在很多方面也取得了突破性的进展。其中很多方面都达到了国际先进水平。哈尔滨工程人学硕士学位论文2 0 0 4 年，天津大学研发了妙手机器人( m i c r o h a n d ) ，妙手机器人可以说是国内最先进的手术机器人系统，它已完成多次动物实验。妙手机器人采用的双机械臂，具有两个主手和两个从手。主手由医生操作，其末端装有传感器，可以将医生的动作转换为信号并通过通信设备传递给从手操作臂，控制从手进行手术。它可以完成缝合，切除，拆线等复杂操作陋1 。妙手机器人的总体图1 8 所示。图1 8 天津大学妙手机器人系统该系统的的从操作臂具有独特的力检测功能，而主操作臂具有力感觉功能，因此可以实现精确的操作。妙手机器人系统的从手包括由2 个自由度的粗调定位机构和6 个自由度的手术操作机构两个主要部分，从而可以实现手术臂位置的调整以及手术末端精确的操作，该套系统能够完成很多精密的操作，例如微小的缝合和切割。从操作臂采用了圆弧导轨的装备，既能减轻整个手臂的重量，又能实现手术末端的手术点不变，使进入人体的手术工具的姿态不发生变化，不伤害到人体。同时，为了精确地完成手术，妙手机器人还配有视频显示装备，它能够实时的显示当前的手术情况，帮助医生精确地完成手术。妙手机器人还装有自动换刀工具，因为手术中要用到刀、钳子、夹子等各种不同的工具，普通的外科手术都是护士不停地给主刀医生递手术工具，因此在手术机器人做手术的时候，必须开发出换刀装置。同样，还必须开发出用于手术机器人的各种手术刀。这样使得妙手机器人可以方便快速地更换手术工具，连续的完成手术，避免换刀不及时的情况弘”。2 0 1 0 年7 月，世界首台微创脊柱手术机器人在重庆新桥医院进行了前期的临床试验。微创脊柱手术机器人系统由沈阳自动化研究所和第三军医大学新桥医院联合研发。这套手术系统可以靠机械的精准定位，大大提高手术的安全性和减少术后的并发症。而且还填补了国内外在脊柱手术机器人方面的空白，对于脊柱微创手术的推广具有重要的意6第1 章绪论义。其总体外观如图1 9 所示。图1 9 微创脊柱机器人系统微创脊柱机器人由两部分组成：控制台和机械手。机械手模仿人体的手臂结构，包括大臂、前臂和手掌。这三个关节可以全方位旋转，使得末端的手术器械能够到达脊柱椎体和骨骼的任意位置。手掌可以安装各种手术工具，像骨钻、骨刀、椎骨跟螺钉等。其末端还装有光源和摄像头来返回实时图像。控制台有操作面板以及视频装置，医生在操作面板操作机械手机完成手术。微创脊柱机器人可以迅速完成脊柱模型的定位、钻孔等操作，其精确度达到了国际先进水平。与传统的微创脊柱手术相比，微创脊柱手术机器人具有创口小、恢复快等优点。因为脊柱中都是人体的重要神经，一旦出现偏差，就会带来灾难性的后果。因此微创手术必须要做到精确、精准的操作。这也制约了微创脊柱手术的发展。而微创机器人的出现，大大的提高了手术的精确性，可以说是脊柱微创手术的一大发展。北京航空航天大学研制成功了角膜移植机器人系统。该系统由6 个子系统组成，包括机械手术臂、末端环钻执行器、角膜缝合机构、图像处理机构、视觉系统和人机交互系统。其结构如图1 1 0 所示。在手术过程中，医生通过人机交互的模式确定角膜切割的中心位置，使得末端的环钻装置按照预先设定好的轨迹到达手术位置。然后医生发出控制数据，操作机械臂完成角膜切割手术。在机械臂的末端安装有力和位置传感器，可以随时察觉切割深度并将数据实时地显示在显示装置上，在医生的操作下精确的将角膜切割下来。在切割完成后，缝合装置在医生的引导下到达缝合位置，然后自动完成缝针和拉针等动作，最终完成手术雄刈。7哈尔滨t 程大学硕士学位论文图1 1 0 角膜移植机器人系统哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制出了正骨机器人，如图1 1 1 所示。正骨机器人由x 光扫描仪、牵引机械臂和导航机械臂组成。在手术过程中，患者躺在手术床上，先用x 光扫描仪扫描患者病变部位以确定断骨位置，随后再用并联机器人牵引骨折部分复位。在牵引复位完成之后，再由导航机器人自动在断骨的两端钻两个孔，然后将骨钉植入孔内，这样就将钉与断骨牢牢固定。正骨机器人系统具有遥操作手术、半自主手术以及自主手术等三种不同的操作模式，可以满足不同病情的操作。同时，哈工大机器人研究所还引入了虚拟现实技术，制作了正骨手术的仿真系统，这样不仅可以帮助医生手术，避免出现异常情况，而且还能远程操作。正骨机器人可以最大限度地提高手术的精确性和可靠性，保证了患者的安全p 。图1 1 1 止骨机器人在我国，还有很多研究所在外科手术机器人方面取得了很大的进展，其中北京航空航天大学、哈尔滨工业大学和北京积水潭医院共同研究的矫形外科双平面导航技术与机器人系统以及北京航空航天大学机器人研究所和海军总医院共同开发的遥操作远程医用机器人系统都已经很成熟1 3 2 1 。此外，南开大学研究正在研究开发机器人辅助显微外科8第1 章绪论手术系统；河南大学正在研制脊柱外科手术机器人。可以说，我国外科手术机器人的发展已经非常迅速了。有些已经达到了世界先进水平。1 4 论文主要工作内容本课题的研究内容是一种外科手术机器人，共由主手、从手机械手和控制系统三部分组成。本文设计的是其中的从手机械手结构，包括手臂和手指两部分。本课题主要任务是进行机器人从手部分的总体结构方案设计、研制出从手手臂部分样机并对手臂机构进行控制系统的设计和实验研究。论文的主要内容如下：1 、外科手术机器人从手的总体方案的设计：包括手臂和手指两部分的设计。2 、手臂部分和手指部分的数学建模：分别对手臂部分和从手部分进行运动学数学建模，求解出运动学方程。3 、手臂部分的样机研制及控制系统的设计：加工出手臂部分的样机；设计出手臂部分的控制系统。4 、手臂部分控制实验：主要包括实验系统的建立、软硬件系统的调试和最终的实验研究。5 、误差分析：对实验结果进行处理，得出各关节误差曲线；再对末端误差进行分析，参照实验结果与s i m u l i n k 仿真结果，验证误差是否在允许范围之内。9哈尔滨下程大学硕+ 学位论文第2 章外科手术机器人从手结构方案设计2 1 引言外科手术机器人能够将手术机器人的末端精密器械引入人体的某一部分，进行检查或者手术嗍，它可以代替医生的双手，并使得手术更加精确。根据外科手术的要求，手术机器人必须保证医生能够随时了解手术情况、根据医生的想法来进行手术。因此，机器人系统通常采用主从控制的操作方式，外科手术机器人系统由主手、主从控制系统和从手机械手三部分组成。主手由医生控制，根据医生的具体要求设计，本文暂不涉及，它的主要功能是将医生的手部动作由主手上的传感器采集并发送到主从控制系统。主从控制系统本文也不涉及，功能是将主手采集的信号进行处理，然后发送给从手的手指部分模仿医生手部的动作完成手术。从手部分是本课题的研究内容，下文将详细介绍。本章根据外科手术机器人从手工作的要求，确定总体方案，完成对手术机器人的初步设计，对手臂及手指部分进行详细设计并加工出手臂部分，同时对各部分进行运动学分析。2 2 外科手术机器人从手总体结构方案2 2 1 手术机器人从手设计要求外科手术机器人的从手必须要能模仿医生的所有动作，辅助医生完成外科手术。因此外科手术机器人的从手要满足以下功能：( 1 ) 从手必须能够到达手术需要的任何位置和姿态，所以至少需要6 个自由度来实现。( 2 ) 手术机器人要能够移动，使病人在术前能够方便地躺在手术床上。( 3 ) 在进行手术时，医生能够随时控制手术的进行。( 4 ) 要充分保证病人的安全，防止对病人造成损伤。2 2 2 手术机器人从手结构方案从手是介入式外科手术机器人系统最重要的部分，因为从手就相当于外科手术医生的双手，所以从手的结构必须满足外科手术的要求，能够完成普通外科手术医生手部的1 0第2 章外科手术机器人从手结构方案设计各种动作，包括旋转，俯仰，偏摆等。而且能够将手术器械运送至手术位置，并且能够移动。根据设计要求，从手部分设计成两部分：手臂和手指。分别实现位置和姿态的调整。( 1 ) 从手手臂：手臂由3 自由度串联机构和移动小车组成。3 自由度串联机构用来将手指送至病人的手术位置，使得末端的手术刀具能够进行手术。移动小车用来将整套手术臂运送至手术台前。( 2 ) 从手手指：手指有4 个自由度，手指的作用就是在医生的控制下完成手术动作。它的主要功能有：俯仰，偏摆，夹持和旋转。分别由医生通过主手来控制。2 3 从手手臂结构方案设计2 3 1 手臂结构原理手臂的任务主要有两个：一是将整个手术平台移动到手术床前，二是将手指的末端刀具运送到手术位置。因此，将手臂设计成3 个主动自由度，用来将手指送至手术部位；底部设计成移动小车，用来将手术机器人移动至手术床前。机械手自由度的形式主要有两种：转动副和移动副。人的各个关节具有不同的自由度，但是机械手的一个关节只具有一个自由度。手臂部分具有3 个自由度，因此设计为三个关节的机器人结构。按照机器人结构形式，3 自由度机器人主要有以下四中常用的结构形式例：( p 代表的是移动关节，r 代表的是转动关节。)笛卡儿坐标型( p p p ) ：由3 个移动关节组成，工作范围为一个立方体。工作端可以到达工作空间内的任何一点。优点是工作空间容易想象、计算比较方便、控制比较简单。但是占用空间大、工作效率低。柱坐标型( r p p ) ：由1 个转动关节和2 个移动关节组成。它的工作空间为圆柱体。工作端通过移动关节和旋转关节合成运动，到达到工作空间内的任何一点。优点是计算简单、空间容易想象。缺点是占用空间较大。球坐标型( r r p ) ：由2 个转动关节和1 个移动关节组成。如果将柱坐标的第二个移动关节，用转动关节来替换，就可以得到球坐标型。球坐标型操作手的工作空间是薄球壳体。它的优缺点和柱坐标系大致相同。关节型( i 汛r ) ：由3 个转动关节组成，它的工作空间是一个外形不完全规则的椭球壳体。优点是灵活性最强、可以绕过障碍物到达工作点、占用面积最小。缺点是运动直观性太差、工作空间计算复杂、控制难度大。s c a r a 型( p r r ) ：由1 个移动关节和2 个转动关节组成。它的工作空间是截面为1 1哈尔滨工程大学硕士学位论文矩形的旋转体。优点是结构简单、灵活性较强，尤其适用于小型机构。2 3 2 手臂结构方案根据外科手术机器人的实际需求，手臂的3 个自由度设计为典型的s c a r a 型机器人。这种类型结构紧凑、工作范围很大，而且定位的精度很高、占据空间小、运动有很强的直观性。底部为升降机构，由电机通过同步带带动丝杠旋转，从而使螺母带动手术系统上下移动。上面为两个旋转机构。大臂的旋转通过位于钢管内部的力矩电机直接驱动，小臂的旋转则通过安装在另一侧的电机经过大臂内部的同步带带动。位于最下面的移动小车的底部安有4 个万向锁紧轮，可以实现任意方向的灵活移动，当小车移动到手术台附近的合理位置后，锁定4 个万向轮使从手系统固定。手臂的总体设计图如图2 1 所示，包括升降关节、大臂旋转关节、小臂旋转关节和末端被动关节四部分。图2 1 手臂部分总体设计图1 、升降关节设计升降关节主要由同步带、丝杠、钢管和导轨组成。其中同步带用来将减速器的伸出轴与丝杠下端连接，选用的是1 ：1 的同步带。丝杠上的螺母与钢管的下端固连，这样丝杠的旋转运动就可以转化为螺母和钢管垂直方向上的直线运动，实现整个机构的升降运动。而导轨的滑块与钢管的侧面固连，这样可以分担丝杠所受到的侧向力，并使升降运动变得平稳。导轨与侧面的肋板固连。1 2第2 章外科手术机器人从手结构方案设计2 、大臂旋转关节设计大臂旋转关节采取电机直驱的形式，这样可以最大的避免传动间隙和回程误差。电机位于钢管内侧，其伸出轴通过联轴器直接与大臂的转轴相连接。转轴和联轴器位于轴承座内。3 、小臂旋转关节设计小臂旋转关节主要由三部分组成：位于大臂内部的同步带、大臂两端的轴承座和小臂组成。电机通过1 ：1 的同步带直接带动小臂旋转，也是为了尽量避免机械传动机构中存在的传动间隙和回程误差。而使用同步带是为了平衡大臂两侧的重量、避免倾覆，将电机安装在了小臂旋转关节的另一侧。4 、末端被动关节设计这一关节在总体设计方案中是不存在的。之所以加上这一关节是因为样机加工只加工手臂结构，可以在实验中夹持实验物。因此末端加上了一个可以被动调节角度的关节和一个夹子。目的就是可以调节夹持方向以及可以夹持不同的实验物品。2 4 从手手指结构方案设计2 4 1 手指结构原理从手的手指是外科手术机器人最主要的部分，因为它是医生通过主手控制的部分。这部分要代替医生的双手在病人的体内进行手术。而由于外科手术机器人的根本目的就是减少手术创伤，使病人恢复期变短，所以手指占用的空间必须要尽可能的少。像齿轮、同步带等传动机构并不适合手指，因此手指采用了绳牵引的方式，通过绳将尾部控制机构内电机的运动传递到指尖。手指共有4 个自由度，包括手指的自转，指尖部分的俯仰、偏摆以及夹持。自转部分采用绳驱动，结构紧凑，指尖直径小于l o m m ，具有旋转、俯仰、偏摆、加持4 个自由度。采用绳驱动方式，将电机安装于远端的小盒中，其基本原理图如下图2 2 所示。两指尖同向摆动则可实现指尖的偏摆运动，反向摆动则可实现指尖的加持运动，小过轮导引细绳的伸缩方向，通过四个驱动电机控制实现指尖的四个自由度，指尖的转动关节可实现指尖旋转运动。该原理图重点突出基本的结构形式，以及绳传动所带了良好的设计优越性，指尖的体积和质量可以极大的降低，其控制部分绝大部分集中在后端安装电机的控制盒中。这样可以将传动机构分割为两部分：指尖部分和控制盒部分，中间通过细绳来连接。这样可以使用于外科手术的指尖部分的重量和体积最大化的减轻，避免手指指尖部分过于臃肿，有利于手术的进行。哈尔滨t 程大学硕士学位论文，一3一ja 2 指尖偏摆和加持关节a 1 0 旨尖俯仰关节a 3 指尖旋转关节1 指尖滑轮2 - ，j 、过轮3 驱动电机4 传动绳图2 2 手指部分原理图2 4 2 手指结构方案手指主要由指尖和后端控制机构两部分组成，这种布局是根据手指部分的设计要求设计的，总体设计图如图2 3 所示。图2 3 手指部分总体结构图手指指尖具有4 个自由度，即俯仰、旋转、偏摆和加持，其中加持和侧摆由一个机构来实现。因此，加持和侧摆机构、俯仰机构、手指旋转机构这三个机构实现了手指指尖的4 自由度运动。这部分的要求主要就是尽量减轻重量和体积，同时也要保证传动的精确性。手指后端控制机构是手指的动力及传动装置所在，采用4 个电机驱动手指4 个自由1 4第2 章外科手术机器人从手结构方案设计度。后端控制机构的设计要着重注意电机、驱动器、联轴器、轴承、轴等安装布局，优化其安装布局以减小体积和降低整体质量。并要特别注意绕绳轮的设计，以及其绕绳的安装定位和绳的预紧。指尖部分和后端的控制盒部分之间通过碳纤维管相连，下面将分别将介绍两部分的设计方案。1 、指尖结构方案由于要在较小的空间里实现四个自由度的控制，指尖加持、偏摆、俯仰、旋转动作均采用绳驱动，合理的分布才能使得空间布局更有合理性。为了防止在俯仰动作的时候对加持偏摆动作的绳产生影响，采用了安装在俯仰关节上的四对过轮，来改变绳的走向，使得俯仰关节上绳对轮的作用力方向与加持偏转的受力方向始终一致。并且指尖尖端绳的走向均为中心圆的切线方向，空间位置的偏转角度也通过结构尺寸的设计使之相等，从而在一定程度上简化运动学分析。下面将分别对3 个机构进行设计，手指指尖部分的总体结构如图2 4 所示。( 1 ) 加持和侧摆机构的设计手指指尖加持和偏摆机构主要由两个指尖尖端a 和b 组成，每个轮组均有两根驱动绳驱动，且轮组采用分体化设计，充分考虑到两根绳的走向及固连方式，实现了绳驱动的固连优化，不必仅依靠绳与滑轮的摩擦力带动指尖尖端的加持和偏摆运动，而且作用力更大更有效。当两个轮组同步驱动时，为偏摆动作，当两个轮组差动驱动时，为加持动作。指尖尖端a 和b 通过一根轴( 如图2 4 中3 加持偏摆轴) 连接在俯仰机构上，绕加持偏摆轴3 转动。其中偏摆可以实现+ 9 0 0 到9 0 0 的偏转。1 尖端a2 尖端b3 加持偏摆轴4 支架体5 支架体分离块7 碳纤维管8 俯仰轴9 指尖小过轮1 0 - 连接部6 导绳板图2 4 手指指尖结构( 2 ) 俯仰机构的设计1 5哈尔滨：程大学硕士学位论文俯仰机构的实现主要通过两根走向相反的绳驱动，通过俯仰轴9 与指尖连接部1 0相连接，其主要机构支架体9 和支架体分离块组合实现整体的支架连接功能。该方法实现了绳驱动的固连优化，如指尖尖端的有效驱动力一样，不必仅依靠绳与滑轮的摩擦力带动指尖的俯仰运动，而且作用力更大更有效；在满足其良好驱动性能的同时，简化了设计。( 3 ) 旋转机构的设计旋转机构的旋转部在后端的控制盒前部，主要为碳纤维管和轴套连接后通过一对背靠背安装的角接触球轴承与安装在盒子面板上的轴承支架衔接，通过一定绳驱动碳纤维管的转动，从而实现指尖的旋转自由度。2 、手指后端控制机构方案控制机构如图2 5 所示，该结构主要是设计和布置后端控制盒中的绕线轮，其布局紧凑、体积小、质量轻。该结构的设计难度主要在于绕线轮，绕线轮的尺寸小、精度高，必须) j u t 出适宜绕线的螺旋线槽才可以将绳固定。绕线轮的绕线直径与指尖俯仰机构的行程比为1 ：1 ，与指尖加持及偏摆机构的行程比为2 ：1 ，可见后端绕线小轮只需沿正反方向分别旋转9 0 。和4 5 。即可实现指尖俯仰，加持及偏摆3 个自由度的实现。而绕线大轮与管旋转的行程比为1 ：1 ，也可在诈反方向1 8 0 。旋转实现指尖旋转自由度的实现。1 上层面板2 立柱3 绕绳小轮4 定位轴承架5 绕线大轮6 舵轮7 传动轴8 螺纹轴9 一轴承支架1 0 管1 1 精密轴承1 2 角接触球轴承图2 5 控制机构图1 6第2 章外科手术机器人从手结构方案设计2 5 从手手臂和手指的数学建模对机构进行运动学数学建模是机构设计和运动控制实验的基础。它可以将末端的运动姿态转化成各个关节变量，也可以由各个关节变量换算出最终末端的运动轨迹。数学建模是仿真分析和控制实验不可或缺的一部分。本节主要对机器人从手的运动学进行研究，包括机器人3 自由度手臂部分和4 自由度手指部分的运动学模型。2 5 1d - h 法杆件参数及坐标系的定义求解机器人运动学的方法有许多种，比如闭环矢量和d h 法等，本文则采用d h法来求解，这是一种通用的方法，适用于操作臂各连杆之间位移关系的研究瞵1 。串联关节，每个杆件最多与2 个杆件相连，如4 与4 一，和4 + ，相连。由运动学的观点来看，杆件的作用仅在于它能保持其两端关节间的形态不变。这种形态由两个参数决定，一是杆件的长度l i ( a ；) ，一个是杆件的扭转角，如下图2 6 所示。厶关节4 轴和4 f + ，轴线公法线的长度；a ；关节i 轴线与f + 1 轴线在垂直于t 平面内的夹角；z 从第f 一1 坐标系的原点到z m 轴和x ；轴的交点沿z 轴测量的距离：e 绕z h 轴由x h 轴转向x i 轴的关节角；图2 6 参数定义示意图坐标的建立原则如下图2 7 所示：( 1 ) 为右手坐标系；( 2 ) 原点q ：设在t 与a i + 1 剿t i 线的交点上；( 3 ) 磊轴：与a ；+ 1 关节轴重合，指向任意；( 4 ) 轴：与公法线u 重合，指向沿由a 。轴线指向a ；+ 1 轴线；( 5 ) y i 轴：按右手定则；( 6 ) 一沿鼍轴，z i 一1 轴与薯轴交点n o , 的距离；1 7哈尔浜工样入学硕十学位论文( 7 ) a i 一绕一轴，由五- 1 转向z f ；( 8 ) d i z i 一1 轴，z f 一1 轴和薯交点至坐标系原点的距离；( 9 ) 倪一绕z 。一1 轴，由葺- 1 转向誓。a i l图2 7 坐标系建立不恿图杆件坐标系间的变换过程相邻关节坐标系的齐次变换：( 1 ) 绕x i 一。轴旋转q 一。角；( 2 ) 沿x i 一1 轴移动a “；( 3 ) 绕z ；轴旋转b 角；( 4 ) 沿毛轴移动d ，。这些子变换都是相对于动坐标系的，按照“从左到右”的原则可得：卜芗= r o t ( x ，q 一1 ) t r a n s ( x ，q 一。) r o t ( z ，o _ f ) t r a n s ( z ，d i )( 2 1 )d h 变换矩阵：- 1 丁=c o ,s o , c a f 一1s o f s a i 一102 5 2 手臂运动学模型- s o ,c o , c a f 一1c o i s a f 一10口f l- d j s a f 一1d f c g t f 一11( 2 2 )1 、手臂正运动学模型手臂采用的是s c a r a 型机器人。运动学正解的方法有很多种，本文采用了比较通用的d h 法来建立手臂正运动学方程，首先建立坐标系如图2 8 所示。其对应的参数见表2 1 。1 8410q 址o0s 叠ojc第2 章外科手术机器人从手结构方案设计连图2 8 手臂部分坐标系的建立表2 1 手臂部分参数表a , _ , m mq i d e gd l m m0 j d e gl1oo以o20oob3oo岛4乞o00根据表2 1 所列的连杆参数，将其代入连杆变换的通式( 2 2 ) 中，即可得到各连杆的变换矩阵：，；=1o0100o00 0001d 3o1c l - s x00墨c 110ool00oo11 9( 2 3 )( 2 4 )哈尔滨下程大学硕+ 学位论文；=c 2 - - s 20f 1s 2c 200oo1o00o11o01o o0 0一7 一0 乞001001他q以y0 y以：o z0oi x 一【- l c 2 5 p 2n ，i s f 2 + c 声2靠：= 0吼。q s 2 一s ：20 yi c f 2 一s l s 2o z 一0a ，- 0a ) ，一0a ：- 1口ip x口。p yo zp z01见- 一如c 1 岛一z 2 墨s 2 - t ：2p ，il a + 1 2 q s 2 + t x s lp z = d 3( 2 5 )( 2 - 6 )( 2 7 )( 2 8 )其中，墨- s i n ( o , ) ，c 1 = c o s ( 岛) ，c 2l i r ac o s ( o e ) ，5 2 - s i n ( o ：) 。2 、手臂逆运动学模型手臂部分采用的是s c a r a 型机器人，其运动空间容易想象，计算比较方便。因此其逆运动学可用几何法直接求得，这样不但方便计算，而且直观性更强。设目标位置为( 五y ，z ) ，由于第一个关节是移动关节，其运动只受z 坐标的影响，即d ，一z 。建立第2 、3 个转动关节的坐标系如图2 9 所示。其中f l 、1 2 分别为大臂和小臂的长度，吼、岛分别为所求的大臂和小臂的转角。根据三角函数的关系，在、厶和o a 组成的三角形内，可解出b 。2 0第2 章外科手术机器人从手结构方案设计由此得：了ox 2 + ) ，2s 2 + 1 2 2 2 2 1 1 2 c o s ( 1 8 0 。一0 3 )( 2 9 )c o s 妒咖学亿埘x图2 9 手臂部分逆运动学坐标建立为了保证解得存在，目标点( 工，y ) 必须满足：以2 + y 2s+12(2-11)在保证解存在的前提下，可能会有两个解：0 3 一一色( 2 - 1 2 )在手臂逆解中，为了合理的进行控制，总是选0 3 为正值。这样保证了逆解的唯一性。只的值在不同象限对应的公式是不一样的，为了简化计算，这里只讨论第一象限的情况，首先计算角度口和：口。a r c t 如上( 2 1 3 )c o s 罗。错仫由此可得：02=口-p(2-15)式( 2 1 2 ) 和( 2 1 5 ) 为逆运动学模型。2 1哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文2 5 3 手指运动学模型1 、手指正运动学模型手指指尖部分具有4 个自由度，即俯仰、旋转、偏摆、加持，其中加持自由度属于最简单的两自由度并联机构，在此不列入运动学模型之中，只求解串联机构的运动学。而旋转、偏摆、俯仰3 个自由度则是串联结构。本小节采用d h 法来建立这3 自由度串联手指的正运动学方程，首先建立手指部分的3 个自由度的坐标系如图2 1 0 所示，各个连杆对应的参数见表2 2 。聊图2 1 0 手指各关节坐标系的建立表2 2 手指连杆参数连杆i变量0 i瓯ja i 1谚变量范围1统( o 。)o 。001 8 0 4 1 8 0 。2晓( 0 。)9 0 。o比9 0 。瑚。3晚( 一9 0 。)9 0 。a z01 8 0 。电。40 4 ( 0 。)0 0a 30根据表2 1 所列的连杆参数，将其代入连杆变换的通式( 2 2 ) 中，即可得到各连杆的变换矩阵：7 =c l s 100s lc 100001 o0o01( 2 1 6 )( 2 1 7 )00 如1oloo唱。叱。吃0 峭o第2 章外科手术机器人从手结构方案设计=001oc 3s 31 一口2一s 3 一c 3000oo1=1001000oo口3001o01( 2 1 8 )( 2 1 9 )其中，s x = s i n ( 0 1 ) ，q = c o s ( 0 1 ) s 2 - s i n ( 0 2 ) ，c 2 - c o s ( 0 2 ) ，岛- s i n ( e 3 ) ，c 3 一c o s ( e 3 ) ，s 3 - - s i n ( 0 3 ) ，下同。其中：t ? =心吱珂，0 y厅z0 zo0a ip l4 yp ，a zp z01( 2 2 0 )以。c l s 2 c 3 + s 1 s 3以y 。s i s 2 c 3 c x s 3他。c 2 c 3q 。- c t s 2 s 3