（机械电子工程专业论文）主从式MIS机器人设计.pdf

中文摘要 微创外科手术( m i s ，m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y ) 以其创伤小、可减轻患者 痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗社会成本等诸多优点在传统的外科手术领域 中得到应用并迅速发展，而腹腔镜微创外科手术作为微创的代表，是对传统开放 性手术的一次重大变革：机器人技术在医疗领域的应用和发展，提高了外科手术 的精确度和稳定性，是外科手术领域的进一步突破。 本文在机器人技术的基础上，结合腹腔镜微创外科手术的特点、技术要点和 手术适用范围，进行主从式微创手术机器人系统的设计。 首先，根据微创外科手术中手术工具的工作原理，设计了一对4 - d o f ( d e g r e e o ff r e e d o m ) 从手，在功能上，它完全能够完成相关的传统手术的基本动作，这 部分的设计还充分考虑到机器人手术的精度和安全性问题；另外，为了方便手术 时从手的定位和调节，设计了一个可调节的从手手术平台。 其次，对应于从手，设计了异构式的主手，主手的主要设计原则是：功能实 现、可控性和操作舒适性等。 最后，进行了从手动态状态下的受力分析；构建了从手连杆坐标系，建立运 动学方程，对其进行了运动学反解；分析主从手之间的关系，建立了两者之间的 转换矩阵。 关键词：微创外科手术机器人主从式结构设计 a b s t r a c t m i s ( m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y ) h a s al o to f m e r i t ss u c ha sl i t t l ew o u n d ，l i g h t p a i n ，f a s tr e c u p e r a t i o na n dl o wm e d i c a ls o c i e t yc o s t ，e t c ，s oi th a sb e e na p p l i e da n d d e v e l o p e d f a s ti nt r a d i t i o n a l s u r g i c a lf i e l d e n d o s c o p em i s ( e m i s ) i st h e r e p r e s e n t a t i o no fm i s ，i t st h ei n n o v a t i o nt o t h ef i e l do ft r a d i t i o n a lo p e ns u r g i c a l o p e r a t i o n t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr o b o t i c s i nt h ef i e l do fs u r g e r y e n h a n c e st h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fs u r g i c a lo p e r a t i o n ，i th a sb e e nt h ef u r t h e r b r e a k t h r o u g hi nt h i sf i e l d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h et e c t m o l o g yo fr o b o t i c sa n dr e l a t e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c ， m a i nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a b i l i t yo fe m i s ，t h ep r i m a r ya n ds u b o r d i n a t es y s t e mo f m i sr o b o ti sd e s i g n e d f i r s t l yb a s e do nt h ef u n c t i o np r i n c i p l eo fo p e r a t i n gt o o li nm i s ，ap a i ro f f o u r - d o f ( d e g r e e o ff r e e d o m ) s u b o r d i n a t ea r m sa r e d e s i g n e d ，i t c a r l f u l l y a c c o m p l i s ht r a d i t i o n a ls u r g i c a lm o t i o ni nf u n c t i o n ，w h a t sm o r e ，a c c u r a c ya n ds a f e t y a r ec o n s i d e r e df u l l yi n t h i sp a r t ；i na d d i t i o nf o rt h eo r i e n t a t i o na n da d j u s t i n go f s u b o r d i n a t ea r l ni ns u r g e r y , a l la d j u s t a b l es u b o r d i n a t e a r t no p e r a t i n gt a b l ei sd e s i g n e d s e c o n d l yi s o m e r o u sp r i m a r ya r m i sd e s i g n e dc o r r e s p o n d i n gt os u b o r d i n a t ea n n i t sm a i nd e s i g np r i n c i p l ei s ：f u n c t i o nr e a l i z a t i o n ，c o n t r o l l a b i l i t ya n dc o m f o r t a b l e o p e r a t i o n ，e t c l a s t l ys u b o r d i n a t ef l l t r li sa n a l y z e da ti t sf o r c ec o n d i t i o n s ；l i n kc o o r d i n a t es y s t e m o fs u b o r d i n a t eg r i ni se s t a b l i s h e da n dk i n e m a t i ce q u a t i o n sa r eo b t a i n e d ，t h r o u g ht h e e q u a t i o n st h eu n k a o w np a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d ；i na d d i t i o nt h eb a s e dt h er e l a t i o n b e t w e e np r i m a r ya n ds u b o r d i n a t ea r m , t h et r a n s i t i o nm a t r i xb e t w e e nt h e mi sr e s u l t e d j n k e yw o r d s ：m i n i m a l l y l n v a s i v es u r g e i y c o n f i g u r a t i o nd e s i g n p r i m a r ya n ds u b o r d i n a t e r o b o t i i 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，也不包含为获得苤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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：井决，渺岛 签字日期：五师心年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注太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：斗志、鸸 签字日期：上j 年月g 日 导师签名： 签字日期：m j 年月，步日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 医疗领域中的机器人技术应用 现代的开放性手术( 通俗说法叫“开刀”) 起源于十九世纪4 0 年代，在人们长期 同疾病做斗争的过程中，由美国医学家m o r t o n 、匈牙利科学家s e m m e l w e i s 、英国 医学家w e l l s 等逐渐解决了以往同扰外科手术发展的几大难题疼痛、感染、出 血等，从而创立了外科手术学，经过长达一个半多世纪的发展，外科手术成为治疗 外科疾病、解除病人痛苦最重要的乃法之一，为保障人类的健康，延莨人类寿命做 出了巨大贡献。长期蚍来，传统的开放外科手术虽然在不断创新和发展，但始终无 法解决手术切口大、创伤大、手术精确度底、术后并发症难以避免、术后恢复慢和 切口愈合厉体表不美观等缺陷。 为了解决传统开放手术的诸多缺陷，世界上许多外科学家始终在不断探索新的外 科手术方法。而机器人相对人而言，在一定的场合，具有更高的可靠性和精确性； 因此，机器人在医疗领域开始出现并得到应用。事实证明，医疗领域机器人技术的 应用取得了很好的临床效果。 医疗外科手术机器人是特种机器人研究的一个蓬勃发展的新领域。近几年来， 随着机械电子技术由传统的机械学、传感技术与先进的微处理机结合而成的新兴技 术的迅猛发展，给医疗机器人技术带来了高速发展的机会；同时，由于人类文明的 进步和牛活水平的提高，也推动了医学机器人工程的发展，促进了医疗领域的自动 化和机器人化。 机器人在手术中的应用带来了现代医学一场新技术革命的孕育与成长。机器人技 术在医学领域的开发与应用将极人改变2 1 世纪外科手术的面貌，并将导致医疗领域 新的技术变革。近十年来，国外医疗外科手术机器人研究发展迅速，总体呈现以应 用为驱动，多个领域齐头井进的局面。 1 2 医疗机器人的发展概况 目前，先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损 伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传 伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传 天律大学硕士学位论文第一章绪论 统医学的革命，也带动了新技术的发展。 由于该方面研究以改善医疗手段、提高社会医疗保健水平为目的，具有极大的 社会效益和经济效益，它往往得到政府的大力支持，这就极大地推动了研究工作的 开展。同时，由于医疗机器人研究属于医学与多门工程技术的交叉学科，它又具备 多学科紧密协作、共同研究的特点，特别是许多医疗机构积极参与系统的研制与试 验工作。由于上述原因，外科手术机器人技术得到了迅速的发展。目前，已有多家 研究机构研制出试验样机，其中有的己成功地进行了临床试验，并有少数系统实现 了商品化。 目前，现在医学机器入主要分主要包括外科手术机器人、康复机器人和和医疗服 务机器人，其中，康复机器人的主要应用领域包括助残和老人看护等，研究领域主 要包括康复机械手、智能轮椅，以及家庭和单位之间的交互设备及智能控制界面等； 医疗服务机器人一般用来辅助护士完成食物、药品、医疗器械、病志等的传送和投 递工作。医疗外科手术机器人主要应用领域包括：脑外科手术机器人、骨外科手术 机器人、脊椎外科手术机器人和腹腔镜外科手术机器人等；下面主要介绍以下国外 研究机构在外科手术方面的主要研究成就作一简要的介绍。 1 2 1 外科手术机器人研究现状 1 、脑外科手术机器人 瑞土洛桑大学研制出一种脑外科手术机器人【1 】【2 】，手术时患者的头部被固定在 一个钢制框架内，医生通过c t 观察病人颅内情况，并将有关的手术数据输入到控制 机器人的计算机中计算机自动识别脑中的病灶，并规划出通往病灶的途径，根据 医生的指令，完成病人头部的皮肤切开、在头盖骨上钻孔、刺穿脑膜等工作，微型 仪器从2 毫米粗的导管中伸入到病变部位进行手术。这台机器人系统能切除脑肿瘤、 能用放射性光束杀死脑中的癌细胞，还能用导管破坏帕金森病患者脑中的有病细胞， 从而制止病人的颤抖。 2 、骨外科和脊椎手术机器人系统 1 9 8 6 年，美国i b m 的t h o m a sj w a t s o n 研究中心和加利福尼亚大学的研究人员 开始合作开发一种创新的系统，以便进行筋骨整体置换手术。在此基础上，1 9 9 2 年 成立- t i n t e g r a t e ds u r g i c a ls y s t e m s 公司并推出了r o b o d o c 机器人系统【1 2 1 ，它是在 传统工业机器人技术基础上开发而成的，可以完成全筋骨替换，筋骨置换及修复和 膝关节置换等手术。相应的，该公司还开发了o r t h o d o c 图像处理系统，根据c t 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图片进行3 d 建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据，帮助医生完成监控和虚 拟手术该系统已经通过美国食品与药品检验局( f d a ) 认证，在美国、欧洲、中东、 亚洲等地得到应用。 3 、腹腔镜外科手术机器人 1 9 9 4 年，美 c o m p u t e rm o t i o n 公司研制成功a e s o p - - 1 0 0 0 型手术机器人团。 a e s o p 系统延承了介入手术减轻患者痛苦和损伤、康复快和花销低的特点，模仿人 图1 - 1a e s o p 外科手术机器人 手臂的功能，并取消了对辅助人员手动控制内 窥镜的需要，提供比人为控制更精确、更一致 的镜头运动，为医生提供直接、稳定的手术视 野。在此基础上，c o m p u t e rm o t i o n 公司分别 于1 9 9 6 年1 1 月和1 9 9 8 年1 月研制成功世界 上第一台用语音控制的a e s o p - - 2 0 0 0 型外科 手术机器人和第一台具有7 个自由度的 a e s o t x - - 3 0 0 0 型外科手术机器人。图1 1 为 a e s o p 外科手术机器人。 1 9 9 6 年初，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 机器人外科手术系统，用于微创伤手术。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，大大降低 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。z e u s 系统采 用主从遥操作技术，分为 两个子系统，s u r g e o n - - s i d e 系统和p a t i e n t s i d e 图1 _ 2 删8 外科手术机器人 系统，s u r g e o n - - s i d e 系统由一对主手和监视器构成。在此，医生可以坐着操纵主手 手柄，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。p a t i e n t - - s i d e 由用于定位的两个机器人手臂和一个控制内窥镜位置的机器人手臂组成，整个系统 天津大学硕士学位论文第一章绪论 如图1 _ 2 所示。从手的每个手臂具有6 十1 个自由度，其中6 个用于姿态调整，另 外一个用于位置优化。在6 个姿态控制自由度中，4 个由电机驱动，另外两个无动 力。通过z e u s 系统，医生可以在舒适的工作环境下操纵主手动作，并通过监视器 实时监视手术的过程；在手术地点，从手忠实地模拟并按比例缩放医生用主手操作 的动作，完成手术。 2 0 0 0 年1 月9 日，美 i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功开发出d a v i n c i ( 达芬奇1 外科 手术机器人系统( 如图1 3 所示) h 2 1 1 3 ，它是目前为数不多的商品化的使用技术之 一。它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。手 术医生在控制台上通过主手( 复制医生的运动) 操作机器人动作，通过脚踏板来控制 高质量的视觉系统。多功能手术床包括2 个机器人手臂和一个内窥镜挟持手臂。为 避免损伤患者微细组织和神经，内窥镜手臂在手术切口l c m 上回转。 d av i n c i 系统可以 为医生提供和开放式 手术一样的直觉控制、 运动范围和组织处理 能力，医生可以在别的 房间甚至其它医院进 行远程控制机械手实 施修复心脏瓣膜等多 种精密手术。如果医生 在操纵控制杆时手臂 发生颤抖，系统会自动 图1 3 d a n c i 外科手术机器人 纠错，避免出现误操作。 此外，机械臂还能完成一些人手无法完成的极为精确的动作，手术切口也可以开得 很小，从而缩短患者在手术后恢复的时间，同时还可以提高手术效率，节约费用。 在国内，由北京航空航天大学机器人研究所、清华大学计算机图形图像中心和 海军总医院共同开发的遥操作远程医用机器人系统，该系统主要由影像获取传输， 虚拟手术规划、智能机械臂、病人头部( 病灶) 固定装置等部分组成，可以完成确定 手术靶点、重建三维病灶轮廓、引导定位器械、定向手术系统等多个复杂步骤，治 疗脑部纵深病变无需开颅。这一手术突破了传统脑外科手术的定式，病人头上不必 再戴厚重的金属框架以辅助定位，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。上海交通大学仪器工程系在国家八六三高技术基金资助下研究全方 天津大学硕士学位论文第一章绪论 向蠕动式机器人驱动内窥镜系统，通过电磁驱动方式由驱动源携带全套光学检测系 统、钦激光手术等装置进入人体肠道，取代当前传统的医学内窥镜，适应无创和少 创外科手术的发展趋势。近来，哈工大机器人研究所在“8 6 3 ”计划的资助下，联合北 京航空航天大学机器人研究所、北京积水潭医院、哈尔滨医科大学附属第二医院等 单位共同研制出一大一小两种类型的接骨机器人系统，大型系统侧重于跟踪国外先 进技术，用较大的投资建立适于研究和应用的全数字医疗平台，开展医学图像处理、 网络遥操作、自动化手术、手术虚拟仿真等医疗机器人通用技术的研究及在接骨手 术中的应用；小型系统侧重于实用化研究，突破了经x 射线图像导航机器人完成髓 内钉的远端孔锁定手术的难题，系统采用框架式结构，具有体积小、价格低、便于 医生操作，便于大面积推广等特点。至今已完成2 1 例临床手术，手术成功率1 0 0 ， 得到了医疗单位的认可。 1 2 2 医疗机器人的应用现状 目前，医疗机器人的实际应用主要集中在外科手术领域，机器人做手术十分精 确，比如：一个神经外科大夫做手术时，由于手的抖动，精度很难控制；而机器人 的精度可以很容易的达到微米级。因此医疗机器人得到了广泛的研究和应用，目前 已经商品化的产品包括前面提到的t o b o d 0 c 、a e s o p 、z e u s 和d av i n c i 等系统“1 ，在 各种外科手术中得到了广泛的应用。女h t o b o d o c 辅助外科手术系统在德国、澳大利亚、 西班牙、法国、英国、瑞士、中东、日本、韩国、印度等多个国家和地区都有应用， 在世界范围内有近5 0 0 台a e s o p 机器人在m i s 中得到应用，每年完成数万例手术，z e u s 系统在美国和欧洲的应用也十分广泛。 1 9 9 8 年，美国亚特兰大的乔治亚工业大学计算机学院研制成功了集成式远程神经 外科手术系统i r n s 。同年，第一例远程遥控机器人肾脏入侵手术在美国马里兰巴尔 的摩市约翰霍普金医院和意大利罗马的t o tv e r g a t a 大学之间进行。2 0 0 1 年8 月9 日， 我国的首次由远程遥控机器人完成的脑外科手术也在中国海军总医院取得成功。 2 0 0 0 年5 月3 日至1 1 月6 日，美国食品与药品检验局授权u n i v e r s i t yh e a l t hs y s t e m o fe a s t e r nc a r o l i n a 应用d av i n c i 系统进行临床试验，以研究机器人手术在心脏瓣 膜修复或置换手术中的应用。研究表明，利用机器人手术的患者的康复时间只有传 统手术的一半。目前，单在美国就有超过1 5 个州的2 8 家医疗机构应用d av i n c i 系统 开展心脏、消化系统、泌尿科、妇产科等外科手术。 2 0 0 1 年9 月7 日，法国医生雅克马雷斯科领导的来自消化系统癌症研究学会的一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 个医疗小组在美国纽约为远在法国斯特拉斯堡的病人进行了胆囊摘除手术。经过十 多年来的努力，医疗机器人已经在脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除手术、腹腔手 术、人工关节置换、整形外科、泌尿科手术等方面得到了广泛的应用，在提高手术 效果和精度的同时，不断开创新的手术，并向其它领域扩展。 1 _ 3 未来发展 随着高科技的飞速发展，微电子学、计算机技术、光电技术等先进的科学技术 正在不断向医学渗透，将使腹腔镜技术更趋现代化、合理化，模拟更逼真。腹腔镜 微创外科将在广度和深度上取得更大的进展：一是利用传感器和设备，使医生在操 作器械时产生“手感”，使腹腔镜手术近似医生手操作；二是机器人将在腹腔镜手术 中广泛应用；三是通过卫星建立世界范围的信息网，实现对患者远距离诊治。 1 4 本课题的意义以及主要研究内容 从接触的国内材料来看，西方一些国家已经有外科手术机器人的系列化产品和 使用，而在国内还没有相关的产品组织生产，而且在外科的应用更是少之又少。随 着国民经济的快速发展和科技的进步，外科手术的改革时期已经到来，改善医疗手 段、提高社会医疗保健水平，突破传统手术的束缚也成了当今医学发展的一个趋势， 因此，本文将致力于微创手术机器人的探索和开发，并对其设计原则、设计方法和 结构方面进行研究和探讨，这些对于填补国内空白、提高国内外科手术机器人的水 平，都有着深刻的实际意义和理论参考价值。 本文主要研究的是腹腔镜微创手术机器人的主从手的机械系统和驱动系统设计 以及其动力学分析，具体研究内容只要包括： 系统分析：根据机器人的使用场合，明确采用机器人的目的和任务；分析机 器人所在系统的工作环境；分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能；进行必 要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料，进行综合分析，找出借鉴、选用之处 和需要注意的问题； 方案设计：根据系统分析结果，确定机器人设计的基本方案； 机构设计：根据选定的方案，对其关节以及杆件等、传动配置及其结构进行 设计；传动方式和驱动方式的设计；零部件的设计等。 力学和动特性分析：对各零部件以及关节进行力学分析和强度校核；估算惯 天津大学硕士学位论文第一章绪论 性参数，验证动力容量以及速比的正确性。 运动学分析，探讨机器人矩阵方程的解的问题。 通过前面的介绍可知，a e s o p 为非主从式机器人系统，z e u s 为主从遥控操 作机器人系统，这两者都存在了冗余自由度，因此操作的灵活性能好，但是同时， 成本也相对较高，控制的难度也比较大；与d av i n c i 机器人系统相比，虽然同为 主从式结构，但是本课题所做的机器人系统功能更为专一，结构更为简单。因此， 成本较低，控制难度相对也较容易。 天津大学硕士学位论文第二章微创手术机器人 第二章微创手术机器人 2 1 微创技术的概念以及应用 微创，意指微细的创伤；它是随内窥镜发展起来的微小创伤技术。源起自1 9 8 7 年，法国医生尝试利用光学仪器，籍着穿刺导管观察病人体内器官，并率先应用在 切除胆囊的手术上【6 】【”。微创外科是一广义概念，小切1 3 不等于微创外科，微创外 科应从整体来衡量，是局部与全身的统一。目前微g , j # l - 科涉及各个领域，包括内镜 手术、小切口、各种导管治疗、介入治疗、穿刺注射、引流技术以及泌尿外科的腔 内技术等。认为凡是能应用对机体产生较传统外科创伤小的治疗手段治疗疾病，能 达到甚至超过传统外科治疗疗效的治疗手段都属于微创外科范畴。微创一直是外科 学追求的境界，微创技术解决了外科手术野良好的显露，同时又不需要大手术切口 的问题。微创外科是技术创新，不是外科学革命。并没有从根本上改变外科技术的 基本原则。微创外科的适应范围还没有达到开放式手术的广度，但在某些领域却打 破了开放手术的禁区。目前在各医院存在的微创外科中心，对于微创技术的推动起 着积极的作用，2 1 世纪微创外科的发展前景无疑是令人鼓舞的。 腹腔镜可以说是微创手术的代表，它集检查、治疗、手术、图像采集传递、病 历分类管理为一体，医生可通过电视屏幕上所显示的图像判断病情，再利用激光、 电刀切剖等特殊器械最大量地减少组织损伤，加速术后恢复进程。而腹腔镜外科带 来的外科微创化思潮，正从各个角度渗入至外科各个环节，传统的手术设备经过革 新，可以用于腹腔镜手术：同时，腹腔镜外科的一些设备发明，亦同样适用于开放 性手术。外科微创化概念相信会成为2 l 世纪外科的主流而显示其活力，某些争议亦 自然是免不了的。 外科学的微创化包含两个方面：一是手术工具、途径和技艺的改进，使手术给 病人带来的损伤减少到最低；二是在器官、组织、细胞和基因调控的不同水平干预 人体对重大创伤的反应，使其趋向于“微小化”。其目的是维护机体防御机制，最 大限度地减轻机体不良反应，促进机体修复与痊愈。微创外科还代表了以人为本的 人文主义文化，是“生物一社会一1 ) 理”新型医学模式的一种具体体现，强调精神 心理方面的治疗。医学已成为面向社会健康人群、提高生命质量的科学。微创外科 天津大学硕士学位论文第二章微创手术机器人 安全、有效、损伤小，病情恢复快，能满足广大病人的需求和利益，因而受到重视， 成为病人的首选治疗措施。 2 2 机器人微创外科手术与传统开放性手术 传统的外科手术需要医生在病人身体上切开一个足够大的切口，对几乎所有的 动手术部位需要提供最佳的显露途径，这样对病人的皮肤、肌肉、体内组织和骨头 等造成很大的伤害，使病人感受更大的痛苦和需长时间的恢复。而机器人微创外科 手术尽量使切口的面积不大于l c m 或通过能动内窥镜或导液管进入血管、胃肠道和 其它人体内部腔道结构部分。相对传统开放性手术，实现机器人微创外科治疗将具 有下列优点： 1 、节省人力。机器人控制的腹腔镜手术通常内术者本人即可完成。即所谓的一 个医师的手术，有时需一个助手更换器械； 2 、机器人手术系统的诞生使远程手术成为可能； 3 、手术创伤小：术后疼痛轻，一般人术后不再需要止痛药。减少病人的手术创 伤和肉体上的痛苦； 4 、术后恢复快，比传统手术更安全，可靠：手术后次日可食半流质饮食，并能 下床活动，术后一般3 天即可出院，一周后恢复正常生活、工作； 5 、腹部不留明显疤痕：传统手术疤痕长且影响外观的缺点，如胆囊切除术，传 统手术疤痕长达1 2 厘米以上，而腹腔镜手术基本不留疤痕； 6 、减轻了医护人员体力、精神以及时间上的负担； 7 、能有效地防止肝炎、艾滋病等对医护人员的感染； 8 、术后治疗简单、费用降低：由于感染的机会小，术后2 4 小时内就能进饮食， 所以术后静脉输液及抗菌素用量明显小于剖腹手术； 9 、术后住院时间短：由于腹腔镜手术术后恢复快，进食早，术后住院时间较短， 最短2 天，最长4 天。 当然，机器人手术系统同一切新技术一样，在初始阶段总有不尽如人意之处， 其主要缺点是： l 、使用机器人腹腔镜手术系统的医师须经特殊训练，其操作熟练程度也有个学 习的过程； 2 、费用和设备昂贵，一个重要原因就是国内相应的技术设备还跟不上实际需 要，绝大多数器械都是从国外引进的，因而成本比较高； 天津大学硕士学位论文 第二章微创手术机器人 正是由于机器人微创手术较传统开放性手术具备很大的优势，它已经应用于很 多临床医学领域，并取得了举目共睹的成就。更多的领域正在研究探索中，相信在 不久的将来肯定会有所突破。总的来说，机器人微创外科手术符合当今国际生物医 学工程领域提出的少创和无创手术的发展趋势，得到了很大的发展。特别是近年来， 微型机械电子系统研究的开展和深入，使得微小技术、微型系统获得迅速的发展， 从而极大地促进了医疗用机器人的微型化、微观化。 天津大学硕士学位论文 第三章机器人系统设计 第三章机器人系统设计 下面所述的设计中，所涉及到的微创手术一词特指微创腹腔内窥镜手术。在 本章中，将进行微创手术机器人的机械系统和驱动系统的设计，主要内容包括从 手、手术工具、主手以及驱动装置等几个方面。 3 1 机器人机械设计和结构的特点 机器人机械设计的特点是由它的独特结构决定的。它和其它机器的设计相 比，有许多不同之处。如机床的设计需保证所有零部件在最不利的条件下仍能够 正常地工作。如果在承受极限负载的条件下，最薄弱的环节不能满足要求的强度 或刚度，通常要采取“增加质量”的方法，例如用加大传动轴的直径，增加箱体 或床身的壁厚来解决。但对于机器人的操作机，“增加质量”虽然可能提高机件 的局部刚度，但整体的动态性能可能会因为惯量的随之增加而恶化，各关节电机 的驱动功率也会随之提高，使机器人的成本上升。 机器人独特的结构特点大致可以归纳为以下四点删： ( 1 ) 机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连杆系。 为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的， 因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化： ( 2 ) 在组成操作机的开式连杆中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于 主动连杆系。这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都是出 自同一个驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。由于操作机连杆的运动各自独 立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活； f 3 ) 连杆驱动扭矩的瞬间过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反 馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和 运动精度都有较高的要求： ( 4 ) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化，因 此，极容易发生震动或出现其它不稳定现象。 从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其臂杆的负载能力一自重比尽 量大，结构的静态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态 性能。 臂杆的质量小有利于改善操作机工作的动态性能，负载能力一自重比大意味 天津大学硕士学位论文第三章机器人系统设计 着工作效率高，造价高。 结构静动态刚度好有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的跟踪精 度，这在离线编程时是至关重要的。刚度好还可以使复杂的前馈控制变得不那么 重要，从而降低对控制系统的要求和造价。操作机具有较好的刚度，还可以增加 机械系统设计的灵活性，比如在选择传感器安装位置时，刚度好的结构允许传感 器放在离执行件较远的位置上，所受到设计方面的限制减少了。 尽可能提高操作机结构的固有频率，其目的在于避开机器人工作时的工作频 率。通常机器人的低阶固有频率在5 h z 2 5 h z 的范围内，在以中等速度运动时， 输入信号的脉冲延续时间大约在o 0 5 s l s 之间，振荡频率相对于在1 h z 2 0 h z ， 因而机械系统很可能会因此激发振荡。提高机械系统的固有频率有利于系统的稳 定。 在运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量操作机动态性能好坏的重 要指标。动态刚度好可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从而 提高操作机的使用性能。 操作机的动态性能在很大程度上决定了机器人的工作效率。机械系统的响应 通常要比计算机慢得多，因而改进机器人机械系统设计，改善其动态性能，缩短 它对输入信号得响应时间，对提高机器人得使用性能是十分重要的。 3 2 作业分析 微创手术中，手术工具只能通过固定的入口 ( 即患者体表的切口) 运动( 把这种运动称为 定点运动) ，因此，其运动自由度受到限制( 只 能定点在切口处平动或者转动，其中有两个方 位的平动受到限制) 。也就是说，手术工具需具 备4 个自由度( 如图3 一l 所示) ，这要求机器人 系统中用于操纵手术工具的机构具有足够的自 由度和运动空间。另外，需要使机器人具有灵 活的、大范围的三维运动自由度的同时，具体 的设计还要考虑到如何使得两个从手机械性能 更优。而主手在保证功能实现和可操作性的同 时，使得操作更舒适。 图3 - 1 作业分析图 天津大学硕士学位论文第三章机器人系统设计 3 3 系统功能分析 微创手术使用的设备主要包括内镜和各类手术器械，在手术诊断和治疗过程 中，外科医生在病人身体上开两或三个小孔( 1 c m 左右) ，一个用于插入内窥镜， 另一个或两个用于插入细长的手术工具。医生通过监视器观察插于病人体内的工 具瑞部运动来进行相对的动作，以完成外科手术。这里所用到的手术器械并非一 般手术器械，而是特制的专用工具，如图3 2 所示。 图3 - 2 部分微创手术工具 机器人系统的功能也要以传统手术为模型和基础，能够完成传统开放式手术 中人手的基本动作。在传统开放式手术中，典型的手术器械包括手术刀( 一般有 圆刃、尖刃和歪刃三种，用于切割) 、手术剪( 可分为组织剪和线剪两大类，用 于剪断) 、手术镊( 1 无齿镊，可以用来夹持神经、血管、肠臂或者其他脏器而 不使它们受到损伤。2 有齿镊，用以夹持提起皮肤、皮下组织、筋膜、肌腱等较 结实的组织，使其不易滑脱；但是不能用来夹持重要器官，以免造成损伤) 、血 管钳( 又称止血钳，常用的有直、弯、带钩和蚊式数种) 、组织钳( 弹性较大， 尖端有细小齿，用以夹持皮肤、筋膜作牵拉之用，不能用以夹持重要器官) 、拉 钩( 又叫牵开器，用以暴露手术野) 、探针、刮匙、缝针( 直和弯两种) 、持针器、 肠钳( 用以阻断肠内物或者肠壁出血，一般肠钳多套上橡皮管) 等等9 1 。 基本的手术操作包括：显露( 使用牵开器使手术野得到良好的显露) 切开、 分离( 切开、剪开或者用刀柄、止血钳、纱巾球进行钝法分离) 、止血( 压迫止 血和结扎止血，用止血钳夹住血管断端，再用线结扎，或者用缝针作贯穿缝合结 扎) 打结、缝合、引流等等。这些基本的操作在运动形式上并非相同，有的是单 一的直线运动，有的为单一的转动，有的既包括转动又有直线运动；虽然微创手 术机器人所用的手术工具与普通器械的结构与形态不同，但是其功能的实现所需 要的动力和运动形式基本还是相同的。 天津大学硕士学位论文第三章机器人系统设计 因此，在功能上，机器人系统应该首先，也是最基本的，具备手术工具操作 的功能。微创手术中，微创手术的各类手术器械通过体表切1 ：3 进入到体内，机器 人系统需要完成手术器械的定位、送进、操作、退出以及快换等功能。因此，机 器人主从手的设计必须保证这些手术器械的基本运动形式能够得以实现，同时， 还要使得机器人具备一定的灵活性。 3 4 系统分析和系统结构 3 4 1 工作空间 工作空间表示机器人的工作范围，它是指机器人运动时手腕参考点或工具安 装点能够到达的所有空间区域。在本课题中，指的就是手术工具末端执行机构的 腕部点能够到达的所有空间区域。 机器人的工作空间主要由手术所要求的操作空间决定。在腹腔手术中，一般 包括【lo 】：1 疝的手术，2 腹腔、胳窝脓肿手术，3 胃、十二指肠的手术，4 ，j 、肠、 结肠和阑尾的手术，5 直肠、肛的手术，6 肝脏的手术，7 月旦囊、胆管的手术， 8 胰、脾的手术。因此，机器人的工作空间，也就是进行这些手术时手术工具所 涉及到的空间。 结合作业分析可知，手术工具只能沿( 或绕) 切口进行定点运动，其工作模 型可如图3 3 所示： 图3 - 3 工作空间模型 天津大学硕士学位论文第三章机器人系统设计 由于微创手术特性的限制，一个手术工具的可进行操作空间为一个球内锥型 空间，机器人两个从手的操作空间的交集即为机器人的工作空间，由模型图可以 看出两者的交集空间完全可以满足手术要求；相应地，所以本课题中单独一个从 手的工作空间为：一个具有一定深度和锥度的球内锥形空间。根据腹腔手术对手 术工具的位置要求和机器人位姿的实现难度，可以确定其工作空间为一个深度为 2 5 0 m t n ，锥度为9 0 0 的球内锥型空间，从图中可以看出，机器人的工作空间比实 际的可操作空间要大，这是因为考虑到工作空间的边缘产生的自由度退化现象， 因此为了使手术工具能够在工作空间边缘运动流畅，理论上的工作空间比实际的 大。 3 4 2 自由度 自由度的数量在一定程度上代表了所设计机器人的灵活性，自由度越多，机 器人的灵活性越高，而且可以使得末端执行器有可能以多种姿态到达工作空间的 特定点，从而在应用时有可能绕过某些障碍物，或克服由于自由度退化带来的困 难；但是另一方面，如上述，自由度越多，控制的难度越大，成本越高，同时使 得机械结构变得更加复杂，并造成结构刚度和运动精度的下降。每一个自由度有 其一定的运动范围，总体自由度运动范围的大小决定了该机器人的工作空间大 小。所以自由度数量和运动范围的确定是机器人系统设计的一个关键问题。 由以上关于机器人工作空间的论述可知，手术工作为一个定点运动，两个平 动的自由度受到限制；所以，确定所设计的从手为4 个自由度，既从手为一对 4 一d o f ( d e g r e eo f f r e e d o m ) 结构；主手的结构要与从手相对应，所以主手也是 一对4 - d o f 结构。 还有一点需要说明的是，本微创手术机器人系统中，两个从手的结构是相同 的，而且由于定位的需要，两个从手不但其之间的间距可以调节，其高度也可以 调节，所以，相对于每个从手来讲，相当于是4 + 2 = 6 一d o f 机构，其中用于调节 的2 个自由度的作用是手术工具定位的，用手动的方式实现。 3 4 3 驱动系统和动力源 机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三种基本类型，根据需 要也可将这三种类型组合成复合式的驱动系统。 在选用机器人的驱动系统时，首先要了解各种驱动系统的特点，再结合机器 人的用途、作业要求、控制功能、价格等具体条件确定最佳方案。 液压驱动系统适用于承载能力大、惯量大而运动速度较低的机器人。 天津大学硕士学位论文第三章机器人系统设计 气压驱动适用于在中、小负荷的机器人中使用。气压驱动因实现伺服控制较 困难，多用于程序控制的机器人中。 电动驱动系统是利用各种电机产生的力矩和力，直接或通过机械传动装置来 驱动执行机构。这类系统不需要能量转换，因此效率比液压和气动驱动高，且具 有使用方便、噪音低和控制灵活等优点，在机器人中得到了广泛应用。 本课题所做微创手术机器人，根据课题机器人所需要满足的精度、惯量、稳 定性等方面的要求，综合各种驱动方式的优缺点，选取了伺服电机驱动系统作为 动力驱动。 3 4 4 系统结构 系统设计的总体目标是要实现操作人员和机器人的合理分工，保证安全、可 靠、高效地实施手术诊断和治疗。如图3 - 4 所示，整个系统机器人由控制台和操 作臂两部分组成。控制台是机器人系统的核心，由计算机系统、手术操作监视器、 机器人操作监视器、主手及输出设备等组成。操作臂通常有三个，一个用于控制 内镜，另两个( 即机器人从手) 用于控制手术工具。这两部分通过信号线直接连 接实现主从操作，也可通过网络连接实现遥操作。 操作人员包括手术医生f 术者) 、器械助手或护士。术者在操作控制台工作， 制定相应的治疗策略、规划操作顺序，根据其经验和知识，采用有效的方法进行 操作。术者的决策通过主手传递到从手，从手的运动情况通过监视，调整或修正 控制以达到预期的结果，从而实现手术的进行：器械助手或护士根据术者的指令， 更换机器人执行器上安装的手术器械，或完成机器人无法完成的操作，如消毒、 紧急情况处理等。 控制台 主手 操控 计算机系统 传输从 患 作线路银 手术操作监视器者 医设 机器人操作监视器 手 生备 图3 - 4 微创手术机器人系统 手术医生通过内镜下图像来判断内镜调节的动作效果、镜身前端、器械和病 天津大学硕士学位论文第三章机器人系统设计 灶点的相对位置关系。场景摄影机用来对病人的反应、手术室场景以及机器人状 态进行监控，以便于术者把握全局，预防意外事件发生。 3 5 从手系统设计 从手系统直接作用于患者，它的性能高低直接关系到了整个系统的性能、手 术的质量、精密性以及系统的安全性等等；因此，从手的设计要注意系统的安全 性保障、误差和系统精度等几个方面。 3 5 1 结构方案 根据系统结构和系统工作空间、系统自由度的分析结果，从手系统由两部分 组成：从手手术平台和手术工具操作结构，前者用于后者的定位，后者固定在前 者上，用于操纵手术工具进行手术，简称为操作结构。其原理图如图3 5 所示： 图3 - 5 从手结构原理图 从图中可以看出，从手操作结构的4 个自由度由u 轴、u 轴、r 轴的自转 和手术工具的平动来实现，其中，u 轴和v 轴的转动又称之为摆动，相对应的 机构称为摆动机构；r 轴的转动为手术工具自转，称之为白转，相对应的机构称 之为自转机构；手术工具平动对应的机构则称为平动机构。这部分的设计中，一 个关键的问题就是保证手术工具的定点运动，要实现这一点有两个途径：一是通 过机构的设计，保障手术工具的某点( 与体腔切口的交点处) 保持不动；二是通 过控制的方式实现，应用这种方式，操作结构不能直接保证手术工具与体腔切口 交点处为定点，而是通过计算、控制来实现。比较这两种方式，前者可以设计或 者选取相应的机构实现，设计的难度相对也不大，而且控制的相对难度大大降低； 天津大学硕士学位论文第三章机器人系统设计 如果采用后者，结构设计可能会稍微容易一些，但是控制的难度就大大增加。因 此，本课题采用了前者的方式来实现定点运动。 采用不同的运动耦合方式，设计的难度和系统的精度、误差都会有所不同， 而且有的相去甚远，本课题从手操作结构有三种运动形式：摆动、自转和平动。 考虑手术工具的单一的平动或者自转运动，动力源的放置比较自由，而且很容易 实现定点运动；再考虑摆动运动形式，本课题中，定点