（机械电子工程专业论文）主从式mis机器人的运动控制研究.pdf

c l a s s i f i c di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o lo fm a s t e r s l a v e m i n i m a l l y i n v a s i v e s u r g i c a lr o b o t c a n d i d a t e ： w a n gd a o m i n g s u p e r v is o r ：p r o f z h a n gl i x u n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e ci a lt y ： m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is si o n ：d e c 2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：m a r 2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y f ， 乒 、 0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：了诌酮 日期：训，护年弓月以日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文旧在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：王益明导师( 签字) ：荔娶易翻 日期：为仰年弓月以日形口年芗月r 日 氏 t - j 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 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 ) 是指医生借助于各种视 觉图像的引导，将手术器械沿着事先规划好的手术路径，经过小切口送入病 人体内进行观察或治疗，从而最大程度地减小创伤、减轻痛苦。而将机器人 技术与外科手术学相结合形成的微创外科手术机器人技术，已经成为国内外 研究的热点。 本文根据微创外科的要求，设计了一种主从式微创外科手术机器人的总 体结构，并完成了控制系统硬件设计和软件设计，进行了实验样机的研制和 主从控制实验研究，具体研究如下： 确定了微创外科手术机器人系统的总体方案，该系统由主手、从手和控 制系统组成。根据机器人主、从手的设计要求，进行了主、从手的结构方案 设计，并研制了主手的样机。 分析了主、从手的运动学模型，在此基础上，确定了主从控制方案，进 行了主从控制仿真，验证了运动学模型的正确性和主从控制的可行性。 针对研制的主手和从手手指样机，进行了控制系统设计，包括硬件设计 和软件设计。 建立了主从控制实验系统，完成数据采集和运动控制的调试，进行了主 从控制实验，实验结果表明：该机器人系统满足设计要求。 i k 关键词：微创外科；外科手术机器人；主手；从手：主从控制 _ 哈尔滨工程大学硕十学位论文 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 ) i st h a tt h ed o c t o r , w i t ht h eg u i d a n c eo fa v a r i e t yo f v i s u a li m a g e s ，e x t e n d st h es u r g i c a li n s t r u m e n t st h r o u g has m a l li n c i s i o n i n t oh u m a n sb o d yf o l l o w i n gap r e p r o g r a m m e do p e r a t i o np a t ht od oo b s e r v a t i o n a n dt r e a t m e n ti no r d e rt om i n i m i z et h et r a u m aa n dr e l i e v ep a i n m e a n w h i l e ，t h e m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r yr o b o tt e c h n o l o g yb yc o m b i n i n gt h er o b o tt e c h n o l o g y a n ds u r g e r yh a sb e c o m eah o t s p o ta th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fm i s ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fam a s t e r - s l a v e m i sr o b o t i ci sd e s i g n e di nt h et h e s i s ，a n dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n so ft h e c o n t r o ls y s t e ma r ec o m p l e t e d ，a n da ne x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sd e v e l o p e da n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h em a s t e r - s l a v ec o n t r o li sa c c o m p l i s h e d ，a n dt h es p e c i f i c s t u d i e sa l ea sf o l l o w s ： t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h eo v e r a l lp r o g r a mo ft h em i sr o b o ts y s t e m ，w h i c h c o n s i s t so fm a s t e rm a n i p u l a t o r , s l a v e m a n i p u l a t o r a n dt h ec o n t r o l s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o b o t sm a s t e ra n ds l a v em a n i p u l a t o r s ，t h e s t r u c t u r a l d e s i g n so ft h e s e a l ef i n i s h e d ，a n dt h e p r o t o t y p e o ft h em a s t e r m a n i p u l a t o ri sa c c o m p l i s h e d t h ek i n e m a t i cm o d e lo ft h em a s t e ra n ds l a v em a n i p u l a t o r si s a n a l y z e d ， b a s e do nw h i c ht h em a s t e r - s l a v ec o n t r o lp r o g r a mi sc o m p l e t e d , a n dm a s t e r - s l a v e 卜 c o n t r o ls i m u l a t i o n sa l ec a r r i e do u t ，w h i c hv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ek i n e m a t i c m o d e la n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em a s t e r - s l a v ec o n t r 0 1 i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o t o t y p eo ft h em a s t e ra n ds l a v em a n i p u l a t o r s ，t h e d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o g r a m m e di n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fam a s t e r - s l a v ec o n t r o li se s t a b l i s h e d ，a n dt h e d e b u g g i n gp r o g r a m so ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dm o t i o nc o n t r o la r ea c c o m p l i s h e d ， a n dm a s t e r - s l a v ec o n t r o le x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e d ，w h i c hs h o w st h a tt h er o b o t 八 s y s t e mm e e t s k e y w o r d s ： _ | 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题目的及意义1 1 2 国外发展概况1 1 3 国内发展概况5 1 4 论文主要工作内容8 第2 章主从式m i s 机器人结构方案设计9 2 1 弓l 言9 2 2 主从式m i s 机器人总体方案9 2 3 从手结构方案1 0 2 3 1 机器人从手的设计要求”1 0 2 3 2 从手的结构设计”1 0 2 4 主手的功能分析和结构设计”1 4 2 4 1 主操作手设计要求”1 4 2 4 2 机器人主操作手结构分类”1 4 2 4 3 主手结构设计”1 5 2 5 手术规划及动画仿真1 7 2 5 1 手术规划”1 7 2 5 2s o l i d w o r k s 动画仿真1 8 2 6 本章小结“2 1 第3 章系统数学模型和主从控制仿真2 2 3 1 引言2 2 3 2 机器人系统数学模型2 2 3 2 1d h 法简介2 2 3 2 2 主手正运动学模型2 3 3 2 3 六自由度操作手运动学模型2 7 3 36 自由度操作手的主从控制仿真3 1 3 3 1 主从控制方案3 1 3 3 2 基于s i m u l i n k 的仿真3 1 3 3 3 基于s i m m e c h a n i c s 的仿真3 3 3 4 本章小结3 8 八 、 飞 0 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 1 1 课题目的及意义 第1 章绪论 随着科学技术的发展，近年来，医疗机器人受到越来越多的关注，医疗 机器人技术也成为国际前沿研究热点之一，它是集医学、材料学、机械学、 机械力学、生物力学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析和机器人学等 诸多学科为一体的新型交叉研究领域。机器人技术在医疗外科手术规划模拟、 微创定位操作、无损伤诊疗、新型手术治疗方法等方面得到了广泛的应用， 不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展u 羽。 微创外科手术机器人的研究是医疗机器人领域最重要的进步之一。作为 高技术医疗器械的典型代表，微g j # b 科手术机器人可以完成或辅助完成常规 方法和设备难以完成的复杂手术。传统的开放性手术一方面要求医生具有较 高的手术技巧，另一方面由于手术切口大，也给病人带来较大的术后痛苦。 而将机器人技术与外科手术学相结合，利用机器人的精确定位，可使病人的 手术切口开得非常小，对健康组织的损害小，减轻了病人术后的痛苦，缩短 了康复时间，达到了微创的目的p ”。 1 2 国外发展概况 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 手术机器人【7 1 ，如图 1 1 所示嗍，a e s o p 系统延承了介入手术减轻患者痛苦和损伤、术后康复快和 医疗费用低的特点，模仿人手臂的功能，可以代替辅助人员操作内窥镜，并 且可以提供比人为控制更准确、更一致的镜头运动，为主刀医生提供直接、 稳定的手术视野p 1 。 1 9 9 6 年初，美 c o m p u t e rm o t i o n 公司又推出了用于微创伤手术的z e u s 机器人外科手术系统唧，如图1 2 所示嗍。该系统突破了传统微创伤手术的界限， 将手术精度和水平都提高到新的高度，降低了患者的痛苦和手术费用、减小 了手术创伤、缩短了术后康复时间，同时也减轻了医生的疲劳程度【1 0 1 。著名 的“林白手术 就是通过z e u s 系统完成的u 1 1 2 1 。该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 八 1 | 机器人从手做与之相应的手术动作。多功能手术床由两个机器人手臂和一个 内窥镜挟持手臂组成。为了避免损伤患者的微细组织和神经，内窥镜手臂可 在l c m 的手术切1 ：3 上回榭m 堋。 ( a )主从对应操作图 ( b )达芬奇整体图 图1 3 d av i n c i p b 科手术机器人系统 2 涛 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 达芬奇系统可以为医生提供与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。如果医生在操纵主手时手臂发生颤抖，系统会自动纠错，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细的动作，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。 美国j o h n sh o p k i n s 大学研制了面向眼部手术的s t e a d yh a n d 显微外科机器 人系统，如图1 4 所示，s t e a d yh a n d 机器人系统具有6 个自由度，包括三个正 交的直线运动，两自由度姿态调解机构和末端工具的直线运动。机器人的末 端有力传感器，可以实现精确的位置控制和力控制。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的作用p q 。 眼部外科手术需要对眼部周围细微的血管和神经进行精细操作，手术操 作多为1 0 0 1 5 0 微米的微小移动7 1 。受人手抖动的影响，显微外科医生几乎无 法手动完成如此精细的手术操作，而s t e a d yh a n d 机器人的出现有效的消除人 手抖动，可以辅助医生完成眼部高精度的手术操作。s t e a d yh a n d 系统轨迹控 制精度可达1 5 0 微米。 ( a ) s t e a d yh a n d 机器人样机 ( b ) s t e a d yh a n d 进行视网膜手术 图1 4s t e a d yh a n d 机器人 2 0 0 7 年，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，如图1 5 所示，这种机器人拥有敏锐的触觉和超凡的“视 力，可以有效帮助医生完成精微脑外科手术。该系统将为外科手术带来变 革，从而使显微手术产生革命性的突破1 川。 外科手术特别是神经外科手术，受到人手准确性的限制。发展于上世纪 6 0 年代的显微外科技术，使外科医生超越了人手精准、灵活和持久的极限， 而“神经臂”系统则又极大地提高了外科手术的精准率，使外科手术水平从 3 1 蠹 哈尔滨i t 程大学硕+ 学位论文 器官级发展到细胞级。利用该系统，外科医生可通过操纵计算机工作站，使 “神经臂 与核磁共振图像仪有机结合，从而达到在显微尺度下使用器械从 事微细手术1 9 1 。 图1 5“神经臂”系统 德国机器人与嵌入式系统研究中心( c e n t e rf o rr o b o t i c sa n de m b e d d e d s y s t e m s ) 与慕尼黑理工大学心脏治疗中心( g e r m a nh e a r tc e n t e rm u n i c h t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fm u n i c h ) 联合开发了针对心脏手术的微创机器人系统， 如图1 6 所示。 图1 6 德国心脏手术机器人 该系统主要研究了机器人系统中的力反馈评估。该系统的每个机械手臂 具有8 个自由度，可以进行套管针操作。每个工具上装有力传感器，可以检测 来自工具的受力情况，然后通过触感装置呈现给操作者，同时辅助以三维图 4 辱 哈尔滨工程大学硕十学位论文 像显示。该套系统可以实施典型的心脏微创手术。系统的主操作手为美国 s e n s a b l et e c h n o l o g i e s 公司生产的p h a n t o md e s k t o p 。该系统有助于提高手术 精度，缩短手术操作时间，同时避免了手术中对组织的损伤，能够在一定程 度上缓解医生的压力，从而有利于提高外科手术的质型琊。 此外，还有一些比较成功的研究，如东京大学研制出主从遥操作超声诊 断系统网；日本名古屋大学开发的用于人体深处和狭小空间的遥操作显微外 科手术机器人系统田1 等等。 1 3 国内发展概况 2 0 0 4 年，天津大学研发了妙手机器人系统，它采用双手臂结构形式，具 有两个主操作臂( 主手) 和两个从操作臂( 从手) ，可以完成显微手术缝合等 复杂操作。从手和主手的结构如图1 7 ( a ) 所示；妙手系统的总体图如图1 7 ( b ) 所示。 ( a )妙手的从手和主手 ( b )妙手系统总体图 图1 7 天津大学妙手系统 该系统的主要特点为从操作臂具有力检测功能、主操作臂具有力感觉功 能。在系统结构方面，机器人系统的从操作臂由2 个自由度的粗调定位机构和 6 个自由度的精细操作机构两部分构成，使得系统可以实现大范围的调整和小 范围的高精度精细操作，能够成功完成直径为1 毫米及以下细微的血管缝合等 作业。从操作臂采用丝传动结构，减轻了系统总体重量，提高了系统刚性， 5 寺 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 并实现了姿态调节部分与位置调节部分的独立调节，在工作点位置变化时， 末端手术工具的姿态不发生变化。而且，该系统采用主从遥操作控制方式， 主从运动具有可以调节的比例映射关系，系统配备的三维立体图象系统还可 获得手术显微镜下物体的深度信息。此外，单一的手指系统无法完成切开、 剪断、分离、止血、打结和缝合等多功能操作，为此开发了快换机构( 传动 锷) ，并且设计了一系列末端工具，如刀、剪子，镊子等，如图1 8 所示，这 样使得 图1 8 手指系统的更换工具 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。图1 9 所示为脑外科机器人穿刺试验，图1 1 0 所示为“黎元 脑外科机器人实验现场。 7 图1 9 脑外科机器人穿刺试验图1 1 0“黎元 脑外科机器人 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 一灶) 固定装置等几个部分组成，可以完成手术靶点确定、三维病灶轮廓重建、 定位器械引导、手术系统定向等复杂步骤，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来辅助定位，比传统手术更精确。该系统 已实现多例临床手术p 1 。 6 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 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了矫形 外科双平面导航技术与机器人系统，如图1 1 1 所示。该机器人系统由正骨机 器人本体和计算机辅助规划软件组成。其中计算机辅助手术规划软件可以采 集患者骨折处的x 光图像，医生控制机器人完成拉伸牵引、旋转、模拟手法 复位等动作，使患者骨折处闭合复位。此项成果是将先进机器人技术、计算 机图像相关技术引入矫形外科手术，突破了传统外科手术的发展瓶颈，解决 了经x 射线图像导航机器人完成髓内钉的远端孔镇定的技术难题。长期以来， 矫形外科手术大多是对骨折患者采用人工牵引复位，穿入骨髓内置钢筋后， 在x 光透视下完成对髓内钉的远端锁定。这种手术方式复杂，一次成功率较 低，容易发生髓内钉远端锁定失准，引发手术并发症；同时，手术过程中， 医生在x 光下暴露时间过长等问题也是国内外医疗界长期探索革新的医疗技 术难点嘲。 图1 ：1 1 医用机器人进行手术 哈尔滨工业大学机器人研究所研制出了正骨机器人，如图1 1 2 所示。首 先将患者固定在手术床上，用x 光机进行扫描拍摄以确定断骨位置，然后并 联机器人牵引骨折部分复位。牵引复位完成后，在患者骨折处置入一根髓内 钉。再由导航机器人( m o t o m a n s v 3 x ) 在断骨的远端和近端分别钻孔， 置入锁钉，将髓内钉与断骨固定。此系统可以实现3 种作业模式：遥操作手术 模式、半自主手术模式和自主手术模式。在此基础上，研究人员通过引入虚 拟现实技术，开发了虚拟正骨手术仿真系统，该系统不仅可以帮助医生进行 术前规划、手术过程监控，而且还可以实现异地遥控、多机协作操作，同时 还可以进行医疗手术培训，最大限度地提高了手术的精确性和可靠性，保证 7 图1 1 2 正骨机器人 此外，还有一些比较成功的研究，如南开大学研究的机器人辅助显微外 科手术系统；北京航空航天大学研制的角膜移植显微手术机器人；清华大学 研制的神经康复机器人，以及上海大学、中国科学院合肥智能机械研究所、 重庆大学等也进行着类似的研究工作。 1 4 论文主要工作内容 本课题的研究对象是微创外科手术机器人，主要将完成机器人总体结构 方案设计、针对从手手指的控制系统设计和实验研究。论文的主要内容如下： 1 、机器人总体方案设计：主要包括机器人总体方案设计、从手结构的整 体设计、主手结构的详细设计与样机研制。 2 、机器人系统的数学建模和主从控制仿真：分别对主手和从手进行运动 学数学建模，确定主从控制方案，并利用s i m u l i n k 和s i m m e c h a n i c s 进行运 动学主从控制仿真来验证数学模型的正确性和主从控制的可行性。 3 、手指的主从控制系统设计：针对研制的主手和从手手指样机，进行手 指的主从控制系统设计，包括硬件设计和软件设计。 4 、手指的主从控制实验：主要包括实验系统的建立、软硬件系统的调试、 主从控制实验研究。 8 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第2 章主从式m is 机器人结构方案设计 2 1 引言 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 ) 是指医生借助于各种视 觉图像的引导，将手术器械沿着事先规划好的手术路径，经过小切口送入病 人体内进行观察或治疗，从而最大程度地减小创伤、减轻痛苦闭。 本章根据外科手术的特殊要求，确定了机器人的总体方案；根据从手的 任务要求，对从手进行了初步设计；根据主手的功能分析和设计要求，对主 手进行了详细的设计并研制了样机。并对该系统进行了手术规划以及动画仿 真。 2 2 主从式s 机器人总体方案 根据微创外科手术的特殊要求，既要保证医生在舒适的环境下进行手术 操作，又要保证机器人能够协助医生更好地完成狭小空间内的手术操作，减 少医生因疲劳而产生的负效应，提高手术的质量和安全性，减轻患者的痛苦， 缩短患者的恢复时间。机器人系统采用了主从控制的操作方式，系统由主手、 控制系统、和从手组成。 具体方案如图2 1 所示，医生通过操作主手产生各关节变量，通过编码 与计数卡采集各关节的编码器上的数据，通过计算机系统处理后，发给运动 控制卡运动控制卡控制电机带动从手对患者进行手术操作。 图2 1 主从式m i s 机器人总体方案 9 哈尔滨t 释大学硕十学位论文 现对各个部分在系统中所应具有的功能进行如下分析： ( 1 ) 主手：用于医生操作，所以主手要符合医生的操作习惯，要有对 应从手的自由度数，还要有传感器来获得各关节变化，而且传感器要有较 高的精度。 ( 2 ) 控制系统：控制系统的主要作用是采集医生操作主手时各关节上 传感器的数据，经过算法处理，得到合适的控制信号发给下位机，下位机 根据控制信号控制电机做相应的运动，带动从手实现相应的手术动作。为 了满足主从式实时控制的需要，对控制系统要求有较高的运算速度。 ( 3 ) 从手：从手是微创外科手术机器人系统最重要的部分之一，因为 它是与患者直接接触的手术器械，在患者体内根据控制系统的控制信号进 行相应手术操作，是医生延伸的“手 。从手的结构应该满足微创外科的 要求：不仅对深入病人体内的手术器械尺寸要求较高，而且要求手术器械 在手术切入口不能有径向位移；为了达到手术空间内的任意位姿，从手必 有6 个以上的自由度；此外，从手还应该具有良好的移动性，便于医生进 行搬运。 2 3 从手结构方案 2 3 1 机器人从手的设计要求 主从式微创外科手术机器人从手的主要任务是实现辅助外科医生进行手 术时的各种手术操作。对从手的设计要求如下例： ( 1 ) 从手需要有足够的自由度与灵活度，满足手术中对姿态、位置与动 作的要求。 ( 2 ) 从手能够方便快捷的移动和较大范围的调整，获得满足外科手术要 求的初始布局。 ( 3 ) 能够在同一手术位置灵活的进行姿态调整。 ( 4 ) 能够在主从控制下，实现末端执行器在工作空间内的手术操作。 2 3 2 从手的结构设计 从手为了满足能够到达手术空间内的任意位置和姿态，至少需要6 个自 由度来实现；为满足外科手术的要求，从手还要有手指的开合自由度，即第 七自由度，因此，从手至少具有含夹持自由度在内的7 个自由度。 根据从手的设计要求和前人的设计经验，我们设计了包括移动小车、3 】0 哈尔滨_ 程大学硕十学位论文 自由度手臂、6 自由度操作手的从手系统。其中，移动小车用于实现把从手 方便快捷的移动到手术台附近的理想位置；3 自由度手臂用于位置粗调，把 操作手调整到可插入患者切口处的理想位置；6 自由度操作手又包括3 自由 度手臂和3 自由度手指，用于实现在手术空间内对病人病灶处实施的各种手 术动作。下面分别介绍各部分的结构： 1 、移动小车和3 自由度手臂 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；3 自由度手臂采用了工作范围较大，占据空间较小，定位精度较高，运动直观 性较强的s c a r a 型结构，具有底部旋转自由度、竖直升降自由度和水平旋 转自由度。底部旋转自由度是由固定在小车上的电机通过齿轮传动带动旋转 轴来实现；竖直升降自由度采用丝杠螺母机构来实现；后一个旋转自由度是 由电机通过减速器减速后，经同步带传动，带动旋转轴旋转的方式来实现； 小车和手臂结构的三维模型如图2 2 所示。 缀i z i 。：荔荔磁了j 。j ，_ = 麓 图2 2 小车和手臂图2 3 手腕的结构示意图 2 、手腕部分 手腕机构采用3 轴正交于一点的空间机构，这一交点为圆弧导轨的圆 心，即手术切入点。因此手术工具在切入点的径向位移为0 ，使患者受益， 满足外科手术的要求。手腕具有自转( 微转动) 、沿圆弧导轨的运动和沿手指 方向伸缩3 个自由度，其结构示意图如图2 3 所示，手腕的微转动是由固定 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在支架上的电机通过同步带传动，带动自转轴旋转的方式实现的；沿圆弧导 轨的运动通过齿轮传动带动手指沿着下滑轨移动来实现；沿手指方向伸缩运 动是由电机通过丝杠螺母机构带动手指做直线运动的方式来实现的，其中两 侧有两个导向杆，以保证丝杆传动的精度。 3 、手指部分 手指是外科手术机器人最重要的部分之一。本课题中的手指具有俯仰， 侧摆，旋转3 个自由度和夹持自由度。考虑到外科手术手指的尺寸小，质量 轻，夹持力大以及开合范围大等要求，把俯仰，侧摆，夹持自由度的驱动电 机放在后面的手指驱动机构上，选用直线电机，通过绳驱动的方式来实现关 节的运动；旋转关节采用力矩电机直接驱动的形式。从指尖机构引出的绳通 过绳换向传递机构导出，再接到驱动机构上。图2 4 所示为手指结构的三维 图，图2 5 所示为手指结构的机械平面图。 一一 图2 4 手指结构三维模型 生- l _ - 图2 5 手指结构平面图 4 、从手整体 在完成上面的移动小车和3 自由度手臂、手腕和手指的三维建模后，将 各部分进行总体装配，得到从手的整体三维模型。如图2 6 所示。 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 图2 6 从手整体图 5 、手指驱动机构 为减轻从手指尖的重量，将手指驱动机构放置于后方，采用绳驱动的方 式来驱动手指运动。驱动机构的设计还要注意以下几个方面：( 1 ) 合理的布 置电机；( 2 ) 设置预紧机构，用于绳的预紧；( 3 ) 在电机轴和绳之间设置储 能弹簧。根据上述内容建立了手指驱动机构的三维建模，如图2 7 所示。 图2 7 手指驱动机 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 手指的驱动机构包括电源、驱动器、直线电机、限位开关、连接预紧件、 弹簧、电机支撑架和导向架等组成。 2 4 主手的功能分析和结构设计 2 4 1 主操作手设计要求 在显微外科手术机器人系统中，要实现对上述系统的主从控制，对主操 作手的技术性能要求非常高。机器人主操作手的设计应综合操作者、手术对 象与机器人三者的要求。 ( 1 ) 主操作手要满足面向操作对象的动作要求，机构自由度与从操作手 要有一定的对应关系； ( 2 ) 主操作手要符合人机工程学的设计原则，满足医生手持工具的操作 要求； ( 3 ) 主操作手要具有机器人的精度高、稳定性强与灵活度高的特点，能 够准确地检测与传输操作者的动作指令信息； ( 4 ) 结构简单，控制方便。 2 4 2 机器人主操作手结构分类 机器人的关节结构形式主要有两种：转动关节和移动关节。与人的生理 结构不同，人的一个关节一般可以具有多个自由度，但机器人的一个关节一 般只具有一个自由度。本文采用一对3 自由度主操作手。按照机器人结构形 式，3 自由度主操作手大致分为以下四大类刚：( 这里p 表示移动关节，r 表示转动关节。) 笛卡儿坐标型( p p p ) ：3 个关节都是移动关节，工作端可以通过移动关 节达到工作空间( 立方体) 中的任何一点。 柱坐标型( r p p ) ：将笛卡儿坐标型中间腰部的移动关节换成转动关节， 就可以得到柱坐标系型。工作端可以通过移动关节和旋转关节合成运动，到 达到工作空间( 柱体) 中的任何一点。 球坐标型( r r p ) ：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。 关节型( r r r ) ：关节型的所有关节全是旋转关节，关节型操作手的工 作空间是一个外形不完全规则的椭球壳体。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 4 3 主手结构设计 主从式结构有两种形式：同构和异构，前者表示主从手结构相同，它们 的自由度和对应段臂长比例均相同，从手动作是主手动作的再现；其他的称 为异构形式，后者控制灵活性强，结构设计自由p 。考虑到主手设计中运动 形式和机构范围以及人体工程学的要求，本课题采用异构形式，在机器人从 手分析的基础上，根据外科手术要求，确定机器人的主手的结构形式。由于 从手共有包括夹持自由度在内的7 个自由度，因此主手也要有7 个自由度与 之对应。我们采用一对3 自由度主手；对于从手末端手指的开合，我们设置 了开合按钮来控制；主手选用3 轴正交于一点的空间机构，这样做的好处是 可以实现各关节姿态的解藕，主手采用关节型，3 个自由度都为旋转关节。3 自由度主手的三维模型如图2 8 所示。 图2 8 主手三维模型 主手的3 个关节分别安置一个传感器，传感器的作用是将检测主手各关节 的运动量以脉冲信号的形式传递给计算机系统。因此，主手系统的精度主要 取决于传感器的性能。本设计中的机器人是用于微创外科手术，关乎患者的 生命安全，所以对传感器的性能要求比较高，综合考虑精度、可靠性、响应 时间以及抗干扰性等方面，对电位计和编码器进行了比较，编码器输出的是 脉冲量，这样就可以省去a d 转换、信号处理和滤波等装置。编码器的可靠 性和抗干扰性也比电位计好p ，因此，本设计中的传感器选用了编码器，采 用的是日本n i d e cn e m i c o nc o r p 型号为h e s 2 5 2 m h c 的编码器。其相关 性能参数如表2 1 所示： 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 表2 1 编码器性能参数 启动转矩9 8 x 1 0 - 4 n mm a x 引线颜色描述 角加速度 l x l 0 5 r a d s 2r e d 电源线 惯性矩 8 x 1 0 - 7 k g m 2 b l a c k 地线 净重 1 2 0 9 m a x g r e e n b l u e信号a 最大响应频率 2 0 0 k h z w h i t e信号b 电源电压d c l 0 8 2 6 4 vy e l l o w信号z 输出脉冲2 5 0 0 p r ，而且可设置4 倍频，可见其分辨率较高，满足使用要 求。图2 9 所示为编码器的外形图，图2 1 0 所示为其输出信号电路图，图2 1 1 一 一羔 一。了一 一 罗叫， l l 蟹扩“塌蝣7 _ 嘲辔 vu v 图2 9 编码器h e s 2 5 2 m h c图2 1 0 输出信号电路图 7 ：t ：0 5 筠0 5 i z8 自鲫脚p o n t i o nm a 噍s 辱曹 爵 l 扪 。口p 斗 一鎏鎏r 徽粼留垒d 叫 套f 叶 雷v 山 1 7 吣。1 一= 二j 7 诅 i 。 1i 2 5 lh 一l 、 工l i j 墨1 1 3 2 3 3 o 5 一 图2 1 1 编码器的外形尺寸图 1 6 图2 1 2 顺时针旋转信号图 2 5 手术规划及动画仿真 2 5 1 手术规划 我们将主从式微创外科手术机器人手术规划方案分以下几个阶段： 手术术前准备阶段：首先医生将患者固定在手术床上；进行必要的消毒、 麻醉等医学处理；将腹部充气；置入视觉反馈设备( 腹腔镜) ；把小车移动到 患者附近，并调整方向，调整到手术理想位置时，踩下万向刹车轮的刹车， 使其固定。 操作手置入阶段：串联手臂( 手腕、手指各个自由度此时均处于零位) 使从手操作手末端达到患者腹部置入点( 即置入点处于手腕圆弧导轨的圆 心) ：记录当前位置；小车不动，串联手臂移开：安放导管；手臂以一定的轨 迹( 以不碰到患者为准) 回到记录点：手腕部分的伸缩自由度沿着导管伸长 特定长度完成操作手的置入。 手术操作阶段：在手术过程中小车和串联手臂保持不动，从而保证从操 作手的置入点始终为圆弧导轨的圆心，没有径向位移。医生根据视觉反馈信 息通过操纵主手控制6 自由度操作手完成手术动作。手术的工作空间大体上 为一个圆锥体，从操作手可以实现6 个自由度的运动和夹持动作，从而能更 好的满足手术需要。 术后归零阶段：手术结束后，我们按照相反的操作程序将操作手退回来， 将所有的自由度都归零，将小车移回到初始状态。 上述方案充分考虑到腹腔镜手术的特点和手术机器人的结构，为手术规 划方案的研究和该机器人走向实用化、临床化奠定基础。 1 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t - m t i 2 5 2s olid w o r k s 动画仿真 s o l i d w o r k s 利用运动算例来制作产品的演示动画，动画是交流设计思想 最好的途径，能更有效地促进多方设计人员的协同工作。使用运动算例能将 s o l i d w o r k s 的三维模型实现动态的可视化，并且及时录制产品设计的模拟装 配过程、模拟拆卸过程和产品的模拟运行过程，将设计者的意图更好地表达 出来。 1 、s oi d w o r k s 运动算例基础介绍 s o l i d w o r k s 运动算例使用基于键码画面的界面，应用程序首先决定装配 体在各个时间点的外观，然后计算从一个位置移动到下一个位置所需的时间。 图2 1 3 所示为运动算例用户界面。 图2 1 3 运动算例用户界面 基于键码画面的动画使用以下这些基本的用户界面元素： 键码画面：与装配体零部件运动、视像属性更改等对应的实体。 键码点：与装配体零部件、视像属性等对应的实体。 时间线：显示时间和动画时间类型的区域。 时间栏：沿时间线定位的实体，指示在动画和总查看或编辑的时间。 更改栏：连接键码点的水平实体，在生成动画时添加。 基于键码画面的动画制作的主要过程如下： 沿时间线定位时间栏，确定要更改的终点的位置。更改可包括装配体零 部件的运动、不同的视点以及对视像属性的更改；将装配体零部件放置在图 形区域中的所需位置以及由时间栏位置所指示的时间处：s o li d w o r k s 运动算 例基于时间栏的位置定位相应的键码点，并解出所需动画，从而使零件到达 指定的位置；最终得到的动画过程，可以保存a v i 格式的视频，从而形成演 示动画。 2 、运动动画仿真 首先要建立模拟手术室仿真环境，包括手术床和人体模型，在此借用软 件中已有的手术床模型，并创建人体模型，构成完整的手术仿真环境。由手 1 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 术床、人体模型和手术机器人组成的模拟手术室的三维模型如图2 1 4 所示。 ， 一5 戈，i 刻 ，鬟凡述盎i 图2 1 4 手术室模拟图 将机器人分成小车及串联手臂和6 自由度操作手两个部分，利用 s o l i d w o r k s 运动算例中的键码移动来实现动画仿真，通过自动旋转来调整视 角。根据机器人的结构，我们模拟底座的旋转和升降、小臂旋转、操作手手 腕旋转、沿圆弧导轨旋转、手部伸缩、手指自转、手指俯仰、手指侧摆和手 指夹持。仿真过程如下：首先将小车移动到手术床附近，到达合理位置后， 踩下刹车万向轮的刹车，使机器人固定。如图2 1 5 所示。然后开始手术的整 个过程。 图2 1 5 手术初始位置 第一步，进行的是粗调，粗调就是调整机器人腰部旋转、升降移动、还 有小臂的旋转三个自由度，从而使从操作手能够基本上达到切口处较佳的位 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 置，如图2 1 6 所示。 图2 1 6 粗调 第二步，通过调整手腕的旋转和沿圆弧导轨的旋转两个自由度，使手指 的方向与导管的方向一致，这样才能将手指通过伸缩自由度插入到人体腹部。 图2 1 7 为方向调整界面。 图2 1 7 方向调整 第三步，机器人从操作手手指置入人体腹部的过程。在此之前要有腹部 充气和在标记的切口处插入导管等准备工作，在将手指延伸方向与导管方向 调整一致后，利用丝杠螺母结构实现手指向充气的腹部延伸的动作，将导管 和充气腹部进行更改透明度操作，以便可以