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坝十论文医用机器人结构设计及其c 4 d 系统开发 摘要 随着世界工业市场竞争的不断加剧，企业要想使其产品具有较强的竞争力，必 须采用新思想、新方法、新技术来改进产品的开发模式。当今时代，产品的设计必 须把技术和造型统一起来。而c a d 技术的采用，为企业追求t o c s 目标提供了强有力 的支持。 本文以技术与造型的统一为设计思想，以c a d 技术为工具，进行了一种医用导 航手术机器人的结构设计，并开发了其c a d 系统。主要研究内容如下： 1 研究了当今时代新的产品开发思想技术与造型的统一； 2 在研究了无框架立体定向导航手术机理的基础上，以新的产品设计思想进行 了机器人结构设计； 3 研究了新产品设计思想指导下的c a d 技术在医用机器人结构设计中的应用； 4 研究了基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计和二次开发技术，并进行了医用机 器人c a d 系统的开发。 关键词：医用机器人，c a ) ，结构，p r o e n g i n e e r ，p r o t o o l k i t ，二次开发。 鞋霸樾器入鲢构蠢汁投墓c a d 襄统霓袭 a b s t r a c t w i t ht h ejn c r e a s i n g yi n t e n s i v ec o m p e t i t io no fi n d u s t r i a lm a r k e ti nt h e w o r l d ，e n t e r p r i s em u s ta d o p tf l e wi d e a s ，n e wm e t h o d sa n dn e wt e c h n o l o g i e s t o i m p r o v e t h ep r o d u c td e s i g np a t t e r nt om a k et h e i rp r o d u c t s l l l o r e e o m p e t i t i v e i nt h ep r e s e n ta g e ，t e c h n o l o g ya n ds c u l p tm u s t b eu n i f fe d t o g e t h e ri n t h ep r o d u c td e s i g n a n d ，t h eu s eo fc a ds u p p o r t st h ee n t e r p r i s e in a s p i r i n gt ot h eg o a lo ft q c s 7 f h i sp a p e rd e s i g n sak i n do fm e d i c a lr o b o ta n de x p l o i t si t sc a ds y s t e m b a s e do nt h ei d e ao ft h eu n i f i c a t i o no ft e c h n o l o g ya n ds c i l p tw it ht h et o o l o fc a d t h em a j o rc o n t e n t ss t u d i e da r ea sf o l l o w s ： i h a v es t u d i e dt h ei d e ao fp r o d u c td e s i g ni nt h ep r e s e n ta g e t h e u n i f i c a t i o no ft e c h n o l o g ya n ds c u l p t 2 h a v es t u d i e dt h ep r i n c i p l eo fr o b o ta i d e ds t e r e o t a c t i en e u r o s u r g e r y e y s t e ma n dd e s i g n e dt h er o b o t 3 h a v es t u d i e dt h eu s eo fc a di nt h ed e s i g no ft h em e d i c a lr o b o tw i t h t h ei d e a o ft h eu n if i c a t i o no ft e c h n 0 1 0 9 ya n ds c u l p t 4 h a v es t u d i e dt h et e c h n o l o g i e so fp a r a m e t r i cd e s i g na n ds e c o n d a r y d e v e l o p m e n tb a s e do nt h ep r o e n g i n e e ra n de x p l o it e dt h ec a ds y s t e mo ft h e m e d ic a lr e b e t k e y w o r d s ：m e d i c a ir o b o t ，c a d ，s t r u c t u r e ，p r o e n g i n e e r ，p r o t o o l k i t s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：7 f 年 只秘日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 谚年 r d 甚 椰! i 论文氍用机器 结构设 t 艇其c a d 系统开发 1 绪论 1 1 医用机器人的发展、现状及其研究热点 1 1 1 国内外医用机器人的发展及其现状 随着机器人技术的不断发展，机器人的应用范围越来越广泛，已经不再局限于 传统的制造业。近年来，随着医用的需要和计算机辅助外科手术技术的兴起，医用 外科机器人技术已经成为机器人应用研究的热点。 医用外科机器人不仅定位准确，状态稳定，而且可以实现手术微创，提高手术 安全性，缩短医疗时间，降低医疗成本，能大大的提高手术的质量。许多国家纷纷 设立专项计划研究医疗外科机器人技术，并将成果产业化。 早在1 9 8 2 年，西方七国首脑在凡尔赛会议所确立的振兴西方经济1 8 项合作项 目中就把具有经济效益的医疗外科机器人技术列入国际高级机器人研究计划i a r p ( i n t e r n a t i o n a a d v a n c e dr o b o t i c sp r o g r a m ) 。1 9 8 6 年，i a r p 将医疗外科机器 人技术及计算机辅助外科手术技术作为重点研究发展计划之一并开始实施。i 9 9 4 、 1 9 9 5 被世界著名期刊i e e es p e c t r u m 列为十大预测技术之一。美国a r p a ( a d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 特别助理r i c h a r d 在1 9 9 4 年的i e e er o b o t i c sa n d a u t o m a t i o nm a g a z i n e 上说美国国防部已经立项，开展基于遥控操作的外科研究， 用于战伤模拟、手术培训和解剖教学等”。 自上个世纪8 0 年代以来，医疗外科辅助机器人技术取得了许多研究成果，很 多已经商品化。1 9 8 7 年，k a l1 等人研制了基于c t m r i d s a 上的计算机辅助外科手 术c a s 系统”；1 9 8 9 年日本的i m a t r o n 公司生产了商品化的脑外科机器人 n e u r o m a t e ：1 9 9 2 年意大利的t r u p p e m 研究了基于p u m a 2 6 2 的矫形外科手术系统； 1 9 9 5 年，c w b u r c k h a d t 等人开发了一套基于c t 图像的机器人控制的立体定位神经 外科手术系统“3 ；1 9 9 7 年德国的b o h n e r p 研究了用于内窥手术的7 自由度机器人； 1 9 9 7 年意大利的c a r r o z z a m c 研究了腹外科的微机器人系统；2 0 0 1 年7 月法国医生 雅克马雷斯科领导的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，手术圆满成功。 在国内，目前相关部门已经开始关注这类医疗电子设备的研究与开发，但总的 来看，国内医用机器人系统的研究刚刚起步。由北京航空航天大学和海军总医院联 合研制的机器人辅助立体定向神经外科手术系统已应用于辅助立体定向、放射性同 位素置入等手术。 蛳卜论文 睡用机器人结构设计擞其c a d 系统开发 1 1 2 无框架立体定向导航手术过程 脑组织是人体内有别于其它生理组织结构的特殊器官，一旦损伤目前科技手段 尚不能使其再生，因此脑神经外科手术是外科领域乃至整个医学领域中难度最大、 要求最高的手术。 目前的脑外科手术系统可分为框架式结构的立体定向和无框架式的立体定向 两种方式。传统脑外科立体定向手术是依靠立体定向仪来定位的，而立体定向仪必 须通过框架用螺钉固定在病人的脑颅骨上，这给病人造成了较大创伤和心理恐惧。 另外，传统的立体定向手术一般都只能根据病人的二维医用图像来确定病灶靶点及 穿刺路径，这样便造成手术质量在很大程度上取决于医生经验的现象。而无框架立 体定向导航机器人手术系统可以有效地避免传统脑外科立体定向手术的缺陷，故而 越来越受到重视。 无框架立体定向导航脑外科手术过程如图1 1 所示。手术时首先在患者头部特 定部位贴上能被c t 和m r i 识别的标志点，然后利用c t 或m r i 进行影像扫描。将扫 描结果输入计算机，进行头模的三维重建。在图像空间进行标记点和病灶点f 手术的 对象，如肿瘤、血块、异物等称为病灶点) 的坐标测量，进行路径规划并显示在重建 的三维模型上。手术时病人的头部与手术床相对固定，用机器人的手臂在机器人操 作空间对标记点进行注册。利用标记点在机器人操作空间和图像空间的测量结果， 计算机软件通过计算可得到机器人操作空间到图像空间的映射变换。根据这个映射 关系和规划的路径，可以得到手术时机器人的位姿，以及运动到该位姿各个关节的 运动参数。然后进行计算机仿真机器人手术，直到确定最佳方案。最后按最佳方案 控制机器人移动到手术探针的轴向与规划路径重合，锁定各机械臂，从而辅助医生 进行手术操作。 该系统将计算机技术与机器人技术相结合，实现了无框架定位，同时利用三维 重构技术辅助医生确定病灶点及手术路径，减少了手术创伤，提高了手术精度。 安装头皮表面lc t 或船珏获取头li 图像处理 标记( 触麟s ) r f 部图像r f 玩磊天丽硐厂甬萌万两嚣事 f 点注册( 由机 i 表面头膜及柿 航革术h 术一人完成) 图1 1 无框架立体定向导航脑外科手术过程 2 坝士论文 簇用帆器 结构设计糙其c a d 幕统开发 1 1 3 无框架立体定向爵航手术系统的研究燕点 无框架立体定向导航机器人手术系统是一个多学科的交叉研究领域，涉及内容 相当广泛，包括机器人的机构设计、机器人控制技术、电子通讯技术、计算机控制 方法、计算机图像处理、计算机图形学、虚拟现实技术、医学和微创伤手术方法等。 目前的研究主要集中在以下几个方面”1 ： ( 1 ) 机器人机构研究：手术种类繁多，任务复杂，应研究新的机器人本体，以拓宽 机器人辅助外科的应用范围，而且应不断提高机器人的可靠性、安全性、可操作性 以满足手术的要求。 ( 2 ) 机器人运动控制和路径规划研究：使机器人的运动精度更高，当运动路径的 选取更加科学时，系统整体的安全性就更好。 ( 3 ) 虚拟现实技术和通讯技术在医疗外科机器人系统中的应用研究：使虚拟临 场手术系统更加实用化。 ( 4 ) 仿射变换研究：建立病人的某种图像信息与人体标准图谱的关系，以较低的 成本和较高的速度获得用于规划、导航和仿真系统的病人三维立体模型。 1 2 产品设计中的技术与造型删忉脚 产品设计在不同的历史阶段具有不同的时代特色。在原始社会，人们进行生产劳 动的目的是为了解决人类自身生存的基本生活要求，器物造型十分简单，仅有功能要 求，根本谈不上什么艺术造型，真可谓“食必常饱，然后求美”，“短褐不完者不待 文绣”。随着人类社会的日益发展，所生产的器物及劳动工具开始由简单到复杂，由 粗糙到精细，由凹凸不平到光滑匀整，并渐渐饰有美丽的图案。就是在今天，我们也 不得不对一些古代文物所蕴含的智慧和美而啧喷称赞，这是我们祖先对知识和美的不 懈追求的结晶。 世界范围内产品造型设计也经历了一段相当长时间的发展。1 9 世纪中叶，英国人 威廉莫里斯就发起了“艺术与手工艺劳动”。2 0 世纪初，以法国为中心，欧洲普遍 开展了一场“新文艺运动”，促进了日用工业品、工艺品的设计、生产与艺术紧密结 合。接着德国魏玛鲍豪斯工艺学校成立，该校成为欧洲致力于机械产品艺术化运动的 中心，把艺术与工业结合起来。美国受欧溯工业美术运动发展的影响，于1 9 2 9 年在纽 约现代美术馆成立了“工艺美术造型设计部”。战后日本吸取了先进国家的理论与实 践经验，大量引进先进技术，兴办了各种工业美术设计和研究机构，生产出来的产品 既美观又实用，市场竞争力很强，以致使其成为足以与美国以及欧洲各经济强国抗衡 的经济大国。 自9 1 士论文 膜用机器人结构设计教j lc a d 系统开发 我簪尽管历史悠久，僵在穑当长豹辩阔内，没有注重j 2 , j k 产品逢黧凌诗。人为邈 将产品质量与产品的外观造型分割开，认为产龋只要好用则可，忽略了其美学因素， 以致遗缀的产髓“傻、大、黑、粗”，凡 一年贯铺，导致产酷的市场竞争力缀低。 改革开放以来，人们的生活水平日益提高，综合国力曰益增强，一些有远见卓识企业 也意识到，要筏产品能在激黧的市场竞争中取耱，不仅要强调产品的籁量，蠢麓要注 重其造型，不仅要满足人们物质生活的需要，而且还要满足人们精神文化生活的需要。 国家注意至l 艺术设计豹重要往，歼夯了工整设诗专盈，僮我莺产品秘竣诗东平总体上 与西方发达国缣相比仍然有很大差距。产品的技术与造型的关系及其襄施仍然有待进 一多的磺究劳程实蔑中解决。 1 3c a d 技术的发展历程和研究热点 1 3 1c a d 技术及其发展历程 计算机辅助设计技术( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是一种用计算机软、硬 件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法和技术，包括设计、绘图、工程分析 与文档制作等设计活动。1 。c a d 技术是人类2 0 世纪取得的重大科技成就之一，它几 乎推动了一切领域的设计革命。1 9 8 9 年，美国国家工程科学院将c a d 技术评为人类 2 5 年间( 1 9 6 5 1 9 8 9 ) 当代十项最杰出的工程技术成就之一。 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 0 年麻省理工学院研制出可以显示简单图 形的图形设备“旋风一号”。1 9 6 2 年麻省理工学院s u t h e r l a n d 发表的博士论文 s k e t c h p a d - 一种人机对话系统为c a d 技术的发展和应用打下坚实基础。7 0 年 代初期，c a d 进入了早期实用阶段，1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推出完整的 c a d 系统，随着各种廉价图形输入设备的相继问世，c a d 开始走进中小企业。从8 0 年代至今，c a d 技术取得了很大成就，已得到普遍的应用。 我国c a d 技术研究应用起步较晚，开始于2 0 世纪7 0 年代初期，研究工作主要 集中在高等学校和科研院所，从8 0 年代开始，c a d 技术应用工作才得以开展，技术 上也相继取得很多研究成果。但国内c a d 软件，无论从产品开发水平方面，还是从 商品化、市场化程度方面，都与发达国家有着不小的差距。 1 3 1c a d 技术的发展趋势 随着科技的发展，c a d 的研究及应用仍在不断延伸，新的分支相应产生，实际 应用领域又有了新发展“： 4 硕士论文 琏用机器a 结掏设汁发其c a d 累统开发 t ，；辛算梳簇戍隶l 遣系统 计算机集成制造系统( c i m s ) 是在新的生产组织原理指导下形成的种新型生 产模式，它要求将c a d c a p p c a m c a e 祭菇莛寒。这耱集成痤楚建立一辩耨豹没诗、 生产、分析以及技术管理的体化，并不是将上述系统进行简单的连缓，而是从概 念设诗开始赣考虑至l 熊藏。扶昏蠡醪究看，鸯零l 于系统集藏懿关键技术包摇：计篓 机图形处理技术、图彤输入和工程图样识别、产品造型技术、参数化设计方法、计 嬖梗辘韵工艺艇划设诗、王程数据管瑷技零、数攥交接接术等。 2 科学计算可视化 可视化是一种特殊的计算方法，它把数字符号转换成几何图像或图形，使研究 者能观察它们的模拟和计算过程，并进行交互控制，它是图像理解和图像合成的综 合。它大大加深了人类对数据的理解和应用，加强工程设计的直观性，能获知计算、 设计、加工、实验过程中发生的现象，并对其能进行控制。 3 虚拟现实技术 虚拟现实( v r ) 是种由计算机生成的看是真实的模拟环境，通过多种传感设 备，使用户可以用自然技能与之直接交互，同时提供直观而又自然的事实感知，并 使参与者“沉浸”于模拟环境中。它能使c a d 设计出来的产品无需制造出来就感知 产品的效果，并可进行修改，大大提高产品设计质量，减少很多不必要的浪费。 4 计算机艺术 所谓的计算机艺术，最通俗的理解是“用计算机创意和制作的作品”。与传统 的艺术相比，计算机艺术的价值在于信息的生成、存储与传播方式发生了根本性突 破，特别是虚拟现实的发展，计算机艺术作品的感染力是传统形式所不能相比的。 它更能使人们以美的观点来设计和表现产品，达到造型和技术的统一。 5 先进制造技术 先进制造技术的出现，如并行工程、敏捷制造等等，对c a d 提出了新的要求， 如：产品信息模型要在整个生命周期的不同环节间进行转换；c a d 系统能进行变形 设计能力，快速重构，得到一种新的产品；要求c a d 系统智能化等等。 c a d 技术的总体发展趋势是集成化、网络化和智能化。 1 3 2 参数化设计技术 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 指参数化模型的尺寸用对应的关系表示， 变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，完成图形更新，并遵循约束条 件。 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题。在实际工程设计中，传统的 c a d 存在着严重不足“，比如：不能支持设计过程的完整阶段，无法支持快速的设 顺士论文 睡带机器 结构设计欲其c a d 系统开发 计修改釉有效的嗣用隘髓静设计结采，无法禳好篦支掩浚诗静致往维护工 乍，不 符合设计人员的习惯，无法支持并行设计工程等等。参数化设计以约束造型为核心， 以尺寸驱动为褥征。蘩蠲参数健模墼，设计者哥疆逶过谣整参数来修改帮控鞠设计 结果，并能快速生成一系列设计方案，便于对比和优化，便于实现系列化。这样便 大大豹援高了设计效率，缩短了设诗瓒期，降低了莰诗赞舔，放蠢撵黯了产鑫耱泰 场竞争力。 参数纯鼓零经过专寒年懿发震，磊经残为c a d 技零豹重要分支，爨或力c a d 技 术研究的热点。 1 4 课题的来源及主要研究内容 本课题来源于南京理工大学科技园南京国康机器人科技有限公司项目一无 框架立体定向导航( 脑) 神经外科机器人手术系统的机器人结构设计部分。 本文的主要研究内容如下： 1 _ 产品的设计思想 研究了当前产品设计思想中存在的问题、误区及其解决方法。 2 产品的设计工具 研究了新的设计思想指导下，c a d 技术在本产品设计中的应用及其一些关键技 术。 3 医用机器人的结构设计 在研究了医用导航手术运作机理的基础之上，以新的产品设计思想为指导，以 c a d 技术为工具，进行了无框架立体定向导航( 脑) 神经外科机器人的结构设计( 由 于南京国康机器人科技有限公司已有穿刺机构，本文不予设计) 。 4 基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计技术 研究了p r o e n g i n e e r 的参数化设计和p r o t o o l k i t 的二次开发技术。 5 进行了医用机器人c a d 系统的开发 主要运用p r o t o o l k i t 进行了医用机器人c a d 系统的开发。 1 5 本章小结 本章阐述了医用机器人技术的发展、现状及其研究热点，并对产品设计中所关 注的造型与技术要素以及c a d 技术做了较为详尽的介绍。 硕上论文 医用机器人结构设计及其c a d 系统丹发 2 本产品的开发思想和设计工具 随着世界工业市场竞争的不断加剧，企业要想使其产品具有较强的竞争力，必 须采用新思想、新方法、新技术来改进自己产品的开发模式。传统的“功能决定形 式”的“由内到外”设计思想，已经不能适应当今时代对产品开发的要求。因此， 产品的设计必须把技术和造型统一起来。但随着用户对产品要求日益提高，并且呈 现多元化、个性化的发展趋势，这就使以用户为中心的产品开发周期越来越长。因 此，企业要想在这种形势下赢得市场，必须寻找新的技术来提高效率和效益。c a d 技术的应用为企业追求t q c s ( t i m e 短时间，q u a l i t y 一高质量，c o s t 一低成 本，s e r v i c e 一好服务) 目标提供了强有力的支持。 本章首先论述技术与造型统一的解决方案，然后介绍在新思想指导下c a d 技术 的应用及其关键技术。 2 1 开发思想 在一令毅款项嚣嚣始辩，我钓骞登要去想想忽么群去没计。零节主要分提了传 统产品开发思想中存在的问题，并针对这些问题缭出了解决方案。 2 1 1 传统产晶开发中存在的问题 在开始之前，首先介绍两个概念，个是造裂，另一个是技术。造型是指产鼯 的步 在形态，包括美学和人极因豢。它主要强调带络使用赣的感受，比如美、舒邋、 翳用。技术是指产品的核心功能，包括产品的动力，使用产晶时鬃求的部件间的相 赢作用关系和生产这种产品的材料和方法。它主臻强调产品的功能原理和制造方 法，比如枫械产品的机械原理、耪辩及带4 造工艺。 在传统产品开发过程中，主要存在以下三种问题： 1 只注重技术 这种恩想在我国传统的制造业中普遍存在，设计人员往往以技术为本，强调形 式服获予麓麓，墩就是逶常掰谎熬由内翔磐酶设计。这耱浚诗惹躲的蟊稀，往往怒 以更低的价格去实现更为复杂的产品功能。我们通常所说的“傻、大、黑、粗”的 产菇逛是这释愚熬豹设计络采。 在当今时代，人们购簇商品不仅仅是为了能用，而且还希望好用，并且在使用 中绘久懿漓费享受、绘久淡美惑，爨戮只注重技零豹产品汪经不筑逶瘟当今靖代人 们对产品的要求。2 0 世纪7 0 年代，最令人震惊的经济事件就是日本经济的腾飞。 7 彤t 上论义 蛾用机器人结构设计救其c a d 惹统开蛀 其最基本酶原霞藏是从2 0 整纪s o 年代起，日本注意弱产品设诗应该穗技术与造壅 统一起来，以致使其成为足以与美国以及欧洲番经济强国抗衡的经济大国。当仔细 端详发运留家的产晶辩候，我翻帮会发滋这些产品帮麓筏爵臻又美蕊，使矮时给天 以全新的消费体验( 遮种消费体验是搜术与造型统一的结果) ，虽然价格贵但仍然 希望戆筷。露我藿，罴然改革开教2 e 年，经济取褥了令天疆瓣豹戚藏，毽褒浚诗 l 仍然十分落后，其产鼎根本无法与发达国家的产品相竞争。蛆然，墩有一些名牌 产晶，氆大多怒模傣黉钤兹莰诗，攫少骞垂己稳竣计“8 ，这耱鼹着裂爻魏豹浚瑰， 永远也习：能在觉争中占有主动权，进而长远上消弱我国的产品开发和制造水平的国 跨竞争力。 综上所述，我们必须改变只注重技术或功能的产品设计观念。 2 片面追求造型 这种现象在制造业中也是存在，比如一些小日用品的设计。这些厂家片面地为 了求新立异，追求所谓的“新颖”和“艺术”，根本不考虑产品可用性、易用性， 以致所生产出来的产品不好用甚至不能用。我们通常所比喻的“花瓶”就是这种思 想的设计结果。 人们购买工业产品或日用品是首先是为了完成或改善某项工作，当一个产品脱 离了其使用价值，它还有价值么? 一个产品不好用，人们还愿意买么? 答案当然是 否定的。这种片面追求造型的产品只能寻找一些宁可为自我表达而牺牲实用价值的 小众市场，进而不能取得大的成功。这也说明一点，一个商品只有能用、好用，才 能去追求造型美。 所以，从上面的讨论可以看出，任何片面追求造型和功能的做法都不是合适的、 甚至是错误的，应该把技术和造型统一起来。改革开放以后，政府各部门开始意识 到产品技术与造型统一的重要性，并开设了工业设计专业。一些有远见卓识的企业， 也开始注意到这一点，并开始加大这方厩的设计团队建设。但应仍然存在一些问题， 这也是产品技术与造型结合过程中出现的问题，即技术与造型的有机结合。 3 技术与造型的有机结合问题 虽然一些有远见卓识的企业开始把艺术设计师引入设计团队，但很多艺术设计 师由于其知识背景的局限性，在一个项目开始时很难积极地参与到设计中去，往往 是由机械设计师首先进行设计，而在设计的晚期再由艺术设计师为该产品穿上漂亮 的衣服，这种贴贴补补的晚期修饰往往不能把技术与造型有机的结合起来，进而不 能很好地实现技术与造型的统一。 砸士论立隈用机器 结构设计擞其c a d 系统开发 2 1 2 技术与造型统一的解决方案 产品的设计应该把技术与造型统一起来，因为技术与造型的统一会增加产品的 价值。而产品设计两个方面的要素，一方面是设计的人，另一方面是设计的方法。 人是产品设计的主体，设计方法是设计的手段。 1 设计者 对于设计者而言，在设计过程中就不能只是片面地追求功能或片面地追求造 型，而应该把两者统一起来。比如，机械设计师不仅应该把自己的强项发挥出来， 更应该要不遗余力地去追求造型美，这就要求设计者素质的提高。笔者作为机械设 计人员也倍加感受到应该加强造型设计理论的学习，这对产品设计是十分有益而且 必要的。 在进行一个项目的开发时，可以组织不同专业的设计人员共同进行设计，设计 团队要有工程师、艺术设计师和市场调研人员等。团队成员应避免专业歧见，相互 补充，精诚合作，共同致力于设计优秀的产品。 2 设计方法 对于设计的方法，应该更加注重产品概念设计阶段。因为概念设计阶段是造型 与技术酝酿阶段，这个阶段就考虑到技术与造型的统一才能将它们有机的结合起 来，而不是机械工程师设计完后，由艺术设计师为产品穿上漂亮的衣裳。 此外应尽可能在产品的造型和核心技术确定无误后，再进行细节设计。这样可 以很大程度上，避免设计错误，减少设计更改和重复次数，提高质量，降低成本， 使开发过程接近次成功的目标。也有研究表明，产品开发的早期阶段决定产品开 发成本的8 3 ，而这一阶段所花费的费用仅占开发成本的7 1 。 技术与造型的统一突出体现了以用户为中心的设计理念，因为产品的使用者是 用户，好不好用、好不好看，都要接受用户的评价。因此概念设计阶段必须很好的 了解用户的需求，并且以这种需求为指导进行产品的构思与设计。此外也有研究表 明，2 0 9 6 的产品设计变更都是由于对客户需求理解不充分所致“。 除此之外，一些现代的设计与制造方法，比如c a d c a m 等的应用为产品技术与 造型的统一提供了新的途径和支持： ( 1 ) c a d 所带来的新的造型语言与表达方式使产品设计时能实时看见产品的效 果，为造型与技术的统一提供了强有力的支持。 ( 2 ) c a d 技术的一些现代分析和计算方法，如有限元、优化算法为产品的分析、 计算和优化提供了新的途径。 ( 3 ) c a d c a m 技术所带来的的现代制造方法，比如r p 、数控加工、计算机辅 助模具设计等等，为原型制作和产品的制造提供强有力的保证。 9 硕i 论文 医用机器人结构设计及其c a d 系统开发 2 1 3 工业产品造型设计理论简介 1 工业产品造型设计原理“ ( 1 ) 系统化原理 现代工业产品的系统化设计是把产品的设计开发、生产制造、市场销售三个方 面作为一个整体考虑，并运用系统工程的方法进行系统分析和系统综合，从而使产 品的设计工作更有效、更合理地推进和展开。 ( 2 ) 人性化原理 人性化设计是以人为设计的中心，对工业产品从使用、操作、安全、可靠、环 境、，t b 理感受等方面进行整体的构思，并对人的生理、心理因素做科学的定性与定 量分析和研究，从而提出人与产品协调设计的理论依据。 ( 3 ) 可靠性原理 在规定的条件下和规定的时间内，产品完成规定的功能的能力称为可靠性。产 品的可靠性是衡量人们信赖和接受产品与否的基本标准。 ( 4 ) 美学原理 按照美学原理和艺术造型设计的规律塑造产品，使之具有新颖、美观、精致的 外观形象。工业产品的造型美是产品整体体现出来的全部美感的综合。 ( 5 ) 经济性原理 产品最终都要成为商品，要进入市场流通，受到市场经济规律的制约，因此产 品的设计要考虑其经济因素，这些经济因素包括价值、成本、营销策略等等。 2 工业产品造型的形式法则” ( 1 ) 统一与变化 在艺术作品中，强调突出某一事物本身的特征称为变化，而集中它们的共性并 使这些共性更为突出即为统一。统一能使人感到畅快、单纯、秩序、和谐，但只有 统一会使造型显得刻板、单调、乏味。变化是刺激的源泉，能唤起兴趣，打破单调 乏味的过分统一。但变化应有一定的限制，否则使造型显得零乱、杂散、没头绪。 因此，造型设计中要在统一中求变化，在变化中体现统一。 ( 2 ) 比例与尺度 比例和尺度是构成产品造型形式美最基本、最重要的手段之一。比例包括整体 长、宽、高之间的大小比例关系以及整体与局部、局部与局部之间的大小比例关系。 正确的比例关系不仅在视觉习惯上感到舒适，其在功能上也会起到平衡稳定的作 用。尺度是指产品与人两者的比例关系。产品是给人使用的，因此尺度必须与人的 生理、心理相适应。 0 伸! j 论爻： 隧用机器人结构设计救兵c a d 系统开发 ( 3 ) 节奏与韵律 节奏是客观事物运幼的属性之，是一种有规律的、周期性变化冉勺运动形式。 韵律是种周旃性盼律动做育缀绥墙变化和重复。节奏和韵律能给入秤律动和摔 扬顿挫的美感。 ( 4 ) 对称与平衡 对称的形式能给人以庄重、严肃、大方与完美的感觉，但也会在心理上产生静 感和硬感，并显得单调呆板。平衡形式是指产品由各种造型要素构成的量感，通过 支点表示出来的秩序和均衡。 ( 5 ) 稳定和轻巧 稳定可分为实际稳定和视觉稳定。产品的物质功能，是产品造型追求稳定和轻 巧感觉的主要依据。 ( 6 ) 对比和调和 对比是突出事物各自相互对立的因素，通过对比使个性更加鲜明。调和是在不 同的事物中强调其共同因素以达到协调的效果。对比可以使形体活泼、生动、个性 鲜明，但对比太强会有杂乱、动荡的感觉。调和却可以使形体稳重、协调、统， 但过分调和会显得呆板、平淡。工业产品造型为获得稳定、安全、可靠效果，主要 应以调和为主。 ( 7 ) 过渡与呼应 过渡是指在两个不同形状、不同色彩的组合之间，采用另一形象或色彩，使它 们相互协调的联系手段，以取得和谐的造型效果。呼应是指在单个或成套设备的造 型中，产品中的各个组成部分或产品与产品之间运用相同或近似的“形”、“色”、“质” 进行处理，以取得各个部分之间的艺术效果的一致性。 ( 8 ) 主从与重点 在造型设计中，主体起决定性作用，客体起烘托作用，主从应互相衬托用为一 体。产品造型的重点由功能和结构等内容决定，重点的处理，可以形成视觉中心和 高潮，避免实现不停的游荡，没有主次的设计会使造型呆板、单调、结构繁琐杂乱。 ( 9 ) 比拟与联想 比拟就是比喻和模拟，是事物意象问的寄窝、暗示和模仿。联想则是思维的延 伸，它是由一事物的某种因素延伸到另外的事物上。比如，对称的结构让人联想到 大方稳重；水平柔软的曲线让人联想到流畅与轻快。 3 ，工业产品造型要素。 工业产品造型的要素主要有体量、形态、线型、方向与空间、色彩和材质。 颀 论更 医用机器人结构设计及其c a i ) 系统开发 2 2 设计工具 “工欲善其事，必先利其器”。c a d 技术的采用，不仅为企业追求t q c s 目标 提供了强有力的支持，也为产品设计中技术与造型的统一提供了新的途径。本节主 要论述了c a d 技术在产品设计中的应用、c a d 软件的选择以及所用到的一些关键 技术。 2 2 1c a d 技术在产品开发过程中的应用 任何新产品的开发都表现为一个过程，每个过程都有一系列的活动构成。图2 1 说明了新产品开发的过程，这个过程主要包括以下一些阶段：需求分析、概念设计、 可行性研究、细节设计、设计分析、设计优化、设计结果。 市场信息、 表示c n 过崔 翻2 1 设计过程与c a d 过程 机械产品设计中的大多数活动都可以用c a d 技术来实现，但也有一些活动尚难 霸c a d 技术实现，诧如需求分耩、可行| | 生研究等。伍淹着c a d 技米的发袋，其应蹋 范围也在不断的扩展，设计中越来越多的活动将w 以用c a d 工具加以实现，比如， 嚣前p r o e n g i n e e r 鹊靖络功能可瑷获取需求信怠、设计穰惫等。c a d 技术酌应用馕 产品开发的手段发生了很大的变化，与传统的设计比较，熟设计活动发生了很大的 交纯： 1 概念设计阶段 概念设诗淤羧主要确定产瑟豹造鍪葙技零，麓把造鳖与技术统一起来豹最佳酝 酿阶段。对于造型而言，这个阶段一般不需要精确的造型，更主要的是看造型效果。 概念设诗滔麓，糕辫逮分，哥努必设计愚维活动帮设诗表遮活动。c a d 按零对概念 设计阶段的革命主要表现在设计的凌达上”8 ”。 c 矗器按本蘑荣来戆瑟瓣逵鍪l 逶害窝裹这方式，锯瘫逮浚交了设诗镁城豹形象， 设计因此产生深刻而生动的变化。c a d 搜术的三缎建模和演染技术给设计带来了新 数疆言，威鸯造燮设计主黉轰凝争段，萁农霹与遴奏瓣立体感、燮凝感镬竣诗努纛 一不对其发出由衷的感叹。除此之外，还可以通过设定产晶位置、视点变化、镜头 蛾i 论文 捱角规器a 结掏设计及其c a d 簸统j f 发 轨迹等生成多角度躐察物体的三维动画，这是传统手绘效莱图所无法眈揿的。 在穰念设计兹簸后除段，一般要割作物理穰垄良侔最后懿评 鑫，c a d 数据经过 处理，可以直接竣入到r p ( 快速原型) 戏c n c ( 数控枧床) 以加工物理模型。此外， 随蔚虚拟现实技术的发展，配合头盔和数据手套，设计人便可体验“身临其境”的 “灵境”设计感受。 2 细节设计 细节设计阶段是在概念设计基础上，对产品及其零部件进行详细的设计，其目 标是可制造的产品数据模型。c a d 设计改变了传统的设计方式，使设计效率与质量 得到极大的提高。 c a d 的三维建模技术完全改变了传统的由二维到三维的设计方法，进入了符合 人们设计习惯的先三维后二维的顺序，使人们的想象力和创造力得以自由的发挥。 传统的e h - - 维到三维的设计方法，使人们的想象力和创造力受到很大的限制，大多 数的设计都停留在模仿的阶段。 c a d 的参数化设计技术使设计的修改变得十分方便：c a d 的参数化设计技术使 已有的设计结果不再是死图，通过修改参数可以得到新的设计结果，这样的我们便 可以方便的得到一族设计结果而不再是一个，极大地提高了效率；c a d 的参数化设 计技术，使设计中的修改只需改变主参数，而不用对所有尺寸逐一修改。 除此此外，c a d 的网络功能使异地协同设计成为可能。 3 设计分析和优化 设计分析和优化是对设计结果进行分析、校核和优化。c a d 技术引进了大量现 代的分析和数值计算方法，大大提高了设计的精度和可靠性，进而使设计达到最优。 传统机械设计分析计算中，由于受到人工计算的限制，只能采用静态的或近似 的计算方法，比如作图法、类比定值法等等，这就很难得到动态的精确的计算结果， 严重影响了设计质量。而c a d 技术大量引进了现代的分析和数值计算方法，比如数 值积分、常微分方程数值解、有限元、边界元、优化方法等。利用这些软件包便可 以对机械零件以致整机进行结构应力应变场、温度场、速度场的分析计算，从而大 大提高设计精度。此外，还可以对结构进行动态分析，不仅可以查看运动情况，而 且还可以从系统的观点研究整机及其零部件的可靠性，用概率统计的方法来分析零 部件的失效，从而实现对机械故障的诊断和寿命的预测。 4 设计结果 设计结果是指设计最终所确定的以供加工的产品设计信息。c a d c a m 是2 0 世纪 制造领域最杰出的成就之一。 c a d c a m 集成软件可以直接根据三维实体模型自动生成数控程序，数控机床通 过该代码可自动完成零部件的加工。在零部件不用数控加工的情况下，c a d 技术提 颤士谚文 艇用帆器a 缕构设计及廷c a d 系统开发 供了由三维模型图转换到二维平面图的功能，稍髑该功能可竣方霞静生成二维二 程 强。 综上历述，相信通过c a d 技术的应用能够大大的提高设计效率和质量、节约成 本，为追求的t q c s 目标提供了强有力的支持。 2 2 2p r o e n g i n e 职的选用 p r o e n g i n e e r 是世界上最大的c a d c a e c a m 解决方案提供商之一美国参 数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r t i o n ，p t c ) 于1 9 8 9 年发布的一个实 体模型软件。它的单一数据库、参数化、基于智能的特征造型、全局相关性以及工 程数据再利用改变了机械设计自动化的传统观念，成为当今机械设计自动化领域的 新标准。p r o e n g i n e e r 软件能将从设计到生产全过程集成到一起，让所有用户同时 进行同一产品的设计制造工作，这体现了并行工程的思想。如今，它已经成为世界 上应用最为广泛的高档c a d c a e c a m 软件之，被广泛的应用在机械、航天、汽车、 电子、家用电器等行业中。 1 p r o e n g i n e e r 的主要特点 p r o e n g i n e e r 软件有以下特点： ( 1 ) 参数化特征造型。p r o e n g i n e e r 采用基于特征的建模技术，并对特征信 息参数化。 ( 2 ) 全局相关性。p r o e n g i n e e r 采用单一数据库，每一个尺寸都是一个可变 的参数，在设计的任何一个环节修改了参数的尺寸，都会反映到其它相关的环节。 比如，改变了个特征的尺寸，那么与此尺寸相关的零件、组件、工程图等等都会 按此改变得以更新，这是并行设计思想的体现。 ( 3 ) 无缝集成的产品开发环境。p r o e n g i n e e r 是一个集c a d c a e c 删于一体 的集成化设计系统，可以完成从方案提出到产品制造的整个产品开发过程。 2 p r o e n g i n e e r 的应用模块及主要功能 p r o e n g i n e e r 是一个大型的软件包，有多个功能模块组成。除此之外，p t c 公 司还提供了其它很多模块，用户可根据情况选用，这些模块一般都可以无缝的集成 到p r o e n g i n e e r 之上。下面就经常用到的一些模块作一些介绍“： ( 1 ) p r o e n g i n e e r p r o e n g i n e e r 是一套独立的机械设计软件，也是其它模块的基础平台模块，其 他模块都是依附在其上执行的软件包。这套软件提供了构建实体模型、创建组件、 设计焊接件、渲染效果图、测量模型属性、数据转换等等工作所需要的一切高级集 成功能。此外，用户可根据需要选用其它的模块，并能无缝集成到p r o e n g i n e e r 之一e 。 4 倾土论文医用机器人结构设计及其c a d 系统开发 ( 2 ) p r o a s s e m b i 。y p r o a s s e m b l y 是一套优秀的参数化组件管理系统，它可以将理论上无限多的零 件组成一个装配体或完整的产品。在组装过程中，用户可以添加新零件或是对已有 的零件进行编辑修改。 ( 3 ) p r o m e c h a n i c a p r o m e c h k n i c a 是一套产品仿真分析软件包。利用它可以方便的对模型进行结 构、运动学和热流分析。结构分析可以对零件或组件进行静态分析、模态分析、屈 曲分析、接触分析、振动分析等等。热流分析可以对模型进行稳态和瞬态温度分析。 运动学分析可以进行运动学分析、动力学分析、逆向动力学分析以及干涉检验分析 等。 ( 4 ) p r o d e t a i l p r o d e t a i l 提供了强大的工程图生成功能。利用它可以自动生成各种视图、自 动尺寸标注、公差标注等。 ( 5 ) p r o n c p r o n c 能自动生成数控程序来驱动数控机床。它支持一套完整的加工策略，包 括铣床、钻床、车床及钻线切割等。 ( 6 ) p r o p h o t o r e n d e r p r o p i t o t o r e n d e r 蹦片演染模块允谗用户通过材质贴辫 、灯光设置、背景设置 以及方向定位及透视和消染等手段制作通真的产品图形。它提供了p h o t o r e n d e r 和 p h o t o l u x 两个高级渲染引擎。 ( 7 ) p r o t o o l k i t 此模块用来绘开发人员进行p r o e n g i n e e r 软件的二次开发。 2