（机械电子工程专业论文）腹腔镜手术培训系统开发.pdf

中文摘要 本文结合微创手术机器人项目的研发，以开发腹腔镜手术培训机系统为目 标，根据手术操作过程对手术培训机的结构进行设计，采用光电传感器对手术器 械的角位移进行数据采集，通过微处理器和p c 机对采集到的数据进行传输和处 理，实现了将手术器械的位姿变化量到计算机能够识别的数据的转化，完成了手 术培训机系统开发的基本任务。本人在系统原理分析、机械结构设计、信号采集、 数据处理传输等方面进行了大量工作。 首先，在详细分析外科医生在操作手术器械进行腹腔镜手术过程的基础上， 根据刚体运动学原理确立了四自由度运动的结构设计方案，并建立了系统运动的 约束方程。 其次，利用a u t o c a d 软件对所建立的原理结构进行机构设计，逐步对系统的 各零部件及基座等进行设计，最后采用p r o e 软件进行模拟安装，建构了手术培 训机的系统模型。 最后，通过设计开发的光电传感器对手术器械机械位移进行采样，通过多路 选择器将光电传感器同单片机连接，并选取单片机与p c 机建立串行异步传输的 通讯协议，完成了手术器械同计算机之间数据传输的任务。 因此，作为微创外科手术推广的关键性设备，手术培训机的项目的研发，将 有助于提高提高外科医生的业务水平，增强他们手术过程中的自信心，并且对于 改善人们的健康状况和生活质量具有一定的影响。 关键词：微创手术自由度光电传感器手术培训机 a b s t r a c t o nt h eo r i e n t a t i o no ft h em i n i m a l l yi n v a s i v es u r g i c a lr o b o t i c s ，t h i sd i s s e r t a t i o n a i m sa tb u i l d i n gas y s t e mo ft h es u r g i c a ls i m u l a t o rt oh e l pt h es u r g e o nc o p ew i t ht h e l a p a r o s e o p i cs u r g e r y b a s e do nt h ec o u r s eo ft h es u r g e r y , t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h e c o u r s eo fc o n s t r u c t i n gt h em e c h a n i c a lp l a t f o r mo ft h es u r g i c a ls i m u l a t o r b yu s eo f p h o t o e l e c t r i cs e n s o r sw es a m p l et h ea n g u l a rd i s p l a y m e n to f t h eo p e r a t i n g a p p l i a n c eo f t h es i m u l a t o r , a n dt h es i g n a l sa r cp r o c e s s e da n dt r a n s m i t t e dt oc p u w h i c hi st h e m a i nt a s kf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r e so ft h es i m u l a t o r p e r s o n a l l y , ih a v e d e v o t e dm y s e l ft ot h ek i n e m a t i cp r i n c i p i u ma r i a l y s i s t h ep r i n c i p l ed e s i g no ft h e m e c h a n i s m a n dt h ec o u r s ed e s i g no fs i g n a ls a m p l i n g & p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n g f i r s t l y , o nb a s eo f t h ea n a l y s i so f t h ep e r f o r m a n c et h a tt h es u r g e o n sb e h a v ei nt h e c o u r s eo ft h el a p a r o s c o p i cs u r g e r y , w es e tu pt h ep r i n c i p l eo ft h e4 - d o fm e c h a n i c a l m o d e la c c o r d i n gt ot h ek i n e m a t i ct h e o r yo ft h er i g i db o d y , a n dt h ec o n s t r a i n t e q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d s e c o n d l nw ed e s i g n e d t h e p a r t sa n dt h es u p p o r t e ra n da s s e m b l e dt h e s e c o m p o n e n t s a tl e n g t h ，t h em o d e lo f t h es i m u l a t o rw a sc o n s t r u c t e dt om e e tt h ed e s i g n d e m a n d sa n di m p r o v e dw i mt h eh e l po ft h es o f t w a r ea u t o c a da n d p r o e n g i n e e r l a s t l y , w ed e v e l o p e dt h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r st os a m p l et h ev a r i e t yo ft h e o p e r a t i n ga p p l i a n c eo ft h es i m u l a t o r , a n dt h es i g n a l ，b yb r i d g eo ft h em u l t i - s w i c h e r , w a sp r o c e s s e d & t r a n s m i t t e dt ot h ec e n t r a lp r o c e s s i n gu n i to ft h ec o m p u t e r t h e m i c r o p r o c e s s o rb r i d g e dt h e s e n s o ra n dt h ec o m p u t e rb yt h es e r i a la s y n c h r o n i c c o m m u n i c a t i o n s a st h ep r i m a r ye q u i p m e n to ft h em i sp o p u l a r i z a t i o n ，t h es y s t e mo ft h e l a p a r o s c o p i cs u r g i c a ls i m u l a t o rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c el e v e la n db u i l du pt h e c o n f i d e n c eo ft h es u r g e o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sr e s e a r c hw i l lb es i g n i f i c a t i v eo f i m p r o v i n gt h el i f el e v e la n d h e a l t hc o n d i t i o no f t h ec o m m o np e o p l e k e yw o r d s ：m i n i m a l l yi n v a s i v e s u r g e r y , d e g r e eo ff r e e d o m ( d o f ) ， p h o t o e l e c t r i cs e n s o r , s u r g i c a ls i m u l a t o r - 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，也不包含为获得鑫盗盘茔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 己海炱 签字日期：a 卯f 年月铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生盘茎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：丑i 务碳 导师签名 签字日期：。嘶月厢日签字日期：御r 年月谚日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 二十世纪医学科学对人类文明的重要贡献之一是以腹腔镜技术为代表的微 创外科的形成和发展。现代外科手术不仅要求最大范围的切除病变组织，而且要 求尽可能多的保留器官的基本功能。希望在保证延长患者生存时间的同时，也提 高其生存的质量，并且在保证与传统手术效果相同甚至高于传统手术效果的前提 下，减少手术给患者带来的近期和远期的痛苦，从而使病人获得高安全性、低痛 苦性和最快速的康复。基于这种思想的发展，临床医学也开始向“微创”的方向 迅速发展。 1 1 微创手术简介 1 1 1 微创手术的概念 所谓微创手术，就是指在病人患处切开十几毫米、甚至几毫米的小孔，将直 径为十毫米左右的显微内窥镜通过患者体表切口插入到体内的病变部位，通过监 视器将手术器械的末端放大数倍进行的手术。微创手术是应用各种微创技术使外 科疾病达到治疗目的而又创伤很小的一门技术，是一种借助微型化的高科技影象 系统实施的外科手术。与传统的开放性手术相比，微创手术具有手术创伤小，术 后恢复快，病人心理负担轻，不需缝合皮肤，皮肤也不留疤痕等优点。 1 1 2 微创手术的产生 通常意义上讲，外科手术是一种通过制造创伤来治疗疾病的手段。如何减少 患者的痛苦而又实现治疗的目的一直是外科医生追求和探索的目标。在尚无麻醉 术的时代，用结扎血管方法止血代替用铁烙止血，或使用清凉膏涂敷代替沸油去 淋伤处，凡此等等，均是外科学发展过程中自始至终贯穿着的减轻创伤、保护组 织的思想。随着科技的发展和先进技术的应用，外科医疗领域也涌现出了很多的 新医疗方法和手段，麻醉术的发明、无菌术、抗菌素的应用和人们对人体生理学 的认识，使而是世纪的外科学达到新的发展高度。但是，人们亦认识到外科手术 是一把双刃剑，在去除病变的同时必然对身体起有负面效应，何况治疗的效果往 往并不是与创伤大小成比例的。因而，外科医生不断在思考如何使外科更趋于完 天津火学硕士学位论文 第一章绪论 美，如何使得手术带来的创伤最小化，这样，微创外科应运而生。而且随着外科 医学技术的进步，微创外科正在逐步应用于各个医学领域。 目前国外的微创外科手术已经涉及以下领域：心脏搭桥手术；内分泌外科： 器官移植微创手术，特别是对活体器官的移植；血管外科，比如动脉瘤的切除； 胸外科手术，比如肺叶的切除，食道的切除等。 现在，全国已有多家医院能够进行相关的微创手术，并且已经达到了一定水 平。其中以代表我国微创手术先进水平的中国医科大学附属第二医院为例，近年 他们在各科系都开展了显微微创治疗新技术，并在胸外、泌尿外及骨科取得突破 性进展，目前这家医院已使5 0 0 0 多位患者避免了开腹、开胸等大型手术的重创， 而代之以小切口、无痛苦、治愈快的微创手段治疗。 1 1 t 3 微创手术的发展和现状 1 9 8 7 年法国m o u r e t 医师首次在电视腹腔镜下成功地完成了世界首例胆囊切 除术，从而奠定了现代腹腔镜外科学的基础，并迅速推广到欧美及亚洲等世界各 地，1 9 9 0 年1 1 月香港中文大学钟尚志教授拉开了我国腔镜外科飞速发展的序幕。 外科学的发展总是离不开当时科技发展的前提，2 0 世纪后期，基于微电子 学、光学、现代先进技术和工艺的发展，内镜的出现已是意料中之事，而腹腔镜 外科的问世亦是必然之势，腹腔镜技术的出现和发展促使了微创外科的飞速发展 和广泛应用。 因此，腹腔镜的发展使腹腔镜外科成为了微创外科的代表，使其成为了微创 外科领域的重要进展之一。本文以外科医生进行腹腔镜手术为研究对象，进行相 关的开发、研究工作。下面简单介绍一下腹腔镜外科手术的相关情况。 腹腔镜外科就是以微创为出发点形成的独立领域，其壮大和发展为高科技与 外科技术的进一步结合开辟了道路，是今后外科技术的革新和今后发展的方向。 腹腔镜外科手术已是外科领域中发展最快的手术种类之一，而且已得到外科医师 的广泛承认和病人的普遍欢迎。 腹腔镜技术的发展意味着外科学一场革命，近几年来腹腔镜己从单纯的诊断 发展为能够取代许多割腹术的治疗技术。一般两言，腹腔镜手术的脏器功能较开 放手术要早恢复2 4 小时左右。术后住院日期也能缩短至原来的1 3 1 2 倍，显 著提高了床位周转率，加上病人康复快能早返工作岗位，因而具有良好的社会、 经济效益。 天津大学硕士学位论立第一章绪论 美，如何使得手术带来的创伤最小化，这样，微创外科应运丽生。而且随着外科 医学技术的进步，微创外科正在逐步应用于各个医学领域。 目前国外的微创外科手术已经涉及以下领域：心脏搭桥于术；内分泌外科； 器官移植微创手术，特别是对活体器官的移植；血管外科，比如动脉瘤的切除： 胸外科手术，比如肺叶的切除，食道的切除等。 现在，全国已有多家医院能够进行相关的微创手术，并且已经达到了一定水 平。其中以代表我国微创手术先进水平的中国医科大学附属第二医院为例，近年 他们在各科系都开展了显微微创治疗新技术，并在胸外、泌屎外及骨科取得突破 性进展，目前这家医院已使5 0 0 0 多位患者避免了开腹、丌胸等大型手术的重创， 而代之以小切口、无痛苦、治愈快的微创手段治疗。 1 1 3 微创手术的发展和现状 1 9 8 7 年法国m o u r e t 医师首次在电视腹腔镜下成功地完成了世界首例胆囊切 除术，从而奠定了现代腹腔镜外科学的基础，并迅速推广到欧美及亚洲等世界各 地，1 9 9 0 年1 1 月香港中文大学钟尚志教授拉开r 我国腔镜外科飞速发展的序幕。 外科学的发展总是离不开当时科技发展的前提，2 0 世纪后期，基丁微电子 学、光学、现代先进技术和工艺的发展，内镜的出现已是意料中之事，而腹腔镜 外科的问世亦是必然之势，腹腔镜技术的出现和发展促使了微创步 科的飞速发展 和广泛应用。 凼此，腹腔镜的发展使腹腔镜外科成为了微创外科的代表，使其成为了微创 外科领域的重要进展之一。本文以外科医生进行腹腔镜手术为研究对象，进行相 关的开发、研究工作。下面简单介绍一下腹腔镜外科手术的相关情况。 腹腔镜外科就是以微创为出发点形成的独立领域，其壮大和发展为高科技与 外科技术的进一步结合开辟了道路，是今后外科技术的革新和今后发展的方向。 腹腔镜外科手术已是外科领域中发展最陕的手术种类之，而且已得到外科医师 的广泛承认和病人的普遍欢迎。 腹腔镜技术的发展意味着外科学一场革命，近几年来腹腔镜己从单纯的诊断 发展为能够取代许多剖腹术的治疗技术。一般而言，腹腔镜手术的脏器功能较7 r 放手术要早恢复2 4 小时左右。术后住院日期也能缩短至原来的1 3 1 2 倍，显 著提高了床位周转率，加上病人康复伙能早返工作岗位，因而具有良好的社会、 著提高了床位周转率，加上病人康复快能早返工作岗位，因而具有良好的社会、 经济效益。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 9 1 年元旦，广州医学院第一附属医院举办腹腔镜胆囊切除讲习班，经过 l o 多年的发展，腹腔镜手术已经成为微创外科的主要部分，首先做到了术者的 手不进病人的腹内或胸腔内而能做腹内或胸腔内手术。目前，在欧美发达国家， 腹腔手术已成为一种常用手段，占手术数量的7 0 一8 0 ，并且已逐渐成为急诊手 术的最佳选择。 大量的临床实践已经证明，腹腔镜外科手术是现代高新技术与传统医学相结 合的典范，它既遵循传统外科的治疗原则，又能以微创手术技能完成传统手术， 代表了最小创伤外科发展的新趋势。 随着现代高科技的发展，医疗仪器和器械不断改进，内镜技术不断进步，以 腹腔镜外科为特征的腔镜外科学已经形成，腔镜外科在外科学中的地位，在新世 纪中无疑将越来越重要。 1 2 微创手术的应用前景 微创外科的发展是先进的光学和电子科学技术与外科技术相结合的产物，是 科学发展的必然结果。不仅如此，腹腔镜外科的发展还为高科技与外科技术的进 一步结合，特别是远程参观手术和手术会诊，以及电视远程手术的发展开辟了道 路，它是外科技术的革新和今后发展的方向之一。 随着高科技的飞速发展，各种先进的科学技术都在向医学渗透，包括微电子 学、计算机技术、光电技术、电信技术等，将使得微创外科技术本身更趋现代化、 合理化。相信在不久的将来，外科医生很快就会将下列内容列入学习议程： 1 ) 模拟手由于现在的腹腔镜技术还不能像人手那样在操作过程中有感觉， 科学家们正在致力于利用一些传感仪器和设备，使医生在操作医疗机器人时通过 操作器械产生“手感”，使得腹腔镜技术近似予医生的手切实接触患处所进行的 操作。日前，据报道德国的一家公司已经制造出产生“手感”的模拟手医疗器械， 并成功得到应用。 2 ) 机器人目前微创手术的术者操作难以达到像电脑计算那样的精确，人 们正在利用自动化系统，利用机器人进行各种腹腔镜技术的操作，这些技术在国 外一些发达国家已经得到开发并应用到临床，如d av i n c e 机器人系统。 3 ) 网络远程操作通过卫星建立世界范围内的信息网、联络网、操作网点， 使得医生对患者的诊治通过电讯电传、远距离对话而完成，通过计算机操作控制 机器人而能够完成远距离的手术操作。这样，可以大大减少旅途劳苦，并能让病 人选择自己认为合适的医生为其及时诊治。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 因此，微创外科随着生物医学、机器人学和计算机科学的进一步发展而更加 成熟。能保持个健全、完整、美观的躯体，少受些创痛是人人追求的目标，科 技日新月异的二十一世纪，以腹腔镜技术为代表的微创外科的观念和实践必将在 新的条件下更加蓬勃发展。 1 3 课题的提出及意义 目前，腹腔镜手术技术在欧美日等经济发达地区己得到广泛的开展并形成了 相关的系列化产品，国内某些机构也引进了这项先进技术。对操作腹腔镜手术的 外科医生进行术前的培训，提高其操作的熟练程度和自信心等，这些都需要进行 相关手术培训系统的研究和开发。 该项目的研制是典型的机电一体化范畴，为今后进行微创手术机器人的研发 创造了参照性基础。该项目的研究成果将极大地促进微创手术机器人的系列化和 产品化，对于提高国内产品技术科技含量有重要的参考价值，对人类的健康和生 活质量的提高都有重大的意义。 该课题涉及到了机械、通信、电子、虚拟化技术和软件编程等领域和技术。 课题组成员通过分析和研究微刨手术的现状，针对手术培训机研发的关键性问题 进行了剖析，确定产品开发过程中技术、成本、进程及约束条件等因素，对手术 培训机系统的开发指定人选，分别从机械建模、数据采集等硬件设计和软件程序 控制从两个方向进行研究。本文针对手术培训机的机械结构部分进行展开，并在 此基础上建立了手术培训机的硬件模型，通过设计开发的光电传感器对手术器械 的位姿变化进行采样，对计算机接口部分作了简明分析，实现了数据采集、处理 和传输。关于软件编程和程序模拟控制部分敬请参阅同课题组李基沛同学的硕士 毕业论文虚拟现实技术在微创手术培训机中的应用。 1 4 课题研究的主要内容 本课题将以手术培训系统的研制、开发和模拟完善过程为主要研究对象，对 产品开发过程中的结构设计、建模过程以及软件控制进行深入研究。本文主要内 容如下： 1 分析课题所研究的培训机系统在国内外的应用背景和现状，对手术培训系 统开发过程的特点和发展趋势进行了阐述： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 2 结合腹腔镜微创手术过程中手术器械的运动原理，确定手术培训机的工作 方法及其运动原理。在手术培训机的结构设计过程中，对各种方案进行比较分析、 加以优化，最终确立了手术培训机总体结构方案。 3 根据手术培训系统的结构设计方案，逐步展开各个零部件的设计，建构出 系统的机械结构模型，并利用p r o e 软件检验机械结构模块装配的合理性和整体 结构的美观性。 4 利用研发的光电传感器实现数据采集，通过多路选择器对采集到信号的选 通，采用微处理器对选通的数据进行传输和处理；并通过对单片机和p c 间通讯 的协议和连接的简明阐述，建立手术器械和计算机之间的桥梁。 苎塑苎兰望型兰! 堡笙壅 笙三兰量查苎型垫堕堕塑垦堡塑生 一。一 2 1 引言 第二章手术培训机的结构原理设计 本课题研究的项目为手术培训机的系统开发，首先对手术器械的运动原理进 行分析，建立手术培训机的传动模型，从而建构整个系统的机械模型，并加以优 化，然后通过光电传感器对培训机的手术器械的位移进行数据采集，其次实现计 算机硬件接口的设计进行数据处理，最后进行软件设计，利用虚拟现实原理进行 屏幕模拟显示，建构一套完整的手术操作培训系统。其中软件设计虚拟显示部分 有同课题组另外一个同学负责，本文不加赘述。 图2 一l系统开发流程图 天津大学硕士学位论文 第二章手术培训机的结构原理设计 2 2 模拟器械自由度确立 手术培训机设计从腹腔镜手术过程中外科医生的作业空间出发，分析手术培 训机实现的机构原理，然后进行方案的优化，最后进行理论可行性论断的证明， 这是手术培训机开发成功的前提。 物体在空间独立的基本运动或独立的单位运动组合称之为自由度。一个物体 在三维空间有六个运动自由度，即三个平动自由度和三个转动自由度。通常，自 由度的数目可以用下式来表示： m = 6 n - n 。 式中m 连杆系的自由度数； n 组成连杆系的连杆数； m 运动副引入的约束数； n m 具有约束数为1 1 1 的连杆数。 图2 2物体在空间坐标系中的自由度 ( 2 1 ) 外科医生操作医疗器械进行手术操作时，从机械学原理上讲，医疗器械的运 动不外乎两种基本运动：平动和转动。在三维空间刚体位置的确定需要六个自由 度的约束：如图2 2 所示三个平动约束沿x 轴、y 轴、z 轴方向的平动；三 个转动约束绕x 轴、y 轴、z 轴方向的转动。上述坐标系说明如下：以手术 器械的方向为z 轴，朝着腹腔外部为z 轴正向，手术器械上与腹腔表层接触点为 坐标原点，x 轴正向沿着腹腔表层的切线，指向患者头部方向为x 轴的正向，根 据右手螺旋法则建立笛卡儿坐标系0 一x y z ( 参考坐标系) 。 天津大学硕士学位论文 第二章手术培训机的结构原理设训 图2 3 微创手术手术器械在人体腹腔的放置 通过察手术过程，我们可以看到手术器械的放置如图2 3 所示。外科医生 在手术过程中操作手术器械进行手术，手术器械具有四个自由度：即绕x 轴、y 轴和z 轴的转动，以及沿着z 轴方向的平动。鉴于此，手术培训机的模拟器械部 分从机械原理上应该遵循这一原则，设计成具有四个自由度的结构。 2 - 3 模拟器械上坐标系的建立 为了表示模拟器械的末端位姿变化，坐标系如图2 4 所示建立。外科医生 操作手术培训机，转动或移动手术器械，通过不断的实践逐步提高操作水平和熟 练程度。 图2 4模拟器械上坐标系的确立 在上述坐标系中手术器械沿着z 轴方向运动，且自身绕着z 轴还有转动，坐 标系o x y z 即为动坐标系( 定为参考坐标系) ，而结构的支撑体是相对于固定坐 天津大学硕士学位论文 第二章手术培训机的结构原理设计 标系为绝对坐标系。在相对坐标系中，手术器械末端端点到达的位置可以用矢屋 五表示：五= r x i + r y j + r z 其中i ，- ，k 分别为沿各坐标轴的单位矢量，r x 、r y 、r z 分别为该点在各 坐标轴上的投影。r x 、r y 、r z 又可以表示为： r x = r c o s ( r ，x ) r y ：rc o s ( r ，y ) r z = r c o s ( r 2 ) 其中c o s ( r ，石) 、c o s ( r ，y ) 、c o s ( r ，z ) 是矢量盖与坐标轴x 、y 、z 正 向之间夹角的余弦。 2 4 运动规律的实现 机构学的发展趋势：近年来由于工业机器人、宇航技术、微电子学、海洋开 发以及机电一体化技术( 如电子计算机、数控技术、柔性制造技术和数码成像等) 的发展，为机构学学科指明了研究的方向。为了实现某种运动规律，可以选择各 种各样的的机械机构，以下针对经济性和可实现的难易程度对手术培训机的机械 结构进行甄选。 2 4 1 机械传动结构 在机构运动学设计中，机构运动分析及尺度综合是两个主要内容，运动分析 更是基础，它还是动力学设计的基础。通过机构运动分析可以检查机构类型和尺 寸是否符合装配及运行的要求，若结构的类型及尺寸需要修改，则这个设计过程 始终贯穿着机构的运动分析。在机构优化设计时，运动分析亦是其中一个重要步 骤。机构位置确定及位移分析是运动分析重最基本的问题，机构运动分析的方法 有图解法、解析法和实验法等。 根据外科医生操作手术器械时的动作要求设计一个合理的实现机构。如手术 培训机的运动结构单单为了满足四个自由度，可以利用改造的球关节将沿着某一 轴线的平动做成伸缩轴来实现。但是改造后，机械结构尺寸加大，而且对位移的 测量难以实现。考虑到陀螺仪( g y r o s c o p e ) ( 如图2 5 所示) 与手术器械的运动 原理极为相似，因此将手术培训机设计成陀螺仪的框架结构。在可能实现的结构 天津大学硕士学位论文 第二章手术培训机的结构原理设计 中找出适合客观要求的最优方案，应该考虑结构的轻便性，传动的简易性，安装 的方便性以及整体结构的紧凑性和经济可行性等综合因素，最终我们选择了根据 陀螺仪原理进行框架结构的设计。以此为出发点，对该系统的结构原理进行详尽 的描述。 2 4 2 绝对坐标系的确立 图2 5陀螺仪的基本模型 陀螺仪基本组成如图2 5 所示：1 白转轴，2 转子，3 框架，4 框架轴， 5 基座。陀螺仪的工作原理( 绝对坐标系如图建立) ：基座5 相对绝对坐标系静 止，框架3 绕着x 轴转动，而转予2 则绕着z 轴作相对于框架3 的转动，况且二 者彼此独立，互不干扰。由于手术过程中，外科医生操作手术器械的速度不高， 就是说培训i 机本身运动过程速度很低，陀螺仪工作时产生的科氏加速度很小，所 引起的惯性力可以忽略。本文中仅仅利用陀螺仪的运动原理实现手术器械的运动 形式，以便完成手术器械的位姿变化的数据采集，对于不影响系统应用的其它因 素不加赘述。 根据陀螺仪的传动原理，将其结构进行简化为图2 6 所示的原理图，手术 培训机的绝对坐标系建立在陀螺仪模型的基础上。手术培训机的手术器械( 刚体) 绕定点0 相对于参考坐标系o x y z 作定点转动( 相对于绝对坐标系o x y z 做空 间运动) 。坐标系o x y z 与手术器械固连，要想得到手术器械末端端点的位置或 位置变化，仅需确定刚体坐标系o x y z 在绝对坐标系o x y z 中的角位移，进行 相应的坐标变化即可实现。 天津大学硕士学位论文筇二章手术培训机的结构原理设计 表2 一l 两坐标系各轴之间的方向余弦 xy z x c 。= c o s ( x ，x )c 1 2 = c o s ( x ，y )c 1 3 = c o s ( x ，z ) yc 2 = c o s ( y ，x )c 2 2 = c o s ( y ，y )c 2 3 = c o s ( y ，z ) z c 3 。= c o s ( z ，x )c 。2 ：c o s ( z ，v )c = c o s ( z ，z ) 显然如果要确定手术器械的角位移，只要确定出刚体坐标系o x y z 的九个 方向余弦就可以了。利用方向余弦可以很方便地进行坐标变换，即把某一点或某 一矢量在一个坐标系里的坐标变换成另一坐标系里的坐标。设坐标原点0 有一矢 量r ，矢量端点为m ( 如图2 6 所示) 。 图2 6传动结构原理图 y 轴 刚体在坐标系o - x y z 中可以表示为：五= r x7 + r ，了+ r ：夏。类似的j ，了 i 分别为绝对坐标系中沿各坐标轴的单位矢量，r ，、r ，、r ：分别为该点在各坐 标轴上的投影，即 r x = r c o s ( r ，x ) r y = rc o s ( r r ) r z = r c o s ( r z ) 根据两坐标系之间的投影关系，我们可以得到矩阵表达式为 天津大学硕士学位论文 第二章手术培训机的结构原理设计 刚鞋剐朝 岛+ c 矗+ c 矗= 1 c 三+ 岛+ c 三= 1 岛+ c 三+ 岛= l c l i c 2 1 + c 1 2 c 2 2 + c 1 3 c 2 3 = 0 c 2 l c 3 1 + c 2 2 c 3 2 + c 2 3 c ”= 0 c 3 1 c 1 1 + c 3 2 c 1 2 + c ”c 1 3 = 0 那么以上参数中，实际上只有三个方向余弦是独立的。本课题中利用陀螺仪 运作时，两个轴向不相互干涉的特点，把两个轴向转动的角位移量输出就能达到 目的，因此仅仅了解其角位移的表达足够了，关于角速度和角加速度的讨论请参 阅附录的参考目录。 2 5 手术培训机原理结构 图2 7手术培训机系统原理图 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章手术培训机的结构原理设计 上述设计以手术操作时右手操作为例，一般情况外科医生在进行手术时，左 手操作另一手术器械作为右手的辅助手段，其位姿变化同样需要四个自由度描 述。手术培训机为了适应外科医生双手同时操作不同手术器械的需求，设计成如 图2 7 所示的原理结构。手术培训机左右两部分结构完全对称，彼此相互独立 运动，各自实现自身运动，符合外科医生真正进行手术操作的作业要求，并且结 构紧凑，满足设计的基本需求。文中未加特别说明时，手术培训机均以右侧手术 器械进行阐述。 本章小结：在基础理论的研究中，本文重点确立培训机模拟器械运动学分析 以及优化设计的数学模型，主要包括手术模拟器械坐标系的选取和建立，系统各 组成构件的局部坐标系的选取，各个构件之间连接的划分，系统自由度的分析， 广义坐标的选取，约束方程的建立等。 天津大学硕士学位论文第三章手术培训机建模 3 1 引言 第三章手术培训机建模 手术培训机将外科医生操作手术模拟器械的位姿变化，由传感器将位移信号 转换成脉冲信号，通过单片机对脉冲进数据处理，然后经串行接口输入p c ，利 用面向对象的程序控制进行w t k 软件编程控制，通过外科医生观测屏幕协调手部 的动作。 结构模型设计是构建系统的基础，它的各零部件之间的匹配将对后面的软件 设计和整个系统的正常工作产生重要影响。现代工业环境对系统硬件的要求包括 可靠性、所采用部件的通用性、环境适应性及性价比等。根据第二章系统运动原 理的分析及其原理模型的建构，本章从机械学建构手术培训机的整体模型并确定 其边界条件。另一方面，任何一个模型都只能反映实际系统的有限映象，为了使 模型具有真实可靠性，必须具有对系统的先验知识和经验数据，模型的可行性检 验是本阶段的最后也是必不可少的部分。最后利用p r o e 软件对该模型进行三维 模拟装配进行优化设计。 3 2 手术培训机传动结构的设计 手术培训机模拟器械的位姿变化包括三个转动和一个平动，经过传感器将它 的位移量转化为脉冲量，实现数据的采集。本设计中采用齿轮齿条机构将手术器 械沿着z 轴的平动转化为绕固定轴的转动，再经过减速器增速传动，由角位移传 感器读取位移量。系统的结构设计包括手术器械的结构、传感器的结构、支架的 结构以及其它零部件等方面的设计。结构设计过程中我们由系统的传动机构的设 计入手。 传动机构设计过程中传动比是一个重要参数。鉴于系统整体的传动比未定， 首先应建立末端模拟部分显示屏和起始端手术器械之问联系的桥梁，确 定系统的传动比。 天津大学硕士学位论文 第三章手术培训机建模 3 2 1 系统传动比的计算 1 ) 初定手术器械的运动范围 如图2 7 所示，理论上手术模拟器械绕x 周、y 轴旋转角度为3 6 0 0 ，外科 医生实际操作过程中远远没有转动这么大的范围。观察外科医生的手术过程和利 用手术机器人进行手术操作过程，实际转角初定为：绕x 轴- - 6 0 0 6 0 0 、绕y 轴 - - 4 5 0 4 5 0 。操作手柄本身可以绕z 轴作整周( o o 3 6 0 0 ) 转动，并且可以沿着z 轴方向平动，初定其移动范围为一1 5 0 r n m 1 5 0 n m _ i 。 2 ) 显示屏的描述 目前，我们通常使用的计算机显示屏为1 7 英寸( 纯屏显示器) ，它的分辨率 ( 也称为解析度， r e s o l u t i o n ) 为1 0 2 4 c p i 7 6 8 c p i 。所谓分辨率就是指显示 屏画面的解析度，表示真个画面由多少象素构成。例如上述显示屏： “1 0 2 4 ” 表示显示屏上水平方向显示的象素数，“7 6 8 ”表示垂直方向的象素数。 3 ) 传动比的确定 本文中手术器械位姿的变化经过光电传感器进行采样，而传感器参考鼠标器 的工作原理设计开发。作为传感器采样目标，我们选取7 0 齿周的透光齿盘，：【 作时透光盘转动5 1 4 0 一个脉冲被采样，经处理的信号读入计算机内存，经软件 控制在显示屏上移动一个象素。由于一个象素的移动在屏幕上对于肉眼来讲根本 无法感知，而且外科医生在操作手术器械时转动的角度可能小于5 1 4 0 ，甚至更 小，直接地将这样小的角度通过这样的光电传感器进行读取，可能不产生计数。 那么计算机硬件就无法对数据采集系统的采集信号进行正确的判断，编程软件无 法对其进行正确的控制，引起模拟失真。这样以来就要求手术器械的角位移要经 减速器将其放大数倍，经光电传感器进行数据采集，然后交给计算机进行处理， 并通过软件模拟控制才能达到实时模拟监控的目的。 外科医生操作手术器械时，绕x 轴转动范围：- - 6 0 0 6 0 0 ，考虑到光电传感 器采用7 0 齿周的透光齿盘，显示屏水平方向完全演示手术器械的位姿变化，则 传动比应为：熹+ 掣_ 5 3 1 ， 取棚 绕y 轴转动范围：- 4 5 0 4 5 0 ，手术模拟器械在显示屏垂直方向上完全演示 贼批为等+ 学_ 5 3 1 取枷 天津大学硕士学位论文 第三章手术培训机建模 手术器械绕着z 轴方向转动范围为0 3 6 0 “，显示屏上模拟其转动过程，传 动比初定为娑筹：1 9 8 2 取为2 0 0 ) j 斗 手术器械沿着z 轴方向的平动范围o 3 0 0 m m ，将直线运动转化为圆周运动， 进行数据采样后再进行数据转换。初定该传动比为2 0 0 ，这样以来仅需两个系列 的增速装置( 传动比分别分为2 0 0 和6 0 ) ，就能满足系统模拟显示的精度需求， 使得选购和安装减速器以及维护都更加方便。 3 2 2 减速器的选择 减速器的种类繁多，根据传动形式可分为：摆线针轮减速器、圆柱蜗轮蜗杆 减速器、阿基米德蜗轮蜗杆减速器、硬齿面圆柱齿轮减速器、渐开线圆柱齿轮减 速器、圆弧齿圆柱齿轮减速器等。根据形体大小可分为：巨型减速器、大型减速 器、小型减速器和微型减速器等。本设计中仅仅需要利用减速器增速，以满足传 动精度的需要，结构紧凑性要求较高，而且动力要求不高，只要能实现上述传动 比的变化即可，因此选用实验室现有的圆柱偏心微型减速器。 我们选用的减速器如图3 1 所示，通过联系该减速器制造商得知，同一系 列的减速器传动比介于3 0 6 0 之间外形尺寸完全一样，主箱体高度h = 1 8 m m ； 减速比介于6 0 1 2 0 之间的减速器，主箱体高度h = 2 4 m m ，其余尺寸同高度h = 1 8 m m 系列的减速器一样。现以传动比为1 0 0 ，主箱体高度h = 2 4 m m 的减速器为例， 其机械装配图如下。 图3 1 减速器机械图 需要特别指出的是，我们选用的减速器是永磁直流减速电机的输出部分。减 速器的输入轴上通过紧配合装配有齿数z = 1 2 的斜齿轮，考虑到微型齿轮加工 成本，在设计中沿用该斜齿轮著加工同样尺寸的细轴与其配合。由于减速器在文 中用来增速，将选用减速器的输入轴和输出轴对调用来实现增速，即将输入轴表 天津大学硕士学位论文 第三章手术培训机建模 述为输出轴、将输出轴表述为输入轴，文中后面章节涉及到的减速器均为对调后 的表述。斜齿轮固接在减速器的输出轴上，将减速器输入的角速度增大后传给光 电传感器的透光齿盘，然后光电传感器的光电耦合器件进行数据采集。 3 3 手术培训机机械结构的设计 传动部分结构设计顺序：手术培训机系统整体结构对称，以右侧结构为例( 如 图3 2 所示) ，从1 框架开始确定其结构尺寸，逐步展开，依次确定与其相连的 部件结构和尺寸：2 支架2 # _ 3 支架侧轴( 轴3 # 以及其关于x o z 平面相 对的轴4 # ) 寸4 透光齿盘支撑座专5 中心轴( 轴2 # ) 斗6 箱体斗7 手术器械斗8 支架3 # 寸9 手柄斗底座等( 其中木# 为系统设计机械图中的编号序列) 。 本设计中以手术培训机的机械结构和数据采集为主要研究对象，而机构的传 动部分相对于整个机械结构来说显得至关重要，手术器械( 外形设计成齿条状) 的位姿变化转化为光电传感器所采集的角位移信号，这一过程通过手术器械的运 动并经过减速器增速实现。 图3 2 手术培训机外观机械结构图 3 3 1 框架、支架及支撑座的设计 根据图2 7 所示的系统传动原理图，初定框架外形尺寸：1 l o m m x7 2 m m x 4 2 r a m ，由于支架2 # 、减速器、轴( 包括轴3 # 和轴4 # ) 以及齿轮在框架内放 置，需要框架内部的空间足够大。框架左侧壁厚1 4 r a m ，其余两侧的厚度为1 2 j m 。 天津大学硕士学位论文 第三章手术培训机建模 这样以来框架内部空间为9 6 r a m x 4 8 r a m x 4 2 m m ，底面和顶面及右侧面不加限制， 做成如图3 2 所示的框形结构，以满足需求。 图3 2 中的支架2 # 满足两个相对运动：手术器械相对于支架2 # 沿着z 轴 的平动；支架2 # 同手术器械一起相对于框架绕着y 轴的转动。手术器械从支架 2 # 中间穿过并且不能偏离z 轴，将支架2 # 做成前后两部分非对称结构。通过 支架2 # 前后两部分中间的方孔，手术器械沿着z 轴方向可以上下移动，手术器 械同支架2 # 间的其余的自由度应该得以约束。手术器械与支架2 # 之间仅仅有 沿着z 轴方向的平动，在支架2 # 上通过安装附加件小轴承和小齿轮，附加件限 制手术器械绕着y 轴的摆动。支架2 上附加件的安装示意图如图3 3 所示，关 于手术器械的设计和齿轮的设计参阅本章后面的叙述。 图3 3支架2 # 上附加件布置示意图 支架2 # 、支架2 # 两侧的轴( 轴3 # 、轴4 # ) 同手术器械一起相对于框架 绕着y 轴转动，其角位移经安装在轴3 # 上的一副啮合齿轮传给减速器。减速器 经输出轴把增速后的角位移输出，交给光电传感器进行采样。减速器的输出轴和 传感器的透光齿盘固接，关于透光齿盘的设计参阅第四章信号采集部分中传感器 的设计。减速器的输出轴的不能悬空，应将其通过支撑座固定在框架上，接下去 便是设计支撑座，为了叙述的前后一致性称之为透光齿盘支撑座。 透光齿盘支撑座( 如图3 4 所示) 设计成空心圆柱状，外径3 6 n m l ( 等于减 速器的外径尺寸) ，内径为8 m m ，高度为8 m m 。在支撑盘的底面加工一个同心阶梯 孔用来安装轴承阶梯孔，孔的外径为1 7 m m ，孔深5 m m 。在支撑盘底端直径0 = 3 1 m m 的圆周上加工三个均匀分布的通孔，通孑l 直径为3 r a m 。通过外径为3 m m 的螺栓将 支撑座和减速器固定在框架上，实现了减速器同光电传感器的透光齿盘的固定连 接，关于传感器的光电耦合器件及其基座的设计和安装参阅后面的章节。 天津大学硕士学位论文 第三章手术培训机建模 图3 - - 4透光齿盘支撑座 3 3 2 箱体、手术器械及底座等构件的设计 根据图2 7 所示的结构原理图可知手术器械绕x 轴转动时，框架同手术器 械一起相对于箱体的转动。而框架绕x 轴的转动经中心轴( 参照图3 2 所示) 上的齿轮传输给减速器，经过减速器内部齿轮组增速后，减速器输出轴同光电传 感器的透光齿盘一起转动。这里从中心轴入手，将绕着x 轴转动的传动链上的传 动机构进行如下的设计。 1 ) 中心轴的设计 中心轴安装结构如图3 5 所示，其右侧通过安装平键将框架和大齿轮2 # 连接。中心轴随框架一起绕x 轴转动，与中心轴固连的大齿轮2 # 以相同的角速 度转动，通过大齿轮2 # 与小齿轮2 # 的啮合带动小齿轮2 # 转动。小齿轮2 # 固 定在减速器的输入端，在减速器的输出端可以得到手术器械绕x 轴的增大倍数的 角位移，交给光电传感器进行数据采集以便进行后续处理。由于中心轴在传动中 起着关键性作用，这里对中心轴外形的设计加以叙述。 框架 图3 5 中心轴的示意图 天津大学硕士学位论文第三章手术培训机建模 中