【论文】医疗穿刺机器人自动进针机构研究.pdf

医疗穿刺机器人自动进针机构 i 摘 要 穿刺针在穿刺过程中实现直线运动与自动穿刺是机器人完成穿刺手术要考 虑的重要因素，它决定穿刺机器人能否安全、精准、有效地将穿刺针刺入指定的 病灶靶点，直接影响手术的治疗效果。基于此，本论文把医疗穿刺机器人的自动 直线进针机构作为研究目标。 本文首先通过了解所研究的课题来源，分析现医疗穿刺机器人在介入治疗手 术中的价值地位，然后介绍了国内外有代表性的医疗手术穿刺机器人基本结构和 工作原理。以我校与 301 医院联合研制的超声引导介入式热消融导航机器人系统 样机为基础，通过借鉴同类穿刺机器人的相关设计参数和结构方案，自主提出了 初步可行的结构方案，确定了医疗穿刺机器人自动、直线进针方案为本次设计的 切入点。通过满足机械结构紧凑，与整体消融导航机器人系统相连作为前端穿刺 机构，实现穿刺针直线运动等基本要求，同时应用压杆稳定等力学的相关知识， 完成了穿刺机器人自动进针机构的详细设计。论文还使用机械系统动力学仿真分 析软件 adams 对机构直线进针运动进行了模拟仿真，已验证机构实现功能的可行 性。完成了医疗穿刺机器人自动进针机构的整体设计和技术经济与社会效益分 析。使用 ugnx6.0 软件绘制了机构的全套设计图纸。由 adams 模拟仿真得到的分 析结果可以验证机构设计的合理性和实效性。整体工作为我校与 301 医院联合研 制的超引导介入式热消融导航机器人系统前端进针穿刺设备作了积极有益的探 索。 关键词关键词：穿刺医疗机器人，主动进针，adams 医疗穿刺机器人自动进针机构 ii abstract the linear movement of needle insertion is a very important element during performing a minimally invasive surgery. it totally leads to make a secure, accurate, effective insertion and has an effect on operation. so the aim of this dissertation is to design a kind of structure which can insert the needle actively through linear movement. firstly, by understanding the source of research of the paper analyzes the importance for surgical insertion robot during performing a minimally invasive surgery. secondly, the paper introduces the basic structure and working ways of some representative units of surgical insertion robot. based on the ultrasound-guided interventional thermal ablation for navigation robotic system developed by our institute and general hospital of chinese pla and referring to parameters and basic structures of other successful units, a proposal structure that is preliminarily feasible is put up. actively and linear movement are chosen to carry on the brief design. to meet the requirements for compact structure, combine with ultrasound-guided interventional thermal ablation for navigation robotic system as the front part to finish needle insertion, achieve linear movement and to make use of the knowledge of bar stability in mechanics completes the robotic structure design with details. the paper also uses the software adams to stimulate the linear movement to test and verify the feasibility of structure design. based on that, the design and technically economic and social benefit analysis of the structure are completed. later, by using ugnx6.0 to draw the full set of design drawings. the result come from stimulation performed by adams tests the requirement and feasibility of the design.the whole work is an exploration that is very helpful to the development of needle insertion robot of our institute and general hospital of chinese pla. key words：puncture operation robot，active puncture，adams 医疗穿刺机器人自动进针机构 iii 目 录 目 录 第一章 绪论第一章 绪论 . 1 1.1 课题来源 . 1 1.2 背景和意义 . 1 1.3 国内外研究现状 . 2 1.4 机械结构方面存在的问题 . 6 1.5 本文的研究内容与组织结构 . 7 第二章 穿刺机器人自动进针机构总体设计第二章 穿刺机器人自动进针机构总体设计. 9 2.1 超声图像微波消融治疗机器人系统 . 9 2.2 微波消融穿刺治疗手术流程 . 10 2.3 穿刺机器人自动进针机构的功能提出 . 11 2.4 穿刺机器人自动进针机构的设计原则 . 12 2.5 穿刺机器人的运动机构设计 . 15 2.6 穿刺机器人具体结构设计 . 17 2.7 力反馈方案 . 22 2.8 本章小结 . 25 第三章 进针机构的详细设计与各部件的校核第三章 进针机构的详细设计与各部件的校核. 26 3.1 自动进针机构部件选型与校核 . 26 3.2 自动进针机构夹持结构的设计 . 32 3.3 自动进针机构材料的选择 . 34 3.4 本章小结 . 36 第四章 穿刺机构的辅助设计及运动学分析第四章 穿刺机构的辅助设计及运动学分析. 37 4.1 三维实体造型 . 37 4.2 二维辅助设计 . 39 4.3 adams 运动仿真 . 41 4.4 本章小结 . 50 第五章 总结与展望第五章 总结与展望. 51 5.1 论文工作总结 . 51 5.2 论文创新点 . 52 5.3 下一步工作展望 . 52 5.4 经济分析与社会效益 . 52 医疗穿刺机器人自动进针机构 1 第一章 绪论 1.1 课题来源 医用机器人是机器人技术、计算机网络控制技术、数字图像处理技术、虚拟 现实技术和医疗外科技术的结合，用于实现机器人辅助外科手术、康复医疗和医 院服务等功能。医用机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的 方向之一，其发展前景非常看好，美、法、德、意、日等国家学术界对此给予了 极大关注，研究工作蓬勃发展。中国人口众多，随着人们生活水平的提高和人口 老龄化进程的加剧，我国正在成为高新技术医疗器械生产和使用大国1。 目前，医用机器人的研制主要集中在微创外科手术、康复和服务机器人系统 等几个方面。从 20 世纪 90 年代以来，以微波、射频为代表的热消融治疗技术 迅速兴起，该技术是在影像技术引导下应用加热的方法直接作用于局灶性实体肿 瘤，根除或毁坏肿瘤组织的微创肿瘤原位灭活新技术，目前在临床得到了迅速的 推广与应用。为了达到整个肿瘤完全坏死的目的，需要解决治疗前的科学设计、 治疗中的准确定位、稳定穿刺等难题。 本论文将从超声引导经皮穿刺微波消融治疗肝肿瘤的临床需求出发，研究医 疗穿刺机器人自动进针机构，使微波消融治疗机器人具有实用性、可靠性与先进 性，能应用于临床，并不断推广发展。 本课题来源是北京市科委 2006 年度重大科技攻关项目“超声引导肝肿瘤微 波消融治疗机器人系统的开发” ，项目编号：h060720050330。 1.2 背景和意义 20 世纪 90 年代以来，以微波、射频为代表的介入式热消融治疗技术迅速兴 起。该技术是在影像技术引导下应用加热的方法直接作用于局灶性实体肿瘤，根 除或毁坏肿瘤组织的微创肿瘤原位灭活新技术，目前在临床得到了迅速的推广与 应用。 在肝肿瘤的热消融治疗领域，解放军总医院超声科微波热消融团队经过十三 年坚持不懈的努力，开拓了微波治疗肝肿瘤的新领域，在国际上处于领先水平， 并得到临床的广泛认可。十年多来治疗 800 余例肝肿瘤患者 1200 多个结节，其 医疗穿刺机器人自动进针机构 2 中 1、3、5 年生存率高达 94.12、71.21和 52.13，是目前国际上用微波治 疗肝肿瘤病例数最多、随访时间最长且疗效突出的一组病例2。 我校与 301 医院联合研制的超声引导介入式热消融导航机器人可使建立在更 精确、更稳定和程序化的基础上，减少人为和经验因素的影响，减轻医生劳动强 度。但目前的机器人不具有自动穿刺功能，而且缺少进针过程中对阻力和呼吸扰 动的监测从而无法保证患者在整个手术过程中的安全。因此，研制医疗穿刺机器 人自动进针机构就有十分重要的意义。 总之，在借鉴国内外研究经验的基础上，本课题旨在设计医疗穿刺机器人自 动进针机械结构，希望能设计出更精确、更稳定的自动进针机构。 1.3 国内外研究现状 机器人技术是二十世纪人类科学技术，特别是计算机、自动控制技术等现代 技术发展的重要产物之一。自从二十世纪中期的第一台工业机器人诞生到现在， 机器人技术早已不再局限于传统的工业和制造业。随着电子技术，传感器技术， 医学影像技术，现代信息处理技术等技术的飞速发展，机器人技术被应用到医疗 领域，由此而产生的医疗机器人，也已经有二十多年的研究发展历史了。与人类 相比，机器人具有定位准确、状态稳定、灵巧性强、工作范围大、不怕辐射和感 染等优势。机器人可以增强医生对手术现场的感知、决策和操作能力，创造出传 统手术无法比拟的成效。从世界机器人的发展趋势来看，用机器人辅助外科手术 将成为一种必然的发展趋势3。 1.3.1 医疗穿刺机器人 目前，治疗效果通过临床验证的经皮穿刺手术机器人种类很多，例如，美国 georgetown university 研制的经皮脊椎穿刺 11-dof 机器人，美国 john hopkins university 研制的经皮肝脏穿刺 6-dof 机器人，新加坡 nanyang technological university 研制的经皮肾脏穿刺 9-dof 机器人，加拿大 university of western 研制的小动物经皮穿刺手术 6-dof 机器人(生物医学家使用小动物进行临床前的 研究)，美国 washington university 研制的 mrl 实时引导的 7-dof 机器人等。 georgetown university 的经皮脊椎穿刺 11-dof 机器人是发展较早的一套系 统，着意于图像建模以辅助轨迹规划，使用 ct 图像进行术前三维建模，ct 术中 实时引导，并尝试将 mr 信息与 ct 术前图像相结合。系统中包括摄像机与 led 提 医疗穿刺机器人自动进针机构 3 供光学引导的位置导航，由于光线在术中容易被阻断，该系统还包含磁定位系统 强化位置跟踪。机器人具有 11 个自由度，如图 1-1，底部的 8 个自由度用于初始 定位，将机器人固定到接近表皮穿刺点的位置并锁紧；剩下的三个自由度分别是 2-dof rcm 结构和由内烯酸塑料制成的穿刺针推进器。该机器人的设计目的是提 高手术的定位和穿刺操作准确性和效率。系统还包含了软件系统，用于提供交互 界面，将各技术模块整合。在临床应用上，系统可用来执行穿刺活检，后凸成形 术，神经及小面障碍，分流通道防止，手术精度高于徒手操作。 图图 1-1 安装在安装在 ct 台上的机器人与测试影像干涉台上的机器人与测试影像干涉 john hopkins university 的经皮肝脏穿刺 6-dof 机器人系统针对机器人系 统价格昂贵，安装和校正困难，难以在手术室实际应用的特点而设计的系统，如 图 1-2，使用全程超生扫描成像，使用电磁定位系统提供位置参考，机械结构简 单，不使用编码器，不需要机械校准过程，安装简单，易于实现。 机器人具有 6 个自由度，其中，三个直线运动构成笛卡尔坐标系，两个旋转 关节，一个直线运动末端穿刺。采用实时补偿的形式构成 rcm（vrcm） 。机器人经 过临床实验验证，手术精度为 2.54mm。 图图 1-2 john hopkins university 的经皮肝脏穿刺的经皮肝脏穿刺 6-dof 机器人系统和机器人机器人系统和机器人 医疗穿刺机器人自动进针机构 4 在国内，对医疗机器人的研究起步较晚，目前也己经取得了一些成果，如北 京航空航天大学的脑外科手术机器人，如图 1-3 和图 1-4，显微外科手术机器人、 接骨机器人。哈尔滨工业大学研制的接骨机器人，沈阳自动化研究所的鼻部矫形 机器人，北京口腔医院和北京理工大学的辅助牙科机器人，浙江大学、上海大学、 上海交通大学，天津大学也分别在医疗机器人及相关技术等方面开展了研究，正 在积极与各大医院加强在这些领域的合作，并有望取得临床应用方面的突破，但 在介入领域，还没有相关的报道。 目前， 己经有为数不少的机器人辅助经皮穿刺手术系统经过了临床验证阶段， 确定了其手术的安全可靠的性能，并以优越的精准性和高效性远远超越徒手操作 手术，能够将医生从疲劳和危险的手术室工作中解脱出来，成为实现微创手术的 得力和可靠的工具，成为非常具有发展前景的科研方向。 图图 1-3 面向脑外科机器人系统面向脑外科机器人系统 图图 1-4 神经脑外科手术机器人神经脑外科手术机器人 1.3.2 其他医疗机器人及相关专利 美国 computer motion 公司开发了 zeus 微创外科机器人系统，该系统结构如 图 1-5 所示， 适用于内窥镜微创手术。 系统由三只置于手术床上的交互性机械臂、 计算机控制器及医生控制台组成。手术时，医生坐在控制台前，通过摄像机观察 手术情况，用语音指示控制内窥镜，并通过操作手柄来控制手术工具。其中一只 机械臂采用声控的交互方式，操作内窥镜，另外两只机械臂则在医生控制下操作 手术工具。功能类似的产品还有美国 intuitivesurgical 公司开发 davinci 微创 外科机器人系统，如图 1-6 所示。它已获得欧洲 ce 认证和美国 fda 认证，是世 界上首套可以正式在医院腹腔手术中使用的医疗外科机器人。 医疗穿刺机器人自动进针机构 5 图图 1-5computer motion 公司公司 zeus 机器人机器人 图图 1-6intuitivesurgical 公司公司 davinci 机器 人 机器 人 法国 grenoble 大学和法国 timc- imag 医院研究小组研究开发了 padyc 机器 人系统。该机器人采用 scara 结构，共有六个自由度，包括一个垂直移动自由度， 四个旋转自由度，以及一个旋转或移动自由度。该机器人是一个被动式机器人， 所有关节均为被动关节，机器人运动的动力来自于手术医生。padyc 机器人主要 用于心脏穿刺治疗。 英国的 davies.b 等人开发了用于切除前列腺瘤的微创外科机器人。首先由 仪器测定前列腺瘤的位置和体积，然后机器人进行工具定位并自动切割。1990 年 该机器人系统完成世界首例利用机器人从患者身体切除前列腺瘤组织的手术。 另外， 专利号为 us6400979 b2 的一款用于放射手术轴定位摩擦传动穿刺设备， 如图 1-7 所示。此设备主要包括穿刺针机构、图像扫描设备等。 图图 1-7 放射手术轴定位摩擦传动穿刺设备放射手术轴定位摩擦传动穿刺设备 医疗穿刺机器人自动进针机构 6 此设备的特征是：用于超声图像引导的穿刺手术，其穿刺机构根据超声扫描 图像确定病人体内靶点具体位置并进行穿刺消融。此外，传动机构包括一个输出 旋转轴，如图 1-7 中编号 29 所示，此旋转轴为摩擦传动，使在输出轴与旋转部 件产生一平衡力，保证穿刺设备移至病人身体时平稳安全。 1.4 机械结构方面存在的问题 超声引导介入式热消融治疗肿瘤技术已成为一种重要的现代微创肿瘤治疗 方法。为了满足临床对肿瘤原位适形灭活的要求，须将该方法建立在更精确、更 稳定和程序化的基础上，减少人为和经验因素的影响，减轻医生劳动强度，以保 证整个治疗的精确实施，最终实现对肿瘤的原位适形灭活。为此研发超声引导下 的肝肿瘤介入式热消融手术自动穿刺机器人系统势在必行，这是目前国内尚未解 决的最新课题4,5。 国内清华大学、解放军总医院、北京石油化工学院自 2006 年起开始合作进 行北京市科委项目“超声引导肝肿瘤微波消融治疗机器人系统的开发”的研究， 目前已研制出超声引导微波消融治疗手术辅助机器人系统。然而，超声引导下微 波消融辅助医疗机器人治疗肝癌虽然取得了较满意的临床疗效，但其需要实施手 术的医生进行手动操作才能完成手术的方法仍然存在一定的局限性。将其机构方 面存在的问题总结如下： （1）现有手动穿刺进针机器人其进针结构的过于简单及在穿刺手术过程中 依赖于医生的经验和人为因素很大，影响手术的安全性和治疗效果。另外多数的 手动进针机构的运动轨迹并非完全直线，在穿刺中造成病人健康组织的损伤。 （2）穿刺治疗手术时，需要医疗人员对进针机构的多次搬移，这会延长手 术的时间和造成手术过程中无意的错误，并且手动进针机构需要主刀医师丰富的 经验和现场判断能力，提到了手术的风险。 （3）由于空间的局限性和医生的技能与熟练程度以应对意外状况处理的不 同，会使医生在手术前、手术时承受很大压力并且使医生产生疲倦感，从而也会 增加手术的风险。 以上问题极大地影响了手术的治疗效果。为了克服这些问题，迫切地需要研 制医疗穿刺机器人自动进针机构代替医生的手动操作，降低医生的负担，提到治 疗的精度和效果。 医疗穿刺机器人自动进针机构 7 1.5 本文的研究内容与组织结构 本文的研究目标是设计医疗穿刺机器人自动进针机构模型样机，通过三维绘 图软件进行实体建模及二维辅助设计，再运用 adams 软件进行机构运动学分析， 验证机构的可行性，能应用于临川手术培训，并不断推广发展。 本课题的总体目标是设计出新型的医疗穿刺机器人自动进针机构，通过 adams 仿真软件对机械结构、运动学性能进行仿真，以验证其可行性和有效性。 该进针机构应满足以下条件： （1）进针机构能实现自动进针。 （2）进针机构的穿刺手臂能实现直线运动。 （3）末端可提供 5n 穿刺力。 （4）末端重复定位精度误差为1mm。 为了更加清晰地介绍论文的主要研究内容，全文共 5 章。下面简要介绍论文 各篇章的安排： 第一章绪论。介绍了论文研究的课题来源以及论文研究的背景和意义；叙述 了微创介入机器人国内外研究现状；概述肝肿瘤介入式热消融手术自动穿刺机器 人的研究现状并在此基础上提出了几点手动穿刺机器人机械结构方面存在的问 题。最后说明本论文要研究的主要内容。 第二章穿刺机器人自动进针机构总体设计。本章首先从基于超声影像导航微 波消融机器人系统及手术流程出发，分析医疗穿刺机器人机构功能。提出初步模 型设计方案，并针对穿刺过程粗浅讨论了实时进行力反馈方案的想法。 第三章分析自动进针机构各部件的选型与校核。本章将对上一章的总体机构 设计进行详细说明，确定各机械结构的设计尺寸及完成各部件的校核，从总体机 构的模糊设计到穿刺机器人自动进针机构的具体尺寸确定。 第四章完成机构的辅助设计及运动学分析。在对穿刺医疗机器人自动进针机 构的设计、校核从图形上呈现穿刺机构的整体模型，通过三维绘图软件进行实体 建模及二维辅助设计，然后就需要对其结构进行严格的运动学分析，以验证其正 确性和实用性。本文以 admas 软件为基础，对实现直线进针机构模型进行简化变 形，运用 admas 对其进行运动学分析得到分析结果。运用这种方法对机械机构进 行运动学和动力学分析不需做大量的数学计算和计算机语言编程工作，分析非常 医疗穿刺机器人自动进针机构 8 快捷、方便、准确。 第五章总结与展望。 对论文的主要工作进行了回顾， 总结论文的主要创新点， 并提出了对下一步工作的展望。并简单对本课题的研究做经济分析与社会效益分 析。 医疗穿刺机器人自动进针机构 9 第二章 穿刺机器人自动进针机构总体设计 本章首先从基于超声影像导航微波消融机器人系统及手术流程出发，分析医 疗穿刺机器人机构组成，分析穿刺机器人自动进针机构的作用及运动功能。提出 初步模型设计方案,并进行模拟穿刺简易试验，之后粗浅讨论了针对穿刺过程中 实时进行力反馈的方案设计，以提高机构的灵活性及手术的可靠性。 2.1 超声图像微波消融治疗机器人系统 超声图像导航微波消融治疗机器人系统主要是消融穿刺治疗机器人。 即图 2-1 中定位器旁的机器人系统。 图图 2-1 系统组成系统组成 穿刺机器人系统是超声图像导航微波消融治疗机器人实验系统的重要组成部 分。它在微创外科手术中的作用有两个：第一是使穿刺机器人的末端工具到达患 者皮肤的指定位置；第二是做出合理的入针姿态，然后医生就可以顺利地利用穿 刺针对患者病变组织进行穿刺消融6。在性能要求方面，它需要具有绝对高的定 位精度、灵活性和安全性等特点，并且与外科手术环境相容，手术前系统需经消 毒无菌处理，保证手术的无菌操作，否则会对患者的伤口造成细菌感染。 作为实验系统的执行机构，机器人的主要技术要求是：根据超声影像导航工 作站的三维信息，使机器人手部的电极针在病体上准确定位，保持正确的姿态； 医疗穿刺机器人自动进针机构 10 并要满足与手术环境相容、灵活、易操作、可消毒等要求。 因此必须设计合理的机器人机械结构以满足上述要求，实现完成以上复杂的 动作，而且需要适用于临床实际。 2.2 微波消融穿刺治疗手术流程 手术进行之前，先将医学成像设备扫描患者得到的医学图像，及其位置和方 向等相关信息输入到手术规划软件中，建立肿瘤及周围的重要血管的三维模型， 再借助于手术规划软件建立起病灶的靶点和路径，以免伤害重要的组织和血管。 此外，还可以借助术前三维规划软件对病灶区域进行各种分析和测量。对于 肝癌消融，通过模拟微波的热场大小，可以确定杀死整个肿瘤细胞所需要的温度 和消融针针尖的位置，从而为超声导航微波消融的手术提供了精确的依据。通过 术前三维规划软件，可以在实际手术之前检验、评价各种可行的手术方案并预测 治疗的效果。 术中，需要将术前模型和术中患者实体进行配准，配准的目的是在将术前模 型和术中患者实体通过坐标坐标变换放到同一坐标系中。这样，术前手术治疗的 规划结果就可以映射到患者实体上，三维模型上病灶位置也就代表了患者真实的 病灶位置，可以利用术前规划的路径控制机器人的运动和姿态，并对病灶进行消 融。在准备穿刺消融前，还要确保患者体内的病灶与配准之后的状态完全一致， 手术导航软件提供有关肝脏的运动及形变信息，只有肝脏未发生位移时，才可以 按照术前规划的路径进行手术，否则让患者调整呼吸状态直至肝脏的位置和术前 的三维模型一致时再进行手术7。 超声影像导航机器人的手术流程如图 2-2 所示。 图图 2-2 基于超声影像导航机器人系统的手术流程基于超声影像导航机器人系统的手术流程 医疗穿刺机器人自动进针机构 11 通过以上超声影像导航机器人的手术流程可以进一步认识机器人辅助经皮 穿刺手术中，机器人要辅助医生完成穿刺的操作任务。穿刺针的穿刺过程包含四 个任务阶段： （1）将针尖对准皮肤上预设的穿刺点，这部分工作是指移动穿刺末 端到皮肤表面的穿刺点； （2）选择穿刺路径及调整穿刺角度，穿刺针绕在皮肤上 的穿刺针进入点三维度旋转； （3）徒手或使用引导装置穿刺，沿直线轨迹穿刺， 直到针末端到达目标点； （4）如需要则移开引导装置，当完成穿刺的前三个阶段 任务后，根据手术进展情况，医生若需要移开穿刺机构时，可将其移开。按照手 术一般情况，在穿刺至病灶区后医生会对穿刺情况进行评估分析，在确认穿刺较 为顺利的情况下都会将穿刺针及进针机构从病人身体移开。穿刺过程流程如图 2-3 所示。 图图 2-3 穿刺操作流程图穿刺操作流程图 2.3 穿刺机器人自动进针机构的功能提出 在认识理解了穿刺操作流程的全过程后，针对穿刺机器人进针机构所实现的 机构功能加以分析。穿刺治疗手术需要机器人的辅助是因为解放医生，通过可靠 安全的结构设计提高手术的安全性，降低手术所消耗的时间、人力与物力。所以 穿刺机器人介入手术治疗并替代医生完成穿刺过程具有其研究的紧迫性。 自动进针机构就能在满足以上穿刺操作流程的要求，并在此基础上进一步提 高手术的效率，减少人为因素的影响。而穿刺机器人自动进针机构完成上述手术 操作流程的要求所要实现的是两个关键功能： 一是实现机构的自动进针。在没有医生操作完成穿刺的情况下，由机构自身 调整穿刺角度 预设穿刺点 徒手/引导穿刺 移开装置 医疗穿刺机器人自动进针机构 12 产生动力完成穿刺。根据多数手动医疗穿刺机器人在进行穿刺中由于医生的技能 与熟练程度以应对意外状况处理的不同，会使医生在手术前、手术时承受很大压 力并且使医生产生疲倦感，从而也会增加手术的风险。所以采用自动进针机构是 医疗穿刺机器人的研究方向； 二是在满足自动进针的基础上保证机构其穿刺臂运动轨迹是一条直线。多数 手动进针机构没有单独考虑穿刺针的直线进针运动轨迹，由于其本身由人工操作 进行直线推进，所以此操作功能完全可以实现。而对于由机器人自动完成此操作 时，就必须基于手术操作进行设计。 通过对自动进针机构提出以上两点功能分析，明确本文的设计缘由及所要达 到的设计目的。 2.4 穿刺机器人自动进针机构的设计原则 只针对机械本体而言，穿刺机器人自动进针机构须先从穿刺机器人机械手臂 设计和结构特点考虑并借鉴主从式穿刺机器人为设计原则，分析医疗机械手臂的 形式及优缺点，最后完成穿刺臂与固定臂的设计。 2.4.1 穿刺机器人机械手臂设计和结构特点 穿刺机器人机械手臂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。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。 穿刺机器人独特的结构特点大致可以归纳为以下四点8： （1）穿刺机器人操作机构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）在组成操作机构的开式连杆中，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 医疗穿刺机器人自动进针机构 13 的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而主动连杆系的 运动更为灵活； （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； （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， 一个好的穿刺机器人手臂的设计应当使其臂杆的负载能力 /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。 2.4.2 穿刺机器人进针机构主从动手臂设计原则 在此先借鉴穿刺机器人进针机构的主动臂和从动臂设计原则，对本文穿刺机 器人自动进针机构的设计作为参考。至今为止，绝大多数穿刺机器人的主动臂和 从动臂结构是相同的或者是近似相同的9。所谓同构型主动臂，是指主动臂是从 动臂的复制品，或仅比例不同的缩小相似物。这种结构的优点是主从运动直观性 强，运动控制系统简单，医生模拟训练简单；但是，同构主从手术机器人的设计 要同时兼顾主动臂和从动臂双方的特点，不能充分满足各自的需要。同时主手不 具备通用性。 然而，在主从式穿刺机器人中引入计算机控制之后，同构主从机器人的这种 束缚就可以摆脱了。此时，机械主动臂和从动臂的设计可以分别按照各自的功能 和特殊的要求来综合考虑，设计为结构上异构，而实际的操作控制可以通过计算 机控制达到同构的效果，即异构型。异构型主手的结构、尺寸与从手不同，两者 的自由度数目都有可能不同。 在此种主从式穿刺机器人中，异构型机械主手的设计在兼顾从动臂的结构和 控制的同时，还应当遵循下面这些原则10: （1）至少具有 2 自由度，能够给出二维空间的任意姿态和位置，具有足够 的工作范围； （2）结构紧凑，重量轻，有效惯量小，摩擦小，自重平衡； （3）具有触觉反馈系统，能给操作者提供真实的力感觉； （4）方便计算机控制，能够在线实时解算； （5）运动灵活，机械结构和操作应符合人体工程学的要求； 医疗穿刺机器人自动进针机构 14 （6）驱动控制简单，便于维护。 总之，主手和从手结构上的相异，扩大了远程主从机器人的应用范围和使用 的方便性。对于主从手机器人来说，结构上异构，而实际的操作控制可以达到同 构效果的主从手机器人是其主要的发展方向。 2.4.3 穿刺机器人进针机构主从动手臂的形式及优缺点 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见穿刺机器人手臂 的运动形式有如下五种11-13，以下五种机械手臂形式的优缺点如表 2-1： （1）直角坐标式：这种机器人的三个关节均为移动关节，关节轴线相互垂直。 三个关节运动方向互相垂直，各关节之间没有耦合，不影响末端执行器的姿势。 （2）圆柱坐标式：圆柱坐标机器人的三个关节为两个移动关节和一个旋转关节， 以,z,r为坐标确定末端执行器的位置。 通常再附加旋转关节来确定末端部件的 姿态。 以上 5 种机械手臂形式的优缺点如表 2-1 所示以上 5 种机械手臂形式的优缺点如表 2-1 所示 优点优点 缺点缺点 直角坐标式 1.结构简单，直观，刚度高 2.关节运动相互独立， 没有耦合 3.运动学求解简单， 无奇异状态 4.设计和加工简单，易于实现 5.速度和定位精度高 6.易于编程和控制 1.占地面积大 2.动作范围小 3.工件的装夹受到构件的限制 4.不能绕到物体下放进行操作 5.操作灵活性较差， 操作时存在 较大摩擦力和惯性力 圆柱坐标式 1.具有建议的运动学模型 2.空间定位比较直观 3.操作灵活、方便，功能强大 1.工作空间有限 2.工作区域有重叠现象 3.移动关节不易保护 球（极）坐标式 1.工作空间较大 2.系统占地面积小 3.操作灵活、方便 1.具有复杂的运动学模型 2.设计和加工复杂，难以实现 3.移动关节不易保护 关节坐标式 1.动作灵活，工作空间小 2.结构紧凑，占地面积小 3.工作空间内， 手臂的干涉最小 4.关节相对运动部位容易密封 防尘 1.运动学较复杂， 运动学反解困 难 2.确定末端件的位姿不直观 3.计算控制时，计算量较大 scara 机器人 1.结构轻便，体积小 2.响应快 1.结构刚性差 2.运动关系复杂， 控制计算量大 医疗穿刺机器人自动进针机构 15 （3）球(极)坐标式：球坐标机器人采用球坐标系，以,r为坐标。前三个关 节用一个移动关节和两个旋转关节来确定末端执行器的位置，再附加旋转关节确 定末端部件的姿态。 （4）关节坐标式:这类机器人由 2 个肩关节和一个肘关节进行定位，由 2 个或 3 个腕关节进行定向。其中一种结构形式如图 2-4 所示。 （5）scara 机器人：有 3 个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定 向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件垂直于平面的运动。 a)直角坐标式从手 直角坐标式从手 b)关节式主手 图 关节式主手 图 2-4 直角坐标式从手与关节式主手直角坐标式从手与关节式主手 综上所述，针对穿刺手术过程中机械手动作灵活，工作空间大，结构紧凑的 要求，并在手术实施当中对医生手臂操作的干涉最小的情况下，选择所设计的穿 刺机器人自动进针机构为关节坐标式。 2.5 穿刺机器人的运动机构设计 先介绍本文所设计的穿刺机器人进针机构自定义的机构名称。 （1）主动穿刺臂 所谓主动穿刺臂，即在穿刺机器人自动进针机构中完成自动穿刺的机械手 臂。 （2）固定穿刺手臂 初步的设计构想是此自动进针机构共有两支机械手臂，其中一只手臂完成穿 刺功能，则另一只手臂与穿刺针的针尖端连接，起到稳固穿刺针的直线运动继而 医疗穿刺机器人自动进针机构 16 稳固穿刺运动的机构大臂的作用，在这里定义为固定穿刺手臂。 下面从三方面阐述穿刺机器人运动结构设计。 2.5.1 工作空间 工作空间表示穿刺机器人的工作范围，它是指穿刺机器人运动时手腕参考点 或工具末端能够到达的所有空间区域。在本课题中，指的就是主动穿刺臂上的穿 刺针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。在穿刺手术中，主要 包括14：1.腹腔、胳窝脓肿手术，2.胃、十二指肠的手术，3.肝脏的手术等。因 此，穿刺机器人的工作空间，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 2-5 所示。 图图 2-5 工作空间模型工作空间模型 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，主动穿刺臂上的穿刺针操作空间即为机器人的工作空间，由模型图可以看 出两极限位置的工作空间完全可以满足手术要求；相应地，本文中单独主动穿刺 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。根据穿刺肝脏手术 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 150 mm，锥度为 60的球内锥型空间，从图 2-5 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15，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。 医疗穿刺机器人自动进针机构 17 2.5.2 自由度 自由度的数量根据此穿刺机器人的实际需要确定的。因为此穿刺机器人所实 现的机械功能是完成穿刺过程，对完成穿刺过程可以简化为一动点沿直线运动靠 近一定点。类似于人们平时吃饭时用的夹筷运动过程，将此夹持动作转换为一根 筷子不动，而另一根筷子以共端点沿圆弧靠近。故根据前面主从式穿刺机械手臂 的结构特点，初步确定此机构为 2 个自由度。一个自由度实现穿刺运动，另一个 自由度作为主动穿刺臂与固定穿刺臂绕定点转动时的进给补偿实现直线运动。 2.5.3 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。 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。 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。 本课题所做穿刺手术机器人自动进针机构，根据课题中穿刺机器人所需要满 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。 2.6 穿刺机器人具体结构设计 基于微波消融医疗穿刺机器人前端自动进针机构所实现的手术操作功能，即 穿刺针通过预定穿刺点及穿刺路径完成穿刺到达病人体内病灶区肿瘤靶点的操 作流程。所以机构主要针对自动穿刺与直线进针两设计目的进行设计。 （1）自动进针功能设计 与手动进针简易装置如图 2-6 所示相比，其基本构型类似于注射器装置，所 以在结构设计上不需要考虑动力源以及动力源所需放置位置。而自动进针的穿刺 机构要明确动力源的大小以及动力源在进针机构放置的具体位置。 根据本文的研究背景，多次参与 301 医院的肝肿瘤微波消融穿刺手术试验， 由手术医生给出穿刺机器人在穿刺针上所能承受的最大阻力为 5n。 所以在保证机 医疗穿刺机器人自动进针机构 18 构灵活与工作空间不发生干涉的条件下，将伺服电机设计在固定穿刺臂内部。其 设计原因有两点： 第一是机构的主要重量分担在固定穿刺臂上，减少主动穿刺臂的重量，保证 机构的运动稳定性，同时也能减少电机的功率要求； 第二点是动力源的维修与拆卸。为方便动力源的有效使用和维修，动力源即 伺服电机应设计在空间较大，拆卸工具所能及的位置。 图图 2-6 手动进针简易装置手动进针简易装置 （2）直线进针功能设计 多数手动进针机构没有单独考虑穿刺针的直线进针运动轨迹，由于其本身由 人工操作进行直线推进，所以此操作功能完全可以由人工实现。并且医生通过手 在穿刺过程中的触觉实时感知穿刺力的大小以矫正穿刺针的穿刺路径，保证手术 的正确与有效。而对于由机器人自动完成此操作时，就必须基于手术操作进行设 计。而对于机器人无法感知在穿刺过程中组织环境对穿刺针的影响及病人自身身 体条件的干扰而对穿刺进行措施响应。将在下面一节进行讨论。 如图 2-7 所示为一种曲柄摇杆机构，此曲柄摇杆机构末端可以实现直线运动 16。先在未得到摇杆末端轨迹参数方程的前提下进行任意几何尺寸的尝试将其运 动轨迹用几何画板软件在动参数的情况下表示出来其运动轨迹。由图 2-8 所示， 摇杆末端的运动轨迹接近于一条直线，即在 ab 段之间其轨迹逼近于一条直线， 这正是对此进针机构设计的一个新的尝试，其所呈现的几何效果正是理想实现的 机构功能。将查阅相关文献以进行对此机构的具体尺寸结构分析，并得出摇杆末 端的运动轨迹方程。 医疗穿刺机器人自动进针机构 19 图图 2-