乳腺癌伽玛刀机器人换源关键技术研究论文(pdf 72页)

分类号 学号 M200970560 学校代码 10487 密级 硕士学位论文硕士学位论文 乳腺癌伽玛刀机器人换源关键技术研究乳腺癌伽玛刀机器人换源关键技术研究 学位申请人 苗学刚 学 科 专 业 机械制造及其自动化 指 导 教 师 邓建春 副教授 答 辩 日 期 2012 年 1 月 12 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research on the Key Technologies of Using Robot to Replace Radioactive sources of Gamma knife Equipment for Breast Cancer Candidate Miao Xuegang Major Mechanical Manufacturing and Automation Supervisor Assoc Prof Deng Jianchun Huazhong University of Science Robot System of replacing radioactive sources Kinematics Trajectory planning Simulation III 目目 录录 摘 要 I Abstract II 1 绪 论 1 1 课题来源 1 1 2 伽玛刀的工作原理与特点 1 1 3 伽玛刀技术的发展历史与现状 2 1 4 机器人技术的发展历史与现状 4 1 5 本论文的主要内容 6 2 机器人换源系统与换源装置设计 2 1 乳腺癌伽玛刀结构特点与工作原理 7 2 2 乳腺癌伽玛刀机器人换源步骤与关键技术 9 2 3 机器人换源系统方案与换源装置设计 10 2 4 本章小结 21 3 换源机器人运动学分析 3 1 机器人 D H 连杆坐标系 22 3 2 换源机器人运动学方程 24 3 3 换源机器人正向运动学分析 25 3 4 换源机器人逆向运动学分析 29 3 5 本章小结 31 4 机器人换源轨迹规划 4 1 机器人轨迹规划的概念 32 IV 4 2 机器人轨迹规划的一般性问题 32 4 3 机器人换源作业描述 33 4 4 机器人换源轨迹规划与关键点 34 4 5 本章小结 39 5 机器人换源运动仿真与分析 5 1 COSMOSMOTION 仿真软件介绍 40 5 2 机器人换源仿真方案设计 40 5 3 SOLIDWORKS 中建立三维数字化模型 41 5 4 COSMOSMOTION 环境中机器人换源运动仿真 42 5 5 COSMOSMOTION 中机器人换源仿真运动分析 47 5 6 本章小结 58 6 全文总结与展望 6 1 全文总结 59 6 2 展望 60 致 谢 61 参考文献 62 附录 攻读硕士学位期间发表的论文 65 1 1 绪绪 论论 1 1 课题来源课题来源 本课题来源于美国医疗企业 Xcision Medical Systems LLC 项目的研究目在于使用 工业机器人替代人力更换乳腺癌伽玛刀的放射源 以避免对工作人员造成辐射伤害 同 时提高了安全性和工作效率 1 2 伽伽玛玛刀刀的工作原的工作原理理与特点与特点 伽玛刀是一种用于治疗癌症的放射治疗设备 并非真正意义上的手术刀 由于经过 伽玛刀照射治疗后 病变组织与正常组织界限明确 边缘如同刀割一样 因此被形象的 称为 伽玛刀 伽玛刀是利用射线几何聚焦原理 采用Co 60密封放射源作为伽玛射线 的发生器 通过精确的三维立体定向技术将一定剂量的伽玛射线经过旋转聚焦照射于靶 点病灶 经过多次照射治疗 破坏病变的靶点肿瘤组织细胞 从而达到治疗目的 1 伽玛刀的治疗步骤主要包括立体定位 根据病人情况定制合理的治疗计划 根据制 定的治疗计划对病人进行治疗等 首先 通过医疗影像设备CT或者MRI等扫描病人的病 灶 以获得病灶的三维立体坐标 将通过医疗影像设备扫描所获得的病灶坐标位置等数 字化参数通过计算机等控制设备输入到伽玛刀的规划系统中 根据病灶坐标参数重新建 立病灶的立体形态模型 然后计算机会根据照射剂量和治疗规划自动地计算出治疗计划 需要的各种参数 诸如靶点坐标 靶点数目以及照射需要的准直器型号和照射治疗时间 等治疗计划参数 最后 伽玛刀控制系统会按照治疗计划系统规划好的治疗计划控制伽 玛刀机械传动系统将病人通过治疗床送到治疗位置开始治疗 当所有治疗完成以后 伽 玛刀控制系统控制机械传动系统关闭放射治疗系统并将病人送回原位 1 2 伽玛刀技术相对于传统的手术治疗拥有诸多优点 伽玛刀治疗癌症不需侵入人体 不会产生手术外伤 不出血 不需要麻醉 不会产生感染 伽玛刀技术与电子计算技术 2 和医疗影像技术相结合 治疗非常精准 对正常组织的伤害非常小 伽玛刀治疗癌症肿 瘤周期短 病人痛苦小 治疗过程安全可靠 3 1 3 伽伽玛玛刀刀技术技术的的发展历史与现状发展历史与现状 1951 年 瑞典神经外科专家 Leksell 教授首先提出了立体定向放射手术的概念 即 用多个小野集素射线单次大剂量照射头颅内不同采用传动手术治疗的良性病变 20 世纪 50 年代后期 Leksell 与 Leppsata 大学的放射生物学家 Larsson 合作 采用回转加速器产 生的质子射线进行了一些列动物实验和临床研究 为寻求放射外科的不同方式和不同射 线应用奠定了基础 1967 年 Leksell 教授与其同事共同设计并安装了第一代头部伽玛刀 该机采用了 179 个钴 60 放射源 并对一例颅咽管瘤进行了治疗 1974 年 Leksell 设计了第二代头 部伽玛刀 该机采用了 201 个钴 60 放射源 201 个钴 60 放射源经准直后聚焦于一点 称为焦点 1984 年 Bunger 在瑞典设计生产了第三代头部伽玛刀 1985 年后 随着电子计算 机技术和 CT MRI 等医疗影像技术的飞速发展 头部伽玛刀开始装备了先进的治疗辅 助设备 如电子计算机 医疗影像分析仪等 这些先进辅助设备的应用使伽玛刀放射剂 量的计算 治疗方案的选择更加智能 更加精确 我国伽玛刀技术在 20 世纪 90 年代开始迅速发展 到现在已经拥有众多具有自主知 识产权的各类伽玛刀 它们应用在各大医院为我国癌症的治疗做出了巨大贡献 深圳奥 沃国际科技发展有限公司在瑞典静态伽玛刀的基础上 经过多年努力的研制与试验 于 1995 年设计生产了国际上第一台旋转式头部伽玛刀 该头部伽玛刀于 1996 年通过了国 家鉴定 1997 年通过了美国 FDA 认证 该旋转式头部伽玛刀相比较瑞典的静态式伽玛 刀有重大改进 结构设计上更为合理 旋转式伽玛刀采用旋转聚焦的工作原理 安装在 射源体上的 30 个钴 60 放射源能够随着旋转式射源体做旋转运动 通过旋转运动 由放 射源产生的伽玛射线能够从非固定的路径穿过正常人体组织 正常组织所收到的放射剂 量将更为分散 每个单位的正常健康组织只会受到瞬间的照射 这样便大大的减少了治 3 疗过程对健康组织产生辐射伤害 另外 旋转头部伽玛刀拥有更为先进的电子计算机治 疗系统 立体定位准直系统 具有结构合理 操作简便 定位精准 安全可靠的优点 1997 年 深圳奥沃国际科技公司又成功研制出世界上首台体部伽玛刀 并于当年安 装在山东省肿瘤防治研究院 到 2001 年 1 月已经治疗了胸腔 腹腔 盆腔多种癌症肿 瘤 400 多例 治疗有效率达到 90 后来通过了国家 MDA 认证 经主管部门批准用于 临床治疗 2000 年在泸州医学院附属成都 363 医院投放了市场首台体部伽玛刀 此后 伽玛刀技术在中国得到了迅速的发展 4 伽玛刀基本可以分为两种类型 分别为头部伽玛刀和体部伽玛刀 本文研究的伽玛 刀为一种新研制的专门用于治疗女性乳腺癌的伽玛射线放射治疗设备 简称为乳腺癌伽 玛刀 属于体部伽玛刀的范围 乳腺癌伽玛刀的治疗原理与体部伽玛刀类似 同样采用 一定数量的 Co 60 作为照射放射源 利用几何旋转聚焦原理 在精确的立体定位情况下 将经过规划的一定剂量的伽玛射线集中照射于选定的靶点 病灶 根据医生制定的治疗 计划对病灶进行一次或多次照射 以杀伤病变的肿瘤细胞 达到治疗乳腺癌的目的 乳腺癌是女性肿瘤中的常见恶性肿瘤 在世界范围内 女性乳腺癌的发病率正逐年 升高 甚至已经成为女性恶性肿瘤中发病率最高的肿瘤之一 乳腺癌属于恶性肿瘤 严 重威胁了女性的生命健康和正常生活 目前 治疗乳腺癌的方法主要有传统手术切除病 变组织 放射治疗 化疗 内分泌治疗 靶向治疗等 5 传统手术治疗主要应用在乳腺 癌早期 效果较好 但会对影响女性乳房美观 对女性正常生活产生不利影响 放射治 疗主要使用射线聚焦照射病变组织已达到治疗目的 化疗是指使用化学药物达到杀伤癌 症细胞的目的 但对健康细胞也会产生一定的伤害 会有一定的副作用 内分泌治疗和 靶向治疗属于比较新的治疗方式 但这些治疗方法无法掩盖立体放射治疗的优点 6 立 体放射治疗副作用小 对健康组织伤害小 不需开刀 能够保持乳房外观完好 减少了 对病人的身体伤害和精神伤害 经过长时间的乳腺癌治疗发现 体部伽玛刀治疗乳腺癌 有很多劣势 由于乳腺的特殊机理特性 女性躺卧于治疗床上时乳腺流动性较自由 因 此会造成定位不准确 继而影响治疗效果 针对于这一实际情况 乳腺癌伽玛刀专门用 于治疗乳腺癌 其结构为正放置的碗型结构 射线聚焦点在上方 女性治疗之前要根据 医疗影像给出的诊断采用特制乳罩固定乳房 治疗床在上方 女性乳腺向下趴卧与治疗 4 床上 这样就可以防止乳腺治疗过程中发生移动 该新型乳腺癌伽玛刀不仅拥有其他体 部伽玛刀所具有的基本优点 而且还具有更高技术参数 除了定位精度和重复定位精度 高以外 乳腺癌伽玛刀的旋转聚焦装置在最大转速范围内可以实现1至20rpm无级调速 1 4 机器人技术的发展历史与现状机器人技术的发展历史与现状 机器人 Robot 一词最早于 1920 年由捷克作家卡雷尔 佩克在他的一本剧本中首 先提出的 描述了与人相似 但能永不停歇的为人工作的机器奴仆 1954 年 美国人乔 治 德沃尔研制了第一台电子可编程序的工业机器人 并申请了专利 它第一次使用示 教再现的控制方式 从此开创了工业机器人的新纪元 7 1960 年 美国 Unimation 公司根据 Devol 的专利技术研制了第一台工业机器人样机 开始定型生产 Unimate 工业机器人 Unimate 工业机器人的设计将数控机床的重要特性 与 Roymond Goetz 研制的控制机械手的伺服控制能力结合起来 1962 年 美国 GM 通 用汽车公司在压铸件的一条装配线上安装了第一台 Unimate 工业机器人 8 1967 年 日本川崎重工公司购买了美国工业机器人的生产许可证书 日本从此开始 走向了机器人强国之路 20 世纪 60 年代末期 用于喷涂和弧焊的机器人问世并逐渐被 应用于实际的工业生产中 20 世纪 70 年代 工业机器人进入商业化阶段 商品化的程度得到大大提高 并逐 渐在工业生产中应用 随着电子计算机技术 控制技术和人工智能的快速发展 机器人 的研发水平得到了大幅提高 1979 年 Unimation 公司设计研发了 PUMA 系列工业机器 人 这是一种采用多个 CPU 协调控制的先进工业机器人 同年 日本山梨大学研制陈 功了平面关节型 SCARA 机器人 被广泛的应用于装配作业中 20 世纪 80 年代 工业生产开始从大批量的自动化生产向小批量 高柔性 多品种 的自动化生产模式转变 由于工业机器人可以根据不同工况和加工生产要求改变程序 在短时间内就可以开始其他批次和品种的生产加工 使工业生产具有很高的柔性而被广 泛采用 逐步形成了工业机器人产业化 与此同时 部分发达国家开始研制更新型的机 器人 开始涉及机器视觉 触觉 多手臂的机器人技术 5 20 世纪 70 年代至 90 年代 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展 机器人开 始应用人工智能 模糊控制 神经网络等先进的控制技术 使机器人在人机交互 逻辑 推理等方面有了迅速提高 机器人开始拥有自主判断和自主决策的能力 这就是第三代 的机器人 称为智能机器人 智能机器人的特点是 在电子计算机的控制下 通过多传 感器交互技术感知机器人本体状态和外界作业环境 在计算机和决策数据库的支持下独 立自主的完成推理工作并作出决断继而做出下一步行动 它不仅具有感知能力 更重要 的是能够独立判断和做出行动 具有记忆 推理和决策的能力 智能机器人由于拥有以 上特点 因此可以完成更加负责的作业任务 20 世纪 90 年代之后 机器人技术开始进 入高潮 高速机器人 仿人机器人 智能机器人 特种机器人等多种新型机器人相继出 现 服务于工业发展 人类生活 医疗国防事业等 9 10 我国工业机器人技术研究相比较国外发达国家起步较晚 1985 年 我国在 七 五 计划中把机器人列入了国家重点研究规划内容并在沈阳建立了我国第一个机器人研究 示范工程项目 全面开始了机器人技术相关研究 此后 在国家 863 计划和国家科 技资金的支持下我国机器人技术有了长足地发展 但是 与国外发达国家相比 我国机 器人研究水平还相对落后 尤其是高端和特种机器人研究还有较大差距 我国 十二五 规划中 把高端装备制造产业列入重点发展战略产业 机器人研究水平和应用水平也在 稳步提高 在我国先进的制造企业中 很多工业机器人已经应用于工业生产 11 机器人是人类的一项伟大发明 现在 机器人被应用于各行各业中 在工业生产中 工业机器人被大量应用于搬运 装配 焊接 喷涂 涂胶等作业 大大提高了生产效率 和产品质量 在医疗领域中 机器人被应用于手术 完成一些特定工作 在军事国防领 域 机器人被应用于侦查 排爆等工作 在其他领域中 机器人被用于勘探 海洋作业 救灾救护 机器维修等各行各业中 随着科技的不断发展 机器人技术也会得到更为迅 速的发展 将来会产生更多种类的机器人 诸如属于机器人前沿技术的智能化类人机器 人等 越来越多的家庭机器人会走进平常人家 它们将会为人类执行更多的任务 做出 更大的贡献 12 6 1 5 本论本论文的主要内容文的主要内容 本课题针对利用工业机器人替代人力更换乳腺癌伽玛刀放射源这一实际要求 以最 新研制的新一代乳腺癌伽玛射线放射治疗设备样机为研究对象 研究了机器人自动换源 的关键技术 本论文主要从以下几个方面进行了研究 1 设计机器人换源系统的总体方案以及换源装置与设备 2 分析机器人运动学 包括正向运动学与逆向运动学 3 机器人换源轨迹规划 4 机器人换源过程运动仿真与分析 7 2 机器人换源系统机器人换源系统与与换源换源装置装置设计设计 乳腺癌伽玛刀是一种最新研制的用于治疗女性乳腺癌的伽玛射线放射治疗设备 其 放射源为 Co 60 由于放射源的射线强度会随着时间的推移逐渐衰减 当无法达到治疗 所需的放射剂量时就需要更换 为了避免人工更换放射源产生的辐射伤害 因此要设计 一套机器人换源系统实现机器人自动更换放射源 2 1 乳腺癌伽玛刀结构特点乳腺癌伽玛刀结构特点与工作原理与工作原理 乳腺癌伽玛射线放射治疗设备又称为乳腺癌伽玛刀 主机机械部分主要由机座 射 源装置 屏蔽门 射源传动装置 关源装置 三维床组成 如图 2 1 所示为乳腺癌伽玛 刀样机实物图 其中射源装置是乳腺癌伽玛刀的关键部分 其由射源体 准直体 屏蔽 体和防护塞子组成 如图 2 2 所示为射源装置结构图 射源体是一个球冠状壳体 射源 体上按照一定的经纬度规律分布有 36 个源孔和一个基准孔 其中源孔分为 6 组 每组 6 个源孔 每一组内相邻两源孔纬度方向隔 6 经度方向隔 10 Co 60 密封放射源就 安装在源孔内 准直体为与射源体结构相似的球壳体 与射源体相对应 准直体上分布 了 36 个准直孔和 36 个屏蔽孔 屏蔽孔安装屏蔽棒后可以起到屏蔽射线的作用 每组屏 蔽孔和准直孔逆时针经度方向相隔 30 同时为保证射源体与准直体在安装 维修 运 输过程中相互位置关系 在同一方位 纬度 30 经度 0 上设置了基准孔 基准 孔可以穿插相应的定位棒达到定位的目的 如图 2 3 所示为射源体和准直体的结构图 治疗时 准直体上的准直孔与源孔对位 关闭治疗时准直体旋转将装入屏蔽棒的屏蔽孔 与源孔对位 屏蔽射线 屏蔽体是射源装置的最外层球冠状保护壳体 用于屏蔽射线 屏蔽体的一侧开有一个阶梯状的开口 该开口能够在纬度方向上覆盖所有的放射源 由 于伽玛射线具有放射性 因此为了起到更好的保护效果要求屏蔽体结构尽可能不出现开 口 但为了为了给装 换放射源提供窗口与空间 因此做了这个开口 不需要装 换源 时通过一个阶梯状的防护塞子与之配合封堵该开口 用于屏蔽伽玛射线 需要装 换源 时就将该防护塞子退出 完成后再将防护塞子移入屏蔽体 2 8 图 2 1 乳腺癌伽玛刀样机 图 2 2 射源装置 9 图 2 3 射源体与准直体 乳腺癌伽玛刀采用 Co 60 作为放射源 准直体与射源体同步旋转 放射线经过准直 体利用几何聚焦原理 在精确的立体定位情况下 将经过规划的一定剂量的伽玛射线集 中照射于靶点病灶 根据治疗计划对靶点病灶进行一次或分次性的照射 以达到放射治 疗乳腺癌的目的 2 2 乳腺癌伽玛刀乳腺癌伽玛刀机器人机器人换源步骤与换源步骤与关键关键技术技术 2 21 乳腺癌伽玛刀机器乳腺癌伽玛刀机器人换源步骤人换源步骤 乳腺癌伽玛刀换源过程包括拆除旧源和装入新源两个部分 换源开始之前要首先拆 除乳腺癌伽玛刀屏蔽体中的防护塞子 将塞子移出屏蔽体 以打开换源窗口提供换源空 间 在打开换源窗口之后 机器人要根据轨迹规划依次将安装在射源体源孔中的旧放射 源取出 然后再按照轨迹规划依次将新源装入射源体源孔中 最后 将防护塞子移入乳 腺癌伽玛刀屏蔽体的阶梯状窗口中 以屏蔽放射线完成换源 10 2 22 机器人换源机器人换源的的关键技术关键技术 利用工业机器人替代人工完成乳腺癌伽玛刀换源工作是一项涉及多种技术应用的 复杂系统 设计乳腺癌伽玛刀机器人换源系统方案要综合考虑各种因素与关键技术 确 保机器人换源系统能够顺利 安全地完成换源工作 机器人换源面临的关键技术主要包 括以下几个方面 1 乳腺癌伽玛刀是一种放射性医疗设备 其放射源为 Co 60 因此在换源过程中务 必要保证安全可靠 不允许发生放射源掉落 碰撞等安全问题 2 由于放射源为棒状且具有放射性 因此夹持放射源的夹具要有足够大的夹紧力和 夹持牢固性 能够安全牢靠地夹持住放射源 3 用于换源的工业机器人要稳定可靠 便于操作 定位精度和重复定位精度高 4 机器人换源轨迹规划要避免机器人换源过程中发生碰撞 机器人运行要稳定不能 发生剧烈颤动 5 整个机器人换源过程要能够实现全程实时监控 便于操作人员及时发现问题做出 反应 6 防护塞子在移出乳腺癌伽玛刀屏蔽体后 要保证在换源结束后防护塞子移入屏蔽 体的配合精度和位置精度 另外塞子的移出和移入过程要平稳 2 3 机器人换源系统方案机器人换源系统方案与与换源换源装置装置设计设计 2 3 1 机器人换源系统方案设计机器人换源系统方案设计 根据机器人换源步骤和关键技术描述设计机器人换源系统方案 如图 2 4 所示为机 器人换源系统方案示意图 机器人换源系统主要包括放射源夹具 换源机器人 监控摄 像装置 防护塞子移动装置组成 放射源夹具安装在换源机器人末端 作为换源机器人 的末端执行器 完成放射源的抓取与放松工作 换源机器人是换源系统的核心 它按照 换源轨迹规划运动 携带放射源夹具运动依次完成放射源的更换工作 监控摄像装置安 11 装在治疗室内 它可以监控整个换源过程 无监控盲区并且实时的反馈图像信息给操作 人员 以便出现特殊情况工作人员及时做出调整 防护塞子移动装置可以稳定快速地将 伽玛刀防护塞子移出和移入乳腺癌伽玛刀屏蔽体 并且能够保证塞子的位置精度以及和 屏蔽体的配合精度 放射源 夹具 换源机 器人 乳腺癌 伽玛刀 监控摄 像装置 塞子移 动装置 图 2 4 机器人换源系统方案 2 3 2 放放射源夹具设计射源夹具设计 放射源夹具必须具备以下特点 1 夹具必须保证夹持的牢固与稳定性 由于放射源内的放射物质为 Co 60 具有很 强的放射性 因此在更换放射源的过程中一定要保证放射源的夹持稳定性与牢固性 以 确保换源过程中放射源不会掉落 2 夹具必须能够提供足够的夹紧力 为防止换源过程中发生意外碰撞致使放射源掉 落 夹具因此必须在保证夹持牢固的同时提供额外足够的夹紧力 3 夹具的附加装置要尽可能少 夹具的体积要尽可能小 在需要更换放射源时 阶 梯状防护塞子要移出屏蔽体 露出射源体源孔中的放射源 乳腺癌伽玛刀的阶梯状换源 窗口较为狭窄 机器人在更换放射源时为防止发生碰撞干涉 夹具的体积一定要尽可能 小且紧凑 并且其附加装置也要尽可能少 以减小夹具装置整体占用的空间 提高安全 性 如图 2 5 所示为放射源的零件图和三维图 其根部圆柱形凹槽为换源过程中夹具的 夹持部位 12 图 2 5 放射源零件图和三维图 根据放射源的结构特点 在满足以上要求的条件下选择三点爪式夹具进行抓取放射 源将非常稳固 夹紧动力源选择气动夹紧方式 其具有响应速度快 夹紧力大 夹紧可 靠 结构轻便 占用空间小等特点 非常适合夹紧放射源的工作 德国 FESTO 公司是全球气动元件领先制造商 其产品质量优异 使用寿命长 特 点是 工作效率高 可靠性高 精确度高 安装便捷 安全性好 定制化程度高 根据 放射源的质量属性和夹持要求选择 FESTO 的气动三点式气爪 FESTO 的 HGD 系列三点气爪精度极高 夹持力大 且可额外加装外部抓指 如图 2 6 所示 该系列三点气爪包含三种型号 各型号主要技术参数如表 2 1 所示 13 13 图 2 6 HGD 系列三点气爪 表 2 1 HGD 系列气爪主要技术参数 型号 HGD 16 A HGD 32 A HGD 50 A 气爪功能 3 点 气爪夹头数量 3 个 每一个外部气爪手指的最大许用负载 N 0 08 0 3 0 75 行程 mm 每个气爪夹头 2 5 3 9 6 最小抓取直径 23 33 2 50 最大抓取直径 28 41 62 重复精度 mm 0 04 图根据放射源的结构特点 设计外部抓指 根据放射源夹持部位特点 由于 HGD 系列三种型号的气爪其工作行程一定 因此要保证外部抓指既能够通过图 2 1 所示的放 射源凸起位置又能够在工作行程内夹持住放射源 如图 2 7 所示为气爪外部手指与气爪 手指连接装配图 从图 2 7 中可以看出外部手指夹持处端面距离气爪手指内侧端面为 9mm 14 图 2 7 外部手指与气爪手指装配图 由于气爪最大抓取直径为 41mm 放射源抓取部位根部最大圆周直径为 22mm 则有 41 2 9 23mm 22mm 所以气爪在没有动作前可以通过放射源凸起位置到达夹持位置 又放射源夹持位置圆周直径为 16mm 则有 23 16 2 3 5mm 3 9mm 所以该气爪在安装外部手指后在气爪手指工作行程内可以完成夹持工作 初步选择 HGD 32 A 型三点气爪 校核该气爪的其他参数 利用 FESTO 提供的气 爪选型软件可以方便地根据用户实际校核气爪 根据要求将以下参数输入到气爪校核软 件 气爪端面至重心位置 18 5mm 工件的质量 放射源的质量 124g 爪指组合行程 7mm 一个外部气爪的质量 15g 摩擦系数 钢与钢 0 15 安全系数 2 5 15 经选型软件校核可得 HGD 32 A 型三点气爪完全满足换源夹持要求 根据 HGD 32 A 型三点气爪的连接附件设计气爪的本体结构 本体结构的设计要求稳定可靠 连接牢固 占用空间小 如图 2 8 所示为设计好并且装配好的气爪装配爆炸图 图 2 8 三点气爪装配爆炸示意图 2 3 3 换源机器人换源机器人 根据乳腺癌伽玛射线放射治疗设备的结构特点进行初选机器人 日本安川电机是非 常知名的工业机器人提供商 其生产的 MOTOMAN HP 系列工业机器人更是拥有诸多 优点被广泛的用于各种场合 如搬运 喷涂 焊接等 该系列机器人拥有更快的动作速 度 更高的运动精度 更高的可靠性 其最新的控制系统大大提高了机器人的可操控性 且该系列机器人型号诸多 故从该系列机器人中选择换源机器人 14 换源机器人用于换装伽玛射线放射源 由于其工作环境与工作性质的特殊性 因此 对机器人的性能要求高 有以下几点 1 机器人与控制系统必须具备绝对高的工作稳定性和可靠性 2 机器人的工作范围必须满足换源要求 且其有效负载质量必须能够安全负载放射 源及其夹具 3 机器人要有较高的重复定位精度和绝对位置精度 4 机器人要有较高的防尘防水能力 5 机器人控制系统要求可靠且具有易操作性 根 据 以 上 几 点 要 求 选 取 机 器 人 型 号 选 择 日 本 安 川 电 机 生 产 的 MOTOMAN HP20D 6 型机器人 该机器人有效负载 6kg 最大可达半径 R1915mm 具 16 有 6 个自由度 6 个旋转关节 且运动性能优秀 动作范围广 采用防尘防水构造可 以在恶劣的环境中工作 重复定位精度和绝对位置精度高 操作方便 如图 2 9 所示为 该机器人本体结构图 表 2 2 所示为该型号机器人主要参数说明 15 图 2 9 MOTOMAN HP20D 6 型机器人本体结构 17 表 2 2 MOTOMAN HP20D 6 型机器人主要参数 型号 MOTOMAN HP20D 6 控制轴数 6 垂直多关节型 负载 6kg 重复定位精度 0 06mm 最大动作范围 S 轴 回转 180 L 轴 下臂倾动 155 110 U 轴 上臂倾动 255 160 R 轴 腕部扭转 200 B 轴 腕部俯仰 230 50 T 轴 腕部回转 360 最大动作速度 S 轴 回转 3 44rad s 197 s L 轴 下臂倾动 3 05rad s 175 s U 轴 上臂倾动 3 26rad s 187 s R 轴 腕部扭转 6 98rad s 400 s B 轴 腕部俯仰 6 98rad s 400 s T 轴 腕部回转 10 47rad s 600 s 动力电源容量 2 8KVA 2 3 4 监控监控摄像装置摄像装置 监控摄像装置用于监控机器人换源过程 以及机器人和伽玛刀主机 防护塞子移动 装置的运行情况 以便工作人员做出合理及时的操作 监控摄像装置要求 1 安装简便牢靠 附加装置少 2 摄像机成像清晰 能够自动对焦 变焦范围大 控制简便稳定 3 摄像机能够有较好的防潮 防尘特性 活动范围大 不存在监控盲区 网络摄像机是综合了传统摄像机与网络技术的新一代摄像机 它能够将影像通过网 络传到另一端 另一端的浏览者只需要网络浏览器就可以监视影像 如图 2 10 所示为 海康威视生产的 DS 2DF1 57XY 型 130 万像素网络智能球型摄像机 它可以很好的实现 机器人换源监控摄像功能 其具有以下特点 16 18 采用 1 3 英寸高性能逐行扫描 CCD 图像清晰 最大分辨率可到 1280 x960 精密电机驱动 反应灵敏 运转平稳 精度偏差少于 0 1 度 在任何速度下图像 无抖动 支持三维智能定位功能 配合 DVR 和客户端软件可实现点击跟踪和放大 支持多语言菜单及操作提示功能 用户界面友好 支持数据断电不丢失 支持防雷 防浪涌 防突波 支持定时任务预置点 花样扫描 巡航扫描 水平扫描 垂直扫描 随机扫描 帧扫描 全景扫描等功能 支持自动光圈 自动聚 12 倍 自动白平衡 背光补偿 水平方向 360 连续旋转 垂直方向 5 185 无监视盲区 图 2 10 海康威视 DS 2DF1 57XY 型网络摄像机 2 3 5 防护防护塞子移动装置塞子移动装置设计设计 乳腺癌伽玛刀防护塞子是与乳腺癌伽玛刀屏蔽体窗口相配合的阶梯状屏蔽块 其作 用是为了防止伽玛射线溢出 起到屏蔽射线的作用 在不需要换源或者装源时 防护塞 子是通过螺栓和下挡块与屏蔽体紧固的配合在一起 共同构成了射源装置的最外层保护 壳体 在需要换源或者装源时 需要将塞子移出乳腺癌伽玛刀屏蔽体 露出屏蔽体换源 窗口 为换源提供窗口和操作空间 在换源开始之前 首先要将防护塞子移出乳腺癌伽 玛刀屏蔽体 在换源结束之后 防护塞子要移入乳腺癌伽玛刀屏蔽体中以屏蔽射线 这 个移出和移入的过程要保证塞子的位置精度以及塞子和屏蔽体的配合精度 防护塞子移 动装置就是为了解决该问题而设计 防护塞子移动装置可以快速稳定地将塞子移出和移 19 入屏蔽体中 同时可以保证位置精度和配合精度 如图 2 11 所示为移动装置实物图 图 2 12 为移动装置的工作原理图 具体实施过程如下 首先 由人工将塞子底部的下挡块拆除 然后防护塞子移动装置的牵引工具 1 在气 缸 6 的带动下经 Y 轴方向导轨 7 移动到塞子处 平底托板 3 下面的四个支撑螺钉 升起 顶紧塞子 2 的底部 牵引工具 1 的三对顶紧螺栓 拧紧将塞子 2 的正面顶紧 完成塞子 的定位 再拧入三对连接拉紧螺栓 把牵引工具 1 与塞子 2 连接牢固 最后再拆掉伽玛 刀屏蔽体与塞子的连接螺栓 这样就保证了塞子在换源完成后移入伽玛刀屏蔽体的定位 与配合精度 完成牵引工具 1 与塞子 2 的定位与连接后 牵引工具 1 在气缸 6 的牵引下 经 Y 轴导轨 7 将塞子 2 拖出伽玛刀屏蔽体 然后由气缸 5 牵引塞子 2 经 X 轴导轨 4 移 至侧边 为下一步换源做准备 图 2 11 防护塞子移动装置 20 图 2 12 防护塞子移动装置工作原理图 21 2 4 本章小结本章小结 本章首先介绍了乳腺癌伽玛刀机器人换源的必要性 以及乳腺癌伽玛刀的结构特点 和治疗原理 然后描述了乳腺癌伽玛刀机器人换源的主要步骤 根据乳腺癌伽玛刀的特 点和换源步骤提出了机器人换源所面临的关键技术 最后针对机器人换源面临的关键技 术设计了机器人换源系统的总体解决方案以及实施该方案的具体换源装置与设备 22 3 换源机器人运动学分析换源机器人运动学分析 机器人运动学是指机器人各连杆之间 以及连杆与末端执行器之间的位姿关系 是 机器人在空间运动轨迹的控制 完成预定作业任务的基础 机器人运动学主要包括两个方面 17 18 1 机器人正向运动学 已知机器人各运动关节的运动变量和连杆的几何结构参数 求解机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态 2 机器人逆向运动学 已知机器人末端执行器的位姿和连杆的几何结构参数 求解 机器人各运动关节的运动变量 19 根据机器人的结构特点建立 D H 连杆坐标系 分析机器人的正向运动学和逆向运动 学 3 1 机器人机器人 D H 连杆坐标系连杆坐标系 如图 3 1 所示 20 连杆1i 能够由连杆长度 1i a 和连杆扭角 1i 完全定义 相邻两个 连杆i和1i 之间的关系可以由 1i a 和 i a之间的连杆距离 i d以及 1i a 和 i a之间的连杆关 节角 i 描述 21 22 那么每一个连杆都可以由 1i a 1i i d i 四个参数描述 其中 1i a 1i 描述连杆1i 的本身特征 i d i 描述连杆1i 和i之间的关系 若为旋转关节 i 是唯一的关节变量 若为移动关节 i d是唯一的关节变量 23 这就是Denavit和Hartenberg 提出的描述机构运动的方法 称为 D H 法 24 25 23 图 3 1 连杆连接的描述 如图 3 2 所示 分别把机器人的每个连杆与某一坐标系固接 其中把固接在基座上 的那个坐标系记为坐标系 0 称为基坐标系 25 把固接在各个连杆上的坐标系记为坐 标系 i 那么可以按照 D H 方法确定机器人连杆坐标系和连杆参数 26 图 3 2 连杆坐标系的设定 24 3 2 换源换源机器人运动学方程机器人运动学方程 机器人相邻两连杆之间的位姿关系可以通过两连杆之间的连杆坐标系齐次变换矩 阵 1i iT 来描述 1i iT 表示是连杆坐标系 i相对于 1i 的变换 它与连杆参数 1i a 1i i d i 相关 连杆变换 1i iT 可以通过以下四个子变换得到 26 1 绕 1i x 轴旋转 1i 角 2 沿 1i x 轴移动距离 1i a 3 绕 i z轴旋转 i 角 4 沿 i z轴移动距离 i d 按照 由左到右 的原则 有 1 11 i iiiii TRot xTrans x aRot zTrans z d 即连杆变换通式为 0 1 1 1111 1111 0001 csa iii s cc csd s i iiiiiii T i s sc scd c iiiiiii 3 1 式 3 1 中 c 代表 cos s 代表 sin 齐次变换矩阵 1i iT 是关节变量的函数 对于转 动关节 它是 i 的函数 i 即为关节变量 i q 对于移动关节 它是 i d的函数 i d即为关 节变量 i q 将机器人各连杆变换矩阵 1i iT i 1 2 3 4 5 6 依次相乘 可得 0011 12 n nn TT TT 3 2 上式中 0 nT 是关节变量 i q i 1 2 3 4 5 6 的函数 式 3 2 称为机器人运动学方程 26 25 本文中的 MOTOMAN HP20D 6 型机器人拥有 6 个连杆 其运动学方程式为 0012345 5612346 TT T T T T T 3 3 3 3 换源换源机器人正向运动学机器人正向运动学分析分析 机器人的正向运动学是已知机器人各关节的关节变量求解机器人末端执行器的位 置和姿态 如图 3 3 所示 根据 MOTOMAN HP20D 6 型机器人的结构特点采用 D H 法 建 立 机 器 人 连 杆 坐 标 系 27 表 3 1 中 列 出 机 器 人 连 杆 坐 标 系 D H 参 数 i a i i d i i 1 2 3 4 5 6 的值 0 x 0 y 0 z 1 x 1 y 1 z 2 x 2 y 2 z 3 x 3 y 3 z 4 y 4 x 4 z 5 y 5 x 5 z 6 x 6 y 6 z 2 a 1 a 3 a 4 d 图 3 3 机器人连杆坐标系 表 3 1 机器人 D H 连杆参数 关节 i a mm i i d mm i 1 150 90 0 1 2 760 0 0 2 3 140 90 0 3 4 0 90 995 4 5 0 90 0 5 6 0 0 0 6 26 规定机器人连杆坐标系 4 5 6 的坐标原点重合于 O 点 当 1 90 2 90 3 0 4 0 5 0 6 0 时的机器人位姿为机器人初始位姿 将表 3 1 中的参数代入式 3 1 中可得相邻坐标系之间的位姿变换矩阵 1i i T 则机器 人的末端连杆坐标系 6 相对于基坐标系 0 的位姿矩阵为 0012345 6123456 0001 xxxx yyyy zzzz noap noap noap TT T T T T T 3 4 其中 555123464 62361464 6x nc cc c cs ss s cs s c cc s 555123464 62361464 6y ns cc c cs ss s cc s c cc s 5523464 6236z nsc c cs ss s c 555123464 62361464 6x oc cc s ss cs s ss s c sc c 5551464 6123464 6236y oc s c cc ss cc c ss cs s s 55523464236z osc c ss cc s s 555123 4231 4x ac c c ss cs s s 555123 4231 4y as c c ss cc s s 5523 423z as c sc c 123 3234221x pc c as dc aa 123 3234221y ps c as dc aa 23 323422z ps ac ds a 以上各式中 11 cosc 2323 cosc 11 sins 2323 sins 其 27 他以此类推 将表 1 中的机器人连杆参数带入式 3 4 中即可求出机器人的运动学正解 28 Robotics Toolbox 是在 MATLAB 环境下开发的一款机器人运动学 动力学求解与仿 真工具箱 利用该工具箱可以构件机器人模型 通过函数求解机器人的正向运动学 非 常方便并且直观 Robotics Toolbox 下构件机器人模型可以检查机器人连杆坐标系的建 立是否正确 根据连杆参数建立机器人模型 29 建立机器人模型并命名为 Motoman HP20D 6 命令如下 连杆的前四个元素依次为 a d 最后一个为0 转动关节 L1 link pi 2 0 15 0 0 0 L2 link 0 0 76 0 0 0 L3 link pi 2 0 14 0 0 0 L4 link pi 2 0 0 0 995 0 L5 link pi 2 0 0 0 0 L6 link 0 0 0 0 0 r robot L1 L2 L3 L4 L5 L6 构建机器人 r name Motoman HP20D 6 命名机器人 Drivebot r 驱动机器人 q pi 2 pi 2 0 0 0 0 分别对关节变量赋值 T fkine r q 求解位姿矩阵T 运用drivebot命令查看建立的机器人连杆三维模型如图3 4所示 通过建立的机器人 模型可以看出当各关节变量q pi 2 pi 2 0 0 0 0 时对应的机器人初始位置与连 杆坐标系的建立完全相符 因此连杆坐标系建立正确 连杆参数正确 图3 5所示为相 对应的机器人各关节控制面板 可以在每个关节变量输入框输入关节变量值或者手动拖 动控制滑块来驱动机器人 相应的机器人连杆模型会根据给出的关节变量值运动到相应 位置 可以形象直观查看机器人末端的位姿 28 2 1 0 1 2 2 1 0 1 2 2 1 0 1 2 X Y Z Motoman HP20D 6 x y z 图3 4 机器人连杆模型 图3 5 机器人各关节控制面板 用 fkine 函数可以求解出机器人末端相对于基坐标系的位姿矩阵 T 即给定关节变 量值求解机器人运动学正解 计算结果 T 0 0000 1 0000 0 0 0000 0 0000 0 1 0000 1 1450 1 0000 0 0000 0 0000 0 9000 0 0 0 1 0000 以上计算结果对应于连杆坐标系位姿的位姿矩阵 29 工具坐标系与机器人末端连杆 6 的坐标关系如图 3 6 所示 图 3 6 工具坐标系与连杆 6 坐标系 对于该换源机器人来讲 放射源三点气爪夹具为机器人的末端执行器 它与机器人 连杆 6 连接在一起上 机器人工具坐标系 T的原点 T O设置在放射源夹持位置的中心 工具坐标系 T的方位与连杆坐标系 6一致 它们之间的相对变换关系是工具坐标系 T相对于连杆坐标系 6向右平移了 300mm 的距离 则工具坐标系 T 相对于基坐标 系 0 之间的变换矩阵为 006 6 1 0 00 0 1 00 0 0 1 300 0 0 010001 xxxx yyyy TT zzzz noap noap noap TT T 3 5 3 4 换源换源机器人逆向运动学机器人逆向运动学分析分析 机器人逆向运动学就是已知末端连杆的位姿矩阵 求解机器人的各个关节变量 机 器人运动学逆解主要有解的存在性 解的唯一性和最优解 求解方法三个问题 解的存在性 在机器人的工作空间内 至少存在一个反解 若在工作空间外 则反 解不存在 解的唯一性和最优性 对于空间中一定位姿的机器人 机器人能通过多组不同的关 30 节变量运动到该位姿 因此也就存在多组机器人运动学逆解 机器人运动学逆解的个数 与机器人连杆参数 机器人运动关节的个数以及机器人运动关节的运动范围有关 一般 情况下 非零的连杆参数越多 机器人运动学逆解的组数也就愈多 如果产生了多组机 器人运动学逆解 要根据实际情况具体分析 在运动关节的运动范围内 一般按照使机 器人关节运动行程最短的原则来选取最优的那一组解 即最优解能够使机器人各个关节 的运动量最小 一般情况下机器人前三个连杆尺寸较大 后面三个较小 因此应采取加 权处理的方式 多动小关节 少动大关节 30 机器人逆解可以通过封闭解法和数值解法两种方法求解 数值解法计算量过于庞 大 一般不建议采用 封闭解法计算速度快 效率高 便于实时控制 因此一般采用封 闭解法 机器人封闭解有代数解和几何解两种 要根据不同的机器人采用不同的求解方 法 力求做到计算简便 本文中的 MOTOMAN HP20D 6 型机器人满足封闭解的条件 采用代数解法较为简单 具体求解方法如下 根据已建立的机器人运动学方程 3 3 依次将逆变换矩阵左乘运动学方程式的两 边 通过一系列的矩阵运算和三角代换使两端相等矩阵的对应元素相等 31 依次求解出 各关节的关节变量 求解各关节变量的计算方程式如下 01 01 166 11 01 02 2166 21 11 01 03 32166 31 21 11 01 04 432166 41 31 21 11 01 05 5432166 TTT TTTT TTTTT TTTTTT TTTTTTT 3 6 机器人各关节的关节变量如下 1 tan2 yx App 3 7 2 2112222 tan2 tan2 1 z Aka pAkk 3 8 其中 31 111xy kp cp s 222222 2121341 12 2 2 z kaapkada ka 22 211 z pka 2 3343333 tan2 tan2 1 Aa dAkk 3 9 其中 22 334 ad 32 121 22z kc kp saca 444 tan2 As c 3 10 22 5414342 tan2 Akkk 3 11 其中 411 231 2323xyz kcc asc as a 421 231 2323xyz kc s as s ac a 4311xy ks ac a 666 2 Atans c 3 12 以上各式中 11 cosc 11 sins 2323 cos c 2323 sin s 其它以此类推 MOTOMAN HP20D 6 型机器人腕部关节三轴相交 通过上面的解法共有 8 组解 根据机器人有些关节的运动范围限制 有些解不能实现 至于如何取舍并选择最优解 要根据前述机器人反解的唯一性和最优解的原则 具体情况具体分析 3 5 本章小结本章小结 本章对机器人的运动学进行了详尽的研究与探讨 说明了机器人位姿的描述和坐标 系之间的坐标变换 采用 D H 方法建立机器人连杆坐标系 建立了机器人连杆坐标系之 间的变换矩阵 构建了机器人运动学方程 将机器人末端连杆的位姿矩阵与关节变量联 系起来 研究了机器人的正向运动学和逆向运动学相关问题 阐述了机器人运动学正解 和运动学逆解的求解方法与过程 为下一步的机器人运动轨迹规划做好了基础 32 4 机器人换源轨迹规划机器人换源轨迹规划 4 1 机器人轨