毕业论文-穿刺机器人姿态调整与进针机构设计

穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 I摘 要 前一阶段设计的穿刺机器人的姿态调整采用平行四杆机构，有奇异点的存在，不能完成任意姿态的调整。 同时， 进针的动作还需人手动操作， 无法实现主动进针。 在研究了大量相关文献的基础上， 初步设计了一款适用于手术室中经皮穿刺手术使用的，具有操作简单、直观、安全、可靠等特点的机器人模型，并对该模型进行了运动学仿真。 该机器人具有十三个自由度， 其中位置调整机构具有十个自由度，采用笛卡尔坐标系型与关节坐标系型；姿态调整机构具有两个自由度，采用基于等比同向传动RCM机构，进行任意角度姿态调整。同时，设计了一自由度沿直线进针机构进行主动进针，该机构具有快换块，方便消毒，加紧可靠等特点，目前处于创新阶段。以满足穿刺手术操作要求为目标，对机器人进行了外形尺寸优化，对机器人各部件所选用的零件和电机进行了选型和校核。 然后在 UG软件中建立零件模型，将各部分装配，最后在该软件中进行运动仿真，以验证整体结构的可行性。 关键词： 穿刺手术辅助机器人 ， 远端运动中心，主动穿刺 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 IIAbstract In the previous stage design of robot pose the puncture four-bar adopts parallel adjustment, the existence of the singularity, cannot accomplish any attitude adjustment. At the same time, the needle into action need people manual, cannot implement active in stitches. In the study of literature, and on the basis of preliminary design for a suitable operating in the skin biopsy is used, the operation is simple, intuitive, safe and reliable, and the model of the robot kinematics simulation model. The robot has ten three dof, including position adjustment has ten degrees, and joint by cartesian coordinates type system, Attitude adjustment mechanism possesses two degrees of freedom, based on the above form. Transmission RCM At the same time, the design of a needle into freedom along a straight line, which is fast, convenient and reliable to disinfect etc. In order to meet the requirements of operation puncture of the robot, the appearance of the robot size optimization of each component parts and the chosen type and check the motor. Then in UG software, will establish in parts of every part of assembly model, and finally in the software to verify the motion simulation on the feasibility of the whole structure. Key words： puncture operation robot, RCM, active puncture 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 III目 录 第一章 前言 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 研究意义 . 1 1.3 国内外发展现状 . 3 1.3.1 医疗机器人国内外发展现状 . 3 1.3.2 机器人辅助经皮穿刺手术系统 . 4 1.3.3 姿态调整机构和进针机构的发展概况 . 6 1.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题 . 11 1.5 研究步骤、方法 . 11 第二章 穿刺机器人机械系统整体结构设计 . 13 2.1 技术要求 . 13 2.2 设计思路 . 15 2.3 结构设计 . 15 2.3.1 10-DOF 位置调整机构的设计分析 . 15 2.3.2 2-DOF 姿态调整机构的设计分析 . 18 2.3.3 1-DOF 进针机构的设计分析 . 23 2.4 本章小结 . 25 第三章 穿刺机器人各部件的选型与校核 . 26 3.1 精定位三维平动台的选型与校核 . 26 3.2.1 精定位三维平动台电机的选型与校核 . 26 3.2.2 精定位三维平动台丝杠的选型与校核 . 26 3.2 RCM 机构的选型与校核 . 27 3.2.1 RCM 机构电机的选型与校核 . 27 3.2.2 RCM 机构齿轮的选型与校核 . 29 3.2.3 RCM 机构蜗杆和蜗轮的选型与校核 . 32 3.2.4 RCM 机构圆弧齿同步带与圆弧齿同步带轮的选型与校核 . 36 3.3 穿刺进针机构电机的选型与校核 . 37 3.4 本章小结 . 38 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 IV第四章 穿刺机器人三维建模与运动仿真 . 39 4.1 穿刺机器人三维建模 . 39 4.2 穿刺机器人运动仿真 . 41 4.3 本章小结 . 43 第五章 结论与展望 . 44 5.1 结论 . 44 5.2 展望 . 44 第六章 经济分析报告 . 46 6.1 经济效益分析 . 46 6.2 社会效益分析 . 46 参考文献 . 48 致 谢 . 50 声 明 . 51 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 1第一章 前言 1.1 选题背景 全世界每年新增肝癌患者 60 余万人，其中超过一半在我国，目前我国肝癌高危人群已经超过1亿。肝癌患者中可以手术切除的病人只占到临床的百分之二十。作为一种现代的微创肝癌治疗方法， 超声引导肝肿瘤微波消融手术具有一般肝肿瘤切除手术不具备的治疗效果好、 微创、 恢复时间短等优点， 适合于大部分肝癌患者。在超声引导经皮穿刺微波消融治疗肝癌方面， 对直径小于5cm的肿瘤完全坏死率高达95.6%，1、3、5年累计生存率分别为82%、63%和51%1,2。 超声引导下微波消融治疗早期肝癌虽然取得了较满意的临床疗效， 但是该方法仍然存在一定的局限性。第一，医生在二维超声图像引导下进行消融，二维图像提供给医生的视野有限，难以准确了解肿瘤空间位置和形状信息，使得微波天线很难准确放置，容易造成部分癌细胞未死亡或部分正常细胞死亡，从而影响肿瘤消融的治疗效果。第二，目前三维超声导航消融虽有一定的发展，但是由于术前的三维超声图像与手术中患者实体无法在空间上进行迅速准确的配准， 使得术前模拟的三维空间热场模型和规划的手术方案、进针路线在手术中无法得到准确实现。第三，微波天线消融引导支架固定在超声探头上，限制了进针方向6。第四，该技术受操作者的经验影响很大，培养一个能完成该项手术的有经验的超声医师需要 35 年的时间，极大地制约了该项技术的普及和发展。 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，迫切地需要研制基于超声影像导航的肝癌消融机器人系统代替医生的操作，降低医生的负担，提高治疗的精度和效果。 从而找到有效地治疗肝癌的方法并且解决了这个困扰人类很久的问题，也为病人找到了继续生存的一剂良方，给那些患病的人带来了希望，给一个个家庭带来了幸福。 1.2 研究意义 影像引导下的局部热消融技术作为一种微创的肝肿瘤治疗方法， 近几年来在国内外发展迅速，己逐渐成为肝癌非 手术治疗中的一种常用手段3-5。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，穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 2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7。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，这是目前国外尚未解决的最新课题。 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。系统由全主动式定位机器人、 超声图像三维导航系统、 超声探头与电极针位姿传感系统、 术前治疗规划系统、微波电极针自动扶持机器人等五部分组成，如图1-1所示8。 图1-1 肿瘤微波消融手术定位机器人 此系统尚存在如下不足： （1）定位机器人体积庞大，无法适应临床受限的手术空间，不具备临床实用性。 （2）定位机器人只具备微波电极针自动定位功能，而不具备自动穿刺功能。 （3）术前与术中的配准，是通过手工交互式对准肿瘤周边重要血管组织来实现的。操作不方便，耗时长，存在误差，降低了导航系统的精度。 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 3（4）术中时未跟踪肝脏的运动，不能根据肝脏运动实时更新规划数据，存在较大导航误差。 由此可见超声引导下的介入式肿瘤适形热消融 治疗已在临床显示出巨大的应用潜力，而医用机器人系统具有定位精确、操作稳定的优势，两者结合必将提高超声引导肿瘤消融的精确性和稳定性，降低对医生经验的依赖，促进介入式热消融治疗肿瘤技术在临床的规范应用和广泛普及，造福于千千万万肝癌患者。 1.3 国内外发展现状 1.3.1 医疗机器人国内外发展现状 在超声引导介入式肝肿瘤热消融手术方面，美 国约翰霍普金斯大学针对超声引导肝癌射频消融开发了一套双臂机器人 (图1-2 )。 其中一个机器人手臂安装超声探头，另外一个机器人手臂安装穿刺针引导装置 。该系统主要关注于系统的集成，并未在机器人方面进行深入研发，其所用的机器 人皆为商用机器人改装。系统整体架构类似于我们在北京市科委 “超声引导肝肿瘤微波消融治疗机器人系统的开发”项目中开发的定位机器人，也具有体积庞大、临床实用性差的缺点。 图1-2 霍普金斯大学开发的双臂机器人 日本东京大学研究了基于二维实时超声引导的机器人系统(图1-3)。该机器人系统实际上是一个智能穿刺机构。 系统由五自由度的被动机器人和两自由度的主动送针机构组成。工作时，超声探头和穿刺针安装在同一个平面上，因而在实时的二维超声图像中可以同时观察到肿瘤和穿刺针。 系统尝试用图像处理算法自动检测出肿瘤中心和穿刺针针尖，并根据两者的位置自动动态调整穿刺针的穿刺路径。系统穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 4的目标是让穿刺针针尖自动追踪肿瘤中心。基于图像处理算法的局限性，该系统目前停留在模型 (phantom)实验阶段。 从上述资料上看，医疗机器人系统的研究主要集中在西方发达国家。我国人口众多，正在逐步成为一个医疗器械的生产大国和使用大国。然而，我国目前现代医疗的整体水平和高新技术的医疗器械研究与开发还十分落后。 随着我国社会文明和科学技术的进步，人民生活水平的提高，人们对疾病的诊断、治疗、预防以及卫生健康也提出了越来越高的要求。基于上述原因，本课题将从超声引导经皮局部微波消融治疗肝肿瘤的临床需求出发， 研发超声引导下肝肿瘤介入式热消融自动穿刺机器人系统的姿态调整和进针机构。 图1-3 东京大学开发的智能穿刺机构 1.3.2 机器人辅助经皮穿刺手术系统 图 1-4 所示为基于超声影像导航的肝癌消融机器人系统原理图。患者腹部肝脏病变部位经过 FreeHand（自由手臂扫描）三维超声成像 系统扫描后输入到计算机中的手术规划软件，医生借助手术规划软件完成病灶及周边重要血管的三维重建，建立术前三维模型坐标系、设定靶点、规划路径、模拟热场。手术时，由于术前和术中两个阶段患者在发射器中的位置会发生变化， 因此需要通过肝脏血管的术前和术中脊线模型配准， 将术前的模型映射到患者实体上使得术前的模型与病人实体一一对应。最后，再将术前的模型映射到机器人坐标系中，同时将三维模型中设定的靶点和穿刺路径等手术规划信息映射到机器人坐标系中， 作为机器人位置和姿态的目标值，控制机器人运动，机器人运动完成后，末端执行器上的导向装置可辅助医生对患者病灶进行定位，对手术器械进行导引，完成一系列的手术操作。术后，再次扫描患者图像，评价手术效果。根据该原理，不难发现基于超声影像导航的肝癌穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 5消融机器人系统主要由手术规划软件、定位装置、超声仪、机器人及控制器组成。 根据上述原理，典型的机器人辅助肝癌消融外科手术流程9如下： （1） 手术前， 医生通过 FreeHand 三维超声成像系统， 得到患者肝脏病变组织、肝脏血管的超声医学图像及其位姿信息。 (2)把超声医学图像及其位姿信息输入到手术规划软件，该软件首先将非规则的超声医学图像重建成标准的断层图像。 然后医生借助手术规划软件完成病灶区域轮廓的勾勒，再由手术规划软件重建出病灶区域的三维模型。在此基础上，医生进行靶点设定、路径规划、热场模拟等手术规划。 LAN（局域网）超声探头穿刺机器人机器人控制影像处理超声仪磁定位仪微波电极针图1-4 系统原理图 (3)手术时，医生通过 FreeHand 三维超声成像系统，得到患者术中肝脏血管的超声医学图像信息。在此基础上，通过提取术前、术中血管的脊线模型完成术中患者实体和术前的三维模型的空间映射， 从而获得术前三维模型坐标系到机器人坐标系的映射。 (4)医生在手术导航软件中所做的手术规划将被映射到机器人坐标系，该信息被用来控制机器人运动，使消融针按照预定的路线到达患者体内的病灶点。在此过程中， 获取实时的 B 型超声图像以监控手术过程， 防止消融针偏离预先指定的路径。 (5)消融针到达指定靶点后，医生对患者体内的病灶进行一系列的处理。 (6)手术后，医生通过 FreeHand 三维超声成像系统，得到患者肝脏组织超声医学图像通过计算机辅助分析判断手术效果。 上述过程构成了一个典型的手术流程，如图1-5所示。 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 6由于上述操作流程相对复杂，医生可以根据实际情况进行简易流程的操作，简易流程可以忽略手术前的详细规划过程，在手术过程中，医生通过 FreeHand 三维超声成像系统直接重建出患者的肿瘤信息，并且简易地规划，然后将该信息映射到机器人空间后按照(4)(5)(6 )操作。简易流程避免了术前模型和术中模型的配准，但是由于手术过程的时间有限，简易流程不能做详细的规划，如热场模拟等。 1.3.3 姿态调整机构和进针机构的发展概况 1姿态调整机构的发展概况 图1-5 系统工作流程 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 MRI 信息与 CT 术前图像相结合。系统中包括摄像机与 LED 提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 1-6 所示。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 结构和由丙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，穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 7神经及小面障碍，分流通道防止，手术精度高于徒手操作。 图1-6 安装在 CT 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1-7所示12。使用全程使用超生扫描成像，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2.54 mm，穿刺准确度100%。 University of Western 的小动物经皮穿刺手术6- DOF 机器人虽然是针对小白鼠的医疗系统，但是系统结构完整，机器人具有6自由度，机械型 RCM 结构，如图1-8 所示。由于采用的是机械型 RCM，系统的校准是一个相对复杂的过程。该系统试验精度小于120m。 2进针机构的发展概况 进针执行器功能主要是将穿刺针推进到病灶点，在姿态正确的情况下，单自由度机构就可以满足功能要求。 受针体方向与姿态调整机构主体处于垂直位置关系的限制，电机轴线方向和所需的运动方向垂直，可选的机构主要是带导轨的拉线式结构，小锥齿轮组变向结构和偏心摩擦轮式结构。 偏心摩擦轮推进器以螺纹预紧产生压力，利用摩擦力推进穿刺针。偏心轮摩擦轮在调节预紧力的时候具有凸轮效果， 安装时利用配做的预紧螺母使偏心轮的外表面挤压穿刺针产生预紧力。穿刺针推进时带动从动轮运动，根据设定的旋转方向，穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 8进针时预紧力轻微变大， 退针时预紧力轻微减小， 从而不会产生穿刺针松动的情况。偏心摩擦轮式结构的主动进针机构如图1-9所示10。 图 1-7 John Hopkins University 的经皮肝脏穿刺 6-DOF 机器人系统和机器人 穿刺针以机构后面的滑轮来进行与其他机构的连接与过渡。 这种结构的进针机 构，结构并不复杂，容易制造，操作不是很复杂。不过，带导轨的拉线式结构的导轨长度需覆盖进针行程，进针行程 120mm 情况下导轨长度至少为 180mm。这样的体积对临床外科手术的进行有着一定的影响， 依附于导轨上的上的电极针可能由于导轨的存在而使 RCM 系统定位不精确致使手术的失败，而且过于大的机构给医生的操作带来了一定的不便，安全方面也很难保证。所以这种进针机构并不适合应用在临床医学这一领域中。带导轨的拉线式结构的主动进针机构如图1-10所示。 图1-8 University of Western 的机器人模型 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 9图1-9 偏心摩擦轮式结构的主动进针机构 图1-10 带导轨的拉线式结构的主动进针机构 设计快换块，借助连接轴使推进器插入姿态调整机构后以大螺母锁紧，使穿刺针部分可以单独消毒。这样的摩擦推进器行程不受限制，行程可视为整个穿刺针长度。 整个机器人系统包括 Motoman 机器人，扎针机构以及计算机。系统操作流程为：首先通过超声仪器，获得前列腺组织的超声图像数据，输入到计算机系统 再经过软件的专家模块计算生成靶点的位置数据， 对机器人和活检针穿刺最佳路径进行规划；最后按照生成的路径进给，机器人到达扎针点后，扎针机构实施活检针的进给，完成活组织检测。其中 Motoman 机器人具有六个自由度，可以实现完成扎针的任意姿态；扎针机构具有一个自由度，用来实现活检针的进给，如图 1-11所穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 10示。 图1-11 扎针机构以及控制装置 依靠摩擦进行传动的主动进针机构（如图1-12所示，如图1-13所示）11。 壳体微波电极针传动装置图 1-12 主动穿刺装置 图1-13 主动穿刺装置传动原理 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 111.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题 本课题研究的主要目标是穿刺机器人姿态调整与进针机构设计。 该机器人用于超声引导下肿瘤的消融治疗。 进针机构的设计要求满足穿刺机器人的微波消融器电极针能够以任意姿态进行进针，然后进行自主进针，无需人员的操作，减小医生的劳动强度，保证手术的精度，为患者减轻痛苦。 (1)穿刺角度的调整过程分析如下：徒手操作的优势是灵活、安全，理论上可调整为任意角度，缺点是需要操作者在头脑中将图像、患者实体及穿刺针的三维空间关系重建出来， 因此对操作者要求较高， 且对经验依赖性大， 角度精确估计困难。机器人操作可以依据三维图像计划空间路径，实现全数字化自动调整，更加精确，通过机械结构设计可以实现位置与姿态解偶，即角度调整时穿刺点不变。缺点是需要特殊设计，否则穿刺角度有一定限制。 (2)穿刺进针过程的分析如下：徒手操作的优势是有力反馈，操作灵活安全性高。缺点是精细运动不精确。机器人进针优势是精细运动精确，缺点是反馈差，灵活性低。如需要则移开引导装置：机器人自动操作控制复杂，安全性保障困难，而徒手操作安全、灵活。 拟解决的主要问题： （ 1）在机构设计上参考国外霍普金斯大学的成功经验并结合国内医疗实际，采用床跨式三维平动台多自由度被动臂圆弧形同步齿形带式 RCM 的结构，可以大大缩小机器人本体的体积，达到小型化的目的；同时由于采用了被动臂，不光减少了手臂本体占用的空间，而且可实现机器人拖拽定位后再锁紧，从而减小了操作难度。 （ 2）采用 1-DOF 主动进行结构，实现主动进针，保证手术的准确度。 （ 3）进行三维建模和运动仿真，以检验设计的可操作性。 1.5 研究步骤、方法 通过了解和学习国内外的超声引导下肝肿瘤介 入式热消融自动穿刺机器人技术，进行穿刺机器人的姿态调整和进针机构的设计研究，其主要研究内容为： (1)姿态调整机构的设计； (2)进针机构的设计； 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 12(3)整体模型的装配； (4)整体结构的运动学模拟。 本课题研究步骤流程如图1-14所示。 图 1-14 研究步骤流程图 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 13第二章 穿刺机器人机械系统整体结构设计 2.1 技术要求 由于病人体形和尺寸有差异， 医生进行穿刺时要控制引导装置的空间位置和姿态。由此可确定机器人操作的工作空间，如图2-1所示。图中坐标原点为引导装置末端点（对应肝区中心对应表皮上的点） ， X 方向表示病人宽度方向， Y 方向表示病人长度方向， Z 表示病人侧躺高度方向。机器人操作空间尺寸说明如下： a 操作空间沿病人体宽方向的尺寸，150 mm (12aa a= + )； 1a 操作空间沿病人体宽方向，位于引导装置末端点左侧的尺寸，50 mm； 2a 操作空间沿病人体宽方向，位于引导装置末端点右侧的尺寸，100 mm； b 操作空间沿病人身长方向的尺寸，125 mm； c操作空间沿垂直于床面方向的尺寸，250 mm； 引导装置相对于 Z 轴的最大倾斜角，45。 acbOYXZ引导装置a1a2图2-1 机器人工作空间参数示意 穿刺机器人载体部分的尺寸设计目的是为了保 证能够将机器人的灵活空间送到所需的操作空间。机器人精细定位范围，即自初始零位开始，穿刺针在40 mm 立穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 14方间内可以以40内任意角度推进 到病灶。可知机器人灵活空间为 200 mm50mm50 mm。 手术台一般高度为 900 mm，宽度为 550 mm，人体高度设计为 2000 mm，高度差别为100 mm，腹腔长为 400 mm，即需要工作空间为 2000550400 mm3，根据需要设计机器人基本高度为 500 mm，工作空间覆盖到手术床上的效果如图 2-2所示。 图 2-2 机器人灵活空间示意 穿刺机器人整体结构设计的主要任务是在有人的监控下进行手术， 使穿刺针能够准确到达病患部位，能够以任意姿态进针，最后针能够进行自主穿刺，以达到杀死有害组织目标，以及机器人的灵活空间，就以上要求穿刺机器人应符合以下几个条件： （1）体积小，能够满足实际手术空间狭小的要求，以便有很好的适应性，此外，由于手术要在手术台上进行，如果机器人太大，会影响在场监控的医疗人员的视线。 （ 2）可操作性，机器人是替代医疗人员进行手术，所以必须要操作十分灵活，能够完全代替医生，而且要易于操作。 （ 3）动作精确，能够进行任意角度的穿刺，手术是一项对精确性要求很高的活动，若动作不精确，则会影响手术的效果，甚至危及病人的生命，所以十分重要。 综合以上几点对设计医疗穿刺机器人提出了更高的要求。 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 152.2 设计思路 本课题研究的机器人是超声引导下肝肿瘤介入式热消融自动穿刺机器人系统的一部分， 也是该系统的核心部分。 在穿刺手术中， 机器人要辅助医生完成穿刺操作，在这过程中穿刺针完成了三个阶段的运动： （ 1） 移动穿刺末端到皮肤表面的穿刺点；（ 2）穿刺针绕在皮肤上的穿刺点进行二维度姿态调整； （ 3）根据图像进行穿刺进针。基于以上三个阶段，可设计相应的机械结构分开来执行不同的运动，这样就可以保证在穿刺过程安全可行，使手术对病人组织伤害达到最小。 主动机器人的缺点有以下几点： （1） 总体结构较大，不能适应实际手术环境； （2）不能实现快速定位，整体机构的运行时间较长，无法适用于实际的手术治疗中。若手术中出现紧急情况不能迅速移动，可能对病人带来一定伤害。 基于以上几点的考虑和参考国外霍普金斯大学 的成功经验并结合国内医疗实际，在本次设计中采用主动加被动串联组合的机器人机构。使用被动机构进行粗定位，即使用多关节机械臂快速定位锁紧装置进行粗定位，以减少实际手术时间；使用床跨式三维平动台进行准确调整，使入针点 与实际手术的靶点重合；使用 RCM机构进行姿态上的调整，使穿刺针以合理的角度穿刺，绕过主要的器官和血管；使用主动进针机构进行主动穿刺，使穿刺针到达病灶位置。 2.3 结构设计 针对设计思路中分析的三个运动阶段， 分别设计了三个相应的机械结构来完成该运动：10- DOF 位置调整机构；2- DOF 姿态调整机构；1- DOF 进针机构。下面就这三个机构的设计进行分析。 2.3.1 10-DOF 位置调整机构的设计分析 将穿刺针移动到预先测定的穿刺点可分为两个过程：粗定位；精定位。在介入穿刺手术中，10- DOF 位置调整机构的作用是将穿刺针的末端点放在手术区域内的任意点。从手术需求角度考虑，位置调整机构的运动应直观，控制简单以保证医生操作的方便和机构运行的可靠；同时，10- DOF 位置调整机构也应具有较高的精度，较小的体积，以满足手术实际的需要。 从手术需求角度考虑，位置调整机构的运动应直观，控制简单以保证医生操作穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 16的方便和机构运行的可靠；同时，3- DOF 位置调整机构也应具有高的精度，足够的工作空间。位置调整机构结构主要有直角坐标、圆柱坐标、关节坐标和极坐标等几种形式。下面对各种3- DOF 位置调整机构形式进行分析13： (1)直角坐标型 (3P)：运动是解耦的，运动直观性好，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间最大，如图2-3所示。 (2)圆柱坐标型 (R2P)：运动耦合性较弱，运动直观性较好，控制较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，如图2-4所示。 图2-3 3P 型位置调整机 图2-4 R2P 型位置调整机构 (3)圆柱坐标型（极坐标型型） (2RP)：运动耦合性较强，运动直观性较差，控制也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小如图2-5所示。 (4)关节坐标型 (3R)：运动耦合性强，运动直观性差，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小如图2-6所示。 耦合是指两个或两个以上的体系或两 种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。解耦就是用 数学方法将两种运动分离开来处理问题，常用解耦方法就是忽略或简化对所 研究问题影响较小的一种运动，只分析主要的运动。 就目前的研究来看，穿刺类医疗机器人的位置调整机构基本分为两大类，一类使用关节坐标系型机构，另一类使用笛卡尔坐标系型机构，即直角坐标系型机构。关节坐标系型机构的突出优点是占据空间小，为了发挥这一优点，应用时，关节部位一般不使用电机驱动，比如 Georgetown University 研制的机器人。笛卡尔坐标穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 17系机构的优点是控制简单，操作直观 ，一般使用电机驱动，比如 John Hopkins University 研制的经皮肝脏穿刺手术机器人，这类机器人适合需要多次定位的腹腔类手术，如囊肿等。本课题的粗定位采用的是关节坐标型结构，精定位采用的是笛卡尔坐标系结构。 图2-5 2RP型位置调整机构 图2-6 3R 型位置调整机构 同时，笛卡尔坐标系型机构加工难度低，精度高，直观性好，经过分析之后决定采用直角坐标型位置调整机构。 直角坐标型位置调整机构可以通过搭建可购订的带驱动电机的直线单元系统的方法制作，直线单元外表面密封，内部为滚珠丝杠结构，步进电机驱动，承重能力强，体积相对小。 综上，设计的外型如图2-7、图2-8、图2-9所示。 图 2-7 6- DOF 位置调整机构 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 18图 2-8 3- DOF 粗定位被动臂 图2-9 3-DOF 精定位平动台 2.3.2 2-DOF 姿态调整机构的设计分析 微创外科手术中， 内窥镜或其他手术工具通过套管针插入病人皮肤上的小切口到达病患位置，由于切口的限制，套管针需要绕着插入点进行转动或移动，这是微创外科手术的一个固有特征。 所以辅助这类手术的机器人一般都可以为手术工具提供一个相对固定的插入点。远程运动中心 (Remote center of motion， RCM)机构就是一种利用少自由度机构实现固定虚拟转动中心的方法， RCM机构作为机器人的腕部结构可以使末端执行器绕空间内的某个固定点做旋转运动， 而且该虚拟固定点在机构远端。 这种机构结构简单、 控制方便、 成本低， 可以提高手术的安全性。 TAYLOR等首次将 RCM概念应用于腹腔镜手术辅助机器人，并针对不同的应用背景开发出了多种 RCM机构，包括 MINI-RCM、 PAKY以及“稳手”机器人等。 KIM等设计一种6自由度 RCM操作手可以与核磁共振设备兼容进行微创手术。现在已经商业化的穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 19Da Vinci手术机器人的末端操作装置使用了 RCM机构。 从事微创外科手术机器人的操作手也采用了 RCM机构。 FARAZ等对 RCM机构进行了初步的型综合，并对基于平行四杆的 RCM机构进行了一些综合研究，但对其型综合不够详细，尺寸综合也较为初步，并且由于对称性的引入简化了分析，使之不具有普遍性。 一维远程运动中心机构的型综合是研究多自由 度远程运动中心机构构型的基础。现有的远程运动中心机构的形式有限，需要一种有效的方法构造出新的远程运动中心机构。对现有一维远程运动中心机构形式进行分类综合，给出了现有一维远程运动中心机构的五种类型：基于单个转动副、平面弧形滑轨、平行四杆、等比同向传动以及其他非严格意义上的远程运动中心机构。 通过引入涵盖范围更广的平面虚拟中心机构， 提出一种将两个虚拟中心机构组合构造新型一维并联型远程运动中心机构的型综合方法。这种方法也适用于混联型远程运动中心机构的构型综合17。 如果构件的一端连接转动副，则此构件上转动副轴线外的点都绕该轴线转动。此时若将 RCM取在转动副轴线远端的任 意一点处，则可构成一维 RCM机构。这是一类最简单的一维 RCM机构，同时也是构造二维 RCM机构最基本的元机构。图2-10a为这类机构的简图。图2-10b所示的 RCM机构由多个转动副构成。 图 2-10 单个转动副的 RCM 机构 有些 RCM机构采用弧形滑轨(图2-11a为这类机构简图)，如 GUERROUAD 等研制的用于眼科手术的机器人(图2-11b )。这种形式结构简单，但中心固定、运动范围有限、占用空间较大、导杆加工精度需求高，而且较难解决驱动问题。 目前应用的 RCM机构中另一种最常见的是基于平行四杆的构型。图 2-12a 为平行四杆 RCM机构的基本构型，机构中 BCDE 回路有冗余约束，通过去除不同的约束，可以衍生出其他几种结构形式(图2-12b2-12f)。其中图2-12c2-12e中所穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 20示的构型由于易于加工而被经常采用。 基于平行四杆的RCM机构具有运动范围较大、结构简单、驱动可放置在基座处等优点。此外，还可通过连杆的弯折变形灵活安排RCM的位置以适应不同的应用要求。缺点在于由于杆件之间的干涉以及平行四杆存在奇异位型， 其运动范围受到限制； 另外， 由于铰链数目多造成机构刚度较差18。 图2-11 平面弧形滑轨型 RCM 机构 一般用于微创手术辅助机器人的 RCM机构应满足以下几个条件。 (1)具有3 自由度，即绕插入点的2个转动和1个移动。绕手术工具轴线的转动和移动可通过在二维转动 RCM机构末端串联转动副和移动副实现。 (2)工作空间应保证手术工具可到达所需位置。 (3)在较少占用手术空间的同时还能避开病人身体其他部位，并减小对医生进行手术的干扰。 (4)系统刚度应保证在自身和手术 工具重力以及外力的作用下不能有明显的变形，否则会危及病人的安全。 图 2-12 基于平行四杆 RCM 机构 穿刺机器人姿态调整与进针机构设计 21用于精确调整穿刺路径(角度)，具有两个自由度( Rx， Ry)，由直流伺服电机驱动。 RCM 机构是一类具有特殊功用的新型少自由度机器人机构，可以使机构末端执行器绕其上某固定点做旋转运动，而且该虚拟固定点在机构远端。通过使用远程运动中心机构可以将位置与姿态解耦，在调 节姿态(穿刺路径)时保持穿刺点不动。穿刺引导槽固定于远程运动中心机构上，末端位于机构的远程运动中心（如图2-13所示）14。 图 2-13 机器人示意图 RCM（ Remote Center-of-Motion）固定的远端运动中心理念