毕业论文-医学机器人机械系统设计与仿真

医学机器人机械系统设计与仿真摘要医学机器人研究已成为机器人领域研发的一个热点。在研究了大量相关文献基础上，对用于穿刺手术的医学机器人系统进行了深入研究。针对医学机器人用于穿刺手术的要求和临床应用，提出了一种由位置调整机构，姿态调整机构和穿刺机械手组成的医学机器人系统。重点研究了穿刺机械手，提出摩擦盘式穿刺针推进机构，进行了运动学分析和能效分析。对医学机器人系统应用坐标转换方法建立运动学模型，针对实际应用分析了其运动学正反解，得出在机器人各运动参数已知时，穿刺机械手在参考坐标系中的相应位置和姿态，并在此基础上进行了速度和加速度分析；在已知穿刺机械手位置和姿态时，可求出各运动参数。利用UG建立医学机器人同构模型进行运动学仿真分析。医学机器人的三自由度机器人平台各向进给量和被动臂各关节转角给定时，对穿刺进针机构的位置和姿态进行仿真分析，得到其位置和姿态。对穿刺针推进机构建立运动学模型进行运动学仿真，穿刺针匀速进给，机构处于平衡状态。关键词：医学机器人，穿刺手术，计算机仿真，运动学分析I医学机器人机械系统设计与仿真AbstractTheresearchofmedicalrobotsystemhasbecomeahotfieldofroboticsresearchanddevelopment.Afterstudyingagreatdealofrelevantliteraturesonthebasisofthisarticleforsurgicalpunctureofthemedicalrobotsystem,in-depthresearchonseveralissueshasbeencarriedout.Anewmedicalrobotsystemforpercutaneoussurgeryanditsclinicalapplicationareintroduced,whichincludingmachinesforpositionandattitudeadjustmentandpuncturemanipulator.Thefocusedresearchissetonthepuncturemanipulator.Africtiondiscdevicefortheneedleinsertionisintroduced.Analysisofkinematicandenergyefficiencyarecarriedout.Kinematicsanalysisoftherobotismadeoutwiththematrixandthree-dimensionalcoordinatetransformation.Itanalysestheneedleinsertiondeviceinthepositionandattitudewhentheparametersofrobotisknown.Furthermore,itanalysesallthemotionparameterswhenweknowthepositionandattitudeofthepuncturemanipulator.Thethree-dimensionaldesignandkinematicssimulationandanalysisarecarriedoutwithUG3-Dsimulationsoftware.Thesimulationanalysistotheinsertiondeviceinthepositionandattitudearecarriedoutwhenthedisplacementof3-DOFroboticplatformandjointangleofthepassivearmaregiveout.Thekinematicmodeloftheinsertiondevicewasestablished.Andthesimulationanalysisarecarriedout.Theneedleinsertswithaconstantvelocity,andtheinsertiondeviceisinbalance.Keywords:medicalrobot,percutaneousinsertionsurgery，computersimulation,kinematicsanalysisII医学机器人机械系统设计与仿真目录第一章前言.11.1研究的目的和意义.11.2医学机器人系统国内外发展概况.31.2.1医学机器人技术.31.2.2用于穿刺手术的医学机器人.41.3设计思路和设计内容.61.3.1结构设计.71.3.2运动学分析.71.3.3运动学仿真.7第二章医学机器人机械系统结构设计.82.1设计思路.82.2结构设计.82.2.1位置调整机构.92.2.2穿刺针姿态调整机构.122.2.3穿刺机械手.142.3小结.15第三章医学机器人穿刺机械手.163.1机械手穿刺针推进机构原理.163.1.1运动学分析.163.1.2能效分析.183.2穿刺机械手设计.203.2.1结构设计.203.2.2穿刺机械手设计分析.21第四章医学机器人运动学分析.244.1机器人运动学概述.244.2机器人位置和姿态的表示.244.2.1位置描述.254.2.2方位的描述.254.3医学机器人运动学正问题分析.264.3.1坐标转换的矩阵关系式.274.3.2坐标系的确立.284.3.3穿刺机械手的位置和姿态分析.304.3.4穿刺机械手速度分析.324.3.5穿刺机械手加速度分析.354.4医学机器人运动学逆问题分析.374.4.1余弦矩阵性质.384.4.2坐标逆变换矩阵.384.4.3穿刺机械手运动学逆问题分析.38第五章医学机器人运动学仿真.41III医学机器人机械系统设计与仿真5.1医学机器人三维建模.415.1.1位置调整机构建模.425.1.2穿刺针姿态调整机构建模.435.1.3穿刺机械手建模.445.2医学机器人位置调整机构运动学仿真.465.3医学机器人穿刺针推进机构仿真分析.475.3.1运动分析方案的创建.475.3.2仿真过程.495.4穿刺针强度及稳定性仿真分析.535.5结论.59第六章经济分析.606.1市场分析.606.2研究目的.606.3经济性评估.60第七章结论与展望.617.1结论.617.2展望.61参考文献.62致谢.63声明.64IV医学机器人机械系统设计与仿真第一章前言1.1研究的目的和意义随着社会的进步和生活水平的不断提高，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防以及卫生健康给予越来越多的关注。医疗器械产业的发展相当迅速,医疗器械和装备行业市场份额增幅惊人。在全球经济衰退时期，医疗器械产品行情依然看好。上世纪90年代中期，美国整个经济增长率基本为零，而医疗器械工业却增长67%；在西欧整个经济增长形势也举步艰难时，欧共体的医疗器械工业增长率却在3%以上；日本经济增长率为3.5%，而医疗器械工业增长率达到8%。现代医疗器械和装备行业是当今全球发展最快、市场需求和交易最活跃的行业之一。人们尝试将传统医疗器械与计算机、微电子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机结合，以提高医疗诊断的准确性和治疗的质量1。在这种情况下，高速发展的医学成像技术、图像处理技术以及机器人技术等逐渐应用于医学领域，并形成了一个新的研究及临床应用热点：医学机器人及计算机辅助外科手术。医学导航机械臂系统即属于医学机器人范畴。机器人技术、计算机技术、成像技术及图像处理技术与外科手术相结合，产生了一个崭新的研究领域医学机器人与计算机辅助外科手术(medicalrobotics&computer-assistedsurgeryMRCAS)。它综合了当今医学领域的先进设备：计算机断层扫描(CT)，磁共振成象(MRI)，正电子发射断层扫描(positronemissiontomographyPET)，数字血管减影(DSA)，超声成像(US)以及医学机器人(medicalrobotMR)。它旨在利用CT/MRI/PET/DSA等的图像信息并结合立体定位系统(stereotacticlocalizationsystem)对人体解剖结构进行显示和定位，在外科医生手术中利用医学机器人和计算机进行手术干预2。医疗机器人在医疗服务领域的应用范围是很广的。医疗机器人技术更是各国竞相研究的对象。医疗机器人就执行的任务来看，可以分为三种类型：一是临床的医疗任务，包括诊断和治疗；二是在医院中的服务性任务，包括在医院中运送物品和病人等；三是康复保健任务，主要是为残疾人和老年人服务，以使他们恢复工作能力和获得独立生活能力2。本文所谈到的属于第一类医疗机器人。手术中，为了尽可能达到创伤小，感染机会少，恢复时间短的目的，在手术领域正在发生着一场以达到微创和无创伤为目的的革命。在此背景下，介入医学快步发展，它是指在医学影像设备的引导下，利用穿刺针，导管，导丝，球囊，支架等一些特殊的器械，对病变位置直接实施“靶性”治疗的方法，是一种重要的微创外科1医学机器人机械系统设计与仿真手术，也是二十一世纪最具发展前景的临床学科。然而，作为一种新型的手术技术，介入手术也存在着不足。首先，从手术开展的前提讲，介入手术是在图像设备引导下完成的，介入的规划和实际操作都需要临床经验丰富的优秀医师完成，优秀的医师永远是有限的，从而限制了介入手术的普及性；再者，从操作上讲，再优秀的医师也不能避免人手的抖动，另一方面，在介入过程中，器械的常常因各种原因不可避免的偏离规划的轨迹，医师必须在图像监视设备的实时检测下通过重复“advanceandcheck”过程将器械末端送至靶点。整个操作过程对周围健康组织或器官造成不必要的创伤，很大程度上影响了手术的效果。其次，对医师而言，手术中，放射线也对医师产生了伤害，影响了医生的心理和生理状态，增加医生对这项工作的恐惧感，对介入治疗的发展产生了阻碍。种种这些灰暗了介入手术理论本应四射的光芒2。为克服这种种缺点，使用机器人辅助介入手术成为较好的选择。使用机器人可以辅助主治医师直接操作，将术者从射线中解救出来，同时使手术选位准确、动作精细、避免病人感染。充分发挥了介入手术的优点。使用机器人技术辅助操作外科手术，特别是微创手术（MinimallyInvasiveSurgery）的可行性已经被越来越多的人认证。其中用于经皮穿刺手术（PercutaneousInsertionSurgery）的医疗机器人系统是MIS技术中较为典型的一种，手术在图像设备的引导下，使用穿刺针等仪器定位并经皮肤进行治疗或检测。二十世纪九十年代起经皮穿刺手术辅助机器人和机构渐渐诞生并迅速发展，如今很多研究机构已经成功的推出应用于不同病症的机器人辅助穿刺手术系统，并通过临床实验验证了系统性能3。医学机器人与计算机辅助外科手术的整个系统组成中，外科医生起主导作用，医学机器人、计算机辅助外科手术主处理系统、立体定位系统、成像设备CT、MR、PET、DSA、US等都是为外科医生提供信息和辅助。医学机器人在外科手术中具有两个重要的作用，一是用来进行立体定位，二是进行手术干预。成像设备用来提供人体组织器官的解剖结构信息和功能信息。立体定位系统用来对人体组织器官、机器人和手术器械进行定位。而针对专门用于经皮穿刺手术的机器人系统,其基本构成单元有:（1）成像设备（US，CT或MRI等）；（2）位置跟踪设备；（3）传感器；（4）医疗工作站（PC机）；（5）机器人。系统主要完成三大功能：（1）数据获取及建模。包括多模图像数据CT、MR、PET、DSA、US的获取，定位参考坐标系统的定义，数学模型的建立及医学机器人的校正。（2）术前(preoperative)处理。包括多模图像的配准(registration)，如CT、MR、PET、DSA、US等的配准，组织器官的三维显示，手术方案和手术路径的制定，术前2医学机器人机械系统设计与仿真手术模型等。（3）术中(intraeoperative)处理。包括术中数据获取，如多模图像数据、机器人参数、定位系统的定位坐标、组织器官的位置等；组织器官、机器人、手术器械的术中显示；术中配准及定位，包括多模图像配准，图像与定位系统手术器械和机器人的配准；术中导航，主要是引导手术的进行；机器人控制，主要是指令机器人按一定的要求进行手术干预3。计算机辅助外科手术系统应用于先进医学工程的研究，特别是应用于微创伤外科手术机器人的研制，已成为当代高新技术研究开发的一个热点，它对于提高外科手术质量、减少手术创伤、减轻患者痛苦、缩短康复周期、降低医疗社会成本都具有重要的价值；对于改变传统医疗外科的许多概念，发展先进医疗工程以及高技术医疗电子仪器和设备，改变未来世纪医疗面貌具有很大的意义；而且对于开拓机器人新的应用领域，推动信息、微电子、生物医药、机电一体化相关高技术及产业的发展有积极的推动作用，具有很大的社会效益和经济效益。1.2医学机器人系统国内外发展概况1.2.1医学机器人技术从20世纪80年代中后期开始，美国、法国、德国、意大利、日本等许多先进国家都十分重视开展计算机与机器人辅助医疗外科方面的研究，并专门立项投资，积极研究与开发高新技术的医疗器械，并将研究成果迅速转化为产品，形成新的产业，其发展速度远远超过一般工业。根据联合国欧洲经济委员会(ECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，1998年底医学外科机器人的装备数量为800台，2002年的装备数量达到7000台，它是机器人应用发展增长最快的领域。另一方面，中国正在成为世界最大的医疗仪器设备市场。近年来，我国医疗器械产业以年均15%-20%速度增长，预计到2005年市场规模将达到860亿元左右。但是与国际发达国家相比，大量进口制约了民族医疗器械产业发展，我国医疗器械在世界市场中的份额依然很低，仍有很大增长空间4。而我们国内的实际情况是，由于缺乏医务工作人员和科学工程技术人员相互之间的交流与合作，医疗电子设备长期处于依赖进口的地位，花费了大量的外汇，许多先进的设备也没有得到很好的开发，利用和维护，从而造成我国的医疗水平始终处在落后-引进-再落后的被动状态，并失去了这方面的广阔而潜在的市场。总之，目前在国外许多医学机器人方面技术已经相当成熟。国内关于医学机器人系统方面的研究主要集中在医疗图像的处理与识别方面。对于影像导航系统的相关研究还刚刚起步。目前只有北京航空航天大学和深圳安科公司分别研制了3医学机器人机械系统设计与仿真利用机械臂和光学定位的医学机器人系统。我国政府有关部门已经开始关注计算机辅助外科手术与机器人系统的研究与开发，虽然起步较晚，但在一些基础性和关键性研究（如影像引导手术、医学机器人结构、传感器技术等）方面已取得很大进展，将对我国医疗器械行业的发展起到推动作用。1.2.2用于穿刺手术的医学机器人微创外科手术(MIS)技术兴起于20世纪80年代，一般也称为介入式手术。它借助于各种视觉图像设备和先进灵巧的手术器械装备，将手术器械经过小切口进入人体进行治疗或诊断。与传统开放性手术相比，微创手术具有创伤小，可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于提高手术质量和降低医疗社会成本等诸多优点。因此，受到医生和患者的普遍欢迎，是外科手术发展的必然趋势。用于穿刺手术的医学机器人系统属于MIS的范畴。机器人辅助穿刺手术中，机器人要辅助医生完成穿刺的操作，穿刺针的穿刺过程包含三个任务阶段：（1）选择穿刺点，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，穿刺针绕在皮肤上的穿刺针进入点三维度旋转；（3）延直线轨迹穿刺，直到针末端到达目标点。对于机器人而言，这三项任务可以分成不同的机械运动执行，一方面可以保证穿刺过程中针体方向不会突然变动，另一方面使手术对病人组织伤害达到最小。医学手术机器人的特点是安全，准确，直观，运动速度较慢。在穿刺手术辅助机器人机械结构设计过程中，实现选择穿刺路径的任务是重点和难点。被称为固定的远端运动中心的RCM（RemoteCenter-of-Motion）机构理念经常被用以完成该任务。RCM理念于1995年被RussellH.Taylor等人提出，他们设计的机构在机械结构上使两个机构旋转基点与穿刺针末端重合，起初用于夹持内窥镜，后来应用到经皮穿刺手术机器人的设计中5。机械式RCM原理，利用杆件组合使旋转基点恰好位于穿刺进针点，实现针体空间内绕该点姿态调整。这种机构能够从机械上保证末端位置不变，安全性好，但是安装过程中和手术前需要校正位置，对于手术室实际使用来说相对复杂。RCM并不只有机械式一种，另一种做法是补偿式RCM。比如JohnHopkinsUniversity研制的经皮肝脏穿刺6-DOF机器人，该机器人的采用的就是一种补偿式RCMVRCM(VirtualRCM）。这种机构采用普通的关节式，末端位置的变化由其他机构进行补偿。这种做法节省了校正环节，操作简单，更容易实际应用到医疗环境中，但是控制算法相对复杂，安全性不及机械型RCM。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4医学机器人机械系统设计与仿真GeorgetownUniversity研制的经皮脊椎穿刺11-DOF机器人，美国JohnHopkinsUniversity研制的经皮肝脏穿刺6-DOF机器人，新加坡NanyangTechnologicalUniversity研制的经皮肾脏穿刺9-DOF机器人，加拿大UniversityofWestern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WashingtonUniversity研制的MRI实时引导的7-DOF机器人等。GeorgetownUniversity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，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-DOFRCM结构和由丙烯酸塑料制成的穿刺针推进器6。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1-1JohnHopkinsUniversity的肝脏穿刺6-DOF机器人系统JohnHopkinsUniversity的肝脏穿刺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，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）7。机器人经过临床实验验证，手术精5医学机器人机械系统设计与仿真度为2.54mm，穿刺准确度100%。NanyangTechnologicalUniversity的经皮肾脏穿刺9-DOF机器人使用超声检测，超声探头安装在机器人上，所以省去了位置跟踪环节，超声图像使用NURBS算法处理得到3D模型。利用B超的得到的信息，确定穿刺点和目标点，经过PC计算出穿刺深度，并在活检枪上预置穿刺深度。机器人共有9个自由度，是一个手动调节系统，位置调整结束后将机器人位置锁紧，穿刺执行器是电机驱动的活检枪，锁紧后施行穿刺活检8。JohnHopkinsUniversity&MemorialSloan-KetteringCancerCenter小型啮齿类动物穿刺手术4-DOF机器人的操作对象是小动物，使用CT或MRI进行术前扫描，正电子发射断层扫描（PET）术中实时监控9。手术床的四角安装位置标（Acustarmarkersystem）用做位置跟踪。在手术床下和Z1轴位置分别安装两轴和单轴力传感器。机器人具有四个自由度，只能够垂直穿刺，水平自由度x，y用于移动手术床，垂直自由度Z1用于操作套管，垂直自由度Z2操作穿刺针。UniversityofWestern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。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120m10。WashingtonUniversity的MRI实时引导的7-DOF机器人采用MRI提供实时引导，机器人的特点是为了协调MRI成像空间，协调医生的操作空间，用3个自由度实现RCM功能11。在国内，对医学机器人的研究起步较晚，目前也已经取得了一些成果，如北京航空航天大学的脑外科手术机器人，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12。目前，已经有为数不少的机器人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。1.3设计思路和设计内容微创外科机器人技术正在国内外迅速发展，其在外科手术中获得了广泛的应用。特别是微创手术（MinimallyInvasiveSurgery）的可行性已经被越来越多的6医学机器人机械系统设计与仿真人认证，用于穿刺手术的医学机器人作为MIS中较为典型的一种，主要是在成像设备的引导下使用穿刺针等仪器定位并经皮肤穿刺进行治疗或检测。其关键部分在于穿刺针的定位导向和进针，以及进针过程中穿刺针的稳定。1.3.1结构设计本文研究的用于经皮穿刺手术的医学机器人主要用来协助医护人员进行肿瘤穿刺治疗。穿刺机器人由位置调整机构，穿刺针姿态调整机构和穿刺机械手组成。其中位置调整机构由三自由度直角坐标机器人平台和四自由度被动臂组成，在空间定位穿刺机械手。姿态调整机构采用固定远端运动中心（RCM）机构，实现穿刺针绕针尖点定点调姿。核心部分进针部分采用摩擦传动推进。穿刺机械手即穿刺进针机构，由步进电机来驱动，利用双联摩擦盘夹紧穿刺针将输入的旋转运动转化为穿刺针的直线运动。通过装配在盘轴上的调节螺母和弹簧调整两摩擦盘之间的间隙,还可以灵活改变介入力大小。1.3.2运动学分析设计新的机械或分析现有机械的工作性能时，首先必须计算其机构的运动参数（位移、速度和加速度），即进行机构的运动学分析。本文研究的医学机器人属于串联机器人范畴。串联机器人运动学研究的是手臂各连杆之间的位移关系、速度关系和加速度关系13。采用坐标转换方法，对医学机器人进行运动学分析，得出穿刺机械手位置和姿态的坐标转换关系及矩阵方程式，在此基础上，对机器人进行了速度和加速度分析，逆问题分析。通过对医学机器人系统的运动学正问题和逆问题的分析，为其进行运动学仿真分析提供了必要的理论基础。1.3.3运动学仿真计算机仿真也称计算机模拟，就是利用计算机对所研究的系统的结构、功能利行为以及参与系统控制的主动者人的思维过程和行为进行动态比教和模拟，利用所建的仿真模型对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来14。在UG三维仿真软件上，对穿刺机器人进行了三维模型造型设计及运动学的仿真和分析。通过UG的运动分析模块，在已知位置调整机构三自由度机器人平台各方向进给量及被动臂各关节转角时，可以仿真分析得出穿刺机械手的位置和姿态；对摩擦盘穿刺进针装置进行运动学仿真和分析，穿刺针平稳匀速进给。7医学机器人机械系统设计与仿真第二章医学机器人机械系统结构设计超声引导下经皮局部热凝固治疗肝肿瘤技术在国内外迅速兴起，利用微创外科机器人进行肿瘤的热凝固治疗技术已成为研究的热点。本文研究的医学机器人主要在该类手术中用来实施肿瘤穿刺治疗，在手术过程中，首先病人以一定的体位躺在手术台上，B超成像进行手术导航，确定穿刺点及穿刺路径，并且对穿刺点进行标定，从而定位穿刺针，然后对穿刺针的进行定点调姿，最后完成穿刺，直达靶点。针对外科手术在操作灵活，机器人的位置精度以及对病人安全性等方面的要求，对直接与病人接触的穿刺机械手即穿刺针推进装置提出了极高的要求，本文对该医学机器人机械系统进行了设计和仿真，能够使其满足安全，稳定和精度等方面的要求。2.1设计思路用于穿刺手术的医学机器人主要是用来协助医护人员实施肿瘤穿刺治疗，即能够完成在病患病灶处穿刺为其目标。医学机器人由穿刺机械手，位置调整机构，穿刺针姿态调整机构三个主要部分组成。以穿刺机械手为核心，根据超声扫描得到的数据，通过医学机器人的位置调整机构调整穿刺针所处空间坐标位置，待空间坐标确定后,穿刺点固定,穿刺机械手在姿态调整机构作用下绕穿刺针针尖定点调姿。穿刺机械手直接与病人接触，速度要求不高，转矩要求也不是很大，主要要求安全性和机体的尺寸。推进装置的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。2.2结构设计为实现医学机器人在穿刺针定位，位置调整和姿态调整方面的设计思路。穿刺机器人由位置调整机构，穿刺针姿态调整机构和一维的穿刺进针机构组成。位置调整机构由主动三自由度直角坐标机器人平台和可拖拽被动臂组成；二维穿刺针姿态调整机构RCM为双平行四杆型机构;核心穿刺装置为单自由度机构，采用摩擦传动推进穿刺针，由步进电机驱动，通过R-T运动转换装置10，最终将运动由输入轴的旋转运动转化为穿刺针的直线进针运动。用于肿瘤穿刺治疗手术的医学机器人机械系统结构如图2-1所示。三自由度直角坐标机器人平台为基体部分，末端与可拖拽被动臂连接。被动臂末端安装二维穿刺针姿态调整机构RCM，RCM末端安装作为机械手的穿刺进针装置。8医学机器人机械系统设计与仿真图2-1医学机器人总体结构示意图2.2.1位置调整机构位置调整机构的作用是将穿刺针的末端点放在操作区域内的任意点。位置调整机构需要3个自由度，通过运动的合成使姿态调整机构的末端在穿刺轨迹上定位。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，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12。(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。(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。(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。(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。9医学机器人机械系统设计与仿真图2-2几种常见位置调整机构综合考虑各种位置调整机构的优缺点，就目前的研究，用于肿瘤穿刺手术的医学机器人三维位置调整机构基本分为两大类，关节坐标系型结构和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，比如研制的机器人，但手术中需要进行手动锁紧，这种做法适合与不需要多次定位的手术操作，比如脊椎手术，单次定位即可，不需要多次定位操作。笛卡尔坐标系机构的优点是控制简单，操作直观，一般使用电机驱动，这类机器人适合需要多次定位的腹腔类手术。考虑到本文所研究的用于肿瘤穿刺手术的医学机器人，采用三自由度直角坐标机器人平台作为基体，辅以具有四个自由度的可拖拽自锁定位的被动臂，从而可以扩展操作空间，弥补三自由度直角坐标机器人平台在灵活性以及机体过大方面的不足。如图2-3所示为三自由度直角坐标机器人平台，直角坐标型位置调整机构通过搭建订购带驱动电机的直线单元系统的方法构建，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，体积相对较小。其可实现X,Y,Z10医学机器人机械系统设计与仿真三个方向的进给运动，从而调整穿刺机械手空间位置。图2-4为可拖拽被动臂，由臂1，2，3，4组成。其中手臂1与三自由度机器人平台连接，手臂4与穿刺针姿态调整机构连接，机械臂间通过转动副连接。图2-3三自由度机器人平台图2-4四自由度被动臂11医学机器人机械系统设计与仿真2.2.2穿刺针姿态调整机构用于肿瘤穿刺手术的医学机器人机械系统设计中,保证手术工具（穿刺针）的定点运动是其中的一个关键部分,即穿刺针绕针尖进行定点调姿。要实现这一点有两个途径：一是通过机构的设计，保障手术工具的某点（穿刺针针尖）保持不动；二是通过控制的方式实现，应用这种方式，操作机构不能直接保证定点，而是通过计算，控制来实现。比较两者，前者可以设计或者选取相应的机构实现，设计难度相对不大，而且控制的相对难度大大降低；如采用后者，结构设计虽然相对简单，但控制的难度会大大增加。因此，采用前者的方式来实现定点运动。三个自由度可以实现空间内任意姿态，在穿刺手术中，操作对象是针体，在穿刺点既定的条件下，绕针体轴心的旋转自由度是不需要的，所以穿刺针体的姿态调整需要二自由度即可，二自由度姿态调整机构传动结构简单，加工难度相对低。在满足姿态要求的情况下，应尽量减少自由度，所以本机器人采用的是两个自由度的姿态调整机构。RCM（RemoteCenter-of-Motion）固定的远端运动中心理念，作为一种两个自由度的姿态调整机构，RCM姿态调整机构经常被用以完成定点调姿态任务8,9,10。采用机械式RCM，通过机械结构使姿态调解时旋转的轴线通过末端点以保证定点。采用的机械式RCM具有两个自由度，其中一个自由度由一维RCM机构完成，选用双平行四杆机构构成的一维RCM机构。图2-5双平行四杆型一维RCM机构如图2-5所示，一维RCM机构为双平行四杆型，该机构由位于左下端的转动副驱动。在四杆机构运行过程中，点O位置即为远端运动中心点，在四杆机构运动过程中，四杆机构上该点始终保持不动，且在该点与四杆机构平面垂直的直线上的任意一点均保持不动。即将医学机器人穿刺机械手与RCM连接时使穿刺针针尖在这条直线上，即可保证针尖在该平面上位置不随针体角度变化而变化。一维RCM仅能保证在一维四杆机构平面内定点调姿，要实现在空间内的定12医学机器人机械系统设计与仿真点调姿，还需要一个自由度。如图2-6所示，在四杆型一维RCM上加装转动副，使该转动副轴线与一维RCM机构中始终静止的直线相交，所得的交点即为RCM机构在空间中的远端运动中心，连接穿刺机械手时使穿刺针针尖位于该点，可实现穿刺针在空间内的定点调姿。图2-6空间RCM机构根据RCM机构的原理，设计RCM穿刺针姿态调整机构，如图2-7其前端与位置调整机构末端连接，末端安装手术工具（穿刺机械手）。由位于U轴和V轴处两电机驱动，实现空间定点调资。图2-7穿刺针姿态调整机构13医学机器人机械系统设计与仿真2.2.3穿刺机械手针对穿刺手术对器械的要求，文中所需要的穿刺机械手即穿刺针针推进装置属于解决微小型机电系统大行程、高精度进给的问题。但考虑到机体的尺寸，带导轨的拉线式结构的导轨长度需覆盖进针行程，导轨长度至少要比进针行程大一半，使得尺寸变大，机构大容易影响医生操作空间。而对于小锥齿轮组变向可靠性好尺寸小，但是小尺寸锥齿轮的加工难度大，成本高，消毒困难。考虑到这些，本文最后采用了一种精巧的对称预紧偏心摩擦盘结构。采用摩擦传动方式具有运转平稳，噪声小，运转平稳而且有过载保护功能，保证了病人的安全，而且结构简单易于制造和测量等特点摩擦轮传动应用范围很广，如摩擦绞车机械，无级变速器渐开线齿轮齿形检测、滚轮法大直径测量仪、三坐标划线机和坐标镬床的精密定位机构等12。摩擦传动是利用主动轮与穿刺针在直接接触处所产生的摩擦力来传递运动和动力，与其他传动形式相比，摩擦轮传动有以下的主要特点:1.由于摩擦轮是通过轴面夹紧与穿刺针接触产生摩擦使穿刺针运动，制造简单，不会对穿刺针产生。2.运转时引起的周期性冲击小，运转平稳，噪声小。3.过载时发生打滑，能够保证病人的安全。4.采用两摩擦轮轴面对称夹紧穿刺针方式，是穿刺针在主动轴方向预紧正压力平衡，从而减少传动误差。因此，本文采用对称预紧偏心摩擦传动推进装置，预紧力由预紧螺母和弹簧组成，穿刺针轨道偏心设计。安装时先将穿刺针放入轨道套，然后将穿刺针与轨道套整体放入支架中，使穿刺针一侧与单侧摩擦盘接触，然后将另一摩擦盘贴紧穿刺针针体，拧动螺母进行预紧。另外,作为摩擦传动微进给机构的设计,在考虑进给传递精度的同时,亦须注意输出推力的设定和摩擦副材料的选取。在此,摩擦传动微进给机构的设计主要从负载能力和运动精度2个方面进行了设计考虑。图2-8所示为摩擦传动推进机构示意图。步进电机输出的旋转运动通过减速箱减速,经驱动轴，摩擦从动轮(双联摩擦轮),最后到作直线运动的穿刺针,最终将运动由旋转运动转化为直线运动。图2-8中1为穿刺针，2为双联摩擦盘，3为驱动电机组件，在驱动力作用下，双联摩擦盘夹紧针体转动，通过摩擦力驱动穿刺针轴向进给，实现穿刺。14医学机器人机械系统设计与仿真图2-6穿刺针推进机构示意图2.3小结本章对用于肿瘤穿刺手术的医学机器人总体设计方案进行了阐述。该医学机器人系统由位置调整机构，穿刺针姿态调整机构和穿刺进针机构组成。利用超声扫描图像导航，位置调整机构将穿刺针机构移动至穿刺目标靶点，穿刺针姿态调整机构进行定点调姿，穿刺针进针路径调整完成，穿刺针推进机构开始工作，穿刺开始进行，最终完成手术。15医学机器人机械系统设计与仿真第三章医学机器人穿刺机械手3.1机械手穿刺针推进机构原理图3-1进针机构原理示意图如图3-1中所示，是将旋转运动转化为直线运动的机构，也叫作（R-T）摩擦传动机构7。设计的基本原理如下：机构由以下几个部分构成，作旋转运动的输入盘轴3和6，作直线运动的输出轴4，以及对两轴进行定位和支撑的1，5，2，7等。旋转运动由原动机带动，盘轴3和6对轴4施加压力，轴4与3，6之间产生摩擦力，当3和6转动时，产生的摩擦力就会使得输出轴4产生径向的运动。这一设计方案的特点在于产生摩擦的正压力是由输入运动的旋转轴来决定的。旋转轴作用于直线运动轴上的载荷可以明显的大于径向能够承载的载荷，从而可以增加传输机构的力和能量。另外，机构中产生轴向压力的设计非常精巧，可以用在微小型机构中。3.1.1运动学分析图3-1b所示为机构的运动分析图解。盘轴3和6作用在直线运动轴上的力为F。n由虎克定律可得：F=FnF=，其中为盘轴3，6与输出轴4之间的fFn动摩擦系数。16医学机器人机械系统设计与仿真输出轴的力F的大小的范围是F2F，3和6同时对输出轴有摩擦。但是，f如果作用在输出轴上的阻力大于这个最大值，此时轴就不会继续运动，而是产生打滑现象。按理想状态考虑，使轴4产生运动的在与3，6接触面上的摩擦力方向都沿AB这条直线。以O为中心建立坐标系XOY进行运动学分析。设输入盘轴上一点P相对于坐标原点的绝对速度为：ov=r,其中的是输入盘轴3和6的角速x度，r是点P的位置矢量。(x)速度在X轴和Y轴方向上的分量分别为：oovPxvPy=dx其中d是输入轴和输出轴之间的距离x是点p在X方向上与坐标原点间的ovxP距离。其中的X方向速度分量为恒定速度，其方向始终沿AB直线，速度大ovyP小为d不变。而Y方向的速度分量是随x的变化而线性变化的。由X方向的分量方程即可以得到输出轴的速度方程如下：v=d其中v即为输出轴的速度，是输入盘轴3和6的角速度，设计参数的d决定了速度的大小。同理可得，机构的动力学分析如下：F=Td其中T是输入的转矩，F是输出的力。在整个机构的传动过程中，机械能的损失主要是由于盘轴3，6在Y轴方向上相对于输出轴4的滑动。2F当输出轴在不大于的载荷作用下运动时，输入盘轴上点P相对于输出n轴4的速度如下所示：4v0P=xv=4Pxy17医学机器人机械系统设计与仿真3.1.2能效分析上面的运动分析证明在X轴方向的摩擦没有能量损失，只在Y轴