手术机器人001教材

1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文4自由度微创手指的研究摘要机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微创定位操作、无损伤诊疗、新 型手术治疗方法等方面得到了广泛的应用，不仅促进了传统医学的革命，也 带动了新技术、新理论的发展，并形成了新的高技术产业。医疗机器人技术 已经成为国际前沿研究热点之一。本设计中，首先对整体方案进行了设计和论证，确定了手指的基本原理 图，以及机构选型。根据设计要求，完成了 4自由度微创手指指尖和后端控制盒的机构设计， 在此基础上使用UGNX7.0软件进行了手指的三维建模，并对重要零件进行了 高级仿真。为降低加工难度，采用高精度微小零件的分离组合化设计方法，优化了 结构设计；对关键部

2、位进行必要的受力分析，确定了具体尺寸；完成了手指 相应材料，标准件（如螺钉，螺栓，轴承等），驱动电机等的选择。对4自由度微创手指进行了运动学正解的计算，并使用MATLAB软件编程得出了手指的工作空间分析。采用工控机、运动控制卡、驱动器、步进电机建立了硬件控制系统，并 完成了程序流程图和控制程序界面的编写。关键词：机器人；手指；运动学；控制；程序ABSTRACTRobot tech no logy as a new method has bee n widely used in medical surgical planning simulation, minimally invasive po

3、sitioning operation, non-damage diag no sis, and new surgical treatme nt etc. Not only did it promote the revoluti on of traditional medicine, but also contributed to the development of a new tech no logy, a new theory, and formed a new high tech no logy in dustry. Medical robot tech no logy has bec

4、ome the intern ati onal fron tier research hotspot.This desig n firstly desig ned and dem on strated the whole scheme, the n determ ined the basic prin ciple draw ing of the fin gers and the select ion of mecha ni sms.According to the design requirements, the mechanism design of the four-freedom deg

5、ree mi ni mally inv asive fin ger tip and the backe nd con trol box was completed, on the basis of which, the software of UGNX7.0 was used for 3D modeli ng of the fin gers and the adva need simulati on of importa nt parts.In order to reduce the difficulty of processing, the design method of separati

6、 ng comb in ati on of small parts with high precisi on was used for the desig n optimizatio n, the n ecessary force an alysis of key parts, the determ in ati on of specific sizes, and the select ion of releva nt material, sta ndard parts (such as screws, bolts, beari ngs, etc) and motor, etc.The cal

7、culation of kinematics solutions of the four-freedom degree mi ni mally inv asive fin ger was done, and the MATLAB software was programmed for the work ing space an alysis of the fin ger.The hardware con trol system was established by work-ma nagi ng mach ine, the moveme nt con trol CARDS, and stepp

8、 ing motor drive. The compos ing of the flow chart and con trol program in terface was done.Key words： robots; fin ger; kin ematics; con trol; program-ii -目录第1章绪论51.1课题背景、研究目的及意义 51.2外科手术机器人的发展现状及趋势 61.2.1国内外外科手术机器人的发展现状 61.2.2外科手术机器人相关技术的发展趋势 111.3论文主要完成的工作 12第2章 总体设计方案与论证 错误！未定义书签。2.1 4自由度微创手指的基本原

9、理 错误！未定义书签。2.2手指基本结构形式的选择 错误！未定义书签。2.3设计要求.错误！未定义书签。2.4本章小结.错误！未定义书签。第3章4自由度微创手指的机构设计 错误！未定义书签。3.1手指的组成.错误！未定义书签。3.2手指指尖部分的机构设计错误！未定义书签。3.2.1指尖的基本结构 错误！未定义书签。3.2.2指尖的受力分析错误！未定义书签。3.2.3关节机构耦合关系分析错误！未定义书签。3.2.4轴的校核及计算错误！未定义书签。3.3手指后端控制盒部分的机构设计错误！未定义书签。3.3.1手指后端控制盒的基本结构 错误！未定义书签。3.3.2电机的选择错误！未定义书签。3.3.

10、3联轴器的选择错误！未定义书签。3.3.4传动轴的校核及计算 错误！未定义书签。3.3.5轴承的选择、校核及计算 错误！未定义书签。3.3.6手指重要受力零件的高级仿真错误！未定义书签。3.4本章小结.错误！未定义书签。第4章4自由度微创手指运动学正解和工作空间 错误！未定义书签4.1机器人运动学概述错误！未定义书签4.2运动学正解错误！未定义书签4.2.1杆件参数的意义和坐标系的建立原则.错误！未定义书签 422手指旋转、俯仰、偏摆3个自由度坐标系的建立 错误！未定义书签。423位姿转换矩阵的求解 错误！未定义书签。4.3手指的工作空间分析错误！未定义书签4.4本章小结.错误！未定义书签第5

11、章硬件控制系统设计及 VC程序的编写错误！未定义书签5.1硬件控制系统设计错误！未定义书签5.2 VC程序的编写 .错误！未定义书签5.2.1程序开发方式错误！未定义书签5.2.2程序流程图错误！未定义书签5.2.3基于界面的编程方式 錯误！未定义书签5.3本章小结.错误！未定义书签结论.错误！未定义书签参考文献错误！未定义书签致谢.错误！未定义书签绪论课题背景、研究目的及意义医疗机器人技术已经成为国际前沿研究热点之一，是从生命科学与工程学理 论、方法、工具的角度，将传统医疗器械与信息技术、机器人技术相结合的产物， 是诸多学科交叉的新型研究领域 。机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微创 定位操

12、作、无损伤诊疗、新型手术治疗方法等方面得到了广泛的应用，不仅促进 了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展，并形成了新的高技术产业 20外科手术机器人属于医疗机器人的一种， 在医用机器人系统中，医疗外科机 器人的研究最为突出，有很大的优点。它可以提高手术的质量，能够克服传统微 创伤手术的缺陷，可以拓宽微创手术的范围，可以进行手术仿真，我们可以利用 网络技术进行远程手术。不仅可以使外科医生获得一种与应用上相关的问题，也 提出了许多有待进一步深入研究的问题，特别是适用于外科手术的机器人系统设 计、系统集成和临床应用研究。用于介入式外科手术的机器人，相对于传统手术 方法，则有着特别的优势，它能

13、进行闭合手术，将腹腔镜插入患者腹内，以腹腔 镜采集的视觉信号作为反馈，同时插入几个用于手术操作的辅助器械进行切割、 夹持等简单手术动作。解决了传统的手术过程中存在医生劳动强度大、手术精度低、安全性差等缺点。微创外科手术机器人系统一般采用主从操作方式 38，有效地利用了手术医 生的经验以及机器人定位精确、 运行稳定、操作精度高等特性。不仅可以使外科 医生获得一种与以往传统手术相似的操作环境，而且可以协助医生完成精细的手 术动作，减少外科医生在手术中因为疲劳产生的误操作和手部震颤造成的损伤， 提高手术质量与安全性，缩短治疗时间，降低医疗成本 9。微创外科手术机器人不仅具有了医疗机器人的基本特点，更

14、是基于微创手术 的要求而设计的。本课题模仿达芬奇外科手术机器人系统， 对其从手进行相关研 究。外科手术机器人的发展现状及趋势国内外外科手术机器人的发展现状在国外医疗机器人已经应用于实际的医疗当中，下面是最近开发出来的几种手术机器人：1996年初，Computer Motion公司利用研制AESOP系列机器人积累的在计算 机和机器人方面的关键技术，开发出功能强大的视觉系统，推出了ZEUS机器人外科手术系统，用于微创伤手术10。这个系统让外科医生突破了传统微创伤手 术的界限，将手术精度和水平提高到新的高度，大大降低了病人的痛苦、手术创伤和手术费用，缩短了康复时间，同时也减轻了医生的疲劳强度。ZEU

15、S系统采用主从遥操作技术，分为两个子系统，Surgeon-sid系统和Patient-side系统，Surge on-side系统由一对主手和监视器构成。在此，医生可以坐着操纵主手手柄， 并通过控制台上的显示器观看由内窥镜拍摄的患者体内情况。Patie nt-side由用于定位的两个机器人手臂和一个控制内窥镜位置的机器人手臂组成，整个系统如图1.1 所示11。图1.1 Zeus机器人外科手术系统从手的每个手臂具有6+1个自由度，其中6个用于姿态调整，另外一个用于位 置优化。在6个姿态控制自由度中，4个由电机驱动，另外两个无动力。通过ZEUS 系统，医生可以在舒适的工作环境下操纵主手动作，并通过

16、监视器实时监视手术的过程；在手术地点，从手忠实地模拟并按比例缩放医生用主手操作的动作，完成手术。著名的“林白手术”就是通过 ZEUS系统完成的11。2000年1月9日，美国Intuitive Surgical公司成功开发出Da Vinci （达 芬奇）外 科手术机器人系统，它是目前为数不多的商品化的使用技术之一。它包括一个医生控制平台、多功能手术床、各种手术器械和图像处理设备。手术医生在控制台 上通过主手（复制医生的运动）操作机器人动作，通过脚踏板来控制高质量的视 觉系统。多功能手术床包括2个机器人手臂和一个内窥镜挟持手臂。为避免损伤患者微细组织和神经，内窥镜手臂在手术切口 Icm上回转。Da

17、 Vi nci外科手术机器人如图1.21.4所示。Da Vinci系统可以为医生提供和开放式手术一样的直觉控制、运动范围和组 织处理能力，医生可以在别的房间甚至其它医院进行远程控制机械手实施修复心 脏瓣膜等多种精密手术。如果医生在操纵控制杆时手臂发生颤抖， 系统会自动纠 错，避免出现误操作。此外，机械臂还能完成一些人手无法完成的极为精细的动 作，手术切口也可以开得很小，从而缩短患者在手术后恢复的时间， 同时还可以 提高手术效率，节约费用，而且对于术者可采取坐姿进行系统操作， 利于长时间 复杂的手术。如果医生在操纵控制杆时手臂发生颤抖，系统会自动纠错，避免出现误操作。 此外，机械臂还能完成一些人

18、手无法完成的极为精细的动作，手术切口也可以开得很小，从而缩短患者在手术后恢复的时间， 同时还可以提高手术效率，节约费 用。Da Vinci手术机器人的仿真手腕：人手的全部动作被实时转化为精确的机械 手动作，可运用开放式手术中使用的任何技巧21。三维立体图像：双镜头三晶片的数码摄像系统将手术带入病人体内；是具有 真正三维景深和高分辨率的系统。完美的影像控制：全景到特写的转移自然平稳， 不同术野间平稳转移时可提供连续的手术图像。 如果医生在操纵控制杆时手臂发 生颤抖，系统会自动纠错，避免出现误操作。此外，机械臂还能完成一些人手无 法完成的极为精细的动作，手术切口也可以开得很小，从而缩短患者在手术后

19、恢 复的时间，同时还可以提高手术效率，节约费用。图1.2 Da Vinci外科手术机器人系统图1.3 Da Vinci从手系统图1.4 Da Vinci主手系统图1.5显微系统达芬奇机器人最主要的技术缺陷在于无触觉反馈，因术者双手不直接接触手 术部位，无触觉感知，无法判断组织的质地、弹性、有元搏动等性质。另外，达 芬奇机器人的价格昂贵，且部分器械属手术耗材。此外，机器人体积庞大，需要 配置专门的手术室及维护人员，术前安装时间较长 9。1994年，美国Computer Motion公司研制成功AESOP手术机器人。该系统能 够模仿人手臂的功能，取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要，提供比人为控制

20、更精确、更一致的镜头运动，为医生提供直接、稳定的手术视野。AESOP比达芬奇系统要简单得多。AESOP其实基本上只是一个机械臂，用于固定医生用的内窥镜，就是一种插入病人体内的外科照相机。脚踏板 或声音软件等用于医生定位照相机，这就可以让医生能够将手空出来继续 进行手术。虽然AESOP机器人不能自动完成手术任务，但是它能够提供准 确、清晰、稳定的图像，减轻术者疲劳的同时，明显地提高了工作效率。 尤其在进行更为复杂、难度更高的结直肠癌根治等手术时，手术操作时间 将会明显的缩短。其外观图如图1.6所示。图1.6 AESOP外科机器人手术系统此外，2007年日本东芝公司研制的这款机器人（如图1.7）含

21、3个伺服马达并 配有内诊镜，医生可以一边通过内诊镜观察患部，一边根据需要操纵机器人工作。 这种医用机器人将使体内手术变得更为简便安全，患者痛苦也会大大减轻。图1.7日本手术机器人图1.8爬行摄像胶囊图1.9吞服式机器人意大利圣安娜高等学校的 CRIM实验室开发的爬行摄像胶囊机器人（如图 1.8），按照设计，这个机器人可携带摄像机，通过有弹性的“腿”爬进患者的 消化道，替代传统内窥镜进行检查。它可用来检查食管、胃和十二指肠内部的损 伤或溃疡情况。吞服式机器人（如图1.9），患者可将一块块的ARES机器人（即“可重构装 配腔内手术系统”）吞入腹中，或由医生通过自然开口将其一块块插入人体，接 着，它

22、们会在体内自行组装。这样一来，外科医生在少切口或根本不用切口的情 况下也能对患者进行手术。患者要吞服 15块不同的机器人组件，后者进入体内 受损部位。一旦到达指定位置，机器人组件就会组装成一个能够实施手术的较大 工具。综上可知，国外在外科手术方面取得了一些成果。 但是还有另外一些比较成 功的研究成果值得我们去研究，例如荷兰Phmps公司开发的光电引导神经外科导航系统EasyGuid Netro,德国ZEISS公司的脑神经显微外科机器人系统 MKM /SMN，日本Immi公司的神经外科机器人系统 Netromate,瑞士 LEICA公司的 神经外科手术机器人系统WILDM695等12。在国内，医

23、疗机器人的研究愈受到各方面的重视，也取得了一系列的成果。 北京航空航天大学机器人研究所开发了遥操作远程医用机器人系统13，如图1.10和1.11所示。系统主要由影像获取传输、虚拟手术规划、智能机械臂、病人头 部（病灶）固定装置等部分组成，可以完成手术靶点确定、三维病灶轮廓重建、 定位器械引导、手术系统定向等多个复杂步骤。运用该系统进行的这类手术突破 了传统脑外科手术的定式，病人头上不必再戴厚重的金属框架以辅助定位，定位也较传统手术精确。该系统已成功实现 5000多例手术，取得了良好的临床和社 会效益。图1.10脑外科机器人穿刺试验图1.11 “黎元”机器人系统进行手术2005年1月18日由天津

24、大学研制出的“妙手”系统（如图1.12所示）包括 主操作手（左手和右手）、从操作手（左手和右手）、图像系统、控制系统、各种 手术器械和其他辅助器械，从操作臂（从手）具有力检测功能，主操作臂（主手） 具有力感觉功能。系统可完成切割、夹持、缝合与打结，特别是微细血管缝合等 复杂手术操作。图1.12妙手显微外科手术机器人系统“妙手”系统设计了快换机构（传动锷）来连接末端工具，并且设计了一 系列末端工具如刀、剪子，镊子等。实物如图1.13所示，这样使得系统可以快速的完成更换工具完成各种手术操作。 从手末端安装有六维力传感器，可以检测 从操作手与手术环境的力信息，并反馈至主操作手，通过主手使手术医生“妙

25、手” 系统示意图感受手术环境的三维力信息。图1.13手指系统的更换工具2004年12月3日，由北京航空航天大学、哈尔滨工业大学和北京积水潭医 院共同完成的“矫形外科双平面导航技术与机器人系统”这一国家863计划高技 术研究成果通过专家鉴定。其手术操作如图1.14所示。此项成果是将先进机器人、计算机图像相关技术引进矫形外科手术，突破了传统外科手术的发展瓶颈， 解决了经X射线图像导航机器人完成髓内钉的远端孔镇定技术的难题。长期以来，矫形外科手术对骨折病人采用人工牵引复位，穿入骨髓内置钢筋后，医务人员必须在X光透视下完成对髓内钉的远端锁定。这种手术方式复杂，一次成功 机率较低，容易发生髓内钉远端锁定

26、失准失败，引发手术并发症；同时，手术过 程中，医务人员在X光下暴露时间过长是国内外医疗界长期探索革新的医疗技 术难点12。图1.14手术中的矫形外科手术机器人此外，国内还有一些比较典型的研究包括：哈尔滨工业大学与北京航空航天 大学合作研制的遥操作辅助正骨机器人系统；南开大学研究的机器人辅助显微外科手术系统；北京航空航天大学研制的角膜移植显微手术机器人；清华大学研制的神经康复机器人，以及其他一些大学和研究机构开发的无损诊疗和辅助外科手 术机器人系统等12 o外科手术机器人相关技术的发展趋势随着技术的发展，机器人将向医疗的各个领域渗透，将涵盖包括外科手术、 医院服务、助残、家庭看护和康复等的所有层面，开创临床医学的新天地，各种 新型医用机器人机构、新型手术工具、医学图像采集和处理技术、远程信息传输 技术、智能传感器、智能轮椅、智能康复设备及其它相关技术等仍是研究热点11 值得注意的是，随着微型机电技术（MEMS ）的不断深入发展，研究微小型 机器人甚至纳米机器人已经不再是梦想， 并具有很好的发展前景，它可以直接进入人体器官内部进行工作，完成组织取样、疏通血管、药物放置、细胞操作等普 通医疗技术和手段无法完成的工作。国外目前正在研制和开发体内自主行走式诊 断治疗、