神经外科手术机器人文献概要

1、神经外科手术机器人灵巧性分析邢宏光王利红(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083(郑州航空工业管理学院机电工程系,郑州450015张玉茹(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083纲领:开发了用于神经外科手术的五自由度机器人BH600。从神经外科立体定向手术的需求出发,分析了该机器人的灵巧性。用服务球和服务区见解给出了五自由度机器人工作空间随意点的灵巧度定义,提出了工作空间灵巧性的分析方法。经过数值计算和图形显示给出了工作空间的灵活度散布,采纳机器人物理样机进行实验,对分析结果进行了考证。掌握灵巧度的空间散布,能够为手术路径规划供给靠谱的依据。重点词:机器人;运动学

2、;医疗机器人系统;灵巧工作空间中图分类号:TP206+.1文件表记码:A文章编号:1001-5965(200404-DexterityanalysisofrobotforneurosurgeryXingHongguang(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,ChinaWangLihong(Departmentofmechanical-electricalengineering,ZhengZhouInstituteofAeron

3、auticalIndustryManagement,Zhengzhou,450015,ChinaZhangYuru(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,ChinaAbstract:MinimalinvasivesurgeryassistedrobotwasdevelopedinRoboticsInstituteinBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics.Basedonther

4、equirementofneurologicalstereotacticsurgery,dexterityoftherobotwasanalyzed.Firstly,usingconceptofservicesphereandservicesection,definitionofdexteritywasproposedatanypointinsidetheworkspaceofthefivedegree-of-freedomrobot;then,analysismethodofworkspacedexteritywasproposed.Dexteritydistributionwithinth

5、eworkspacewasgivenusingnumericalanalysisandgraphicaldisplay,andtheresultwasverifiedthroughexperimentontherobotphysicalprototype.Withthehelpofdexteritydistributioninworkspace,reliablereferencecanbesuppliedforsurgeryoperationplanning.Keywords:robots;kinematics;medicalroboticsystem;dexterousworkspace机器

6、人协助外科手术技术是机器人技术的一个新领域,这一领域关于医学研究和机器人技术的发展有重视要的意义。在外科手术中得益于机器人的一个应用是微创外科手术1。所谓微创外科手术是指医生借助于各样视觉图像的指引,将手术器材沿着开初规划好的手术路径,经过小切口送入病人体内进行察看或治疗,进而最大程度地减小创伤、减少伤心。在神经外科立体定向手术中,机器人系统的作用是实现空间的正确立位,即按医生规划的手术路径,抵达指定的空间位姿,协助医生进行穿刺。因为患者颅内病灶区地点不确立,所以需要机器人尾端穿刺针能实现尽可能多的姿态,即要求机器人有很好的灵巧性。平常意义上,灵巧工作空间是指机器人尾端收稿日期:基金项目:国家

7、863基金资助项目(2001AA422110作者简介:邢宏光(1976-,男,辽宁鞍隐士,硕士生能以随意姿态抵达的空间点的会合。灵巧工作空间能够用机器人尾端参照点的服务球和服务区来描绘2,3。机器人有灵巧工作空间的条件是其手段的3个关节轴互相垂直且订交于一点。关于运动学反解有分析表达式的机器人,能够给出其灵巧工作空间界限的表达式4,或许用代数方法和几何方法分析其灵巧性5,6。关于复杂构造的机器人,则需要提出其他通用和直观的分析方法。本文以北京航空航天大学机器人研究所开发的神经外科手术机器人BH600为研究对象,提出了五自由度机器人灵巧空间分析的一般方法。BH600的逆运动学没有分析解,也难以给

8、出灵巧工作空间的分析表达式。第必然义了五自由度机器人的灵巧度,此后用服务球和服务区直观地显示了随意点的灵巧度,以及工作空间的灵巧度散布。最后经过对BH600物理样机进行实验,考证了灵巧性分析结果的正确性。1BH600机器人构造BH600机器人机构简图如图1所示。此机器人拥有5个自由度。第1关节为挪动副,其他关节为转动副,腕关节的转轴垂直订交于P点。机器人尾端工具为穿刺针,其轴线与转轴5垂直,距腕关节的交点有一偏距。机器人的运动学参数见表1。5d图1BH600机器人机构简图表1BH600机器人运动学参数构件/(io/iamm/idmm/(0i关节范围10d100350mm203000-90o90

9、o39090-60o240o49030018090o270o590-12290-90o270o601700灵巧度及其散布机器人的尾端履行器能以随意姿态抵达的点的会合称为灵巧工作空间。为了定量描绘工作空间中随意点的灵巧度,先引出服务球和服务区的见解。因为机器人的尾端工具为线形工具,可将其看作空间矢量,其空间姿态的描绘与空间刚体有所不一样样。以图1的构造为例,若以穿刺针的针尖点为圆心,以针的长度为半径做一球如图2所示,所定义的姿态是指穿刺针的尾端T6dR在球冠上可抵达的点。全部可达点的会合构成的地区称之为服务区,服务区的面积与整个球冠面积的比值称为此圆心T点的灵巧度,而将灵巧度为1时全部圆心点的会

10、合称为灵巧工作空间。T由图2能够看出,穿刺针在工作空间某工作点的姿态可经过角及角2个参数来描绘。当穿刺针的针尖点固定不动,而角的范围为0,2,角的范围为0,时,针的尾部R点即可遍历整个球冠,实现全部姿态。所以,定义五自由度机器人的灵巧度为1111(,10(,1abmnabmnDDD?=?=?矢量姿态不能够达矢量姿态可达(1图2空间矢量姿态空间的描绘式中a为保持不变所取的点数;b为保持不变在圆弧上所取的点数。若机器人可实现为0,2及为0,范围内的全部角度,则表示穿刺针能够随意位姿达到针尖点,此点的灵巧度为1。全部灵巧度为1的点所构成的空间即为机器人的灵巧工作空间。因为关节转动范围小于360o,以

11、及尾端偏距的影响,BH600机器人的工作空间中不存在5d灵巧度为1的点。为了使该机器人的灵巧度最大限度地知足手术任务需求,必须第一分析工作空间的灵巧度散布,此后选择灵巧度较高的地区作为手术任务空间。依据手术任务要求,患者头部第1,4卦限为可能的进针地区,所以取为研究对象。在这个四分之一球面上沿,角变化平均取点作为针尾点,令针尖点保持不变,分别对各个姿态进行反解计算,找出针的姿态可达地区(即服务区和不能够达地区。将服务区的面积与四分之一球面积的比值定义为任务灵巧度。给出一个详细的算例:给定机器人尾端针尖点的坐标,针尾的坐标取如图的球面上点的坐标,和分别在0,和0,上/2以5(200,0,100T

12、=o3所示的步长平均取点。对每一个针的位姿都经过MATLAB进行反解计算,若反解存在,则用“*来”表示,若反解不存在则用“.表”示。为了将结果显示得更直观,用2个视图来分别显示第1卦限和第4卦限的部分,如图3所示。a第4挂限仿真显示图b第1挂限仿真显示图图3机器人尾端点服务球的仿真显示由式(1,服务球上有反解的针尾点数与所取点总数的比值为该点的任务灵巧度。在此算例中任务灵巧度为0.716927,经过此方法,能够算出机器人工作空间中任一点的灵巧度,并给出尾端点的服务球仿真显示,经过仿真图形能够比较直观的看出机器人尾端哪些位姿可达。在如图4所示的腕关节工作空间横截面图上,以扇环的圆心为坐标原点成立

13、极坐标,平均地拿出一些失散点,对这些失散点遍历、仿真,计算所取每一点的任务灵巧度,希望在这个工作空间中选出一个灵巧性比较好的立方体地区作为神经外科手术的任务工作空间。图4中所包括的部分是机器人腕点能够抵达的地点。由参数,即可获得腕点工作空间的范围BH600机器人的几何图4腕点工作空间水平截面投影在工作空间的横截面图上给出灵巧度的分布,分别用不一样样的图标表示,并指定任务灵巧度最大的那个地区为任务空间,如图5所示。图中,若灵巧度小于0.4,用“表”示,若任务灵巧度在0.40.8之间,用“.表”示,若任务灵巧度大于0.8,用“*来”表示,在这里将任务灵巧度大于0.8的地区以为是任务灵巧地区,从图中

14、能够看出,在工作空间水平截面上极坐标半径从到,圆心角从-/6到/6的区域是灵巧地区,能够以为是任务空间,在进行手术路径规划时,能够将病灶区部署在任务空间内。230mm430mm3实验考证图6是BH600机器人物理样机。用该物理样机进行实验,使机器人运动到给定的位姿,记录下此时尾端位姿。给出此尾端点服务球的仿真显示,察看针尾点能否落在服务区内。经过对一系列数据的测试,能够考证服务区分析结果的正确性。本文做了大批的实验来查验这类服务划分析和显示方法的正确性,表2,表3所示为一组实验数据和结果,图7为服务区仿真显示图。图5工作空间横截面灵巧度散布图图6BH600的物理样机取机器人物理样机实质抵达的一

15、个针尖点坐标和针的几个能够实现的姿态,可检测一下这几个姿态的针尾点能否落在服务区内。表2所列针尖点的服务区仿真显示(见图7,图顶用“口”标出所取针姿态的针尾点的地点,能够看到机器人物理样机能够抵达的姿态对应的针尾点均落在该尾端点的服务区内。结束语本文从双方面分析了机器人的灵巧性:用服务球直观地显示了工作空间中随意点的任务灵巧度;用图形显示了任务灵巧度在工作空间中的散布。借助此分析结果,在进行手术路径规划时,能够把病灶区部署在灵巧度比较大的地方。经过尾端点服务球的显示图能够开初知道在目前的机器人与病灶区的相对地点下所要求的进针姿态机器人能否可达。此分析方法可应用于一般构造的五自由度机器人灵巧性分

16、析。为了使分析结果更为方便有效地应用于手术路径规划,还将进一步开发图形化仿真软件,协助医生进行手术路径规划。表2针尖点坐标参数/xtmm./ytmm/ztmm数值表3针姿态向量参数方向xaaa123图7查验服务区显示图参照文件(References1MinorM,RaM.AdexterousminipulatorforminimallyinvasivesurgeryA.Proceedingsofthe1999IEEEInternationalConferenceonRobotics&AutomationC.Detroit,Michigan,19992YangDCH,LaiZC.Onthedex

17、terityofroboticsmanilulators-serviceangleJ.ASMEJournalofMechanisms,Transmissions,andAutomationinDesign,1985,107(3:1622703SongSM,LeiChiMeng,WangJiang.Theend-effectorangleandmanipulatordexterousworkspaceJ.ASMEJournalofMechanicalDesign,1990,112(3:2782824LaiZC,MengCH.ThedexterousworkspaceofsimplemanipulatorsJ.IEEEJournalofRobotic