【《某骨盆复位机器人总体方案设计案例》5300字（论文）】

某骨盆复位机器人总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21005某骨盆复位机器人总体方案设计案例 1195781.1骨盆复位机器人复位过程分析 1230291.1.1牵引力分析 111361.1.2骨盆固定分析 2288361.2机器人体系结构研究 3316891.1.1骨盆复位机器人手术系统设计要求 3294471.1.2骨盆复位机器人各模块的设计要求 4275121.3总体结构设计 5120521.3.1机器人选型 6182141.3.2床体连接架设计 8228341.3.3骨盆外固定架设计 9本课题从骨盆复位手术所需复位力出发，分析了骨盆附近各大肌群之间的受力情况。通过不同骨科复位机器人的之间复位力和复位力矩的大小，提出了符合于骨盆骨折复位的复位力大小，并确定了几种骨盆固定针的入针位置。确定机器人设计的一系列设计参数。针对这些设计参数，本课题设计了一款能够进行骨盆复位手术的复位机器人。1.1骨盆复位机器人复位过程分析1.1.1牵引力分析由于骨盆附近存在着复杂而密闭的肌肉以及韧带组织，因此在进行骨盆复位过程中操作者需要较大复位力和复位力矩。现阶段国内外有关于骨盆骨折所需的复位力及复位力矩研究的论文文献相对较小，由于骨盆骨折的大部分情况都是由于高能量损伤照成的，病情相对于其他而已危害性更加严重。再加上国内外大体老师的数量有限，对肌肉的复位力的牵引力的研究就相对来说比较少。根据克罗地亚萨格勒布医学院创伤临床大学的EsmatElabjer教授和VasilijeNikolie教授对骨盆骨折碎片上的肌肉力进行分析。他们通过分析骨盆的髂翼骨折时向上作用的肌肉力的大小，研究发现骨盆附近最弱小的肌肉是勃起肌，平均大小为1.675N，强大的肌肉是外斜肌，肌肉力最大值为840N[21]。当骨盆的耻骨骨折后，骨盆附近有多达9对肌肉向下负责牵引坐骨骨头的碎片，半腱肌平均力为2348N，股二头肌长头的平均力800~1200N,而其他肌肉的力量大小明显变小[22]。德国汉珞威医学院创伤中心的Gosling等教授通过一系列传感器研究了股骨干在骨折复位的过程中所可能产生的应力和扭矩，研究发现股骨干在复位的过程中产生的最大应力为411N，最大扭矩为74N.m[23]。由日本大阪南医学中心整形外科Y.Maeda教授、Y.Tamura教授和M.Saito教授通过研究使用机器人来对髋骨骨折进行复位，他们通过志愿者来进行实验得出了下肢内旋的最大牵引力平均为231.9N，外旋最大力矩平均为6.31N.m[24]。男性与女性的最大牵引距离无明显差异。YukiMaeda教授研究股骨干骨折复位时，做了好几组人体实验，实验数据表示:当有意识健康志愿者的四肢在感到疼痛或异常时，这时施加于有意识健康志愿者下肢最大牵引力达250.7N，平均最大扭矩内旋5.6Nm，外旋76Nm，因此股骨近端骨折复位过程中所需的平均牵引力为215.9N，旋转扭矩为3.2N.m[25]。由于骨盆周围有许多的韧带纤维束以及众多肌肉组织包裹着，因此在完成骨盆复位过程中需要提供较大的牵引力及牵引力矩。但是,当骨盆发生了骨折时,需要在骨盆进行手术前和复位前就必须要对这个患者进行一次全身的麻醉,在接受了一次全身性的麻醉后会导致使得全身肌肉恢复到一种放松的状态，因此骨盆与股骨之间的连接强度就会降低。综上所示，骨盆骨折过程中所需的最大牵引力大致为200~350N，最大复位力矩为10~25N.m.1.1.2骨盆固定分析由于骨盆骨折后骨盆腔内环境复杂，肌肉与韧带之间的牵引力比较大，因此，对骨折的骨盆进行复位时，需要将骨折骨盆进行牢固固定。为了能够相对牢固的把持骨盆并在三维空间中移动，置入骨盆的末端固定针一定要有足够的把持力，固定针的位置也至关重要。固定针的位置的选择需要保证总体的连接强度，又不能影响骨盆的复位操作。根据骨盆骨折的各种分型和数目统计资料可以知道，骨盆骨折大部分发生在骶髂关节连接处或耻、坐骨联合附近位置。因此为了使骨盆与固定针之间的连接强度最大，需要在髂骨翼的不同位置上植入髂骨钉。因此衍生出了四条髂骨钉的入针通道。如图2-1所示:图2-1四种入针通道A线从髂后上棘上方24mm处为起点，方向是为髋臼上缘；B线是从髂后上棘上方24mm处为起点，方向是髂前下棘；C线从髂前下棘为起点，方向是髂后上棘；D线是髂后上棘为起点，方向是髂前下棘[26]。但是，由于每个人的骨盆的大小、髂骨翼的倾角都不一样，所有在设计骨盆骨折复位机器人的时候要充分考虑到机器人与髂骨钉的连接方式，使其能够满足大众的需求。1.2机器人体系结构研究1.1.1骨盆复位机器人手术系统设计要求在机器人进行骨盆骨折复位过程设计中，有很多方面因素需要考虑，要尽最大可能减小复位过程中对患者的身体伤害，提高手术复位精度及手术成功率，需要满足以下几个设计要求:（1）手术精度要求手术精度是决定机骨盆复位手术质量的决定性因素。而手术精度由多方面决定。手术精度由以下几个方面决定：一是空间配准的精度;二是末端夹具的精度;三是人为操作误差造成的精度。因此机器人对于机构的最终的精度要有以下要求:姿态位移偏差2mm以内，姿态旋转偏差2°以内。（2）运动功能要求这款机器人还是应该要拥有足够的自由度数，才能使其结构中的末端机械结构能够表现出较好的灵活性。该类型的机器人不仅仅是需要在一定连续的空间内进行连续运动，并且还可以在一些特殊位置上实现一定姿态调整，通过调整姿态用规避骨盆腔内重要血管、组织和器官，使骨盆患侧位能够以最佳的复位路径进行手术操作。（3）人机交互性要求骨盆复位手术机器人在进行手术过程中需要医务人员的参与。因而该款手术机器人系统应该具有比较完备的人机交互功能，使机器人与手术环境能够比较好进行融合，更加便利医护人员使用，减少医务人员的学习时间。（4）安全性要求由于手术机器人应用环境的特殊性，其设计难度远高于其他行业机器人设计。人体骨盆内部分布着大量血管和组织，使得骨盆复位机器人复位手术操作变得十分复杂。在机器人进行骨折复位手术的过程中，如果机器人的操作失误和机器人死机，就会造成严重的医疗事故。为了对医生和患者的平安考虑，在设计手术机器人的时候，应该考虑手术过程中可能发生的各类事故，针对机器人出现的问题，就必须设计一款合适的安全机制来应对手术过程中出现的不确定因素。1.1.2骨盆复位机器人各模块的设计要求由于骨盆复位手术需要打开一个小的切口，而当整个人体组织遭到破坏时，患者受到感染风险概率高达40%，因此手术过程中必须在无菌环境中进行。骨盆复位机器人作为手术室内器械之一，对骨盆复位机器人的消毒复位是十分有必要的。然而，骨盆复位机器人属于体积较大的机械结构其内部还附带着一些控制电路，因此，由于机器人不能全部进入普通消毒设备中进行医疗上的高温消毒或浸入消毒液消毒。为了解决此类问题，需要设计该机器人具有一部分可以拆卸的结构，该结构是可以用于普通消毒设备进行高温消毒或浸入消毒液中进行消毒，其余部分结构必须在手术之前用已经消毒过的覆盖物进行覆盖，使其部分完成与病人隔离开，保证骨盆复位手术过程中处于无菌环境中。使用机器人来进行复位时，复位手术过程中就不对患者进行X射线照射。在骨盆复位手术之前就需要对骨盆进行外固定，只有将患者的骨盆完全固定才能够获取患者骨盆骨折过程中骨盆健侧位和患侧位的相对位姿关系。由于CT扫描仪可照射的面积过小，因此不能将整个复位机器人都进行X射线照射。因此需要设计的复位机器人中有一部是可以用于CT照射的结构，并且该结构能够很稳定将骨盆的健侧位和患侧位进行固定连接。该结构与机器人有快捷的连接接口，可以在手术前快速与机器人对接。因此复位机器人应该满足以下几个条件：1.机器人应具有一部分可拆卸式的结构，该结构应具备快速的接口用于骨盆的固定；2)机器人的机构应该紧凑，结构紧凑就能保证安全可靠的达到手术目标的大致位置，又不干涉医护人员的操作和观察视角；3)机器人最少应该具有六个自由度，其中X、Y、Z方向平移的最大位移量至少为±50mm，X、Y、Z方向旋转的最大角度至少为±15°；4)机器人应能够提供较大的牵引力，复位牵引力最大为200~300N，复位牵引力矩最大为20~30N∙m；5)机器人机构应具有较高的定位精度，其中位置误差不大于2mm，旋转误差不大于2°；6)机器人应具有高强度、高抗腐蚀性。1.3总体结构设计由于骨盆骨折复位需要高精密和高负载的要求，再加上需要对骨盆骨折机器人有一些特殊的设计要求。因此，综合对现有的骨折复位机器人的结构分析，可以看到并联和串并联结构各自具有一定的优缺点，在性能上有重复，在负载方面存在着不足。本文最终采用串联结构，串联结构发展技术比较成熟、控制相对简单和末端负载较大的特点。由于时代的发展，对于串联机器人的定位精度问题也得到了相应的解决。盆复位机器人的整体构型如图2-2所示，主要是由三部分组成：骨盆外固定架、床体连接架和六自由度串联机器人本体组成。骨盆外固定架是用于固定骨盆，一端通过床体连接架与手术床连接，另一端与六自由度串联机器人本体相连。图2-2骨盆复位机器人模型1.3.1机器人选型由于骨盆骨折的严重性。在复位过程中，需要单独克服的复位力和复位力矩相对来说比较大。对于复位手术的执行机构，机器人的末端应该具备负载能力要高等要求。基于上述的要求，本课题确定了以下几种机器人结构来满足骨盆复位的要求。通过对比机器人的优缺点，来确定一种适合骨盆复位手术的机器人。六自由度串联机器人在医用手术机器人上的应用范围比较广泛的，具有操作简单、控制方便和运动空间大等优点。串联机器人的运动空间大，可以在各个角度和方向上将固定的骨盆复位至合适的位置。但是，串联机器人的刚度较低，动力学会随着尺寸的增加而更加恶化。随着科技的不断进步，对于串联机器人末端机械臂的负载过小情况有了很大程度上的解决。定位精度也随着时代的发展也越来越高。六自由度并联机器人是在Stewart架的基础上研发而成的，具有运动精度高、结构紧凑等优点。但是机器人的运动空间比较小，不能够再大范围内进行运动。并联机器人的驱动装置是安装再定平台或接近定平台的位置，因此它所占据的空间比较大，不适合手术室内使用。六自由度混联机器人是目前国内外发展最为迅速的一款机器人，该型号的机器人主要是由串联机器人和并联机器人进行混合和连接构成的，在一定程度上已经具备了传统串联机器人和并联机器人这两个系列的优点。再运动空间和运动负载上都充分融合了两种机器人的优点。但是，该机器人的控制相对来说比较复杂，自由度之间的分配情况直接影响机器人的运动情况。针对以上三种机器人的优缺点，结合骨盆骨折复位手术过程中所需的各种要求，串联机器人更加满足设计要求。因此本课题选择了一款串联机器人。六自由度串联机器人如图2-3所示，机器人可以分为三个部分组成分别是：底盘、机器人本体和工作端组成。其中，底座是带有梅花轮和地脚螺栓的支撑平台，可以为机器人提供支撑和移动功能；机器人本体是模仿人的手臂运动而制成的，与人手的运动类似。图2-3机器人模型其中基座主要是用于将机器人本体与底座进行连接。机器人的各个关节是由管壁来进行连接的。机器人可以通过各个关节转动，使机器人末端的工具件能够移动到空间中不同位置。由于手术过程中需要考虑的可能出现的各种因素，因此对于机器人的选型上和结构上，本课题应该选择一种安全系数高，能够进行人机交互，与医生进行协作运行的机器人。手术过程中需要克服的工作负载有200～300N，因此，机器人的末端负载能力能够满足复位力矩。选用的是AUBO-i16机器人是遨博公司最新的研制的人机交互机器人，其运动空间如图2-4所示。AUBO-i16机器人是一款人机交互机器人，其末端的负载达到了16kg。机器人的运动半径达到了970mm。满足设计要求。图2-4机器人运动空间由于手术床的高度和进行骨盆复位手术过程中需要将患者放入工作空间最富裕的范围内，因此需要对机器人加底座。底座的高度可以根据实际情况进行调整，机器人只是快速将末端机构放置在骨盆复位手术的一个工作范围内，再根据骨盆外固定架是对骨盆进行固定，然后在设定的复位路径下，缓慢的对骨盆进行复位操作。1.3.2床体连接架设计床体连接架一端是用于骨盆骨折患者的健侧位骨盆与骨盆外固定架连接，另一端是与手术床稳固连接。如图2-5所示，为床体连接架构型。该床体连接架是由两个直板连接骨盆外固定架和连接架。由于骨科手术大部分都是采用卧式进行手术，因此需要对连接架进行加高设计。由于骨科手术床的两侧都会具有长条形的支撑架是用于与其他设备的外部固定，因此床体连接架下端采用两个可以用于快接的连接件，上端通过螺钉与骨盆外固定架连接。图2-5床体连接架床体固定架是能够在患者进行骨盆复位手术过程中对患者的健侧位骨盆进行固定或在手术前进行X射线进行扫描时对能够对健侧位骨盆进行固定，保证了健侧位骨盆与患侧骨盆之间的相对位姿。减少了医生在进行外科手术过程中，反复使用X射线照射。减少X射线对医生和患者的伤害。1.3.3骨盆外固定架设计骨盆外固定架是用于对患者骨盆进行外固定的的串联结构。如图2-6所示，整体结构可以分为左右两个外固定板和带锁紧螺钉的移动滑轨三个部分。其中，左右两个外固定板是采用相同的构型，固定板上分别具有两根垂直分布的连接杆，连