【内窥镜持镜机器人的初步方案设计案例分析5400字】

内窥镜持镜机器人的初步方案设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u2035内窥镜持镜机器人的初步方案设计案例分析 1117731.1课题设计任务 2230211.2课题主要涉及工程复杂问题及解决方案 332391.2.1不动点结构设计 3242651.2.2重力平衡结构设计 4162911.2.3不动点标定方案设计 653161.2.4传动方案设计 7302151.2.5接口方案设计 764601.2.5人机接口方案设计 8245281.2.6针对患者不同体位的结构设计 10112461.3总体方案确定 11231361.4非技术要素分析 1511941.4.1工程与社会 1593401.4.2环境与可持续发展 15225041.4.3职业规范 15307631.4.4项目管理 15200291.4.5个人和团队 151.1课题设计任务（1）完成文献的检索与总结、初步方案设计、详细方案设计（前期及中期报告）、毕业设计说明书等（字数不少于一万字）；（2）结构方面：1)图量：绘制机械图纸总量折合A0图纸3张以上（不包括示意图等简图），其中结构图即装配图不应少于A0图纸1张；手绘图纸量不应少于折合A0图纸1张，其余图纸可使用电子版打印。2)要求使用三维建模软件完成持镜臂整体机械结构的设计，并对关键的零件或结构进行计算或校核；3)利用三维动画模拟持镜臂的全部动作流程。（3）控制方面：1)要求绘制控制系统原理图；2)要求绘制控制系统的主要程序流程图；3)要求编制主要动作控制程序。1.2课题主要涉及工程复杂问题及解决方案1.2.1不动点结构设计该系统的使用场景要求结构需要有远端运动中心（RCM），末端持镜部分方便拆卸并进行高温消毒消毒，结构简单，重量轻，体积小，便携性强。(1)被动不动点虎克铰结构优点：被动简单小巧，结构简单，质量较小，主动关节较少控制系统较为简单。缺点：不动点会借力于创口处固定的套管针，由于患者呼吸等因素可能产生晃动，主动部分较大，术前需要不动点定位，如图1.1a所示。(2)主动不动点平行四边形结构优点：主动部分小，不动点固定无晃动。缺点：被动部分较复杂，体积与重量较大，主动部分集中在创口附近，可能干扰手术操作，如图1.1b。(3)主动不动点弧形关节结构优点：不动点固定，无晃动。缺点：被动部分体积较大，主动部分质量集中于创口部分，可能干扰手术，如图1.1c。(4)主动冗余运动学结构优点：无被动关节，体积较小。缺点：控制方案较为复杂，需要虚拟出一个远程不运动中心，主动关节多，因此电动机数量多，整体质量较大，成本较高，如图1.1d。abcd图1.1机器人结构对比Fig.1.1Comparisonofrobotstructures综上选择方案一双被动虎克铰结构。被动不动点结构具有三个主动关节和两个正交的自由活动关节，自由关节完全顺应外界力进行运动，实际手术中由患者皮肤上的戳卡提供约束力，相对于主动不动点结构，被动不动点结构关节更少，结构尺寸更少，术前调整时间短，缺点是由于患者皮肤较为柔软，机器人末端运动精度较差，可能会有轻微移动。1.2.2重力平衡结构设计(1)扭簧平衡在主动关节处加装扭簧抵消部分力矩，结构最为简单，但会增大关节处体积与质量，如图1.2。图4.2扭簧平衡示意图Fig.1.2Diagramoftorsionspringbalancemechanism(2)弹簧平衡在机械臂中空支架内加装弹簧，使用金属丝与固丝轮将拉力转换为扭矩抵消部分力矩，重心底，不增加关节处体积，如图1.3。但是图1.3扭簧平衡示意图Fig.1.3Diagramofspringbalancemechanism但是由于弹簧的特性，拉力一定会随着唯一发生很大的变化因此并不能很好的拟合重力扭矩曲线，如图1.4所示。图1.4弹簧平衡模型拟合图Fig.1.4Fittingdiagramofspringbalancemodel(3)氮气弹簧平衡将氮气弹簧置于中柱内，通过齿轮钢丝传递扭矩，重心低，且气撑质量较小，便携性强，相比于弹簧结构，气动弹簧压缩后压力变化更小，配合推杆组成曲柄摇杆结构能更好的拟合重力曲线如图1.4所示，平衡性能更佳。(b)(a)(b)(a)图1.5(a)氮气弹簧平衡示意图(b)力学模型Fig.1.5(a)Nitrogenspringbalancediagram(b)Mechanicalmodel综上选用方案三使用氮气弹簧方案重心较低，通过推杆可以将线性弹力转换成非线性扭矩，更加契合不同角度上的重力的分力情况，平衡更为精细。同时由于重力大部分被平衡，电动机可以选用的范围更广，节约成本的前提下也更加节约、环保，符合当今可持续发展的要求。1.2.3不动点标定方案设计由于该设计为被动不动点结构，自由关节处的位姿难以确定，进而使得不动点位置不能确定，因此需要一种检测或标定方法确定或检测不动点位置。(1)一二自由臂加装激光标定加编码器检测分别在两个自由臂上安装两个编码器与两束十字激光标尺，依靠激光交叉点标定不动点位置，待医生将标定位置重合到手术创口处，通过编码器反推出创口不动点位置，但由于该方法在第二自由臂上加装了过多器件，会使末端体积与质量增加，不利于精确控制，也不利于第二自由臂的拆卸更换。且由于主动臂位置的限制，在某些手术体位，如患者侧卧时，激光路径可能会被遮挡。(2)第一自由关节加装编码器与激光测距模块该方案在第一自由关节加装编码器，并在第一自由关节加装与其成确定角度（垂直或平行于自由臂）的激光测距模块，在术前需要手动将光标对准创口中心，进行测距，并通过处理器计算出中心位置，该方案能大幅减小末端质量与体积，提高稳定性与便携性，但术前标定较为复杂。同时由于存在套管针对创口处的遮挡，使用激光测距的方案标定精度有所降低。(3)第一自由关节加装编码器与可动定角度激光标尺该方案在第一自由关节加装编码器，并在第一自由关节加装与其成确定角度（垂直或平行于自由臂）的激光标尺与激光测距传感器，利用四个编码器及一个确定角度的标定激光束确定不动点位置。术前只需要将光标对准创口中心，依靠编码器与激光测距计算出中心位置即可，如图1.6。图1.6不动点标定过程示意图Fig.1.6RCMcalibrationdiagram综上选用第三套方案该方案相较于一二方案末端体积与质量更小，术前标定操作更简单，更符合持镜操作机械臂的要求。同时该新型标定方案若能实验成果，也能在一定程度上开阔其他科研人员的思路，为手术机器人发展提供绵薄之力。1.2.4传动方案设计(1)整体式方案该方案常见于手术机器人系统，如MIRO机器人。直接将电动机安装在关节处可保证机器人精度，但其重量与体积更偏向机械臂末端，有悖设计初衷。(2)分离式方案将机器人主体与动力部分分为两部分，使用钢丝绳传动，并在电机箱设置快拆接口。该方案重量更分散，便于运输与术前安装。该方案中多曲率丝轴-导管传动结构已被证实运用到手术机器人上可行。综上选用第二套方案分离式设计便于减小机械臂末端质量与体积，更符合便携持镜机械臂的要求。1.2.5接口方案设计(1)旋转固丝方案该方案依靠固丝轮上的螺旋槽体与金属丝的摩擦固定金属丝，可以直接利用电机输出的旋转运动，精度较高但接口体积与质量较大，机器人装配较复杂，如图1.7所示。图1.7固丝轮方案Fig.1.7Fixed-wirewheelscheme(2)平动固丝方案直接将金属丝末端卡头与丝壳末端截面装卡到动力箱输出接口，使得机械臂段无需增加更为复杂的接口结构，不增加体积与质量，但该方案需要增加齿轮-齿条机构将电机输出的旋转运动变换为平动，并消除回差保持机构精度。综上选用第二套方案相比于使用固丝轮固丝方案，平动方案使用的材料更少，质量更轻，结构更加简单，而精度问题可以通过双齿轮啮合等方法消隙解决。在社会层面上，该方案更加环保，经济，符合可持续发展的社会要求。1.2.5人机接口方案设计(1)头控在EndoAssist[14]和Freehand系统中[15],带在外科医生头部的红外发射器和安装在监视器上的接收器共同工作来检测医生头部的4个自由度(3旋转和1前/后平移)，如图1.8，并以此控制内窥镜持镜机器人。但为保证其安全性还需增加一个使能踏板，在需要控制时踏下踏板以保证传感器不会采集头部的多余动作。图1.8头控示意图Fig.1.8Diagramofheadcontrol(2)脚控上银的MTG-H1000机器人增加了一个踏板，其上传感器可以在多个方向上采集脚部施加的力，使外科医生能够以直观而有效的方式持续控制机械手臂的运动，如图1.9。近期研究[16,17]表明，足部与手部的配合更加高效协调具有更优越的操作能力。图4.4脚控示意图Fig.4.4Diagramoffootcontrol(3)声控外科医生通常使用带有麦克风的耳机，用“up”,“down”,“right”,“left”,“in”,“out”等简单的单词来传达命令，然后在耳机中重复这些单词，以检查系统是否识别出正确的命令。ZEUS，如图1.10，和AESOP2000[19]机器人就使用了这种语音控制。但该方案易受环境干扰，且效率较低。图1.10声控示意图Fig.1.10Diagramofvoicecontrol(4)眼动控制通过检测眼睛注视的方向来判断操作者意图的人机接口已经被开发出来[14,19,20]。在这个系统中，需要一个眼动仪监测医生的眼球运动来推断其注视的位置。例如，Noonan等人提出了一种系统，通过外科医生注视一个按钮或特定的屏幕区域来控制腹腔镜机器人的运动，[21]Staub等人的系统[22]也使用注视来控制腹腔镜移动方向，通过踏板来激活机器人。TransEnterixsurgicalInc.的enhanced外科系统[23]可以跟踪外科医生的眼球运动，从而控制相机的视野。但不自然的注视方式会使医生分心，提高了手术风险。[24](5)舌控舌头[25]也可以用来替代肢体缺失的功能。例如，D.Johansen等人[26]开发了一种感应舌头控制系统，用于控制假手。将一个特殊的激活装置粘在舌尖上，如图1.11a，可以接触舌尖上的感应传，有5个激活区域用于控制假手，如图1.11b，但该方案移植到手术机器人上可能会影响医生术中的正常沟通，导致手术效率低下。图1.11舌控示意图Fig.1.11Diagramoftonguecontrol综上选择方案二脚控脚控能在最大限度上避免操控机械臂对医生手术的干扰，提高手术安全性，同时相较于其他方案，脚控结构简单可靠，减少维护成本，避免不必要浪费。1.2.6针对患者不同体位的结构设计初期方案设计时考虑到侧卧体位手术时，内窥镜可能会与机械臂处于床体两侧，同时内窥镜有可能与床面平行，因此将手臂极限尺寸设定为900mm左右，但实验过程中发现由于实验室定制的双目内窥镜，镜身尺寸相比于从传统内窥镜更长，机械臂并不能到达对侧极限位置，因此最终更换方案，在侧卧体位手术前，机械臂设计在主刀医生一侧，手臂向上弯曲不能影响到医生操作。第二段手臂被修改为可手动旋转结构，术前根据手术的不同需求将其固定到某个位置。患者不同体位手术模拟图如图1.12、图1.13所示。图1.12患者仰卧体位手术状态模拟图Fig.1.12Simulationdiagramofsurgicalstatusofpatientinsupineposition图1.13患者侧卧体位手术状态模拟图Fig.1.13Simulateddiagramofsurgicalstatusofthepatientinlaterallyingposition1.3总体方案确定该系统整体采用三主动关节二自由关节丝传动被动不动点虎克铰结构，依靠编码器、激光标尺与激光测距融合标定不动点位置。运动控制卡使用DeltaTau公司的POWERCLIPPER。主动关节使用输出力矩78.2mNm的MaxonEC-imotor496652无刷电机，配合1/100谐波减速器，输出力矩可达39Nm，在重力平衡结构失效的情况下依然可以维持系统工作，保障手术安全。人机接口方案为脚控。手术模拟图如下图1.14，整套系统由结构、驱动、控制、人机接口四部分组成，控制部分将信号传输给驱动，以此带动结构运动，同时结构上的位置与速度反馈信号与人机接口输入的信号又共同决定控制系统输出的信号。图1.14手术状态模拟图Fig.1.14Simulateddiagramofsurgicalstatus主动部分的动力来源为电机箱，动力通过电机-钢丝绳接口传递到钢丝-丝套最终传递到关节处的固丝轮上如图1.15所示图1.15传动方式示意图Fig.1.15Diagramoftransmissionmode脚控板将光流传感器与压力传感器结合，完成三位层面上的控制。如下图所示，压力传感器位于微动开关下面。当微动开关摁下时才启用压力传感器，能给医生直观的踩踏反馈，避免误操作。图1.16脚控装置Fig.1.16Footcontrolunit系统整体设计图如图1.17所示。图1.17整体方案设计图Fig.1.17Overallschemedesigndrawing其操作流程为，术前将机器人与驱动箱接口连接，之后将机器人由折叠状态打开，底座固定在手术床旁，待医生画好创口位置后，手动定标，待十字光标与创口中心重合的同时摁下测距功能按钮，此时通过编码器与测距信息可计算得出不动点位置信息，之后按正常步骤切开创口，插入套管针，并将内窥镜插入套管针，调整视野。位置确定后即可将机器人末端与内窥镜连接，进行手术。术中主刀医生通过脚下的脚控接口对图像位置进行调整。使用结束后折叠归零，断开接口，进行消毒操作。图1.18为机器人运动范围图，具体数据已在图中给出。图1.19为机器人三维模型图。图1.18运动范围图Fig.1.18Rangeofmotionmap图1.19三维模型图Fig.1.19Threedimensionalmodelofrobotbody1.4非技术要素分析1.4.1工程与社会医疗科技的不断发展，提高了医疗质量的同时也降低了医疗成本，能够帮助医疗行业解决诸多例如资源短缺、分配不均等民生问题。近几年来，我国自上到下高度重视对医疗科技的投入，政府也出台了一系列鼓励政策促进医疗行业的发展。早在2016年12月