种医疗机器操作手设计
工作空间分析
摘
现科技力发展前提医学界带少福音中微创手术相较传统手术成外科界追求种手术境界正外科传统手术逐步发展起慢慢微创手术转型毕竟医学界言医学持续发展根题解决患者痛苦治愈患者伤病时程度减少患者带创伤
微创手术机器正样环境发展起逐渐步入视野应优势日益显现微创手术机器医生间联系通操作手控制界面实现谓操作手说实现机交互重手段医生操作微创手术机器进行手术程中操作手作极重通操作获取手术需器械操作手性指标非常重会手术终结果造成定影响确保操作手具良性微创手术机器医疗领域运发挥重作
文容：
根医生手术程中手臂操作动作特点空间距离结合医生操作手标准姿势性求该行进行具体设计设计完成结合DH算法该设计进行相应验证求解完成整操作流程仿真模拟场景分析文章末尾操作手具体结构组织进行设计操作手关节结构遇问题进行方案研究终完成操作手技术设计图
关键词：医疗仿真运动学理结构设计
An analysis of the design and work space of the master manipulator of a medical machine
Abstract
In recent years with the development of science and technology minimally invasive surgery has become the standard of foreign science and the higher state of the surgical industry As a result surgery underwent a transition from open surgery to minimally invasive surgery The eternal rhythm of medical development is that while healing the pain for the patient it minimizes the medical trauma The microsurgical robot was developed in this environment and gradually became the people＇s field of view The doctor＇s direct control of the interface for medical robots is the main operator and the main operator is an important humancomputer interaction device During surgery the doctor always by operating the main operator to control the manipulator using the equipment required for operation and therefore the main operator of the performance will directly influence the effect of the surgery It is of great significance to promote the application of medical robots in the medical field The main content of this article is as follows
First of all according to the doctor in the process of open surgical hand operating characteristics and the working space to get the master manipulator design criteria and performance indicators so as to complete the structure of master manipulator design Then the method of dh is applied to solve the positive kinematics of the main operators and the kinematics simulation and the work space analysis are carried out Finally to complete the structure design of the main operator to solve various joint power how to pass in small narrow space wire transmission design problems such as tension and complete the master manipulator detailed 3 d part drawing and assembly drawing
Key Words：Medical robots The main operator Kinematics analysis Organization design The workspace
目 录
第章 绪 1
11引言 1
12微创外科手术 1
13式微创手术机器研究现状 1
14 医疗机器操作手国外发展状况 3
15选题目意义 5
16文容 6
第二章 操作手方案设计 7
21引言 7
22操作手结构设计分析 7
221操作手设计求 7
222操作手结构设计 8
2221操作手结构分析 8
2222构型确定分析 10
第三章 操作手运动学分析仿真 12
31 引言 12
32操作手运动学模拟 12
33 操作手正运动学 13
35操作手工作空间分析 15
第四章 操作手结构设计 17
41引言 17
42操作手设计 17
421结构传动原理设计 17
422机构设计 19
43电机选择 20
参考文献 22
致 谢 23
第章 绪
11引言
网络快速发展科技快速发展时机互联网发展生活带重改变时带动行业信息化发展机器发展推动机器发展够类反复重复枯燥工作中解脱做更意义事情机器出现仅够代类完成安全性差环境艰苦工作类生活起居更加安全便利医疗领域高新技术发挥余传统手术方式方法进行技术更新然医疗机器行业机器截然工业机器较医疗机器必须极高精准度稳定性外医疗机器价格菲够应种手术
般性医疗机器需分操作手操作手户操作操作手实现手速动作操作手操作手控制实际户通种关系完成技术操作操作手操作手适配性会直接影响医生实际操作见果够设计研究套高性医疗机器操作手必定会医疗机器发展带更进步推动
12微创外科手术
微创外科手术称钥匙孔手术通微切口进行手术操作行该手术程非常简单求精准性极高般情况医生会通操作手控制操作手结合医疗成系统病患处进行手术
该种手术方法手术相具事尤患者讲牺牲身体代价完成手术仅降低医疗事发生定程度减少患者痛苦进减轻患者身体心灵压力医生讲通微创手术完成许完成高难动作尤手术空间限情况医生通机械手灵活性狭工作空间够容易完成手术提高手术成功率时医疗机器引进减少医生失误例粗心手术工具落病体消医生操作时手臂颤动减少手术风险微创手术国医院已普已外科医院标准配备
13式微创手术机器研究现状
机器研究单纯门学科研究仅需动力学计算机科学动化技术等科目医疗机器讲医学外科手术定解医疗机器研究身跨学科技术研究基医疗机器灵活性医生够更加容易完成传统手术中法完成操作仅够减轻病痛折磨提高外科手术成功率
1990年美国Computer Motion公司成立1992年该公司研发出第微创手术窥镜机器——AESOPAESOP出现极程度改善时医生手持窥镜手术易产生疲劳颤动现状1993年AESOP利完成台胆囊切手术美国食品药品监督理局批准成首批全球销售手术机器1998年Computer Motion公司成功研制出Zeus式手术机器图11示Zeus式手术机器系统
1999年美国Intuitive Surgical公司成功研制出da Vinci（达芬奇）外科手术机器系统台名气机器具定划时代意义出现说医疗器械发展开扇创新门期医疗技术发展提供参考该系统身系统医生控制操作手操作手控制操作手患者进行微创手术现该西戎已应外科手术领域简单简单腹腔手复杂心脏手术通该套系统完成图12该结构演示
户程中需通眼睛图结合手部动作进行操作手术程中户需观察设备中传输图查工作情况进完成动作该系统仅够单方面降低患者痛苦降低医生工作强度医生通该系统手术方式开放式手术没区外该系统提供辅助功降低失误率例忽略医生轻微手部颤抖力量均匀等该系统然弥补传统手术缺点身讲定足处直接点成提升会带医疗诊断费增加
年国医疗机械水逐步提高作代表性北京航空航天学研发脑外科医疗系统妙手A机器操作系统两系统式医疗系统整体分三部分操作端操作端视图成部分操作手具强度通三方进行操作图13示妙手A（MicroHand A）系统
14 医疗机器操作手国外发展状况
作外科医生交互设备操作手必须定稳定性控性外科医生通操作操作手操作手传递信号包括方力量速度等操作手根操作手传递信号患者体外科医生动作进行实现操作手灵活性准确性会直接影响手术成功机器厂商操作手通应医疗领域应领域动化航天娱乐等
141国外操作手研究现状
（）美国Sensable Technology公司PHANTOM系列
PHANTOM系列包括PHANTOM Desktop系列PHANTOM Omni系列PHANTOMPremium系列PHANTOM 306DOF系列该系统工业结构十分轻具灵活性作机交互系统触觉敏感已成目前具代表性工业商品
PHANTOM Desktop系列具六度适合桌面操作环境时反馈xyz三方力该设备允许操作者操作甚碰撞3D虚拟窗口笔杆中装带编码芯片检测3度位置图14示
图14PHANTOM Desktop系列操作手
PHANTOM Omni系列触觉交互设备中济实惠样具六度位置传感外形工作空间紧凑结构更便携运营范围分辨率输出力PHANTOM Desktop系列低图14示
图15 PHANTOM Omni系列操作手
142国操作手研究现状
机器操作手研究国该方面研究时间较晚没专业商业公司进行批量生产学科研单位进行学术研究着年济快速发展国家力支持创新相关种科研项目层出穷截目前该研究领域陆续取成果
样条件天津学成第完成突破性进展科研单位该单位研究出操作手具度强灵活性手容易外科医生需通操作手操作够完成意想完成动作详情参考图16外哈尔滨工业学研究款摇杆操作手医生通操作摇杆完成手术详情参考图17该操作手手术中成功应联结构逆运动求解时较复杂海交通学成功研发五维力反馈虚拟手术装置图18示采串联结构度角度完成力反馈进模拟腹腔手术外科医生手术动作该操作手医生患者患处进行手术程中医生会感受器械器官作力
国医疗机器方面发展已开会时尤具体结构方面已取定成绩国外先进技术相相差甚远基础科学进步研究解决
图16关节式操作手 图17缩放式力觉操作手
图18五维力反馈虚拟手术装置
15选题目意义
医疗机器较命题涉领域仅仅计算机技术计算机图形技术动化技术医学机械运动学相关知识简单更领域知识融会贯通结合起够完成巨市场潜利益驱科学技术快速发展医疗机器已迎发展时机机器灵活度较操作精准稳定性良特性前医疗技术水进步提高病方面医疗机器降低病痛苦降低手风险进提高手术成功率患者身体讲伤害达化医生方面医疗机器具机交互体验操作方便灵活手术程中消医生心理者压力带手抖等误操作听系统力反馈作外科医生够感知手术环境外操作手动作操作手操作手操作手间必须具备高准确性操作手必须灵活度满足医生操作求
综述医疗机器结构中操作手研发国医疗现代化水发展具推动型作进提高国医疗领域快速发展推进微创手术技术进步改善国未医疗水提高健康水具重意义
16文容
文述容医疗机器结构——操作手进行设计研究通外科医生操作环境工业标准性指标等方面进行解考证设计套完备操作手结构结合流行DH算法进行运动分析整套系统设计进行仿真模拟完成操作手结构化设计根设计结构图操作手进行具体模块设计时设计程中解决关空间狭等方面问题
第二章 操作手方案设计
21引言
设计需设计标准操作手设计中操作手设计标准首先需考虑课题研究医疗机器针腹腔手术操作手结构设计需特定户需求外科医生操作部分需支持种度部分确操作手位置部分确定操作手姿势外操作手动作变化必须流畅具定操作空间操作手设计整体操作手进行样结构设计操作设计需操作手部分考虑进操作手操作手行直保证外科医生操作准确度简化医疗机器结构
操作手连接着外科医生操作手操作手设计医疗机器设计中重直接影响着外科医生操作步骤章面会操作手设计方案进行述
22操作手结构设计分析
操作手作机交互接口灵活易性十分重仅手术医生带良操作感够保证手术利进行操作手构造分串联联两类两种类型优缺点操作手进行设计时候需根实际机器应场景设计然结合种类型优点确定合适种结构
221操作手设计求
医疗机器实际应参考图21医生根操作手行操控制操作手体患处行整传递程必须协调致操作手结构设计需具定灵活性精确性文研究象医疗机器辅助系统帮助医生患者进行腹腔手术结合具体应场景户需求操作手进行定制化设计
通实际手术场景解知道手术时候操作空间操作手重操作手空间操作手空间相互应操作手进行设计时候首先考虑具体手术操作空间
第操作手空间参考图22进行解通图描述解两圆锥左右操作手具体操作空间相交叉部分两操作手操作部分根文献综合实际手术程操作手工作空间特点确定操作手工作空间φ150mm*150mm 圆柱体果操作手工作空间设计太医生动作幅度增样容易医生产生疲劳感相反操作手空间太话法保证医生操作灵活性复杂操作会非常困难
第二通医疗机器进行手术具体求操作手需满足特定度动作保证位置姿势正确性外操作手位置姿势定程度进行拆分彼会赖样够利降低两操作手设计复杂度动力学中控制带定方便时医生言实现运动解耦操作手操作起更直观
第三操作手精准度极高求动作误差者计算误差导致手术失败甚病生死安危操作手操作必须流畅精准够患者操作空间然基分析文操作手设计结构具明确求操作手部结构包括关节结构需稳定紧凑关节惯性太作机交互接口需容易操作会医生号体力时量减低医生收颤抖带副作
综合起操作手设计求：
（1）工作空间φ150mm*150mm 左右圆柱体
（2）度包括操作位置度操作空间度
（3）设计完成操作手结构解耦操作手间赖
（4）运动精度≤05mm
（5）操作手设计机构实现重衡
（6）具良机交互设计体工程学设计部零件关节设计紧凑
222操作手结构设计
2221操作手结构分析
操作手分联结构串联结构串联结构指操作端执行端够犹记联系起联结构种封闭式结构串联结构具体设计参考图23根转动副移动副组合 RRRRRPRPPPRRPPP 五种构型
常见联机构图24示：
串联结构点事操作空间足够操作灵活部设计简单运动学线原理设计复杂明显缺点功单性较差联结构刚相反操作空间操作相串联结构灵活设计原理复杂性
串联联详情较参考表21
表21串联机构
特性
串联机构
联机构
灵活性
工作空间
结构
奇异点
动态性
承载力
运动学正解
较
较简单
工作空间边缘
较差
较低
简单唯解
较差
较复杂
工作空间边缘处
较高
复杂包含解
表21出串联结构联结构优点缺点文根实际应求选取串联结构第文研究医疗机器辅助手术求医生直接操作操作手进行手术动作流畅灵活性定求外腹腔手术具足够操作空间操作空间求范围进行控手设计必须考虑方第二操作手太长串联结构首选第三医疗机器手术精准度力度明确求选动力学原理较简单串联结构够保证该机器操作手保质完成
2222构型确定分析
（1）选定操作手设计结构细节记性具体分析首先研究机器操作手关节配置图23解种串联结构优点具体较结构参考表22
表22常见串联机构
构型
RRR
RRP
RPP
PRR
PPP
工作空间
较
较
运动灵活性
较
较
较
差
通表22 分析进行较结合实际应求选RRR型作结构模型考虑转动副关节组合形式关节轴线分竖直水两种方式关节配置具体方案参考图25
通方案解方面分析
操作空间通面八结构较关节全部水结构时候操作空间面求较结合实际需求排外结合运动学原理降低惯性方面考虑终bcd三选型中进行选择
作医生直接接触操作手应该具良操作手感操作手应该具较衡否会加重医生操作手操作压力医生操作疲劳导致手术失败衡角度图25方案中b结构够满足实际应需求结合分析结构操作手设计选型RRR型串联结构关节位置选择图25（b）方案终图26简单结构图
（2）机械位置空间姿势完全分解文操作手分两部分单独设计前文操作手手臂设计结构进行分析完成现需操作手手腕进行分析设计手腕部分操作十分复杂保证医生手势姿态正确性保证操作手正确性文手腕部分设计完全转动环绕关节分三部分三部分彼间呈直角夹持机夹持中心放关节部位操作手整体结构图参考图27
第三章 操作手运动学分析仿真
31 引言
第二章操作手关节结构进行设计建立应设计模型列出应数值终建立应数学抽象矩阵根该矩阵操作手操作空间学术原理进行分析
32操作手运动学模拟
图31手运动学模型
文设计操作手模型设计出图31示操作坐标系中连杆坐标系原点基坐标系原点重合Zi（i0…6）分关节轴线XiYiZi（i0…6）连杆坐标系
设计结构模型进行坐标系建立确定具体物理参数包括长度角度等建立DH参数表表31示
杆件号
连杆转角
连杆长度
关节角
连杆偏距
关节变量范围
连杆参数
i
i1
ai1
i
图示位置
di
a2240mm
d4206mm
1
0
0
1
0
0
90°~90°
2
π2
0
2
0
0
10°~170°
3
0
a2
3
0
0
30°~150°
4
π2
0
4
0
d4
0°~180°
5
π2
0
5
0
0
30°~150°
6
π2
0
6
0
0
60°~60°
表31操作手DH参数表
33 操作手正运动学
操作手关节数结合运动学计算操作手部连接点信息手术程中户会关注直接操作手操作需关系模块间运行原理
根操作手DH参数表求出连杆变换矩阵：
意度操作应坐标系相基础坐标系应数学矩阵假设度n应矩阵：
设操作手末端连杆意位置极坐标里位置表示：
手六关节均转动关节运动变量均关节角手正解DH变换矩阵：
中元素：
式中
PXPYPZ 位置关节变量123关姿态变量456关原操作手腕部三关节轴线相交点正说明操作手正运动求解正确性
35操作手工作空间分析
操作空间操作手整体结构空间代表运动空间衡量操作手力重考量指标物理空间方面考虑操作手否够满足实际应中求外操作空间详细划分达操作空间熟练操作空间达指空间位置操作手达熟练操作空间指某操作空间费力气完成操作手想达位置空间集合
外操作手工作时候需调整操作手操作手间映射关系者说应操作空间例保证操作手间精度准确度般讲操作手间例操作精度成正操作例会医生带疲惫感合理操作例必须够保证精度基础量降低医生操作疲劳实际问题中实理分析复杂果想找较合适例需考虑动控制操作手位置达边界值够中断重新映射操作手样设计会操作手受外环境限制终确定手工作空间200×200×200mm3空间体积
前研究课题者实际应中操作手空间确定算法数值型算法图解型算法等文采数值型算法操作空间进行分析
数值型算法定弊端首先数数值型计算数量遇边界非规图形时候具性基数值型算法确定续发展种较完备算法成蒙特罗算法该算法抽样方式解决数学问题进模拟该操作手模型
该算法通操作空间范围进行机抽样然操作手末端关节达空间界点进行搜集组合起进形成机抽样算法第步末端关节位置坐标进行求解结合机取抽样值终执行坐标系终通仿真软件坐标点输入进行仿真模型
该算法具体操作流程详细步骤示：
1) 结合运动学变换矩阵章完成设计模型操作手末端关节参考点
位置p（pxpypz）：
2) 操作手部关节角度选取变量：
公式318中i变量代表关节点取值样12直nλ代表p参考点样数
3）步应量值第1步中参考点带入第2步中公式量值带入仿真模拟软件中具体样图形终形成应操作空间定情况量样数表示操作手末端具体工作空间理讲样数量越仿真操作空间图越真终图35操作空间图
文操作手操作空间分析终仿真结果满足实际应需求时该结果操作手参数够应起整体操作空间形状玩没太出入该结果实际工作情况吻合
文蒙特卡洛算法操作手操作空间进行计算利仿真技术该算法数进行反正模拟终操作空间图该图形实际操作需求相吻合
第四章 操作手结构设计
41引言
操作手构造设置时候需五方面进行研究第确保操作手身材巧构造严密第二操作手宜重需惯量较第三操作手操作范围够第四操作手硬度达标第五操作手实现重力衡五点需考虑构造设置中应该考虑电气安全电线分布等问题尤需详细规划操作手操作方式联动方案操作手前三节点部位安排
42操作手设计
421结构传动原理设计
设置操作手传动原理时串联形式缩减操作手惯量关键前三部位会硬度较强钢丝绳改变电机放置位置选择基座部位外通操作手关键位置增加电位器促操作手变繁琐惯量加时会操作手具备种位置寻零特殊功见选择佳点放置电位器尤重文述中会重点放基座丝传动电位器发挥作避免远离操作手关键部位造成数错误选择电位器放置紧挨操作手关键部位
耦合通信软件机械工程中较常见情况丝传动例外样情况更容易发生串联结构中果发生会造成重影响避免样情况发生需清晰认识操作手关键部位丝传动蹴分层级进行中划分三种级传动关键部位传动独完成完成相互间存着分割联系关键第二部位需满足身运动需关键部位进行正确引导部位需进行缜密设计
图表达清晰关键第部位通级丝传动进行运作中包含三部位三部位相互配合完成运作程首先丝轮电机带动丝轮会围绕丝槽慢慢运动起钢丝绳会加入电位器中带动电位器步转动实现关键第部位整体运动
图41关节1丝传动
级丝完成第部位整体运动时会带动动丝轮运作电击器运作时丝轮开始拉动级丝二级丝运作会完成二级丝传动二级丝传动图42示
图42操作手二级丝传动
完成关键第二部位传动时需兼顾会发生解耦动作关键第二部位进行详细划分变成两板块实现连接连杆二时候包含丝槽部分部分连接连杆三时候相独立丝槽两部分实际放置位置轴线独立运作
图表达三级丝运作较特殊前面介绍级丝运作中发现想连杆速度缓慢时扭矩幅度增加会钢丝绳预紧装置时需合理设计丝传动轨迹
图43操作手三级丝传动
丝槽存相重电机轴相丝轮加入丝槽设计丝槽时掌握钢丝绳丝轮运动轨迹减少钢丝绳运动时路径明确带数出入外需钢丝绳做包角设计钢丝绳包围方式闭口方式开口方式种方式钢丝绳加包角二话起优化钢丝绳传动作需做包角首先满足钢丝绳精准缠绕方式做分叉挤压凌乱甚出现转动
整操作手部实现结构两部分组成部分固定操作手装置部分锁紧装置两装置间相互辅助相互搭配保证整机械统完整外固丝轮均设丝槽规划丝缠绕路径锁紧装置具体操作步骤：通利孔洞位置装置形状钢丝结合孔洞固定装置紧凑性然通慢慢调整整装置绳索间紧绷感完成锁紧装置开始装置进行固定达法进步拧紧装置情况说明固定装置已牢固完成两操作该装置
422机构设计
节完成设备装配面会设备部子模块进行设计文操作手结构设计知道整设备单设备固定完成需重部件进行设计中包括运动装置线路规划等
电位器必少装置整电子元件中关键部件安装装置固定部位保证会受外界素干扰者损坏放置相讲环境安全方配备硬度装置面
电位器脆弱环境敏感必须采种硬度材料保证够处较安全位置时铝制产品派场铝制品硬度易环境问题发生腐朽问题文研究操作手电位器铝制品作固定
外铝板作阻挡外力电位器损害外力作铝板铝板具柔韧度会轻微产生变形适应外力作种方式变相电位器进行保护浮动连接图图44示
图44电位器浮动连接 图45导轮双重固定
导轮固定方法非常复杂首先确定固定导轮策略够分析出具体组成部分图45导轮机构进行简单演示通演示图知道导轮双重固定涉部件垫片基座轴等垫片够起缓作整设备固定更加稳定基座承载设备作
43电机选择
作操作手核心部件电机整设备切动源文该设备电机定分析研究现较出名电机maxon电机高潮电机技术已赢数奖项专利该机器降低离心力帮助稳定电机位置类似电机相具较稳定性优势结合实际应需求文研究医疗机器操作手需功率电机该种类电机十分适合文研究设备
文研究设备机动部位该款电机动力驱动外关节电机定减速装置保证整体设备运转正常外文研究操作手部模块具定相互摩擦设备身重量电机选择定影响选择具定转矩电机非常适合时需电机转速进行定调整满足实际户需求外腕部连杆质量较需电机额定转矩较终选择maxon RE 13电机作腕部位置关节驱动电机种电机技术参数参考表41
表41直流伺服电机性参数
序号
电机参数
Maxon RE 30
Maxon RE 13
1
额定电压V
24
24
2
空载转速rpm
8810
13600
3
空载电流mA
164
232
4
额定转速rpm
8050
10600
5
额定转矩mNm
85
242
6
额定电流mA
344
0169
7
堵转转矩mNm
1020
115
8
堵转电流mA
393
0701
9
效率
87
68
10
相间电阻Ω
0611
342
11
相间电感mH
0119
119
12
转矩常数rpmA
259
163
13
速度常数rpmV
369
584
14
速度转矩常数rpmmNm
869
1220
15
机械时间常数ms
303
693
16
转子惯量gcm2
333
0540
第五章 全文总结
51全文总结
计算机科学发展医疗行业发展带定契机医疗机器已成时医疗行业热衷发展方文通微创腹腔手术医疗机器操作手部分进行设计分析文工作容总结：
优先处理操作手需满足外科手术应该具备条件整理条件进行设计规划次研究操作手组成结构方式深度分析串联结构优缺点联结构优缺点分析结果进行研究较匹配操作手设计决定优选择操作手结构选择需造坐标系利确定操作手运作然操作手结构模型合理性进行分析验证仿真外需求操作手做详细剖析环节关键部位做出详细分析涉部位包含规划钢丝绳运动范围固定钢丝绳方式预紧完成整体设计
52
作医生手术中帮手医疗操作手医生紧密联系重工具医疗操作手整体性关重决定医生操作程中手术完成效果然次述中已实现操作手功实现没实际运中进行实操次文结言总结出操作手整体结构钢丝绳优化需进行深度研究完善需操作手变更加轻便灵活实性极高配合医生完成外科微创手术外方面考虑优化操作手系统计算时间提高操作手运作力效率避免操作手动作灵活运算处理时间久带重问题
参考文献
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[4] 李勇面机器辅助腹腔镜手术力反馈型操作手研究：硕士学位文哈尔滨哈尔滨工业学2012
[5] 克格著贠超等译机器学导北京：机械工业出版社2010
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[15] 曹毅李秀娟宁祎杨冠英三维机器工作空间误差分析[J]机械科学技术2006
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种医疗机器操作手设计
工作空间分析
摘
现科技力发展前提医学界带少福音中微创手术相较传统手术成外科界追求种手术境界正外科传统手术逐步发展起慢慢微创手术转型毕竟医学界言医学持续发展根题解决患者痛苦治愈患者伤病时程度减少患者带创伤
微创手术机器正样环境发展起逐渐步入视野应优势日益显现微创手术机器医生间联系通操作手控制界面实现谓操作手说实现机交互重手段医生操作微创手术机器进行手术程中操作手作极重通操作获取手术需器械操作手性指标非常重会手术终结果造成定影响确保操作手具良性微创手术机器医疗领域运发挥重作
文容：
根医生手术程中手臂操作动作特点空间距离结合医生操作手标准姿势性求该行进行具体设计设计完成结合DH算法该设计进行相应验证求解完成整操作流程仿真模拟场景分析文章末尾操作手具体结构组织进行设计操作手关节结构遇问题进行方案研究终完成操作手技术设计图
关键词：医疗仿真运动学理结构设计
An analysis of the design and work space of the master manipulator of a medical machine
Abstract
In recent years with the development of science and technology minimally invasive surgery has become the standard of foreign science and the higher state of the surgical industry As a result surgery underwent a transition from open surgery to minimally invasive surgery The eternal rhythm of medical development is that while healing the pain for the patient it minimizes the medical trauma The microsurgical robot was developed in this environment and gradually became the people＇s field of view The doctor＇s direct control of the interface for medical robots is the main operator and the main operator is an important humancomputer interaction device During surgery the doctor always by operating the main operator to control the manipulator using the equipment required for operation and therefore the main operator of the performance will directly influence the effect of the surgery It is of great significance to promote the application of medical robots in the medical field The main content of this article is as follows
First of all according to the doctor in the process of open surgical hand operating characteristics and the working space to get the master manipulator design criteria and performance indicators so as to complete the structure of master manipulator design Then the method of dh is applied to solve the positive kinematics of the main operators and the kinematics simulation and the work space analysis are carried out Finally to complete the structure design of the main operator to solve various joint power how to pass in small narrow space wire transmission design problems such as tension and complete the master manipulator detailed 3 d part drawing and assembly drawing
Key Words：Medical robots The main operator Kinematics analysis Organization design The workspace
目 录
第章 绪 1
11引言 1
12微创外科手术 1
13式微创手术机器研究现状 1
14 医疗机器操作手国外发展状况 3
15选题目意义 5
16文容 6
第二章 操作手方案设计 7
21引言 7
22操作手结构设计分析 7
221操作手设计求 7
222操作手结构设计 8
2221操作手结构分析 8
2222构型确定分析 10
第三章 操作手运动学分析仿真 12
31 引言 12
32操作手运动学模拟 12
33 操作手正运动学 13
35操作手工作空间分析 15
第四章 操作手结构设计 17
41引言 17
42操作手设计 17
421结构传动原理设计 17
422机构设计 19
43电机选择 20
参考文献 22
致 谢 23
第章 绪
11引言
网络快速发展科技快速发展时机互联网发展生活带重改变时带动行业信息化发展机器发展推动机器发展够类反复重复枯燥工作中解脱做更意义事情机器出现仅够代类完成安全性差环境艰苦工作类生活起居更加安全便利医疗领域高新技术发挥余传统手术方式方法进行技术更新然医疗机器行业机器截然工业机器较医疗机器必须极高精准度稳定性外医疗机器价格菲够应种手术
般性医疗机器需分操作手操作手户操作操作手实现手速动作操作手操作手控制实际户通种关系完成技术操作操作手操作手适配性会直接影响医生实际操作见果够设计研究套高性医疗机器操作手必定会医疗机器发展带更进步推动
12微创外科手术
微创外科手术称钥匙孔手术通微切口进行手术操作行该手术程非常简单求精准性极高般情况医生会通操作手控制操作手结合医疗成系统病患处进行手术
该种手术方法手术相具事尤患者讲牺牲身体代价完成手术仅降低医疗事发生定程度减少患者痛苦进减轻患者身体心灵压力医生讲通微创手术完成许完成高难动作尤手术空间限情况医生通机械手灵活性狭工作空间够容易完成手术提高手术成功率时医疗机器引进减少医生失误例粗心手术工具落病体消医生操作时手臂颤动减少手术风险微创手术国医院已普已外科医院标准配备
13式微创手术机器研究现状
机器研究单纯门学科研究仅需动力学计算机科学动化技术等科目医疗机器讲医学外科手术定解医疗机器研究身跨学科技术研究基医疗机器灵活性医生够更加容易完成传统手术中法完成操作仅够减轻病痛折磨提高外科手术成功率
1990年美国Computer Motion公司成立1992年该公司研发出第微创手术窥镜机器——AESOPAESOP出现极程度改善时医生手持窥镜手术易产生疲劳颤动现状1993年AESOP利完成台胆囊切手术美国食品药品监督理局批准成首批全球销售手术机器1998年Computer Motion公司成功研制出Zeus式手术机器图11示Zeus式手术机器系统
1999年美国Intuitive Surgical公司成功研制出da Vinci（达芬奇）外科手术机器系统台名气机器具定划时代意义出现说医疗器械发展开扇创新门期医疗技术发展提供参考该系统身系统医生控制操作手操作手控制操作手患者进行微创手术现该西戎已应外科手术领域简单简单腹腔手复杂心脏手术通该套系统完成图12该结构演示
户程中需通眼睛图结合手部动作进行操作手术程中户需观察设备中传输图查工作情况进完成动作该系统仅够单方面降低患者痛苦降低医生工作强度医生通该系统手术方式开放式手术没区外该系统提供辅助功降低失误率例忽略医生轻微手部颤抖力量均匀等该系统然弥补传统手术缺点身讲定足处直接点成提升会带医疗诊断费增加
年国医疗机械水逐步提高作代表性北京航空航天学研发脑外科医疗系统妙手A机器操作系统两系统式医疗系统整体分三部分操作端操作端视图成部分操作手具强度通三方进行操作图13示妙手A（MicroHand A）系统
14 医疗机器操作手国外发展状况
作外科医生交互设备操作手必须定稳定性控性外科医生通操作操作手操作手传递信号包括方力量速度等操作手根操作手传递信号患者体外科医生动作进行实现操作手灵活性准确性会直接影响手术成功机器厂商操作手通应医疗领域应领域动化航天娱乐等
141国外操作手研究现状
（）美国Sensable Technology公司PHANTOM系列
PHANTOM系列包括PHANTOM Desktop系列PHANTOM Omni系列PHANTOMPremium系列PHANTOM 306DOF系列该系统工业结构十分轻具灵活性作机交互系统触觉敏感已成目前具代表性工业商品
PHANTOM Desktop系列具六度适合桌面操作环境时反馈xyz三方力该设备允许操作者操作甚碰撞3D虚拟窗口笔杆中装带编码芯片检测3度位置图14示
图14PHANTOM Desktop系列操作手
PHANTOM Omni系列触觉交互设备中济实惠样具六度位置传感外形工作空间紧凑结构更便携运营范围分辨率输出力PHANTOM Desktop系列低图14示
图15 PHANTOM Omni系列操作手
142国操作手研究现状
机器操作手研究国该方面研究时间较晚没专业商业公司进行批量生产学科研单位进行学术研究着年济快速发展国家力支持创新相关种科研项目层出穷截目前该研究领域陆续取成果
样条件天津学成第完成突破性进展科研单位该单位研究出操作手具度强灵活性手容易外科医生需通操作手操作够完成意想完成动作详情参考图16外哈尔滨工业学研究款摇杆操作手医生通操作摇杆完成手术详情参考图17该操作手手术中成功应联结构逆运动求解时较复杂海交通学成功研发五维力反馈虚拟手术装置图18示采串联结构度角度完成力反馈进模拟腹腔手术外科医生手术动作该操作手医生患者患处进行手术程中医生会感受器械器官作力
国医疗机器方面发展已开会时尤具体结构方面已取定成绩国外先进技术相相差甚远基础科学进步研究解决
图16关节式操作手 图17缩放式力觉操作手
图18五维力反馈虚拟手术装置
15选题目意义
医疗机器较命题涉领域仅仅计算机技术计算机图形技术动化技术医学机械运动学相关知识简单更领域知识融会贯通结合起够完成巨市场潜利益驱科学技术快速发展医疗机器已迎发展时机机器灵活度较操作精准稳定性良特性前医疗技术水进步提高病方面医疗机器降低病痛苦降低手风险进提高手术成功率患者身体讲伤害达化医生方面医疗机器具机交互体验操作方便灵活手术程中消医生心理者压力带手抖等误操作听系统力反馈作外科医生够感知手术环境外操作手动作操作手操作手操作手间必须具备高准确性操作手必须灵活度满足医生操作求
综述医疗机器结构中操作手研发国医疗现代化水发展具推动型作进提高国医疗领域快速发展推进微创手术技术进步改善国未医疗水提高健康水具重意义
16文容
文述容医疗机器结构——操作手进行设计研究通外科医生操作环境工业标准性指标等方面进行解考证设计套完备操作手结构结合流行DH算法进行运动分析整套系统设计进行仿真模拟完成操作手结构化设计根设计结构图操作手进行具体模块设计时设计程中解决关空间狭等方面问题
第二章 操作手方案设计
21引言
设计需设计标准操作手设计中操作手设计标准首先需考虑课题研究医疗机器针腹腔手术操作手结构设计需特定户需求外科医生操作部分需支持种度部分确操作手位置部分确定操作手姿势外操作手动作变化必须流畅具定操作空间操作手设计整体操作手进行样结构设计操作设计需操作手部分考虑进操作手操作手行直保证外科医生操作准确度简化医疗机器结构
操作手连接着外科医生操作手操作手设计医疗机器设计中重直接影响着外科医生操作步骤章面会操作手设计方案进行述
22操作手结构设计分析
操作手作机交互接口灵活易性十分重仅手术医生带良操作感够保证手术利进行操作手构造分串联联两类两种类型优缺点操作手进行设计时候需根实际机器应场景设计然结合种类型优点确定合适种结构
221操作手设计求
医疗机器实际应参考图21医生根操作手行操控制操作手体患处行整传递程必须协调致操作手结构设计需具定灵活性精确性文研究象医疗机器辅助系统帮助医生患者进行腹腔手术结合具体应场景户需求操作手进行定制化设计
通实际手术场景解知道手术时候操作空间操作手重操作手空间操作手空间相互应操作手进行设计时候首先考虑具体手术操作空间
第操作手空间参考图22进行解通图描述解两圆锥左右操作手具体操作空间相交叉部分两操作手操作部分根文献综合实际手术程操作手工作空间特点确定操作手工作空间φ150mm*150mm 圆柱体果操作手工作空间设计太医生动作幅度增样容易医生产生疲劳感相反操作手空间太话法保证医生操作灵活性复杂操作会非常困难
第二通医疗机器进行手术具体求操作手需满足特定度动作保证位置姿势正确性外操作手位置姿势定程度进行拆分彼会赖样够利降低两操作手设计复杂度动力学中控制带定方便时医生言实现运动解耦操作手操作起更直观
第三操作手精准度极高求动作误差者计算误差导致手术失败甚病生死安危操作手操作必须流畅精准够患者操作空间然基分析文操作手设计结构具明确求操作手部结构包括关节结构需稳定紧凑关节惯性太作机交互接口需容易操作会医生号体力时量减低医生收颤抖带副作
综合起操作手设计求：
（1）工作空间φ150mm*150mm 左右圆柱体
（2）度包括操作位置度操作空间度
（3）设计完成操作手结构解耦操作手间赖
（4）运动精度≤05mm
（5）操作手设计机构实现重衡
（6）具良机交互设计体工程学设计部零件关节设计紧凑
222操作手结构设计
2221操作手结构分析
操作手分联结构串联结构串联结构指操作端执行端够犹记联系起联结构种封闭式结构串联结构具体设计参考图23根转动副移动副组合 RRRRRPRPPPRRPPP 五种构型
常见联机构图24示：
串联结构点事操作空间足够操作灵活部设计简单运动学线原理设计复杂明显缺点功单性较差联结构刚相反操作空间操作相串联结构灵活设计原理复杂性
串联联详情较参考表21
表21串联机构
特性
串联机构
联机构
灵活性
工作空间
结构
奇异点
动态性
承载力
运动学正解
较
较简单
工作空间边缘
较差
较低
简单唯解
较差
较复杂
工作空间边缘处
较高
复杂包含解
表21出串联结构联结构优点缺点文根实际应求选取串联结构第文研究医疗机器辅助手术求医生直接操作操作手进行手术动作流畅灵活性定求外腹腔手术具足够操作空间操作空间求范围进行控手设计必须考虑方第二操作手太长串联结构首选第三医疗机器手术精准度力度明确求选动力学原理较简单串联结构够保证该机器操作手保质完成
2222构型确定分析
（1）选定操作手设计结构细节记性具体分析首先研究机器操作手关节配置图23解种串联结构优点具体较结构参考表22
表22常见串联机构
构型
RRR
RRP
RPP
PRR
PPP
工作空间
较
较
运动灵活性
较
较
较
差
通表22 分析进行较结合实际应求选RRR型作结构模型考虑转动副关节组合形式关节轴线分竖直水两种方式关节配置具体方案参考图25
通方案解方面分析
操作空间通面八结构较关节全部水结构时候操作空间面求较结合实际需求排外结合运动学原理降低惯性方面考虑终bcd三选型中进行选择
作医生直接接触操作手应该具良操作手感操作手应该具较衡否会加重医生操作手操作压力医生操作疲劳导致手术失败衡角度图25方案中b结构够满足实际应需求结合分析结构操作手设计选型RRR型串联结构关节位置选择图25（b）方案终图26简单结构图
（2）机械位置空间姿势完全分解文操作手分两部分单独设计前文操作手手臂设计结构进行分析完成现需操作手手腕进行分析设计手腕部分操作十分复杂保证医生手势姿态正确性保证操作手正确性文手腕部分设计完全转动环绕关节分三部分三部分彼间呈直角夹持机夹持中心放关节部位操作手整体结构图参考图27
第三章 操作手运动学分析仿真
31 引言
第二章操作手关节结构进行设计建立应设计模型列出应数值终建立应数学抽象矩阵根该矩阵操作手操作空间学术原理进行分析
32操作手运动学模拟
图31手运动学模型
文设计操作手模型设计出图31示操作坐标系中连杆坐标系原点基坐标系原点重合Zi（i0…6）分关节轴线XiYiZi（i0…6）连杆坐标系
设计结构模型进行坐标系建立确定具体物理参数包括长度角度等建立DH参数表表31示
杆件号
连杆转角
连杆长度
关节角
连杆偏距
关节变量范围
连杆参数
i
i1
ai1
i
图示位置
di
a2240mm
d4206mm
1
0
0
1
0
0
90°~90°
2
π2
0
2
0
0
10°~170°
3
0
a2
3
0
0
30°~150°
4
π2
0
4
0
d4
0°~180°
5
π2
0
5
0
0
30°~150°
6
π2
0
6
0
0
60°~60°
表31操作手DH参数表
33 操作手正运动学
操作手关节数结合运动学计算操作手部连接点信息手术程中户会关注直接操作手操作需关系模块间运行原理
根操作手DH参数表求出连杆变换矩阵：
意度操作应坐标系相基础坐标系应数学矩阵假设度n应矩阵：
设操作手末端连杆意位置极坐标里位置表示：
手六关节均转动关节运动变量均关节角手正解DH变换矩阵：
中元素：
式中
PXPYPZ 位置关节变量123关姿态变量456关原操作手腕部三关节轴线相交点正说明操作手正运动求解正确性
35操作手工作空间分析
操作空间操作手整体结构空间代表运动空间衡量操作手力重考量指标物理空间方面考虑操作手否够满足实际应中求外操作空间详细划分达操作空间熟练操作空间达指空间位置操作手达熟练操作空间指某操作空间费力气完成操作手想达位置空间集合
外操作手工作时候需调整操作手操作手间映射关系者说应操作空间例保证操作手间精度准确度般讲操作手间例操作精度成正操作例会医生带疲惫感合理操作例必须够保证精度基础量降低医生操作疲劳实际问题中实理分析复杂果想找较合适例需考虑动控制操作手位置达边界值够中断重新映射操作手样设计会操作手受外环境限制终确定手工作空间200×200×200mm3空间体积
前研究课题者实际应中操作手空间确定算法数值型算法图解型算法等文采数值型算法操作空间进行分析
数值型算法定弊端首先数数值型计算数量遇边界非规图形时候具性基数值型算法确定续发展种较完备算法成蒙特罗算法该算法抽样方式解决数学问题进模拟该操作手模型
该算法通操作空间范围进行机抽样然操作手末端关节达空间界点进行搜集组合起进形成机抽样算法第步末端关节位置坐标进行求解结合机取抽样值终执行坐标系终通仿真软件坐标点输入进行仿真模型
该算法具体操作流程详细步骤示：
1) 结合运动学变换矩阵章完成设计模型操作手末端关节参考点
位置p（pxpypz）：
2) 操作手部关节角度选取变量：
公式318中i变量代表关节点取值样12直nλ代表p参考点样数
3）步应量值第1步中参考点带入第2步中公式量值带入仿真模拟软件中具体样图形终形成应操作空间定情况量样数表示操作手末端具体工作空间理讲样数量越仿真操作空间图越真终图35操作空间图
文操作手操作空间分析终仿真结果满足实际应需求时该结果操作手参数够应起整体操作空间形状玩没太出入该结果实际工作情况吻合
文蒙特卡洛算法操作手操作空间进行计算利仿真技术该算法数进行反正模拟终操作空间图该图形实际操作需求相吻合
第四章 操作手结构设计
41引言
操作手构造设置时候需五方面进行研究第确保操作手身材巧构造严密第二操作手宜重需惯量较第三操作手操作范围够第四操作手硬度达标第五操作手实现重力衡五点需考虑构造设置中应该考虑电气安全电线分布等问题尤需详细规划操作手操作方式联动方案操作手前三节点部位安排
42操作手设计
421结构传动原理设计
设置操作手传动原理时串联形式缩减操作手惯量关键前三部位会硬度较强钢丝绳改变电机放置位置选择基座部位外通操作手关键位置增加电位器促操作手变繁琐惯量加时会操作手具备种位置寻零特殊功见选择佳点放置电位器尤重文述中会重点放基座丝传动电位器发挥作避免远离操作手关键部位造成数错误选择电位器放置紧挨操作手关键部位
耦合通信软件机械工程中较常见情况丝传动例外样情况更容易发生串联结构中果发生会造成重影响避免样情况发生需清晰认识操作手关键部位丝传动蹴分层级进行中划分三种级传动关键部位传动独完成完成相互间存着分割联系关键第二部位需满足身运动需关键部位进行正确引导部位需进行缜密设计
图表达清晰关键第部位通级丝传动进行运作中包含三部位三部位相互配合完成运作程首先丝轮电机带动丝轮会围绕丝槽慢慢运动起钢丝绳会加入电位器中带动电位器步转动实现关键第部位整体运动
图41关节1丝传动
级丝完成第部位整体运动时会带动动丝轮运作电击器运作时丝轮开始拉动级丝二级丝运作会完成二级丝传动二级丝传动图42示
图42操作手二级丝传动
完成关键第二部位传动时需兼顾会发生解耦动作关键第二部位进行详细划分变成两板块实现连接连杆二时候包含丝槽部分部分连接连杆三时候相独立丝槽两部分实际放置位置轴线独立运作
图表达三级丝运作较特殊前面介绍级丝运作中发现想连杆速度缓慢时扭矩幅度增加会钢丝绳预紧装置时需合理设计丝传动轨迹
图43操作手三级丝传动
丝槽存相重电机轴相丝轮加入丝槽设计丝槽时掌握钢丝绳丝轮运动轨迹减少钢丝绳运动时路径明确带数出入外需钢丝绳做包角设计钢丝绳包围方式闭口方式开口方式种方式钢丝绳加包角二话起优化钢丝绳传动作需做包角首先满足钢丝绳精准缠绕方式做分叉挤压凌乱甚出现转动
整操作手部实现结构两部分组成部分固定操作手装置部分锁紧装置两装置间相互辅助相互搭配保证整机械统完整外固丝轮均设丝槽规划丝缠绕路径锁紧装置具体操作步骤：通利孔洞位置装置形状钢丝结合孔洞固定装置紧凑性然通慢慢调整整装置绳索间紧绷感完成锁紧装置开始装置进行固定达法进步拧紧装置情况说明固定装置已牢固完成两操作该装置
422机构设计
节完成设备装配面会设备部子模块进行设计文操作手结构设计知道整设备单设备固定完成需重部件进行设计中包括运动装置线路规划等
电位器必少装置整电子元件中关键部件安装装置固定部位保证会受外界素干扰者损坏放置相讲环境安全方配备硬度装置面
电位器脆弱环境敏感必须采种硬度材料保证够处较安全位置时铝制产品派场铝制品硬度易环境问题发生腐朽问题文研究操作手电位器铝制品作固定
外铝板作阻挡外力电位器损害外力作铝板铝板具柔韧度会轻微产生变形适应外力作种方式变相电位器进行保护浮动连接图图44示
图44电位器浮动连接 图45导轮双重固定
导轮固定方法非常复杂首先确定固定导轮策略够分析出具体组成部分图45导轮机构进行简单演示通演示图知道导轮双重固定涉部件垫片基座轴等垫片够起缓作整设备固定更加稳定基座承载设备作
43电机选择
作操作手核心部件电机整设备切动源文该设备电机定分析研究现较出名电机maxon电机高潮电机技术已赢数奖项专利该机器降低离心力帮助稳定电机位置类似电机相具较稳定性优势结合实际应需求文研究医疗机器操作手需功率电机该种类电机十分适合文研究设备
文研究设备机动部位该款电机动力驱动外关节电机定减速装置保证整体设备运转正常外文研究操作手部模块具定相互摩擦设备身重量电机选择定影响选择具定转矩电机非常适合时需电机转速进行定调整满足实际户需求外腕部连杆质量较需电机额定转矩较终选择maxon RE 13电机作腕部位置关节驱动电机种电机技术参数参考表41
表41直流伺服电机性参数
序号
电机参数
Maxon RE 30
Maxon RE 13
1
额定电压V
24
24
2
空载转速rpm
8810
13600
3
空载电流mA
164
232
4
额定转速rpm
8050
10600
5
额定转矩mNm
85
242
6
额定电流mA
344
0169
7
堵转转矩mNm
1020
115
8
堵转电流mA
393
0701
9
效率
87
68
10
相间电阻Ω
0611
342
11
相间电感mH
0119
119
12
转矩常数rpmA
259
163
13
速度常数rpmV
369
584
14
速度转矩常数rpmmNm
869
1220
15
机械时间常数ms
303
693
16
转子惯量gcm2
333
0540
第五章 全文总结
51全文总结
计算机科学发展医疗行业发展带定契机医疗机器已成时医疗行业热衷发展方文通微创腹腔手术医疗机器操作手部分进行设计分析文工作容总结：
优先处理操作手需满足外科手术应该具备条件整理条件进行设计规划次研究操作手组成结构方式深度分析串联结构优缺点联结构优缺点分析结果进行研究较匹配操作手设计决定优选择操作手结构选择需造坐标系利确定操作手运作然操作手结构模型合理性进行分析验证仿真外需求操作手做详细剖析环节关键部位做出详细分析涉部位包含规划钢丝绳运动范围固定钢丝绳方式预紧完成整体设计
52
作医生手术中帮手医疗操作手医生紧密联系重工具医疗操作手整体性关重决定医生操作程中手术完成效果然次述中已实现操作手功实现没实际运中进行实操次文结言总结出操作手整体结构钢丝绳优化需进行深度研究完善需操作手变更加轻便灵活实性极高配合医生完成外科微创手术外方面考虑优化操作手系统计算时间提高操作手运作力效率避免操作手动作灵活运算处理时间久带重问题
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