介入手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人定位機(jī)械臂設(shè)計(jì)

1、濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目 介入手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人定位機(jī)械臂設(shè)計(jì)專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 機(jī)設(shè)07Q3 學(xué) 生 康樹宗 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 趙洪華 二一一 年五月三十日1 緒論 20世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在制造業(yè)領(lǐng)域得到初步的應(yīng)用，在信息產(chǎn)業(yè)的帶動下進(jìn)入21世紀(jì)以來在非制造業(yè)領(lǐng)域也得到了初步的應(yīng)用。介入治療是是利用現(xiàn)代高科技手段進(jìn)行的一種微創(chuàng)性治療-就是在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的引導(dǎo)下,將特制的導(dǎo)管,導(dǎo)絲等精密器械,引入人體,對體內(nèi)病態(tài)進(jìn)行診斷和局部治療1。介入治療應(yīng)用數(shù)字技術(shù),擴(kuò)大了醫(yī)生的視野,借助導(dǎo)管,導(dǎo)絲延長了醫(yī)生的雙手,它的切口（穿刺點(diǎn)）,僅有米粒大小,不用切開人體組織,就可治療許

2、多過去無法治療,必須手術(shù)治療或內(nèi)科治療療效欠佳的疾病,如腫瘤,血管瘤,各種出血等.介入治療具有不開刀,創(chuàng)傷小,恢復(fù)快,效果好的特點(diǎn).是未來醫(yī)學(xué)的發(fā)展趨勢2。如今，將機(jī)器人技術(shù)更好的應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域已成為各行各業(yè)的研究重點(diǎn)。發(fā)展醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)是涉及到多學(xué)科新型交叉研究領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用不僅將帶動傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展同時(shí)也將帶動新技術(shù)、新理論的發(fā)展3。 1.1醫(yī)療機(jī)械臂的研究目的及意義隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與成熟，醫(yī)療機(jī)器人也得到了廣泛的應(yīng)用。其中主要應(yīng)用于各種外科手術(shù)中，利用機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人操縱手術(shù)刀及其他醫(yī)療器械對病人進(jìn)行手術(shù)4。與一般外科手術(shù)相比，機(jī)器人技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1

3、) 機(jī)器人可以克服在手術(shù)過程中的人為因素，包括疲勞、心理因素等。保證手術(shù)的順利實(shí)施。(2) 機(jī)器人的運(yùn)動過程可以實(shí)現(xiàn)電腦控制，可以通過特定的運(yùn)行軌跡實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性。(3) 機(jī)器人系統(tǒng)具有大量的內(nèi)部數(shù)據(jù)比普通醫(yī)生憑經(jīng)驗(yàn)手術(shù)而言具有更高的科學(xué)依據(jù)。普通的微小創(chuàng)傷手術(shù)醫(yī)生的活動空間非常有限，使原本非常簡單的動作變得很難實(shí)現(xiàn)，對醫(yī)生的操作要求很高5。并且長時(shí)間在小范圍內(nèi)進(jìn)行手術(shù)很容易產(chǎn)生疲勞，影響手術(shù)的質(zhì)量。運(yùn)用醫(yī)療輔助機(jī)械臂技術(shù)可以很好的解決以上問題。并且機(jī)械臂可以達(dá)到很高的精度。因此醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展6。1.2 醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入21世紀(jì)以來，醫(yī)療機(jī)器人能技術(shù)得到了廣泛的

4、應(yīng)用及發(fā)展。在歐美等一些發(fā)達(dá)國家機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用。并且將機(jī)器人輔助外科手術(shù)和虛擬醫(yī)療技術(shù)仿真作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域7。在歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家，80%的腹腔手術(shù)都是在內(nèi)窺鏡的輔助下完成的。上世紀(jì)90年代末，美國Computer Motion公司研發(fā)了具有強(qiáng)大可視功能的ZEUS機(jī)器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)手術(shù)的弊端，極大地提高了手術(shù)的精確度和安全性。其中ZEUS系統(tǒng)可以分為Surgeun-side系統(tǒng)和Patient-side系統(tǒng)。在ZEUS系統(tǒng)的幫助下醫(yī)生可以避免在輻射環(huán)境下工作，很舒適的對患者進(jìn)行治療8。ZEUS系統(tǒng)及手術(shù)圖片如圖1.1，圖1.2所示： 圖1.

5、1 ZEUS機(jī)器人系統(tǒng) 圖1.2 ZEUS系統(tǒng)手術(shù)現(xiàn)場除此之外，還有美國Intuitive Surgical公司開發(fā)的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，上世紀(jì)90年代末瑞典Medical Robitics 公司研制的Pintrace骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，德國Crigos機(jī)器人系統(tǒng)等9。另外，在國內(nèi)機(jī)器人輔助外科手術(shù)也得到了初步的應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所、清華大學(xué)和海軍總醫(yī)院合作在國內(nèi)首先開始了遠(yuǎn)程腦外科手術(shù)機(jī)器人的研究工作，并且研制出用于臨床的腦外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)CRAS-BH1、CRAS-BH2、CRAS-BH3和黎元BH-600，如圖1.3所示。圖1.3北航腦外科醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)與機(jī)器人在腹腔、

6、骨外科手術(shù)上的應(yīng)用相比，介入血管手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人研究工作起步稍晚，直到上世紀(jì)末血管手術(shù)機(jī)器人的研究工作才剛剛開始。1999年日本Hironobu Takizawa開始從事血管機(jī)器人的研究10。到2006年以色列海法醫(yī)學(xué)院的Beyar開發(fā)了第一個血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)如圖1.4所示：圖1.4Beyar心血管介入手術(shù)機(jī)器人 通過對以上機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的了解，現(xiàn)在的血管手術(shù)機(jī)器人只是局限在人體血管內(nèi)的推進(jìn)與旋轉(zhuǎn)，而沒有涉及到定位、把持此機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂11。通過機(jī)械臂醫(yī)生可以通過計(jì)算機(jī)自動將機(jī)器人移動到手術(shù)部位進(jìn)行治療，提高手術(shù)的可控性12。1.3 課題研究內(nèi)容就現(xiàn)如今血管手術(shù)技術(shù)要求高、手術(shù)環(huán)境差等問題，

7、將機(jī)器人系統(tǒng)引入到手術(shù)過程中，解決手術(shù)過程中技術(shù)難度高、環(huán)境差、手術(shù)要求精度高等問題。本課題主要的研究內(nèi)容為血管介入手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，其中主要內(nèi)容包括：(1) 針對普通醫(yī)療手術(shù)中存在的問題及技術(shù)要求，提出將機(jī)器人系統(tǒng)引入血管介入手術(shù)中的意義及作用；(2) 機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中包括：電機(jī)選型、機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)綜合、傳動方式選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核。2 機(jī)械臂的構(gòu)型設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求在機(jī)器人血管介入手術(shù)系統(tǒng)中，機(jī)械臂的任務(wù)是按照規(guī)定的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)對末端推進(jìn)機(jī)構(gòu)的把持、定位。通過對血管手術(shù)的分析及研究對機(jī)械臂的設(shè)計(jì)提出以下要求：(1) 對機(jī)器人的功能進(jìn)行分析，不需要繞道管推

8、進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此確定定位機(jī)械臂的自由度為五自由度；(2) 設(shè)計(jì)機(jī)械臂末端承重至少2kg；(3) 機(jī)械臂末端到地面可調(diào)高度：100cm-150cm；(4) 工作范圍：300mm x 300mm x 300mm；(5) 末端定位精度1.5mm；(6) 關(guān)節(jié)最大角度：5/s；2.2 介入手術(shù)機(jī)械臂構(gòu)型方案設(shè)計(jì)在血管手術(shù)的機(jī)械臂中，主要由手臂和手腕兩部分組成，其中手臂的作用是將手腕末端和手術(shù)器械送至規(guī)定的位置，而手腕的作用是通過自身姿態(tài)的調(diào)整是手術(shù)器械達(dá)到進(jìn)行手術(shù)的方向。這兩部分在手術(shù)中的運(yùn)動方式不盡相同，因此應(yīng)避免兩部分的相互依賴關(guān)系。所以，定位機(jī)構(gòu)和定向機(jī)構(gòu)采用分離的方法獨(dú)立運(yùn)動13。2.2.

9、1 介入手術(shù)機(jī)械臂大臂方案設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)器人介入血管手術(shù)的要求，大臂的作用是將手腕末端送到規(guī)劃點(diǎn)，因此對手臂提出以下要求：（1）實(shí)現(xiàn)較高的定位精度；（2）在保證工作空間的前提下，機(jī)構(gòu)尺寸盡量?。唬?）能夠承受2kg的重量；為了能夠?qū)崿F(xiàn)空間任意位置的變化，手臂應(yīng)至少具備3個自由度，可由P(移動關(guān)節(jié))和R（轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)）組成。其中定位臂結(jié)構(gòu)及性能分析如圖表2.1所示：表2.1 定位臂結(jié)構(gòu)及性能其中，圓柱坐標(biāo)性、SCARA型要求結(jié)構(gòu)尺寸比較大，不符合手術(shù)要求；直角坐標(biāo)型工作范圍比較小，不符合手術(shù)要求；通過多對各種結(jié)構(gòu)簡圖的分析關(guān)節(jié)坐標(biāo)型通過機(jī)構(gòu)綜合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)環(huán)境的要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)末端2kg的

10、負(fù)載支撐。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.1,圖2.2所示： 圖2.1 定位臂結(jié)構(gòu)簡圖 圖2.2 定位臂結(jié)構(gòu)變形圖在定位臂的機(jī)構(gòu)中定位臂通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。為保證精確的尺寸鏈才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的連貫性。第一關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。第二關(guān)節(jié)為連桿滑塊機(jī)構(gòu)。第三關(guān)節(jié)通過連桿機(jī)構(gòu)帶動平行四邊形的運(yùn)動。三個關(guān)節(jié)的聯(lián)動可以實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的任意位置。2.2.2 介入手術(shù)機(jī)械臂手腕方案設(shè)計(jì)當(dāng)手術(shù)進(jìn)行時(shí)，末端推進(jìn)器或手術(shù)器械到達(dá)手術(shù)位置后要進(jìn)行位置的調(diào)整，因此要在手臂的末端安裝旋轉(zhuǎn)功能的手腕關(guān)節(jié)。而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以分為滾動關(guān)節(jié)和彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，另外根據(jù)自由度的個數(shù)分為一個、兩個、三個自由度的手腕關(guān)節(jié)14。一自由度手腕關(guān)節(jié)僅能調(diào)整一

11、個方向姿態(tài)。三個自由度的手腕關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)任意位置的姿態(tài)變化，但是在實(shí)際操作中不需要繞血管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此兩個自由度便可以滿足需求。根據(jù)彎轉(zhuǎn)和滾動關(guān)節(jié)的不同配置二自由度的手腕關(guān)節(jié)可以分為四種主要的結(jié)構(gòu)形式。如圖2.3所示：圖2.3 二自由度手腕根據(jù)血管介入手術(shù)的要求，末端推進(jìn)機(jī)構(gòu)不需要繞導(dǎo)管中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此手腕簡圖選用圖2.3中b結(jié)構(gòu)形式。2.2.3 介入手術(shù)機(jī)械臂總體構(gòu)型方案 根據(jù)所選機(jī)械臂大臂、手腕的構(gòu)型方案，可以確定機(jī)器人總體的構(gòu)型方案?？傮w構(gòu)型簡圖如圖2.4所示：圖2.4 機(jī)器人構(gòu)型簡圖 從機(jī)構(gòu)見圖可以看出，機(jī)械臂共有5個自由度5個關(guān)節(jié)最終確定的機(jī)構(gòu)簡圖和示意圖如圖2.5圖2.6所示

12、： 圖2.5 機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖 圖2.6 機(jī)器人示意圖各關(guān)節(jié)匯總表如表2.2所示。表2.2 關(guān)節(jié)匯總表關(guān)節(jié)1腰部關(guān)節(jié)R腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R手腕腕擺關(guān)節(jié)5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R手腕臂轉(zhuǎn)2.3 關(guān)節(jié)驅(qū)動方式選擇目前常用的驅(qū)動器有電動驅(qū)動器、液壓驅(qū)動器、氣動驅(qū)動器等15。其中：液壓驅(qū)動器功率大，結(jié)構(gòu)簡單并且可以直接與被驅(qū)動裝置相連。但是其易產(chǎn)生液體泄露不易用于醫(yī)療機(jī)器人。啟動驅(qū)動器體積小，但是功率也很小并且速度不易控制。電動驅(qū)動器使用廣泛、功率高并且速度和精度比較容易控制。其中，電動驅(qū)動器可以分為直流電機(jī)、交流電機(jī)、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)驅(qū)動塊電機(jī)特性好；

13、交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但速度精度不高易產(chǎn)生振動；步進(jìn)電機(jī)啟動快，可以直接接受數(shù)字信號，但其噪音大不宜應(yīng)用在醫(yī)療機(jī)械中。綜上各種電機(jī)的特點(diǎn)，決定使用電機(jī)驅(qū)動，并且根據(jù)醫(yī)療環(huán)境的特殊要求選用直流伺服電機(jī)。2.4 關(guān)節(jié)傳動方式設(shè)計(jì)根據(jù)介入血管手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求及醫(yī)療環(huán)境的特殊要求對傳動機(jī)構(gòu)提出以下要求16：（1）在保證傳動功率和傳動比的前提下做到結(jié)構(gòu)緊湊；（2）正反轉(zhuǎn)過程中空行程盡量小，保證較高的位置精度；腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)的是水平面的轉(zhuǎn)動，加上小臂的長度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)只要轉(zhuǎn)動很小的角度就能實(shí)現(xiàn)空間很大位置的變動，因此要求轉(zhuǎn)速較慢，采用兩級減速。通過帶減速的電動機(jī)與諧波減速配合的方式實(shí)現(xiàn)兩級減速。為

14、保證系統(tǒng)的安全性在傳動結(jié)構(gòu)中需要添加制動器和編碼器，因此最終腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動結(jié)構(gòu)為：伺服電機(jī) 一級減速器 傳動軸 二級減速器 輸出軸 腰轉(zhuǎn)大臂、小臂的關(guān)節(jié)承受的轉(zhuǎn)矩很大，如果采用與腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相同的傳動結(jié)構(gòu)所占用的空間較大，外觀上不夠美觀，而且在失電情況下不能夠保持原位。采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)就解決了失電狀態(tài)下的自鎖問題，但是必須經(jīng)過機(jī)構(gòu)綜合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。另外，同腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一樣為保證伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和傳動的安全性仍需要添加編碼器。傳動結(jié)構(gòu)為：伺服電機(jī) 一級減速器 傳動絲杠 滑塊 連桿 大臂旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī) 一級減速器 傳動絲杠 滑塊 連桿 小臂旋轉(zhuǎn)腕部關(guān)節(jié)承受的載荷小，同時(shí)為減輕自重在結(jié)構(gòu)上要盡量簡單。因此采用

15、一級減速。最終傳動結(jié)構(gòu)為：伺服電機(jī) 一級減速器 輸出軸 腕部擺動伺服電機(jī) 一級減速器 輸出軸 腕部旋轉(zhuǎn)2.5 電機(jī)容量的計(jì)算與選擇2.5.1婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動是實(shí)現(xiàn)負(fù)載繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，根據(jù)手術(shù)的特殊要求，設(shè)定其運(yùn)動范圍為-45到45，負(fù)載運(yùn)動簡圖如圖2.7所示： 圖2.7 婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)負(fù)載簡圖設(shè)負(fù)載為F=20N,負(fù)載到軸的距離為H=100mm，由腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍可知，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)角為45時(shí)，力矩最大T1： (2.1)負(fù)載最高角速度為：w=0.44rad/s設(shè)負(fù)載的慣性半徑為r=0.1m,負(fù)載慣性J為： (2.2)設(shè)轉(zhuǎn)速達(dá)到5/s的時(shí)間為0.5s，則角加速度為10rad/s。 (2.3)

16、(2.4)婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)功率要求： (2.5)設(shè)系統(tǒng)的效率為0.5，則實(shí)際所需功率為： (2.6)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，為滿足要求輸出軸轉(zhuǎn)矩為1.6Nm，功率為1.408W。由MAXON手冊可知，RE25型電機(jī)的額定功率為20W，額定轉(zhuǎn)矩為26.7mNm。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為257mNm，GP32A減速器減速比86:1，輸出轉(zhuǎn)矩4.5Nm，RE25型電機(jī)與GP32A減速器組合，可以滿足婉轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的要求。2.5.2 腕擺關(guān)節(jié)電機(jī)選型對腕擺關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行分析，分析其極限位置電機(jī)所要克服的力矩。極限位置如圖2.8所示： 圖2.8 腕擺關(guān)節(jié)負(fù)載運(yùn)動圖末端負(fù)載為G=20N,五關(guān)節(jié)自重為10N,在水平位置時(shí)，末端中心到回轉(zhuǎn)

17、軸的距離為H=120mm，腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍為20到-40，腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍為45到-45。則所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：因?yàn)橥箨P(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍為20到-40，腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍為45到-45，故最大轉(zhuǎn)矩為： (2.7)負(fù)載的實(shí)際最高角速度為：w=0.44rad/s設(shè)負(fù)載的慣性半徑為r=0.12m,負(fù)載慣性J為： (2.8)設(shè)轉(zhuǎn)速達(dá)到5/s的時(shí)間為0.5s,則角加速度為10rad/s (2.9) (2.10)四關(guān)節(jié)功率要求為： (2.11)設(shè)系統(tǒng)的效率為0.5，則實(shí)際所需功率為： (2.12)由計(jì)算結(jié)果分析腕擺關(guān)節(jié)的傳動結(jié)構(gòu)，要求輸出軸轉(zhuǎn)矩2.112Nm，電機(jī)功率1.86W。由MAXON電機(jī)手冊知RE2

18、5型電機(jī)的額定功率為20W，額定轉(zhuǎn)矩為26.7mNm,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為257mNm，GP32A型減速器減速比為86：1，可連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩4.5Nm,瞬時(shí)容許輸出轉(zhuǎn)矩為6.5Nm。RE25型電機(jī)與GP32A減速器組合，可滿足要求。2.5.3 大小臂關(guān)節(jié)電機(jī)選型在大小臂的設(shè)計(jì)中，大小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是靠絲杠的直線運(yùn)動完成的。關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍是+20到-40，那么由大小臂的結(jié)構(gòu)可以算出絲杠的移動距離要達(dá)到150mm。關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度為5/s時(shí)，絲杠的運(yùn)動速度為12.5mm/s。不考慮實(shí)際運(yùn)動中峰值帶來的增量問題，設(shè)計(jì)參數(shù)取5/s。設(shè)負(fù)載為80N，則最大轉(zhuǎn)矩為80Nm，大臂的平均角速度w=0.087rad/s，則驅(qū)動

19、功率為： (2.13)設(shè)傳動系統(tǒng)的總效率為0.3，則實(shí)際驅(qū)動功率為： (2.14) 當(dāng)大臂位于最外傾的位置時(shí)，負(fù)載最大此時(shí)的受力分析如圖2.9所示：圖2.9 大臂受力分析圖螺母的軸向力為750N,設(shè)絲杠的增力比為5，絲杠中經(jīng)為0.022m，由此可知力矩為： (2.15)由傳動結(jié)構(gòu)和以上計(jì)算結(jié)果可知，輸出軸轉(zhuǎn)矩要大于3.3Nm，功率大于29W。因?yàn)榇笮”劢Y(jié)構(gòu)相同。因此選用與大臂相同的電機(jī)及配件即可。由FAULHAB電機(jī)手冊可知，2657CR型電機(jī)的額定功率為47.9W，額定轉(zhuǎn)矩為44mNm,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩286mNm，26/1型減速器減速比為43：1，連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩3.5Nm,瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩4.5Nm。265

20、7CR型電機(jī)與26/1型減速器，可滿足功能要求。2.5.4 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)選型因?yàn)檠D(zhuǎn)關(guān)節(jié)負(fù)載小，且要求速度很低。因此，選用相同類型的電機(jī)便能滿足要求。選用RE25直流伺服電機(jī)、GP32A減速比為86的減速器、數(shù)字型HEDL型500線編碼器、AB28型制動器。由于腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動比較復(fù)雜，要使用諧波減速器?？紤]到機(jī)械臂結(jié)構(gòu)盡量緊湊的要求選用扁平式諧波傳動機(jī)構(gòu)。因此選用XB3-50型諧波減速器,減速比為120：1，其輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)20Nm，堵轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)25Nm。綜合各關(guān)節(jié)電機(jī)選型及減速器選型情況如表2.3表2.4所示：表2.3 關(guān)節(jié)電機(jī)選型表關(guān)節(jié)腰轉(zhuǎn)大臂小臂臂轉(zhuǎn)腕擺電機(jī)型號RE252657CR26

21、57CRRE25RE25功率20W47.9W47.9W20W20W連續(xù)轉(zhuǎn)矩26.7 mNm44 mNm44 mNm26.7 mNm26.7 mNm堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩257mNm286mNm286 mNm257 mNm257 mNm表2.4 關(guān)節(jié)減速器選型表關(guān)節(jié)腰轉(zhuǎn)大臂小臂臂轉(zhuǎn)腕擺型號GP32A26/126/1GP32AGP32A減速比86：143：143：186：186：1連續(xù)轉(zhuǎn)矩3.5Nm4.5Nm4.5Nm3.5Nm3.5Nm堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩4.5Nm6.5Nm6.5Nm4.5Nm4.5Nm3 機(jī)械臂的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：圖3.1 腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖所示：1.底座臂

22、，2.底電機(jī)座，3.諧波輸入軸，4.軸肩墊，5.諧波輸出軸， 6.軸承外圈擋圈，7.軸承內(nèi)圈擋圈，8.軸承壓座，9.圓螺母，10.6202深溝球軸承，11.鍵，12.諧波減速器，13.內(nèi)六角圓柱頭螺釘，14.6201深溝球軸承，15.緊定螺釘，16 內(nèi)六角螺釘，17.開槽沉頭螺釘，18.電機(jī)組件其中，深溝球軸承、軸承壓座、電機(jī)固定座等安裝在底座臂上。在底座臂的還有用于固定的螺紋孔。電機(jī)減速器輸出軸與諧波輸入軸通過螺釘15聯(lián)接。諧波輸出軸通過鍵11與諧波減速器相連。諧波輸入軸設(shè)計(jì)成波紋狀是為了在同軸度較低的情況下，電機(jī)可以正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。諧波輸出軸通過內(nèi)六角螺釘與減速器輸出鋼輪相連。電動機(jī)帶動自帶的

23、減速器，諧波輸入軸帶動諧波減速器從而帶動諧波輸出軸。諧波輸出軸與二三關(guān)節(jié)連接。3.2 大小臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)大小臂的結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示：圖3.2 大臂小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖1.大臂底座，2.大臂下鉸銷，3.長鉸軸軸墊套，4.6008深溝球軸承 5.6202深溝球軸承，6.小臂對邊板，7.支撐筒，8.短鉸銷墊套，9.鉸銷軸，10.6202深溝球軸承，11.軸承端蓋，12.軸用彈性擋圈，13.開槽沉頭螺釘，14.大臂短鉸座，15.花套，16.圓柱頭螺釘，17.螺桿開槽套筒，18.6004深溝球軸承，19.大臂傳動絲杠，20.傳動螺母，21.螺桿緊固軸套，22.內(nèi)六角螺釘，23.中間連接套，24.緊定螺釘，25

24、.開槽沉頭螺釘，26.電機(jī)安裝盤，27.沉頭螺釘，29.電機(jī)組件，30.大臂長鉸座，31.小臂連桿，32 大臂連桿，33.軸用彈性擋圈，34.大墊片，35.連桿螺母銷軸，36.內(nèi)六角螺釘，37.支撐桿，38.小臂。大小臂通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和四邊形機(jī)構(gòu)完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。底座通過鍵槽與關(guān)節(jié)1相連。大臂與底座通過深溝球軸承和鉸銷相連。組成大臂的機(jī)構(gòu)主要有花套、大臂長鉸座、大臂連接件組成。大臂可以繞銷轉(zhuǎn)動，長鉸座與大臂基座通過銷和深溝球軸承相連。大臂上有中間連接套筒其作用是對電機(jī)進(jìn)行安裝和定位。大臂上安裝傳動絲杠，絲杠上有傳動螺母，傳動螺母依靠開槽套筒實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。套筒的另一端與大臂短鉸座連接。在電機(jī)減速器輸出

25、軸與絲杠無法保證對中的情況下，為保證傳動的可靠性將絲杠與電機(jī)的連接段做成波紋管結(jié)構(gòu)。兩大臂的結(jié)構(gòu)相同，只是安裝位置相反構(gòu)成四邊形結(jié)構(gòu)，并且在小臂的末端設(shè)計(jì)了方便與腕關(guān)節(jié)相連的安裝孔。3.3 腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)腕部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示：圖3.3 腕部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖1.手部連接件，2.電機(jī)支座，3.半軸-驅(qū)動側(cè)， 4.緊定套 ，5.壓緊螺塞，6.半軸-尾部，7.末端座，8.末端套筒，9.軸承外擋圈，10.軸承內(nèi)擋圈，11.末端端蓋，12.壓緊螺帽，13.沉頭螺釘，14.軸用彈性擋圈，15.深溝球軸承，16.腕擺電機(jī)組件，17.深溝球軸承，18.沉頭螺釘，19.內(nèi)六角螺釘，20.內(nèi)六角螺釘，21 腕轉(zhuǎn)電

26、機(jī)組件，22.內(nèi)六角螺釘。因?yàn)槟┒酥亓勘容^重所以用螺桿與螺母配合的方式代替螺釘。電機(jī)支座2與手部連接件1通過螺釘連接。電機(jī)組件輸出端通過緊定套4、壓緊螺塞5與半軸-驅(qū)動側(cè)零件連接，以此來完成腕擺關(guān)節(jié)的驅(qū)動。腕轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)末端座7與半軸-驅(qū)動側(cè)和半軸-尾部通過螺栓、螺母連接，另一端通過軸承安裝末端套筒8，電機(jī)組件通過螺釘與末端座7連接。末端套筒與末端壓蓋11連接，以實(shí)現(xiàn)緊定套、壓緊螺帽12與電機(jī)組件輸出軸的連接，以此來完成腕部的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。3.4 便捷拆裝接口設(shè)計(jì)便捷接口的結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示：1.上接口座 2.下接口座 3.橫插銷 4.楔緊螺栓圖3.4 便捷接口結(jié)構(gòu)圖在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中，考慮到末端推

27、進(jìn)機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂之間要經(jīng)常拆卸，因此將兩部分的連接口設(shè)計(jì)為便于拆卸和安裝的便捷接口。上接口座機(jī)械臂的末端連接，下接口座與推進(jìn)機(jī)構(gòu)相連。下接口設(shè)計(jì)為燕尾形，當(dāng)楔緊螺栓向里是橫插銷向外運(yùn)動，這樣保證兩部分處于連接狀態(tài)；當(dāng)楔緊螺栓向下運(yùn)動時(shí)，橫插銷向里運(yùn)動，此時(shí)兩部分便可以分離。3.5 關(guān)鍵零部件的校核在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)樾”垡惺苁滞蠛湍┒送七M(jìn)機(jī)構(gòu)的重量，在整個設(shè)計(jì)中非常的重要17。小臂的受力狀態(tài)可以簡化為一懸臂梁。需要對小臂的受力進(jìn)行分析。小臂應(yīng)用的是LY12合金鋁材料。其彈性模量為72000牛頓/m2 ，泊松比為0.33 ，抗剪模量為27000牛頓/m2 ,密度為0.0027g/m3 ,熱

28、導(dǎo)率為120W/Mk ,比熱為960J/kg K 。估計(jì)末端重量為4Kg，安全余量取20%。所以懸臂梁末端承受重量為4.8Kg。分到每個螺栓的重量為2.4Kg，即24N。對小臂進(jìn)行有限元分析得出最大應(yīng)力1.563e+007 N/m2,最大應(yīng)變?yōu)?.597e-001mm。由數(shù)據(jù)可以判斷小臂的設(shè)計(jì)達(dá)到了強(qiáng)度和應(yīng)變的要求。通過分析，推進(jìn)機(jī)構(gòu)的連接板也是典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，對其也應(yīng)進(jìn)行受力分析18。連接板使用的是鍍鉻合金鋼。彈性模量為2105N/mm2泊松比為0.28，抗剪模量為7.7x104N/mm2,張力強(qiáng)度為413.613N/mm2,屈服力為172.339N/mm2。因?yàn)槠涫褂盟膫€螺栓與推進(jìn)機(jī)構(gòu)連

29、接。因此受力應(yīng)平均分為四部分。假設(shè)其最大負(fù)載為4Kg，則每個螺釘受力10N。通過有限元分析的方法得屈服力1.723e+008N/m2最大應(yīng)力為1.42e+008N/m2最大應(yīng)變?yōu)?.872e-001mm，符合設(shè)計(jì)要求。4總結(jié)本文對血管介入手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行了細(xì)致的分析、研究?？紤]到機(jī)械臂有手臂和手腕兩部分組成，根據(jù)手術(shù)的不同要求，手臂的作用是將手腕與末端推進(jìn)機(jī)構(gòu)送到手術(shù)部位并進(jìn)行定位。然后手腕通過自身姿態(tài)的調(diào)節(jié)使手術(shù)器械到達(dá)手術(shù)部位。通過對醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行綜合與優(yōu)化，提出了五自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和校核。確定了機(jī)械臂的本體構(gòu)型方案并對各關(guān)節(jié)驅(qū)動方式、傳動方式以及各關(guān)節(jié)電機(jī)及輔件的選型做了詳細(xì)的計(jì)算。目前，對血管介入手術(shù)機(jī)器人的研究方興未艾并取得了一定成績。在臨床應(yīng)用中取得了很好的應(yīng)用，但是手術(shù)的方案設(shè)計(jì)還有很大的提升空間。將機(jī)械臂引入到醫(yī)療手術(shù)中能夠避免對醫(yī)生身體的輻射損害，并能夠增強(qiáng)手術(shù)的規(guī)范性，提高手術(shù)質(zhì)量。因此，介入血管手術(shù)醫(yī)療機(jī)械臂的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。參 考 文 獻(xiàn)1朱世強(qiáng)，王宣銀.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M.浙江大學(xué)出版社,2001.2王天苗等.醫(yī)療外科機(jī)器人的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化前景J.機(jī)器人,2000,22(7):897-901.3盧桂章等.面向生物工程實(shí)驗(yàn)的微操作機(jī)器人J.南開大學(xué)學(xué)報(bào),1999,32(3):42-46.4孫立寧等.主