新型機械臂設計.doc

一 種用于輔助外科手術的機械臂設計摘要：本文主要針對機器人與計算機輔助外科手術系統(tǒng)，設計了一種可用于輔助立體定向手術的機械臂。機械臂由機械臂本體、關節(jié)制動器組成，文章分別對機械臂本體和關節(jié)制動器的結構進行了設計和計算，使得機械臂能夠測量其測量范圍內任意一點相對于它自身的位置并能夠在任意位置固定不動，具有較高的測量精度。最后將機械臂應用與立體定向手術，取得了令人滿意的效果。關鍵詞：機器人與計算機輔助外科手術系統(tǒng)、機械臂、立體定向手術1、引言近幾年來，醫(yī)療機器人與計算機輔助醫(yī)療外科技術（Medical Robot and ComputerAssisted Surgery）已經成為在多學科交叉領域中興起，并越來越受到關注的機器人應用前沿研究課題之一。它是基于計算層面掃描圖象或核磁共振圖象的三維醫(yī)療模型，對醫(yī)療外科手術進行規(guī)劃和虛擬操作，最后實現多傳感器機器人的輔助定位和操作。人們預計開展這方面的研究，不僅在手術精確定位、手術最小創(chuàng)傷、手術質量等方面將帶來一系列的技術變革，而且將改變常規(guī)醫(yī)療外科的許多概念，對新一代手術設備的開發(fā)與研制產生深遠的影響，并對智能機器人、計算機虛擬現實、微機械電子學等相關學科的理論與技術發(fā)展也將產生積極的推動作用1-3。 迄今為止，國內外已研究和開發(fā)了多種醫(yī)用機器人系統(tǒng)，適用的范圍也越來越廣。據有關報道，1998年德國的T.C.Lueth研究了基于并聯機器人機構的用于頭部外科手術的機器人手術系統(tǒng)4；1998年美國的J.Kenneth Salisbury，Jr研究了心瓣修補手術的遙操作機器人系統(tǒng)5；1999年美國的S.Shankar.Sastry研究了用于顯微外科的微創(chuàng)傷機器人系統(tǒng)6。從資料上看，醫(yī)用機器人系統(tǒng)的研究主要集中于西方發(fā)達國家，盡管已經取得了一些成果，但能真正用于臨床應用的還不多。 相比而言，國內在此方面的研究多限于醫(yī)療圖象的處理和識別方面。對于機器人輔助外科手術以前少有問津。近年來，清華、北航、哈工大和上海光機所分別在仿生器械、醫(yī)療外科機器人和微機器人等方面開展了初步研究。 值得一提的是北航機器人研究所和海軍總醫(yī)院神經外科中心聯合開發(fā)的機器人與計算機輔助外科手術系統(tǒng)(CRAS-BH1系統(tǒng))已經用于輔助立體定向手術7。該系統(tǒng)是一種用于立體定向手術的醫(yī)療外科機器人系統(tǒng)。立體定向外科手術是醫(yī)生通過CT圖片計算出病灶點在框架坐標系中的三維坐標位置(X,Y,Z)，然后在病人顱骨上鉆一個小孔，將外科手術器械通過探針導管插入病人腦中，達到CT圖像上定位的靶點，最后對病灶點進行切除操作的一項外科技術。開發(fā)機器人與計算機輔助外科手術系統(tǒng)的目的是利用機器人和計算機技術、醫(yī)務人員借助圖象導引輔助規(guī)劃手術系統(tǒng)、確立手術方案。然后在機器人末端導向裝置的導引下，將外科手術器械(如探針)引入腦內，輔助醫(yī)務人員進行手術操作。 CRAS-BH1系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。該系統(tǒng)中PUMA262機器人和六自由度機械臂起到了相當重要的作用。PUMA262機器人主要作為手術輔助操作單元，六自由度機械臂主要用于控制圖象。該系統(tǒng)經受了臨床實驗的考驗，填補了我國在機器人輔助外科手術領域中的空白。但是，該系統(tǒng)在以下幾個方面尚待改進： 第一，由于該系統(tǒng)包含價格昂貴的PUMA262機器人，使之在將來的推廣應用中受到了極大的限制。 第二，現有的六自由度機械臂精度不高，難以滿足使用要求。第三，該系統(tǒng)中PUMA262機器人和六自由度機械臂其實都是“機器人”，但是由于其功能的局限性而不得不在此系統(tǒng)中采用了兩個“機器人”。 就六自由度機械臂而言，其優(yōu)勢是各關節(jié)沒有制動裝置，因而操作靈活，可方便地應用于操作圖象，這是PUMA262機器人所不具備的。但在另一方面，由于PUMA262機器人有關節(jié)制動裝置，使其可在空間任意一點定位。因此，醫(yī)務人員可方便地利用它作為操作平臺，這又是六自由度機械臂所不能的。 顯然，如果設計一種新的帶有可控制的關節(jié)制動器的機械臂，則可將六自由度機械臂和PUMA262機器人合二為一。當關節(jié)制動器處于“開”時，各關節(jié)可靈活運動，它相當于六自由度機械臂；當關節(jié)制動器處于“合”時，各關節(jié)相對鎖緊，它相當于PUMA262機器人。圖1 CRAS-BH1系統(tǒng)的總體結構框圖 新型機械臂的設計，不僅可簡化CRAS-BH1系統(tǒng)，而且可拋棄價格昂貴的PUMA262機器人，從而可提高原系統(tǒng)的經濟性和可靠性，是一條符合我國國情的研究開發(fā)道路。2、機械臂的工作原理和設計總體方案21 機械臂工作原理我們設計的機械臂主要起到兩個作用，一方面代替鼠標，對三維圖象模型進行交互操作，一方面為醫(yī)生提供手術平臺，方便醫(yī)生進行手術操作。因此要求其結構靈活、輕便、精度較高，易于操作。機械臂被設計成為被動式，即機械臂本身沒有驅動機構，依靠外部力量（人力）加以驅動。這種設計是符合手術規(guī)劃的實際要求的。由于機械臂末端安裝的手術器械導入機構是具有一個自由度的移動結構，所以機械臂設計為五自由度即可滿足工作要求。機械臂的五個關節(jié)全部采用轉動副的運動方式，使運動更加靈活。其整體外形猶如人的手臂，由肘部、大臂、小臂實現工作空間。手部的兩個自由度保證機械手以各種姿態(tài)到達被測點。根據上述情況，我們確定高精度、能測量、能制動機械臂(簡稱機械臂)的設計指標如下：1 高精度機械臂沿不同軌跡使其末端到達空間某點時，通過各關節(jié)電位計所得參數而計算得出的此點坐標的差值(即總精度)小于2mm。由于機械臂總精度由機械精度、傳感器精度組成，所以要求機械臂機械精度小于1mm。2 能測量機械臂能夠測量其測量范圍內任意一點相對于它自身的位置。3 能制動機械臂能夠在任意位置固定不動，即各關節(jié)軸能夠在任意位置鎖死。4 測量空間機械臂末端能夠到達一個300x300x300mm的立方體中的任意一點。5 無動力機械臂各關節(jié)無動力裝置進行驅動。6 可操作性好機械臂的末端能夠在人手的驅動下自由運動。7 功能可靠機械臂的制動在末端進行操作期間要安全可靠。8 可負載機械臂末端能夠承受1Kg左右的重量。9 成本低在滿足上述要求下，盡量降低成本。22 總體方案 由設計任務確定機械臂由機械臂本體、關節(jié)制動器和關節(jié)位置測量裝置三個環(huán)節(jié)組成。機械臂本體是機械臂的主體成分，它決定了機械臂的類型、工作空間、精度、關節(jié)數目、關節(jié)類型等。制動器是機械臂的重要環(huán)節(jié)，它的制動能力的好壞決定了機械臂能否提供一個安全的操作平臺。關節(jié)位置測量裝置類型很多，考慮到價格及精度性能等因素，在此決定采用光電編碼器。本文主要對機械臂本體、關節(jié)制動器進行設計和選擇。3、高精度機械臂的設計31機械臂方案擬訂 機械臂實質上就是一個沒有驅動和傳動系統(tǒng)的機器人，因此可以根據現有機器人的設計擬訂機械臂的設計方案。 常見的機器人的結構類型主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構和關節(jié)結構。經分析比較后，擬采用關節(jié)結構，其優(yōu)勢在于以下幾個方面：第一，關節(jié)結構操作靈活。這一點對于外科手術環(huán)境尤其重要。在CRAS-BH1系統(tǒng)中，六自由度機械臂就是關節(jié)結構，其操作的靈活性已得到了醫(yī)務人員的肯定。第二，關節(jié)結構工作空間大。在實現相同的工作空間的前提下，關節(jié)結構可做得比較緊湊。 當然，采用關節(jié)結構也會使設計遇到一定困難：精度難以提高、關節(jié)制動時所需力矩較大。但是，機械臂的設計主要是面向用戶的設計，它以滿足用戶需要、方便用戶為目標。因此，最終采用了關節(jié)結構。 為了使機械臂具有較高的靈活性，擬訂了如圖2所示的初步方案：它由三個回轉關節(jié)和三個俯仰關節(jié)組成。由于機械臂的末端操作器本身已經有了一個自由度，使得機械臂末端的回轉關節(jié)就多余了。因此，機械臂的設計采用了的如圖-3所示的原理方案：它共有五個關節(jié)，即兩個回轉關節(jié)和三個俯仰關節(jié)。由底座到末端，不妨稱之為、關節(jié)?？紤]到工作空間的要求，大臂和小臂的長度分別取為：250mm、200mm。圖2 機械臂總體結構圖3 軸承游隙對機械臂的影響32使機械臂達到精度要求所采取的措施 對于高精度機械臂的設計，其核心問題就是采用何種結構、采取何種措施使得機械臂的精度達到精度要求。對于關節(jié)式機械臂的設計，這個問題尤為突出。 機械臂的機械精度主要由機械加工精度、機械結構精度和機械變形精度三部分組成。機械加工精度由機械加工來保障，在此不再贅述。所謂機械結構精度在此是指由于機械臂結構的特殊性而產生的特定的精度影響。下面主要介紹為提高精度而在結構設計上所采取的特殊措施。 1關節(jié)采用U形結構 CRAS-BH1系統(tǒng)中的六自由度機械臂每個關節(jié)都是單端支撐，這種設計雖然給加工和裝配帶來了很大的便利，但其代價卻是犧牲了機械臂的精度。以此為鑒，在機械臂的設計中，所有關節(jié)都采用了雙端支撐，即U形結構。 2關節(jié)采用高精度軸承支撐 軸承給機械臂造成的誤差主要有兩項：一是由軸承內、外圈和所連接構件之間的間隙產生的；另一是由軸承內、外圈本身的不同心(即游隙)產生的。設計機械臂時，軸承內、外圈和所連接構件均為過贏配合，因此，間隙誤差可忽略不計。相比之下，游隙誤差就十分顯著。它是影響機械臂機械精度的最主要的因素。由于游隙的存在而產生了對機械臂精度的影響，在此稱之為結構精度。 在機械臂的設計中，采用了進口的日本精工株式會社的高精度向心推力球軸承(相當于國家標準的C級軸承)。其有關參數見表1。 表-1 機械臂所采用的高精度軸承有關參數 型號 內徑 外徑 寬度用于關節(jié)徑向游隙NSK7902A515mm28mm7mm 4NSK7904A520mm37mm9mm 4表中4的徑向游隙是軸承在承受了一定的預負荷(即軸承內、外圈沿軸向反向受力)時得出的參數。 在機械臂的設計中，U形結構的采用使得高精度軸承可成對使用。由于在兩軸承內圈之間有套筒，因此，通過向端蓋施壓就可使兩軸承預緊，從而可達到4的徑向游隙。 下面以關節(jié)為例計算軸承游隙對機械臂精度的影響。參見圖3，設關節(jié)中的兩個軸承間的支撐距離為b1，機械臂末端到關節(jié)的距離為h1。顯然，由游隙而產生的機械臂末端的誤差1與b1成反比，與h1成正比。當兩軸承游隙達到最大(即1max=4)，且方向相反，同時，h1也達到最大h1max時，1達到極限值1max。此時，1max可由下式計算得出： 1max =21maxh1maxb1 對于關節(jié)，h1max=600mm，b1=42mm，故：1max =21maxh1maxb1=0.114mm 同理：對于關節(jié)，h2max=500mm，b2=52mm，故：2max =22maxh2maxb2=0.077mm 對于關節(jié)，h3max=300mm，b3=52mm，故：3max =23maxh3maxb3=0.046mm 對于 關節(jié)，h4max=300mm，b4=50mm，故：4max =24maxh4maxb4=0.048mm 對于關節(jié)，h5max=100mm，b5=20mm，故：5max =25maxh5maxb5=0.04mm 因此，由各關節(jié)軸承游隙所造成的機械臂累積極限誤差xmax為：xmax =1max +2max +3max +4max +5max=0.325mm 當然，max=0.325mm是在非常極端的情況下產生的。實際使用時發(fā)生這種情況的概率極小。一般情況下，可以認為x=0.2mm(略大于1max +2max )。 如果采用普通軸承，則在相同的預緊條件下，單個軸承的最大游隙為：max=10。以此帶入計算，則max =0.813mm。顯然普通軸承不能滿足設計要求。 3 采用滿足剛度要求的桿件 機械臂的桿件變形是影響機械臂機械精度的另一個重要原因。因此，各桿件的截面除了要滿足結構要求外，更主要的是要滿足剛度要求。 當大臂和小臂均為水平狀態(tài)時，作如圖4所示之簡化。機械臂在末端載荷F=10N的作用下所產生的末端撓度為最大ymax。且可以以下式近似計算得出：ymax=FL3/I/E/3=0.05mm 式中：L=500mm F=10N(末端載荷) E=68103Mpa(鋁LY12CZ的彈性模量)圖4 桿件撓度對機械臂精度的影響 I=22(423-203)/12=1.2105mm5(截面慣性矩) 顯然，設計中所采用的桿件截面能夠滿足設計要求。4關節(jié)制動器的設計 關節(jié)制動器的性能是機械臂的制動功能能否實現的重要保障，它的設計也是設計工作的一項重要內容。設計之初，本打算采用現有的制動器成品，并把十分流行的電磁制動器作為首選。經與國、內外多家廠家聯系后，沒發(fā)現合適的體積小、制動能力大的電磁制動器，只得自行設計一種各關節(jié)都能使用的制動器。41制動器的設計要求l 制動力矩大。在末端外載荷的作用下，機械臂的關節(jié)所受力矩最大，約為5000Nmm，其它關節(jié)所受力矩較小，均小于1000Nmm。l 體積盡量小。機械臂是一種醫(yī)療外科器械，如果制動器體積太大，將妨礙機械臂的靈活操作。l 重量盡量輕。制動器如果重量過大，將增加機械臂的整體重量，妨礙機械臂的靈活操作，加大制動器本身的工作負擔。42制動器方案的擬定 制動器的原理方案如圖5所示，它以電機作為驅動力，然后通過一連串機構的轉化、放大后，最后形成了阻礙關節(jié)軸旋轉的摩擦力矩。具體介紹如下： 螺紋機構：將電機輸出力矩M轉化為螺母驅動力F0。 肘桿機構：將F0放大為F1。 杠桿機構：將F1放大為F2。 楔形機構：將F2放大為N。 摩擦機構：將N轉化為摩擦力矩T。圖5 制動器工作原理圖43 制動器的設計計算 參見圖5，電機的輸出力矩M是通過一個50.5的細牙螺紋產生推動力F0的。由螺紋傳動理論，易得： F0=2Md2tg(+v) 式中，d2=4.675(螺紋中徑) =tg-1(t/d2)=1.950(螺距t=0.5時的螺旋升角) v= tg-1(f/cos30)=6.587(f=0.1時的當量摩擦角) 參見圖5，由力的平衡原理，不難得出以下各式： F0=2F1sin aF1cos=bF2 F2=2Nsin T=4Nfr 制動器的制動能力與工作角的大小有極為密切的關系。越小，則摩擦力矩T越大。理論計算表明：=0時，F0、T等將為無窮大。但實際上由于構件變形，以及構件間摩擦的存在，F0、T等只能是有限值。 制動器的工作角度可在裝配時調節(jié)。通過調節(jié)與關節(jié)軸接觸的V形爪的尺寸(鉗工修配)，就可調節(jié)的大小。 當選用電機的最大輸出力矩M分別為15Nmm（、關節(jié)）和75Nmm（、關節(jié)），=20，=45，a=54mm，b=6mm，r=10mm，f=0.1時，可得以下計算表格： 表-2 制動器制動能力計算M(Nmm)F0(N)F1(N)F2(N)N(N)T(Nmm)154363532376150475215314265818807518顯然，=20時，制動器的制動能力是能夠滿足設計要求的。5. 機械臂輔助立體定向手術的臨床應用51 機械臂精度的提高機械臂設計制造完成后是否能滿足臨床應用的要求，還要對機械臂的位置精度進行測試并給予提高。機械臂的位置精度是指計算機通過安裝在機械臂各關節(jié)上的傳感器獲取的末端位置值與機械臂在手術操作空間中的實際位置之間的差別。換言之，當機械臂以不同的位置姿態(tài)到達手術操作空間某一點時，計算機所獲取的末端位置坐標值應與之想對應。從機械臂的工作原理可知，影響機械臂精度的因素很多，其中機械臂加工和安裝中產生的連桿參數（D-H參數）誤差對機械臂精度的影響最大，使得機械臂難以滿足手術精度的要求。本文主要針對機械臂加工和安裝中產生的連桿參數（D-H參數）誤差給予補償，我們利用距離誤差模型對D-H參數進行標定以達到補償機械臂末端精度。由于篇幅所限，距離誤差模型的詳細介紹請參見文獻8。經過反復測試，標定后的機械臂末端位置偏差小于2毫米，完全可以滿足手術的需要。5.2 機械臂輔助立體定向手術的臨床應用 在大量實驗的基礎上我們在手術環(huán)境下進行了仿真實驗，在一個顱骨表面貼上金屬標志點，在顱骨中固定了一個直徑4mm的金屬模擬靶點。CT掃描后，在規(guī)劃系統(tǒng)上完成標志點和靶點測量后，用機械臂將探針對準靶點,測試結果表明定位精度可以滿足臨床應用的需要。1999年4月20日在海軍總醫(yī)院，采用新型機械臂進行了首例腦部腫瘤外科手術。手術時首先將標記點固定在病人頭上，然后進行CT掃描。將CT掃描的結果送入計算機，進行三維重建，在圖象空間（計算機空間）中進行三個標記點和手術靶點的坐標測量，并進行手術規(guī)劃，規(guī)劃好的路徑顯示在重建的三維模型上。手術時病人的頭部與手術床相對固定，用機械臂在手術空間對標記點進行測量，圖6所示。利用標記點在手術空間和圖象空間的測量結果計算從手術空間到圖象空間的映射變換。在手術空間中移動機械臂末端的手術探針，導引軟件將此時探針的位姿實時地顯示在圖象空間中，當手術探針圖象的軸向與規(guī)劃的軌跡重合時鎖定機械臂，圖7所示。醫(yī)生以固定在機械臂末端的工具作為手術器械的固定支架，準確地將探針送達靶點。穿刺針到達靶點后，抽吸出囊液，輔助手術完成。然后，醫(yī)生對患者眼睛、手腳的運動情況進行術后常規(guī)檢查，結果一切正常。手術整個過程順利，患者無不良反應。圖7 機械臂鎖定圖6 機械臂測量標記點 在成功地進行了首例臨床手術后，我們又陸續(xù)采用新型機械臂進行了四十余例臨床手術。已成功開展的手術項目有：(1) 腦深部病變活檢定性；(2) 腦腫瘤內注藥（核素或化療藥）；(3) 腦腫瘤后裝放射治療；(4) 腦深部血腫及膿腫排空；(5) 腦內異物摘除；(6) 小型腦瘤切除等。6結論通過大量的實驗測試、手術模擬和臨床應用，結果表明由北京航空航天大學機器人研究所與海軍總醫(yī)院全軍神經外科中心聯合開發(fā)研制的新型機械臂，機構簡單，測量精度高，制動性能可靠，造價低廉，滿足輔助立體定向手術的要求。新型機械臂取代了CRAS-BH1系統(tǒng)中PUMA262機器人，不僅大大簡化了系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，而且大大降低了成本，為系統(tǒng)進一步向實用方向轉化奠定了基礎。參考文獻：1