畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）無框架立體定位神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)（全套圖紙）

1、1 緒論全套cad圖紙，翻譯等，聯(lián)系153893706 醫(yī)療器械工業(yè)一種為人類健康服務(wù)的工業(yè)。就是用高新技術(shù)為醫(yī)學(xué)科學(xué)提供新產(chǎn)品、新儀器、新設(shè)備、新工具、新材料的工業(yè)，這是一個活躍的產(chǎn)業(yè)，國際上有很多跨國企業(yè)把發(fā)展的方向投向現(xiàn)代醫(yī)療器械工業(yè)上。這是一個新興的高科技產(chǎn)業(yè)，它既依賴于基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，又推動了醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。醫(yī)療器械工業(yè)備受科技界、產(chǎn)業(yè)界重視，它既有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，又有顯著的社會效益。 隨著社會的發(fā)展，人們生活質(zhì)量日益提高，對于各種高科技的應(yīng)用也帶來了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，無論社會發(fā)展到什么程度，病人這個特殊的群體是永遠(yuǎn)會存在的。醫(yī)生和護(hù)士因他們服務(wù)于病人而被視為崇高的行業(yè)，醫(yī)療器械作為

2、醫(yī)生手中的工具，服務(wù)于醫(yī)生、作用于病人，在健康事業(yè)中的作用不言而喻，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我能參與醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)，這讓我感到很榮幸，同時也暗下決心要把任務(wù)圓滿完成。 由于這是個團(tuán)隊(duì)合作完成的課題，所以這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，除了進(jìn)一步學(xué)習(xí)和了解產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)知識之外，我還將獲得另外一個收獲，那就是明白如何在一個團(tuán)隊(duì)中擺正自己的位置，協(xié)調(diào)好技術(shù)與外型的關(guān)系，求同存異，并最終和團(tuán)隊(duì)其他成員取得一致。2 課題介紹21 選題背景本課題為跨專業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)，由機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的兩位同學(xué)、工業(yè)工程專業(yè)的兩位同學(xué)、機(jī)電一體化專業(yè)的一位同學(xué)和我共同參與，課題提供者是南京國康機(jī)器人公司，名為“無框架立體定位神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人”。該醫(yī)療器械屬

3、三類醫(yī)療器械，在設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝上都有非常高的要求，它將被用來做開顱手術(shù)。時尚產(chǎn)品諸如手機(jī)、筆記本電腦等，生產(chǎn)商往往會通過外型設(shè)計(jì)吸引消費(fèi)者來達(dá)到提高銷量的目的，這個銷售策略早已被認(rèn)同，而這一點(diǎn)在某些高技術(shù)、用途又比較單一的產(chǎn)品上常常被忽略，這是使用人群少、選擇范圍窄等原因所導(dǎo)致的。而像醫(yī)療器械這類常常是定點(diǎn)、定購的產(chǎn)品，生產(chǎn)商們更容易只重視其技術(shù)含量是否達(dá)標(biāo)，至于外型，這類產(chǎn)品有太多的同類或是早期的產(chǎn)品可以借鑒，所以并不需要太多關(guān)心。當(dāng)人們第一眼注視一件東西時他看到的是它的外觀，人的判斷將從外型開始。由此可見外形對一件產(chǎn)品來說多么重要。相對于時尚產(chǎn)品來說，醫(yī)療器械的外觀將更注重人機(jī)方面的考慮，

4、力圖使人機(jī)工學(xué)與形式美相結(jié)合，達(dá)到“看起來漂亮、用起來舒服”的效果。22 醫(yī)療導(dǎo)航機(jī)器人總體介紹本次設(shè)計(jì)所做的醫(yī)療導(dǎo)航機(jī)器人的效果圖如下（圖2.1）圖2.1 整體效果圖本產(chǎn)品主要用于立體定向?qū)Ш剑X）神經(jīng)外科手術(shù)。在腦部穿刺手術(shù)中，應(yīng)先對標(biāo)記點(diǎn)注冊，即手動移動各關(guān)節(jié)使探針接觸標(biāo)記點(diǎn)，并鎖定各關(guān)節(jié)，編碼器記錄各關(guān)節(jié)角位移并傳給控制程序。手術(shù)時，控制程序會控制制動器在各關(guān)節(jié)移動到特定角度時鎖死各關(guān)節(jié)，完成導(dǎo)航，輔助醫(yī)生進(jìn)行穿刺手術(shù)。在外形尺寸與工作區(qū)間上，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方式，由用戶個性化需求確定外形尺寸及工作區(qū)間。23 資料的收集和分析231 國內(nèi)外醫(yī)用機(jī)器人的發(fā)展及其現(xiàn)狀隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展

5、，機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣泛，已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)。近年來，隨著醫(yī)學(xué)的需要和計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)技術(shù)的興起，醫(yī)用外科機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)器人應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。醫(yī)用外科機(jī)器人不僅定位準(zhǔn)確，狀態(tài)穩(wěn)定，而且可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)微創(chuàng)，提高手術(shù)安全性，縮短醫(yī)療時間，降低醫(yī)療成本，能大大地提高手術(shù)的質(zhì)量。許多國家紛紛設(shè)立專項(xiàng)計(jì)劃研究醫(yī)療外科機(jī)器人技術(shù)，并將成果產(chǎn)業(yè)化。自上個世紀(jì)80年代以來，醫(yī)療外科輔助機(jī)器人技術(shù)取得了許多研究成果，很多已經(jīng)商品化。1987年,kall等人研制了基于ct/mri/dsa上的計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)cas系統(tǒng)；1989年日本的imatron公司生產(chǎn)了商品化的腦外科機(jī)器人neuro-mat

6、e；1992年意大利的truppem研究了基于puma262的矯形外科手術(shù)系統(tǒng)；1995年,c.w.burckhadt等人開發(fā)了一套基于ct圖像的機(jī)器人控制的立體定位神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)；1997年德國的bohnerp研究了用于內(nèi)窺手術(shù)的7自由度機(jī)器人；1997年意大利的carrozzamc研究了腹外科的微機(jī)器人系統(tǒng)；2001年7月法國醫(yī)生雅克馬雷斯科領(lǐng)導(dǎo)的醫(yī)療小組在美國紐約為遠(yuǎn)在法國斯特拉斯堡的病人進(jìn)行了膽囊摘除手術(shù)，手術(shù)圓滿成功6。在國內(nèi)，目前相關(guān)部門已經(jīng)開始關(guān)注這類醫(yī)療電子設(shè)備的研究與開發(fā),但總的來看,國內(nèi)醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)的研究剛剛起步。由北京航空航天大學(xué)和海軍總醫(yī)院聯(lián)合研制的機(jī)器人輔助立體定

7、向神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)已應(yīng)用于輔助立體定向、放射性同位素置入等手術(shù)。232 無框架立體定向?qū)Ш绞中g(shù)過程腦組織是人體內(nèi)有別于其它生理組織結(jié)構(gòu)的特殊器官，一旦損傷目前科技手段尚不能使其再生，因此腦神經(jīng)外科手術(shù)是外科領(lǐng)域乃至整個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中難度最大、要求最高的手術(shù)。目前的腦外科手術(shù)系統(tǒng)可分為框架式結(jié)構(gòu)的立體定向和無框架式的立體定向兩種方式。傳統(tǒng)腦外科立體定向手術(shù)是依靠立體定向儀來定位的，而立體定向儀必須通過框架用螺釘固定在病人的腦顱骨上，這給病人造成了較大創(chuàng)傷和心理恐懼。另外，傳統(tǒng)的立體定向手術(shù)一般都只能根據(jù)病人的二維醫(yī)用圖像來確定病灶靶點(diǎn)及穿刺路徑，這樣便造成手術(shù)質(zhì)量在很大程度上取決于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象。而

8、無框架立體定向?qū)Ш綑C(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可以有效地避免傳統(tǒng)腦外科立體定向手術(shù)的缺陷，故而越來越受到重視。無框架立體定向?qū)Ш侥X外科手術(shù)過程如圖2.2所示。手術(shù)時首先在患者頭部特定部位貼上能被ct和mri識別的標(biāo)志點(diǎn)，然后圖2.2 無框架立體定向?qū)Ш侥X外科手術(shù)過程利用ct和mri進(jìn)行影像掃描。將掃描結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行頭模的三維重建。在圖像空間進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)和病灶點(diǎn)(手術(shù)的對象，如腫瘤、血塊、異物等稱為病灶點(diǎn))的坐標(biāo)測量，進(jìn)行路徑規(guī)劃并顯示在重建的三維模型上。手術(shù)時病人的頭部與手術(shù)床相對固定，用機(jī)器人的手臂在機(jī)器人操作空間對標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行注冊。利用標(biāo)記點(diǎn)在機(jī)器人操作空間和圖像空間的測量結(jié)果，計(jì)算機(jī)軟件通過計(jì)算可得

9、到機(jī)器熱操作空間到圖像空間的映射變換。根據(jù)這個影射關(guān)系和規(guī)劃的路徑，可以得到手術(shù)時機(jī)器人的位姿，以及運(yùn)動到該位姿各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動參數(shù)。然后進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真機(jī)器人手術(shù)，直到確定最佳方案。最后按最佳方案控制機(jī)器人移動到手術(shù)探針的軸向與規(guī)劃路徑重合，鎖定各機(jī)械臂，從而輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作。該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無框架定位，同時利用了三維重構(gòu)技術(shù)。3 設(shè)計(jì)構(gòu)思對于醫(yī)療器械的外觀設(shè)計(jì)，首先在整體上要給人科技感、信任感。而對于開顱手術(shù)器械來說，這一點(diǎn)尤為重要了。這倒不一定體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)如何煩瑣、或是器械規(guī)模如何浩大。它的整體外型應(yīng)該是簡潔的，從而醫(yī)生在使用時不至于被干擾視線；它的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能

10、體現(xiàn)它的精密性，它是穩(wěn)重的、可信賴的，它的人機(jī)界面應(yīng)該是最人性化的，因?yàn)樗氖褂谜呤中g(shù)醫(yī)生的工作將是長時間而不容許半點(diǎn)差錯的?；谝陨系脑O(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)應(yīng)用了產(chǎn)品符號語義學(xué)說、人機(jī)工學(xué)理論和基本數(shù)據(jù)以及某些美感形式法則。對于醫(yī)療器械產(chǎn)品而言，其加工的可能性、難度以及該產(chǎn)品所特有的便于消毒問題，將成為本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)需要解決的問題。通過前述原則、理論與方法的應(yīng)用，確實(shí)找到了這些問題的解決方案。4 從不對稱結(jié)構(gòu)中尋找平衡整體設(shè)計(jì)過程我們的設(shè)計(jì)從一開始的想法就是從“解放手術(shù)醫(yī)生勞動力”的人性化考慮開始的。經(jīng)過精確計(jì)算設(shè)計(jì)的手術(shù)導(dǎo)航機(jī)器人，可以在計(jì)算機(jī)引導(dǎo)下自主對手術(shù)部位進(jìn)行精確定位，這不僅僅極大地減

11、少了手術(shù)醫(yī)生的工作量，也大大提高了手術(shù)精確度。器械采用的主要機(jī)構(gòu)是一個平行四邊形結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)的一個好處，就是當(dāng)其前面的關(guān)節(jié)被后面的平衡系統(tǒng)所平衡的時候，它的中間兩個關(guān)節(jié)就很容易被移動（因?yàn)橹亓υ谶@些運(yùn)動方向上沒有分量），這也是為器械的使用者所做的考慮，因?yàn)槿绻闷渌年P(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)會變的相對簡單，但它的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)會由于相對較大的摩擦力和慣性力而變得笨重，從而使手術(shù)醫(yī)生的勞動強(qiáng)度變大。當(dāng)然從外型設(shè)計(jì)的角度講，平行四邊形結(jié)構(gòu)很容易在視覺上使人覺得呆板，而單臂式結(jié)構(gòu)則顯得精致，這點(diǎn)從下面兩個圖中可以很容易得到比較：圖4.1展示的是一個三維掃描儀的主體部分，其由高強(qiáng)度的碳素纖維和鋁合金制成的手臂可

12、以在很大的范圍內(nèi)靈活地運(yùn)轉(zhuǎn)。碳素纖維是新開發(fā)的高強(qiáng)度超輕材料，通常被用在航空飛機(jī)之類有特殊要求的產(chǎn)品上。對碳素纖維的運(yùn)用使整個掃描儀的重量不到5公斤，從而使使用者操作起來輕巧方便，這當(dāng)然是一個很好的設(shè)計(jì)，但是由于碳素纖維本身昂貴的價格帶來的高成本，這個儀器的售價達(dá)到圖4.1 碳素纖維三維掃描儀 圖4.2機(jī)器人平行四邊形結(jié)構(gòu)了40萬人民幣。而這個平行四邊形結(jié)構(gòu)（如圖4.2）可以采用普通金屬材料制作而成，它的成本相對而言便宜許多，開發(fā)產(chǎn)品的最終目的是贏得市場，而價格是取得市場的非常重要的因素；另外，由于金屬材料的大比重，使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成為設(shè)計(jì)必須考慮的問題，所以我們采用了這個平行四邊形結(jié)構(gòu)作為這個

13、導(dǎo)航機(jī)器人的主體手臂部分。這個主體部分的前傾及其只有一點(diǎn)與支架部分相連造成了這個主體結(jié)構(gòu)的不平衡以及瑣碎感，本次設(shè)計(jì)希望通過改變機(jī)構(gòu)的其他部分和桿件本身的形態(tài)來緩解這些種視覺上的不平衡感。4.1 調(diào)和法則的運(yùn)用底座設(shè)計(jì)所謂調(diào)和法則就是使整體各部分統(tǒng)一和諧，其特點(diǎn)是在差異中趨向于“同一”和“一致”，使人感到融合、協(xié)調(diào)，其運(yùn)用到造型設(shè)計(jì)中就是在整體設(shè)計(jì)中就各部位做相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)處理，以達(dá)到統(tǒng)一的美感2。就這次設(shè)計(jì)所做的導(dǎo)航機(jī)器人來說，整個機(jī)構(gòu)的重量達(dá)到了45公斤，且前后跨距相當(dāng)大，底座的任務(wù)是負(fù)擔(dān)整個機(jī)構(gòu)，所以它必須結(jié)實(shí)且能平衡機(jī)構(gòu)。原設(shè)計(jì)方案的底座設(shè)計(jì)略顯單?。ㄒ妶D4.3），且結(jié)構(gòu)太過于對稱。以下

14、是我的改進(jìn)方案（見圖4.4）。圖4.5是底座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于器械是向前探出的形式，整個底座前小后大、前薄后厚，如此不僅可以在力學(xué)上、更可以在視覺上很好地平衡它需要支撐的機(jī)構(gòu)，使器械更富有整體性。圖4.3 原先的底座方案 圖4.4底座方案圖4.5底座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)底座內(nèi)有讓底下輪子止住不動的剎車裝置，底座上的牽拉把手就是控制剎車裝置的。整個底座的外輪廓是跟著內(nèi)部結(jié)構(gòu)來的，前后的弧線使底座看起來飽滿結(jié)實(shí)，加厚底座是為了加重底座的重量使之更加穩(wěn)固。4.2 構(gòu)成元素的語義及其視覺效應(yīng)的體現(xiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在視覺交流中，人們是通過表情和眼神的視覺語義象征來理解對方。而當(dāng)人們在操作使用機(jī)器產(chǎn)品時，是通過產(chǎn)品部件

15、的形狀、顏色、質(zhì)感來理解機(jī)器。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，每一個手柄、旋鈕、把手都會“說話”，它通過結(jié)構(gòu)、形狀、顏色、材料、位置來象征自己的含義，“講述”自己的操作目的和準(zhǔn)確操作方法。產(chǎn)品的各組成元素就像產(chǎn)品的“細(xì)胞”，它們既有各自的作用，又統(tǒng)一起來一起構(gòu)成產(chǎn)品給人的總體印象。對于像導(dǎo)航機(jī)器人這樣的機(jī)構(gòu)來說，它的構(gòu)成元素包括桿件的形態(tài)、它們連接的狀態(tài)等等，處理好這些構(gòu)成元素便等于處理好了機(jī)構(gòu)的大致造型效果。4.2.1 產(chǎn)品符號學(xué)的概念產(chǎn)品符號學(xué)把產(chǎn)品的象征功能與傳統(tǒng)的幾何、勞動學(xué)、技術(shù)美學(xué)等結(jié)合在一起，采用比喻和語義方法，提出了新的設(shè)計(jì)思想。它關(guān)心的是設(shè)計(jì)對象的含義,對象的符號象征，以及在不同心理、社會、和

16、文化環(huán)境中的使用情況。它針對“以機(jī)器功能為本”，提出“以人為本”的設(shè)計(jì)思想以適應(yīng)微電子時代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。它提出了幾種產(chǎn)品語義設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，使產(chǎn)品適應(yīng)人的視覺理解和操作3。例如視覺經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為圓的東西可以轉(zhuǎn)動，紅色某些特定場合往往表示危險。你會通過門的形狀、位置、和結(jié)構(gòu)來確認(rèn)那是一扇門，沒有人會把一面墻當(dāng)成一扇門是因?yàn)槿藗冊缫呀?jīng)把門的形狀、結(jié)構(gòu)、位置以及它的含義同人們的行動目的和行動方法結(jié)合起來，這樣形成的整體叫行動象征。同樣，水壺、自行車、菜刀等等都具有行動象征。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)把這些東西的象征含義用在機(jī)器、工具、產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，使用戶一看就明白它的功能、它的操作方式，不需要花費(fèi)大量精力重新學(xué)習(xí)陌生的操作方法。把

17、產(chǎn)品符號學(xué)的思想用于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，就是要從人的視覺交流的象征含義出發(fā)，它通過結(jié)構(gòu)、形狀、顏色、材料、位置來象征自己的含義，“講述”自己的操作目的和準(zhǔn)確操作方法。換句話，通過設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的目的和操作方法應(yīng)當(dāng)不言自明，不需要附加說明書解釋它的功能和操作方法。怎么才能在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？產(chǎn)品語義學(xué)認(rèn)為：這些幾何形狀的象征含義是人們從小在大量的生活經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)積累起來的，這是每個人的幾何形狀知識財(cái)富，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)采用人們已經(jīng)熟悉的形狀、顏色、材料、位置的組合來表示操作，并使它的操作過程符合人的行動特點(diǎn)。 4.2.2 平行四邊形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如前所述，平行四邊形結(jié)構(gòu)很容易給人呆板、笨重的感覺，因?yàn)樗?/p>

18、四條邊是倆倆對應(yīng)的，為了避免平行四邊形結(jié)構(gòu)帶來的視覺上的這種僵硬感，作者曾嘗試過幾種方式，表1歸納了這幾種方式和它們最終沒有被采納的原因。表1 幾種想法與其沒有被采納的原因方式所采取手段所達(dá)到效果缺 點(diǎn)草 圖方式1用護(hù)套把四根桿子套起來，上下兩根桿則分別從護(hù)套的兩側(cè)伸出來。運(yùn)動從外面看就簡化成護(hù)套的轉(zhuǎn)動和上下桿的移動了，護(hù)套能使機(jī)構(gòu)的整體感強(qiáng)很多，它對機(jī)構(gòu)的一般運(yùn)動也不會有干涉。一旦運(yùn)動到幾個極限位置時桿件與護(hù)套之間就會產(chǎn)生明顯的干涉。方式2改變桿件的形態(tài)，比如做成弧度狀。使平行四邊形結(jié)構(gòu)的形式變活潑起來。材料屈服極限降低，強(qiáng)度減小，容易造成不必要的麻煩。帶來的加工的麻煩將大于修改的必要。方式

19、3在表面加肌理效果。達(dá)到各種豐富的視覺形象。造成消毒不便。在經(jīng)過反復(fù)的斟酌之后，最后的設(shè)計(jì)方案利用了產(chǎn)品符號學(xué)的原理。首先是桿件，四根桿的粗細(xì)因各自的承載不同而互不一樣,負(fù)主要承載的大臂最粗，起平衡作用的平衡錘短而重且沒有電路通過，圓弧形是最適合它的了。另兩根桿較之而言要纖細(xì)些，其中與主桿對應(yīng)的拉桿因?yàn)槌休d小，同時也是對比突出的需要做成最細(xì)，而上臂則因通過電路較多而相對較粗，這兩根桿做成圓形截面也是為了起對比的作用。由此，幾根桿件的運(yùn)動及各自的承載便一目了然連接部分都用黑色的圓形護(hù)蓋，圓形的幾何狀態(tài)暗示了關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動這個運(yùn)動方式，這是圓形護(hù)蓋這個元素所傳遞的語義。圓形和長方形是大自然中最常見且最容

20、易被人們接受的形態(tài)1，在醫(yī)療器械中應(yīng)用這些形態(tài)能給使用者醫(yī)生以親切感，從而減弱醫(yī)療器械帶給人的疏離感，在手術(shù)中有助于保持醫(yī)生心態(tài)的平穩(wěn)，這也是一個從人性化設(shè)計(jì)出發(fā)的考慮。4.2.3 回旋支架設(shè)計(jì)對于旋轉(zhuǎn)支架，我是這樣考慮的：它的任務(wù)是負(fù)擔(dān)桿件，所以相對于輕巧的桿件它應(yīng)該厚實(shí)些；它又是會旋轉(zhuǎn)的，但是旋轉(zhuǎn)緩慢且角度不大，所以它應(yīng)該有些弧度來表示它的轉(zhuǎn)動動作；作為整體機(jī)構(gòu)的一部分，它的形狀必須能做到上下呼應(yīng)。在參考了一些國外的同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)后，我發(fā)現(xiàn)在它們都有一個共同的特點(diǎn)，就是為了在造型設(shè)計(jì)上盡量避免產(chǎn)品給人產(chǎn)生的笨重、粗糙、冰冷的感覺，而使用一些平行的線條，從而使產(chǎn)品造型活躍又不失整體。而平行四

21、邊形結(jié)構(gòu)、桿件大形都是互相平行的狀態(tài)，所以支架的大形應(yīng)基本延續(xù)這種狀態(tài)，考慮到它同時應(yīng)該是原弧形來體現(xiàn)它的轉(zhuǎn)動，于是我把基本形態(tài)確定在如“匚”上。用大的導(dǎo)角來連接直角，同時也體現(xiàn)弧度的意味。下圖是兩個方案的比較，圖4.7是原方案的剖面圖，圖4.8是我的方案的立體圖。兩個方案雖然相象，但還是有些細(xì)微的差別，由圖上可以看出，圖4.8更立挺一些，上面部分壓低了更與地面平行一些，這是考慮與上臂的呼應(yīng)。圖4.7原方案的剖面圖 圖4.8方案的立體圖 兩個方案的差距都體現(xiàn)在細(xì)節(jié)上，這是因?yàn)樗^改良設(shè)計(jì)其實(shí)基本上都會在細(xì)節(jié)上體現(xiàn)，以小見大，一點(diǎn)人性化的設(shè)計(jì)帶來的細(xì)微的改動可以給人以最溫暖的感受2，這一點(diǎn)已經(jīng)多

22、次在各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了。4.2.4 對比法則的應(yīng)用所謂產(chǎn)品造型元素的對比法則，就是通過組成元素間的形態(tài)對比、材質(zhì)對比、色彩對比等，從而帶來整體上的視覺變化，使人產(chǎn)生豐富的心理感受，元素的對比法則有主從律、適合律等幾個定律可以遵從。各元素的對比性和統(tǒng)一性在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有非常重要的作用，因?yàn)樗鼈鬟f著產(chǎn)品帶給使用者的感受。如果組成一個產(chǎn)品的各元素對比和諧，則它可以傳遞親切、友好的信息，使使用者心境平和，而這一點(diǎn)，對于醫(yī)療器械尤為重要。在這次改良性的設(shè)計(jì)中的各方面都應(yīng)用到了這個原理 ，在桿件設(shè)計(jì)中用黑白對比、圓形和長方形的對比、白色和黑色的統(tǒng)一來體現(xiàn)元素的對比和統(tǒng)一；底座、旋轉(zhuǎn)支架和桿件均相互呼應(yīng)以取

23、得平衡的視覺感受。5 人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)應(yīng)用細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)在前面的內(nèi)容中我提到過，醫(yī)療器械不是一件時尚產(chǎn)品，人們不會象挑選手機(jī)、mp3那樣根據(jù)自己對色彩和樣式的喜好來選擇它，而是更注重它的實(shí)用性。但它同時也是一件商品，世界著名設(shè)計(jì)家雷蒙洛維提出：“丑的設(shè)計(jì)是賣不出去的（ugly does not sell）”，“向設(shè)計(jì)投資的時代已到來，僅靠產(chǎn)品性能和質(zhì)量是很難在競爭中取勝”7。這就要求我們在追求產(chǎn)品實(shí)用性的同時還要顧及其形式的美。其實(shí)這兩者并不矛盾，前者反映在理論上就是人機(jī)工學(xué)，而后者便是設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)了。藝術(shù)設(shè)計(jì)與人機(jī)工學(xué)的共同之處在于，兩者都以人為核心，以人類社會的健康發(fā)展為終極目的4。本產(chǎn)品的細(xì)節(jié)設(shè)

24、計(jì)（細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)包括手柄、把手等雖小但被用到的機(jī)會較多的部分），始終都遵循著人機(jī)工程學(xué)的基本原理。在某種程度上人機(jī)工學(xué)原理是對藝術(shù)設(shè)計(jì)的限制，它使藝術(shù)設(shè)計(jì)形式受到設(shè)計(jì)者自我意識的影響更少，而設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中，更加關(guān)注使用者，從而使設(shè)計(jì)真正能為廣大消費(fèi)者服務(wù)。5.1 控制柜及手術(shù)臺的設(shè)計(jì)導(dǎo)航機(jī)器人在工作中，控制它的方式有手柄控制和計(jì)算機(jī)控制。當(dāng)需要手動移動各關(guān)節(jié)及鎖定各關(guān)節(jié)時，機(jī)器人由手柄控制；而在手術(shù)時，需要控制程序來控制制動器在各關(guān)節(jié)移動到特定角度時鎖死各關(guān)節(jié)，完成導(dǎo)航，輔助醫(yī)生進(jìn)行穿刺手術(shù)，這個控制任務(wù)由計(jì)算機(jī)操作，并通過數(shù)據(jù)線把數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到機(jī)器人。這兩個控制方式，手柄被直接安放在機(jī)器人上，而

25、計(jì)算機(jī)則獨(dú)立放置，并連同鍵盤、顯示器等形成一個控制柜。導(dǎo)航機(jī)器人在實(shí)施手術(shù)時，患者的姿勢是仰臥式，這一點(diǎn)與一般腦科手術(shù)無異。醫(yī)生在操作電腦時是坐姿狀態(tài)，設(shè)計(jì)這兩件東西是以人機(jī)工學(xué)原理為出發(fā)點(diǎn)的。首先是尺寸，由于醫(yī)生是坐著使用操作鼠標(biāo)和鍵盤的，一般在坐姿作業(yè)時，工作臺的高度在700mm900mm之間為最佳，而臺下空間高度為600mm650mm之間，考慮到控制柜的高度與手術(shù)機(jī)器人的高度（一般狀態(tài)1300mm）的協(xié)調(diào)關(guān)系，我把控制柜的高度定在780mm。臺下空間為600mm，這也符合人機(jī)工學(xué)中600mm650mm的標(biāo)準(zhǔn)的。（見圖5.1）圖5.1控制柜左視圖控制柜的正面做成向內(nèi)凹的弧度是出于方便坐姿者

26、放腿的考慮，鍵盤做成微向下傾斜的角度也是為方便使用者更舒適的操作，而鼠標(biāo)放置的平臺隱藏在柜子側(cè)面，要使用時可以抽出來，此舉是為了節(jié)省空間。液晶顯示器的角度和高低都可以任意轉(zhuǎn)換和固定，這樣方便了手術(shù)醫(yī)生在手術(shù)中不管是坐姿還是站姿都能看到由探針掃描的病灶部分的情況。手術(shù)臺的設(shè)計(jì)參照了市場上已有產(chǎn)品的一般造型，在這里就不多說了，就是在色彩上考慮了和導(dǎo)航機(jī)器人及控制柜的協(xié)調(diào)問題。5.2 手柄設(shè)計(jì)在導(dǎo)航機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，共有回轉(zhuǎn)支架回轉(zhuǎn)、大臂擺動、小臂擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手腕擺動五個自由度，這些自由度的控制都必須由手柄控制完成。其中在平行四邊形結(jié)構(gòu)中只需定義一個自由度便可確定其他三個轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動，這便是平行四邊形

27、結(jié)構(gòu)的好處了。在上述五個自由度中，前四個由于主要通過推動上臂來完成，所以歸結(jié)到上臂上的手柄控制，而手腕擺動由于動幅較小，屬于微調(diào)范圍，單獨(dú)由一個手柄控制。手柄按鈕控制方式為：當(dāng)手柄上的按鈕被按下時，它所控制的自由度便可運(yùn)動，一旦手指抬起，這個自由度便被鎖死。由于上臂上的手柄的控制電路由上臂內(nèi)部通過，它的形態(tài)便是“包裹”在上臂上。在原來的設(shè)計(jì)方案中，上臂上的手柄的按鈕被設(shè)計(jì)放在手柄上部。而在我的設(shè)計(jì)中，我把按鈕改成了放在側(cè)面。如圖5.2所示。圖5.2 手柄草圖示意由于導(dǎo)航機(jī)器人的自由度控制是被動式的，也就是說，自由度需要人來推動它才會運(yùn)動，所以在使用手柄時，人需要握緊手柄來獲得所需的摩擦。當(dāng)按鈕

28、安放在手指關(guān)節(jié)的受力點(diǎn)手柄上側(cè)時，便很容易產(chǎn)生誤按?？紤]到手柄所處的一般高度（如圖5.3所示），把按鈕放在側(cè)面。當(dāng)人手握上去后，指腹和指尖的圖5.3 手柄操作方式示意圖部位正好按在按鈕上，手柄的曲線與人手曲線相吻合，由此方便用力。另外，一個按鈕分別由一個手指控制并對應(yīng)一個自由度，也非常容易記憶。手柄設(shè)計(jì)效果如下圖5.4。在材料方面，為方便消毒，手柄的材料仍然是工程塑料，為了易于辨認(rèn)，我把它做成與桿件不同的顏色。關(guān)于顏色的設(shè)計(jì)我將在后面論述。圖5.4控制手柄手腕擺動由一個微調(diào)手柄控制。手柄設(shè)計(jì)如圖5.4：下部呈圓柱形方便抓握，按鈕安放在上部突起的梯形臺上方便按動，這樣的設(shè)計(jì)也使整個造型看上去簡潔

29、明了。5.3 手腕彎柱設(shè)計(jì)圖5.5手腕彎柱設(shè)計(jì)這個設(shè)計(jì)并不是作者的想法，在這里提是因?yàn)樗彩钦麄€設(shè)計(jì)的一部分，也更因?yàn)檫@是個很人性化的考慮。在腕轉(zhuǎn)和腕擺的連接問題中，沒有直接連接而是用彎柱連接（如圖5.5），這是為了手術(shù)時醫(yī)生視野無遮攔。在手術(shù)操作中以手術(shù)者的角度往手術(shù)部位看，會發(fā)現(xiàn)視線正好被腕擺檔住。當(dāng)腕轉(zhuǎn)和腕擺以如上的彎柱形式連接時，手術(shù)時醫(yī)生視野便不會被遮攔，而且彎柱也不會與手術(shù)器械安裝平臺上的手術(shù)器械干涉。我覺得這個想法很細(xì)致也很人性化。5.4 其他細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，細(xì)節(jié)處理是非常重要、也是非常多的?？梢哉f產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是對一系列細(xì)節(jié)的處理，譬如以下幾處，就是稱不上細(xì)節(jié)的細(xì)節(jié)。圖5

30、.6拉桿與平衡錘連接設(shè)計(jì)這個設(shè)計(jì)就是完全出于美學(xué)方面的考慮了（如圖5.6）。平衡錘的任務(wù)是平衡前面手腕處的重量，所以它必須有相對大的體積來承放重物，圓弧形是最適合它的形狀，與之連接的拉桿則是長的圓桿，為了使兩者的連接不顯得太突兀，我用相承接的兩個圓來連接它們，連接兩個圓的弧線與平衡錘外弧線相呼應(yīng)形成視覺上的協(xié)調(diào)。我用圓形來處理的連接不止這個，基本上所有桿件的連接都是用的圓形，上面已經(jīng)論述過，圓形是最容易被人們接受的形狀，所以有較強(qiáng)的親和力，從而緩解醫(yī)療器械這樣一個另人畏懼的器械所產(chǎn)生的疏離感。如圖5.7 在上臂向支架傾斜是為了因?yàn)橥筠D(zhuǎn)和腕擺較重，如此設(shè)計(jì)就能將其和平衡錘放到一條直線上，從而達(dá)到

31、更好的平衡效果。 圖5.7上臂細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 圖5.8支架平衡塊設(shè)計(jì)圖5.8顯示的平衡塊既能放置大齒輪又能同時起到平衡重量的作用。它所用的黑色使之不顯得突兀反而在視覺上有平衡支架另一面的機(jī)構(gòu)的作用。6 顏色與材料設(shè)計(jì)6.1 顏色設(shè)計(jì)由于醫(yī)療器械是特殊的產(chǎn)品，所以它的顏色會有特別的要求，在這里我要闡述一下余像的概念。見下圖6.1注視左圖中的黑點(diǎn)約30秒鐘，然后看右邊的黑點(diǎn)，可以看見各種色彩的余像。你將發(fā)現(xiàn)，紅色塊的余像是藍(lán)綠色。圖6.1余像的詮釋余像的概念：刺激消失后看到的、多少與刺激場相似、并隨眼睛移動的視覺影象。余像會消失，然后又重新出現(xiàn)。在長時間的凝視后，余像出現(xiàn)的時間有時會很長，有時眼睛接觸的

32、光線會被余像完全籠罩住，在這種情況下，余像對準(zhǔn)確的感覺會產(chǎn)生干擾作用在手術(shù)室中，外科醫(yī)生長期凝視便是患者傷口處，當(dāng)他望向別處時，便產(chǎn)生藍(lán)綠色余像。這時的余像雖然沒有強(qiáng)烈到干擾他的正常視覺，卻會使他感覺心理緊張，加速疲勞。已知道的對余像能產(chǎn)生影響的主要因素有原刺激之后出現(xiàn)的刺激性質(zhì)、影像在視網(wǎng)膜上的形成部位、眼睛的適應(yīng)狀態(tài)等。事實(shí)證明，當(dāng)刺激之后再感受與原刺激相對的刺激，也就是當(dāng)眼睛看到與余像相近的色彩時，可以起到減弱余像的作用1。手術(shù)室墻面刷成淺綠色，手術(shù)室工作服為藍(lán)綠色，是應(yīng)用了這個道理。當(dāng)我試圖直接在導(dǎo)航機(jī)器人上應(yīng)用這些顏色時卻發(fā)現(xiàn)有些不倫不類。這是一個結(jié)構(gòu)感很強(qiáng)的器械，當(dāng)它被鍍上傳統(tǒng)的藍(lán)

33、綠色后，色彩與機(jī)構(gòu)極不協(xié)調(diào)，就像一個機(jī)器人穿上了花衣裳（如圖6.2，以藍(lán)色為底色是最終確定的方案，其余是各種色彩方案）。也就是只有黑白兩色時，它才擁有了它所應(yīng)該具有的科技感、信任感。 圖6.2色彩方案整個機(jī)構(gòu)被分解開來的零件其實(shí)很多，全部用一種顏色會顯得很單調(diào)，但用黑白兩色搭配使用時，也就是相同性質(zhì)的部件被用上一種顏色時，機(jī)構(gòu)就具有一種和諧、統(tǒng)一的效果。底座用了黑色使之顯得塌實(shí)沉穩(wěn)，回轉(zhuǎn)支架和桿件都用了白色，連接處的圓形護(hù)蓋則都是黑色，這些在上文都已論述過。所有的部件的顏色應(yīng)用在效果圖上都一目了然，這里就不一一詳述了。6.2材料設(shè)計(jì)為了便于消毒，器械外表面應(yīng)該是光滑的，而桿件及各組成零件又形狀

34、復(fù)雜。綜上所述，表面包裹材料是工程塑料最為合適，復(fù)雜的造型可以通過模具壓模獲得。顏色可以通過噴漆上色。7 模型制作導(dǎo)航機(jī)器人是個會動的機(jī)構(gòu)，所以必須把那幾個自由度做出來。模型要做的精細(xì)，粗粗糙糙的還不如不做。因?yàn)閾?dān)心費(fèi)事費(fèi)力做機(jī)構(gòu)出來不會動或是會互相干涉，作者就決定先做個草模來分析一下結(jié)構(gòu)。圖7.1草模照片歷時七天左右，草模出爐（見圖18），材料全是木頭，主要工作包括用鋸子粗加工和用砂紙和銼子細(xì)加工，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)全部用螺釘連接。經(jīng)過草模的制作，心中對正式模型的制作基本了然。在軟件中分析了整個機(jī)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)光是外型的零件就有五六十個之多，一個一個用手工加工難免粗糙，最后便決定用雕刻機(jī)一個一個雕出來然后打

35、磨，最后噴上漆后組裝起來。模型的比例確定為1：4。由于對雕刻材料代木的了解不夠，所以做的過程中也碰到不少郁悶的事情，比如當(dāng)比例僅為1：4，有些零件就非常的細(xì)小，打磨困難就不說了，零件太小難以承受重量的問題就比較麻煩，后來采取在零件中打孔的辦法來減輕重量。再比如由于零件多來不及細(xì)細(xì)雕，為求速度只能用大的銑刀粗雕，出來的效果就沒有當(dāng)初想象的好了。為省料，往往一塊材料要利用幾次，從雕了一層的代木上往下鋸小小的零件也并非易事。不斷碰到問題，不斷想辦法解決問題，這也許能概括做模型的整個過程吧。不過令人還算感到欣慰的是：模型最后的效果總算差強(qiáng)人意。（見圖7.2 ）圖7.2模型照片6 設(shè)計(jì)感想及總結(jié)這次設(shè)計(jì)的開始并不是一帆風(fēng)順，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)都已經(jīng)定好，所以我的很多想法都沒有用的上，而整個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，在外型創(chuàng)新上很難有大的突破。這些都曾經(jīng)讓我感到很迷茫，不知道從何入手來做。最后我把整個機(jī)構(gòu)拆成各個部分，譬如手臂部分分成了平行四邊形結(jié)構(gòu)、手柄，而平行四邊形結(jié)構(gòu)則又分成四個桿件和各連續(xù)部分。在每個部分上推敲，從產(chǎn)品語義等