一種醫(yī)療機(jī)器人主操作手的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[精選]

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)一種醫(yī)療機(jī)器人主操作手的設(shè)計(jì)與工作空間分析姓 名： 劉景濤 學(xué) 號(hào)： 13130019 班 級(jí)： 13機(jī)械1 專 業(yè)： 機(jī)械工程 所在系： 機(jī)械工程系 陳玲、呂寧 一種醫(yī)療機(jī)器人主操作手的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真摘 要現(xiàn)如今，在科技大力發(fā)展的前提下，也為醫(yī)學(xué)界帶了不少福音，這其中，微創(chuàng)手術(shù)，相較于傳統(tǒng)手術(shù)，成為了外科界所追求的一種手術(shù)境界。也正因此，外科的傳統(tǒng)手術(shù)在逐步發(fā)展起來(lái)，慢慢向微創(chuàng)手術(shù)轉(zhuǎn)型。畢竟對(duì)醫(yī)學(xué)界而言，醫(yī)學(xué)持續(xù)發(fā)展的根本主題，就是在解決患者痛苦，治愈患者傷病的同時(shí)，能最大程度的減少為患者帶來(lái)的創(chuàng)傷。而微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人正是這樣的環(huán)境下發(fā)展起來(lái)的，并逐漸步入了人們的視野，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日益顯

2、現(xiàn)。而微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人和醫(yī)生之間的聯(lián)系，就是通過主操作手來(lái)控制界面實(shí)現(xiàn)的，所謂的主操作手，可以說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要手段。醫(yī)生在操作微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)的過程中，主操作手的作用極其重要，可以通過操作來(lái)獲取到手術(shù)需要的器械，因此主操作手的性能指標(biāo)，就非常重要，會(huì)對(duì)手術(shù)的最終結(jié)果造成一定的影響。只有確保主操作手具有良好的性能，才能使微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的運(yùn)用發(fā)揮重要作用。本文的主要內(nèi)容如下：根據(jù)醫(yī)生在手術(shù)過程中的手臂操作、動(dòng)作特點(diǎn)和空間距離，結(jié)合醫(yī)生主操作手的標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)及性能要求，來(lái)對(duì)該行為進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成以后，結(jié)合d-h算法對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證和求解，從而完成對(duì)整個(gè)操作流程的仿真模

3、擬、場(chǎng)景分析。文章的末尾對(duì)操作手的具體結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)主操作手的各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)所遇到的問題進(jìn)行了方案研究，最終完成了主操作手的技術(shù)設(shè)計(jì)圖。 關(guān)鍵詞：醫(yī)療仿真；運(yùn)動(dòng)學(xué)理論；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) an analysis of the design and work space of the master manipulator of a medical machine abstractin recent years, with the development of science and technology, minimally invasive surgery has become the stand

4、ard 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 microsurg

5、ical robot was developed in this environment, and gradually became the peoples field of view. the doctors direct control of the interface for medical robots is the main operator, and the main operator is an important human-computer interaction device. during surgery, the doctor always by operating t

6、he 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 conte

7、nt 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, t

8、he method of d-h 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 transmis

9、sion 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 錄第一章 緒論1引言1微創(chuàng)外科手術(shù)1主從式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀11.4 醫(yī)療機(jī)器人主操作手國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r3選題的目的及意義5本文的主要內(nèi)容6第二章 主

10、操作手方案設(shè)計(jì)7引言7主操作手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析7主操作手設(shè)計(jì)要求7主操作手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8主操作手主要結(jié)構(gòu)分析8構(gòu)型確定及分析10第三章 主操作手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真123.1 引言12主操作手運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬123.3 主操作手正運(yùn)動(dòng)學(xué)13主操作手工作空間分析15第四章 主操作手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17引言17主操作手設(shè)計(jì)17結(jié)構(gòu)傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)17機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)19電機(jī)的選擇20參考文獻(xiàn)22致 謝23第一章 緒論當(dāng)下是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展科技也快速發(fā)展的時(shí)機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給我們的生活帶來(lái)了重大的改變，同時(shí)也帶動(dòng)了各行各業(yè)的信息化發(fā)展，機(jī)器人的發(fā)展也得到了推動(dòng)。機(jī)器人的發(fā)展能夠讓人類從反復(fù)重復(fù)枯燥的工作中解脫而去做一些更有意義的

11、事情，機(jī)器人的出現(xiàn)不僅能夠替代人類完成一些安全性差、環(huán)境艱苦的工作，還可以使人類的生活起居更加安全便利。在醫(yī)療領(lǐng)域，這些高新技術(shù)也得到了發(fā)揮的余地，對(duì)傳統(tǒng)的手術(shù)方式和方法進(jìn)行了技術(shù)更新。然而，醫(yī)療機(jī)器人與其他行業(yè)的機(jī)器人是截然不同的，與工業(yè)的機(jī)器人來(lái)比較，醫(yī)療機(jī)器人必須要有極高的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，除此以外，醫(yī)療機(jī)器人價(jià)格不菲，還要能夠應(yīng)對(duì)各種不同的大小手術(shù)。對(duì)于一般性醫(yī)療機(jī)器人，需要分為主操作手和從操作手。用戶操作主操作手來(lái)實(shí)現(xiàn)手速動(dòng)作，而從操作手則是由主操作手控制，所以，實(shí)際上用戶是通過這種主與從的關(guān)系來(lái)完成技術(shù)操作的。主操作手與從操作手的適配和可靠性都會(huì)直接影響醫(yī)生的實(shí)際操作，由此可見，如果

12、能夠設(shè)計(jì)和研究一套高可靠性的醫(yī)療機(jī)器人的操作手，必定會(huì)對(duì)醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)更進(jìn)一步的推動(dòng)。微創(chuàng)外科手術(shù)又稱“鑰匙孔”手術(shù)，即通過微小切口進(jìn)行手術(shù)操作的行為。該手術(shù)過程非常簡(jiǎn)單，但要求精準(zhǔn)性極高。一般情況下，醫(yī)生會(huì)通過主操作手來(lái)控制從操作手，結(jié)合醫(yī)療成像系統(tǒng)，對(duì)病人的患處進(jìn)行手術(shù)。該種手術(shù)方法與其他手術(shù)相比具有很大的有事，尤其是對(duì)患者來(lái)講，可以以犧牲身體最小代價(jià)來(lái)完成手術(shù)，這不僅大大降低了醫(yī)療事故的發(fā)生，也在一定程度上減少了患者的痛苦，進(jìn)而減輕患者身體和心靈上的壓力。而對(duì)于醫(yī)生來(lái)講，通過微創(chuàng)手術(shù)可以完成許多不可能完成的高難動(dòng)作，尤其在手術(shù)空間有限的情況下，醫(yī)生可以通過機(jī)械手的靈活性，即使在很狹

13、小的工作空間，也能夠很容易的完成手術(shù)，大大提高手術(shù)的成功率。同時(shí)醫(yī)療機(jī)器人的引進(jìn)，可減少醫(yī)生的失誤，例如由于粗心把手術(shù)工具落在病人體內(nèi)；可以消除醫(yī)生在操作時(shí)的手臂顫動(dòng)來(lái)減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。所以，微創(chuàng)手術(shù)在國(guó)內(nèi)的各大醫(yī)院已經(jīng)普及，已經(jīng)是外科醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)配備了。機(jī)器人的研究并不是單純的一門學(xué)科的研究，不僅需要?jiǎng)恿W(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)等科目，對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人來(lái)講，還要對(duì)醫(yī)學(xué)的外科手術(shù)有一定的了解。因此，醫(yī)療機(jī)器人的研究本身是一個(gè)跨多學(xué)科的技術(shù)研究?；卺t(yī)療機(jī)器人的靈活性，醫(yī)生能夠更加容易的完成傳統(tǒng)手術(shù)中無(wú)法完成的操作，這不僅能夠減輕病痛折磨，還能提高外科手術(shù)的成功率。1990年，美國(guó)的computer

14、motion公司成立。1992年，該公司研發(fā)出第一個(gè)微創(chuàng)手術(shù)內(nèi)窺鏡機(jī)器人aesop，aesop的出現(xiàn)可以極大程度地改善當(dāng)時(shí)醫(yī)生手持內(nèi)窺鏡手術(shù)易產(chǎn)生疲勞與顫動(dòng)的現(xiàn)狀。1993年，aesop順利完成了一臺(tái)膽囊切除手術(shù)，得到美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)，成為了首批在全球銷售的手術(shù)機(jī)器人。1998年，computer motion公司又成功研制出zeus主從式手術(shù)機(jī)器人，如圖1-1所示為zeus主從式手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。1999年，美國(guó)intuitive surgical公司成功研制出da vinci（達(dá)芬奇）外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。這臺(tái)名氣很大的機(jī)器人，是具有一定劃時(shí)代意義的。它的出現(xiàn)可以說(shuō)是為醫(yī)療器械的發(fā)

15、展打開了一扇創(chuàng)新的大門，也為后期的醫(yī)療技術(shù)發(fā)展提供了參考。該系統(tǒng)本身就一個(gè)主從系統(tǒng)，即醫(yī)生控制主操作手，而主操作手控制從操作手來(lái)對(duì)患者進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，現(xiàn)如今，該西戎已經(jīng)應(yīng)用于外科手術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，簡(jiǎn)單的從簡(jiǎn)單的腹腔手到復(fù)雜的心臟手術(shù)，都可以通過該套系統(tǒng)完成。圖1-2是對(duì)該結(jié)構(gòu)的一個(gè)演示。在用戶使用的過程中，需要通過眼睛所看到的圖像結(jié)合手部動(dòng)作來(lái)進(jìn)行操作。手術(shù)的過程中，用戶只需要觀察從設(shè)備中傳輸?shù)膱D像來(lái)查看工作情況，進(jìn)而完成動(dòng)作。因此，該系統(tǒng)不僅能夠單方面的降低患者的痛苦，還可以降低醫(yī)生的工作強(qiáng)度，醫(yī)生通過該系統(tǒng)手術(shù)的方式幾乎與開放式手術(shù)沒有區(qū)別。此外，該系統(tǒng)還提供了一些輔助功能來(lái)降低失誤率，例如，

16、忽略醫(yī)生輕微的手部顫抖，力量均勻等。該系統(tǒng)雖然彌補(bǔ)了傳統(tǒng)手術(shù)的缺點(diǎn)，但其本身來(lái)講也有一定的不足之處，最為直接的一點(diǎn)是成本的提升會(huì)帶來(lái)醫(yī)療診斷費(fèi)用的增加。近些年，國(guó)內(nèi)的醫(yī)療機(jī)械水平也在逐步提高，作為有代表性的是北京航空航天大學(xué)的自主研發(fā)的腦外科醫(yī)療系統(tǒng)和妙手a機(jī)器人操作系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)都是是主從式醫(yī)療系統(tǒng)，整體上分為三個(gè)部分，主操作端，從操作端以及視圖成像部分。主操作手具有很強(qiáng)的自由度，可以通過三個(gè)方向來(lái)進(jìn)行操作。圖1-3所示“妙手a（microhand a）”系統(tǒng)。1.4 醫(yī)療機(jī)器人主操作手國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r作為與外科醫(yī)生的交互設(shè)備，主操作手必須要有一定的穩(wěn)定性和可控性，外科醫(yī)生通過操作主操作手來(lái)

17、向從操作手傳遞信號(hào)，包括方向、力量以及速度等，從操作手根據(jù)主操作手傳遞的信號(hào)在患者體內(nèi)對(duì)外科醫(yī)生的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因此，主操作手的靈活性和準(zhǔn)確性都會(huì)直接影響手術(shù)的成功。如今各個(gè)機(jī)器人廠商的主操作手都是通用的，即既可以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域，如自動(dòng)化、航天、娛樂等。（一）美國(guó)sensable technology公司的phantom系列phantom系列包括phantom desktop系列、phantom omni系列、phantompremium系列和phantom 3.0/6dof系列。該系統(tǒng)的工業(yè)結(jié)構(gòu)十分輕小、具有很大的靈活性，且其作為人機(jī)交互系統(tǒng)，觸覺敏感，已經(jīng)成為目前最為

18、具有代表性的工業(yè)商品之一。phantom desktop系列具有六個(gè)自由度，適合桌面操作環(huán)境，同時(shí)可以反饋x、y、z三個(gè)方向的力，并且該設(shè)備允許操作者操作甚至碰撞3d虛擬窗口。筆桿中裝有帶編碼的芯片，以檢測(cè)3個(gè)自由度的位置。如圖1-4所示。 圖1-4phantom desktop系列操作手phantom omni系列是觸覺交互設(shè)備中最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的，同樣具有六自由度位置傳感，而且外形和工作空間緊湊，結(jié)構(gòu)更便攜，但其運(yùn)營(yíng)范圍、分辨率和輸出力都比phantom desktop系列低。如圖1-4所示。圖1-5 phantom omni系列操作手對(duì)于機(jī)器人主操作手的研究，我國(guó)對(duì)該方面的研究時(shí)間比較晚，還沒

19、有專業(yè)的商業(yè)公司來(lái)進(jìn)行批量的生產(chǎn)，只是一些大學(xué)和科研單位進(jìn)行學(xué)術(shù)研究。隨著近些年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家大力支持自主創(chuàng)新，相關(guān)的各種科研項(xiàng)目層出不窮。截至目前，該研究領(lǐng)域陸續(xù)取得了一些成果。在這樣的條件下，天津大學(xué)成為了第一個(gè)完成突破性進(jìn)展的科研單位。該單位研究出的主操作手具有很大的自由度，很強(qiáng)得了靈活性，上手容易，外科醫(yī)生只需要通過主操作手的操作就能夠完成任意想要完成的動(dòng)作，詳情參考圖1-6。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研究了一款搖桿操作手，醫(yī)生通過操作搖桿來(lái)完成手術(shù)，詳情參考圖1-7。該主操作手在手術(shù)中得到成功應(yīng)用，但由于是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在逆運(yùn)動(dòng)求解時(shí)較復(fù)雜。隨后，上海交通大學(xué)成功研發(fā)了五維力反饋虛擬手

20、術(shù)裝置如圖1-8所示，其采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，多個(gè)自由度，并且各個(gè)自有角度都可以完成力反饋，進(jìn)而模擬腹腔手術(shù)的各個(gè)外科醫(yī)生的手術(shù)動(dòng)作，使用該操作手，醫(yī)生可以自由的對(duì)患者的患處進(jìn)行手術(shù)，并且再此過程中醫(yī)生會(huì)感受到器械對(duì)器官的作用力。我國(guó)對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人方面的發(fā)展已經(jīng)開會(huì)時(shí)，尤其在具體的結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)取得了一定的成績(jī)。但是，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還相差甚遠(yuǎn)，一些基礎(chǔ)科學(xué)還有待進(jìn)一步研究解決。 圖1-6關(guān)節(jié)式主操作手 圖1-7縮放式力覺主操作手圖1-8五維力反饋虛擬手術(shù)裝置醫(yī)療機(jī)器人是一個(gè)較大的命題，它所涉及的領(lǐng)域不僅僅是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)的知識(shí)這么簡(jiǎn)單，更是要將各個(gè)領(lǐng)域

21、的知識(shí)融會(huì)貫通結(jié)合到一起，才能夠完成。在巨大的市場(chǎng)潛在利益驅(qū)使下，隨之科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療機(jī)器人已經(jīng)迎來(lái)的最好的發(fā)展時(shí)機(jī)，機(jī)器人靈活度較大、操作精準(zhǔn)、穩(wěn)定性良好的特性都能對(duì)當(dāng)前的醫(yī)療技術(shù)水平進(jìn)一步提高。從病人的方面來(lái)看，醫(yī)療機(jī)器人可以大大降低病人的痛苦，降低手風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提高手術(shù)成功率，且對(duì)于患者的身體來(lái)講，傷害達(dá)到最小化；從醫(yī)生的方面來(lái)看，醫(yī)療機(jī)器人具有很好的人機(jī)交互體驗(yàn)，操作方便靈活，手術(shù)的過程中還可以消除因?yàn)獒t(yī)生心理或者壓力帶來(lái)的手抖等誤操作，并且聽過系統(tǒng)的力反饋?zhàn)饔檬雇饪漆t(yī)生能夠感知手術(shù)環(huán)境。此外，從操作手的動(dòng)作都是來(lái)自于主操作手，因此主操作手與從操作手之間必須要具備很高的準(zhǔn)確性，主

22、操作手也必須要有很好的靈活度，才能滿足醫(yī)生的操作要求。綜上所述，對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人結(jié)構(gòu)中的主操作手研發(fā)，對(duì)我國(guó)的醫(yī)療現(xiàn)代化水平的發(fā)展具有很好的推動(dòng)型作用，進(jìn)而提高我國(guó)醫(yī)療領(lǐng)域的快速發(fā)展，推進(jìn)微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的進(jìn)步，改善我國(guó)未來(lái)醫(yī)療水平以及提高人們健康水平都具有重要意義。本文主要論述的內(nèi)容是對(duì)醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主操作手進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，在通過對(duì)外科醫(yī)生的操作環(huán)境、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和性能指標(biāo)等多方面進(jìn)行了解和考證，設(shè)計(jì)一個(gè)一套完備的主操作手結(jié)構(gòu)。并結(jié)合流行的d-h算法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)整套系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬，完成主操作手的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)圖對(duì)主操作手進(jìn)行具體模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)再設(shè)計(jì)的過程中，解決

23、了一些關(guān)于空間狹小等方面的問題。 第二章 主操作手方案設(shè)計(jì)在任何設(shè)計(jì)都需要有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)主操作手的設(shè)計(jì)中，主操作手的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是首先需要考慮的。本課題研究的醫(yī)療機(jī)器人主要針對(duì)于腹腔手術(shù)，對(duì)操作手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要依據(jù)特定的用戶需求。外科醫(yī)生操作的部分需要支持多種自由度，一部分來(lái)確從操作手的位置，一部分來(lái)確定從操作手的姿勢(shì)。除此以外，操作手的動(dòng)作變化必須要流暢，且具有一定操作空間。主從操作手的設(shè)計(jì)是一個(gè)整體的，無(wú)論對(duì)主操作手進(jìn)行怎樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，操作設(shè)計(jì)都需要將從操作手的部分考慮進(jìn)去，使主操作手和從操作手行為一直，以保證外科醫(yī)生的操作的準(zhǔn)確度，簡(jiǎn)化醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 主操作手連接著外科醫(yī)生和從操作手，

24、因此，主操作手的設(shè)計(jì)在醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計(jì)中是最為重要的，它直接影響著外科醫(yī)生的操作步驟。本章下面會(huì)對(duì)主操作手的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述。主操作手作為人機(jī)交互的接口，其靈活的易用性是十分重要的，不僅可以給手術(shù)醫(yī)生帶來(lái)良好的操作感，還能夠保證手術(shù)的順利進(jìn)行。主操作手的構(gòu)造主要分為串聯(lián)、并聯(lián)這兩類。兩種類型都各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，在對(duì)操作手進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要根據(jù)實(shí)際的機(jī)器應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)設(shè)計(jì)的，然后結(jié)合各種類型的優(yōu)點(diǎn)來(lái)確定最為合適的一種結(jié)構(gòu)。 醫(yī)療機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用可以參考圖2-1。醫(yī)生根據(jù)對(duì)主操作手的行為操縱，來(lái)控制從操作手在人體患處的行為，整個(gè)傳遞過程必須要協(xié)調(diào)一致。所以，對(duì)于主操作手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要具有一定的靈

25、活性和精確性。本文的研究對(duì)象是以醫(yī)療機(jī)器人為輔助系統(tǒng)，幫助醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行腹腔手術(shù)。結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景和用戶需求，對(duì)主操作手進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。通過對(duì)實(shí)際手術(shù)場(chǎng)景的了解，可以知道手術(shù)時(shí)候的操作空間對(duì)于操作手是很重要的，主操作手的空間和從操作手的空間要相互對(duì)應(yīng)，因此，在對(duì)主操作手進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要考慮具體的手術(shù)操作空間。第一，對(duì)于從操作手的空間可以參考圖2-2進(jìn)行了解，可以通過圖上的描述了解到，兩個(gè)圓錐就是左右操作手的具體操作空間，相交叉的部分就是兩個(gè)操作手可以操作的部分。根據(jù)文獻(xiàn)，再綜合實(shí)際手術(shù)過程及從操作手工作空間的特點(diǎn)，可確定主操作手的工作空間為150mm*150mm 圓柱體大小。如果主操作

26、手的工作空間設(shè)計(jì)太大，則醫(yī)生動(dòng)作幅度增大，這樣容易使醫(yī)生產(chǎn)生疲勞感。相反，主操作手的空間太小的話，也無(wú)法保證醫(yī)生操作的靈活性，對(duì)于一些復(fù)雜的操作會(huì)非常的困難。第二，通過醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行的手術(shù)是有具體要求的，主操作手需要滿足特定的幾個(gè)自由度動(dòng)作以保證位置和姿勢(shì)的正確性。此外，對(duì)于主操作手的位置和姿勢(shì)，最好在一定的程度上進(jìn)行拆分，使其彼此不會(huì)依賴，這樣能夠有利于降低對(duì)兩個(gè)操作手設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，也給動(dòng)力學(xué)中的主從控制帶來(lái)一定的方便。同時(shí)，對(duì)于醫(yī)生而言，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)解耦的主操作手操作起來(lái)更直觀。 第三，對(duì)于主操作手的精準(zhǔn)度有極高的要求，因?yàn)槿魏蔚膭?dòng)作誤差或者計(jì)算誤差都可能導(dǎo)致手術(shù)的失敗，甚至病人的生死安危。因

27、此，主操作手的操作必須要流暢精準(zhǔn)，也不能夠在患者的操作空間有任何的不自然。基于以上的這些分析，本文對(duì)主操作手的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有明確要求，操作手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)需要穩(wěn)定而緊湊，關(guān)節(jié)的慣性不能太大，作為人機(jī)交互的接口，需要容易操作，不會(huì)讓醫(yī)生小號(hào)過多的體力，同時(shí)也盡量減低醫(yī)生收不顫抖而帶來(lái)的副作用。 綜合起來(lái)，主操作手設(shè)計(jì)的要求如下：（1）工作空間為150mm*150mm 左右圓柱體大小； （2）多個(gè)自由度，包括操作位置的自由度和操作空間的自由度；（3）設(shè)計(jì)完成的操作手結(jié)構(gòu)可以解耦操作手之間的依賴； （4）運(yùn)動(dòng)精度； （5）主操作手的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)自重平衡； （6）具有良好的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，人體

28、工程學(xué)設(shè)計(jì)，內(nèi)部零件和關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)緊湊。操作手主要分為并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)是指從操作端到執(zhí)行端能夠猶記得聯(lián)系到一起；而并聯(lián)結(jié)構(gòu)是一種封閉式結(jié)構(gòu)。對(duì)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)，可以參考圖2-3。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副的不同組合，有 rrr，rrp，rpp，prr，ppp 五種主要的構(gòu)型。常見的并聯(lián)機(jī)構(gòu)如圖2-4所示：串聯(lián)結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)事，操作空間足夠大，操作靈活，內(nèi)部的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)學(xué)線管的原理設(shè)計(jì)也不復(fù)雜。但是，它也有明顯的缺點(diǎn)，就是功能單一，性能較差。而并聯(lián)結(jié)構(gòu)剛好與之相反，操作空間小，操作相對(duì)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)并不靈活，設(shè)計(jì)原理復(fù)雜，但是它的性能很好。串聯(lián)與并聯(lián)的詳情比較可以參考表2-1。 表2-1串聯(lián)機(jī)構(gòu)

29、對(duì)比特性串聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)靈活性工作空間結(jié)構(gòu)奇異點(diǎn)動(dòng)態(tài)性能承載能力運(yùn)動(dòng)學(xué)正解較好大較簡(jiǎn)單在工作空間邊緣較差較低簡(jiǎn)單且只有唯一解較差小較復(fù)雜在工作空間內(nèi)和邊緣處都有好較高復(fù)雜且包含有多個(gè)解從表2-1可以看出，串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本文根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用要求，選取串聯(lián)結(jié)構(gòu)。第一，本文研究的是醫(yī)療機(jī)器人輔助手術(shù)，要求醫(yī)生直接操作主操作手進(jìn)行手術(shù)，對(duì)于動(dòng)作的流暢和靈活性有一定的要求。另外，腹腔手術(shù)具有足夠的操作空間，所以操作空間并不在我們的要求范圍內(nèi)，這是我們進(jìn)行主控之手設(shè)計(jì)必須要考慮到的地方。第二，主操作手不能太長(zhǎng)，因此串聯(lián)結(jié)構(gòu)是其首選。第三，由于醫(yī)療機(jī)器人手術(shù)對(duì)于精準(zhǔn)度和力度有明確的要

30、求，因此選用動(dòng)力學(xué)原理較為簡(jiǎn)單的串聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠保證該機(jī)器人操作手的保質(zhì)完成。 （1）選定好主操作手的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以后，就可以對(duì)其細(xì)節(jié)記性具體的分析，首先要研究機(jī)器人主操作手的關(guān)節(jié)配置。從圖2-3可以了解到多種不同串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。具體比較結(jié)構(gòu)可以參考表2-2。 表2-2常見串聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)比構(gòu)型rrrrrprppprrppp工作空間大小大大較大較大小運(yùn)動(dòng)靈活性好較好較好較好差通過對(duì)表2-2 的分析進(jìn)行比較，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用要求，選用rrr型作為我們的結(jié)構(gòu)模型?？紤]到轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)的組合形式，關(guān)節(jié)軸線分為豎直向上和水平兩種方式。對(duì)關(guān)節(jié)配置的具體方案可以參考圖2-5。通過對(duì)以上幾個(gè)方案的了解，可以從以下方面分析。操作

31、空間，通過對(duì)上面八個(gè)結(jié)構(gòu)的比較，可以看到在關(guān)節(jié)全部水平結(jié)構(gòu)的時(shí)候，對(duì)于操作空間的平面大小要求較大，結(jié)合實(shí)際需求，將其排除。另外，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，降低慣性的方面考慮，最終從b、c、d三個(gè)選型中進(jìn)行選擇。作為與醫(yī)生直接接觸的主操作手，應(yīng)該具有良好的操作手感。因此，操作手的應(yīng)該具有較好的平衡，否則會(huì)加重醫(yī)生對(duì)于操作手操作的壓力，使醫(yī)生操作疲勞，導(dǎo)致手術(shù)失敗。因此從平衡的角度來(lái)看，圖2-5的方案中，只有b結(jié)構(gòu)最能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。結(jié)合以上的分析結(jié)構(gòu)，主操作手的設(shè)計(jì)選型為rrr型串聯(lián)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)位置選擇圖2-5（b）方案。最終得到如圖2-6的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖。（2）為了對(duì)機(jī)械位置和空間姿勢(shì)的完全分解，本文將

32、主操作手分為兩個(gè)部分單獨(dú)設(shè)計(jì)，前文在對(duì)主操作手的手臂設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析完成之后，現(xiàn)在需要對(duì)主操作手的手腕進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。手腕部分的操作是十分復(fù)雜的，保證了醫(yī)生的手勢(shì)、姿態(tài)的正確性，從而保證從操作手的正確性。本文將手腕部分設(shè)計(jì)為完全自由轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)繞關(guān)節(jié)，分為三個(gè)部分，三部分彼此之間呈直角，并將夾持機(jī)的夾持中心放到最后一個(gè)關(guān)節(jié)部位。主操作手的整體結(jié)構(gòu)圖可以參考圖2-7。第三章 主操作手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真3.1 引言第二章主要是對(duì)的主操作手的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)模型，列出對(duì)應(yīng)數(shù)值，最終建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)抽象矩陣，根據(jù)該矩陣，對(duì)主操作手的操作空間、學(xué)術(shù)原理進(jìn)行分析。圖3-1主手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型依據(jù)上

33、文設(shè)計(jì)的主操作手模型，可以設(shè)計(jì)出如圖3-1所示的操作坐標(biāo)系。其中連桿的坐標(biāo)系原點(diǎn)與基坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，zi（i=06）分別為每個(gè)關(guān)節(jié)的軸線，xi，yi，zi（i=06）為每個(gè)連桿的坐標(biāo)系。對(duì)于設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行坐標(biāo)系建立，并確定具體的物理參數(shù)，包括了長(zhǎng)度、角度等。并建立d-h參數(shù)表，如表3-1所示桿件號(hào)連桿轉(zhuǎn)角連桿長(zhǎng)度關(guān)節(jié)角連桿偏距關(guān)節(jié)變量范圍連桿參數(shù)ii-1ai-1i圖示位置dia2=240mmd4=206mm100100-90902/202001017030a2300301504/2040d401805-/20500301506/20600-6060 表3-1主操作手d-h參數(shù)表3.3 主

34、操作手正運(yùn)動(dòng)學(xué)依據(jù)主操作手關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到主操作手內(nèi)部各個(gè)連接點(diǎn)的信息。在手術(shù)過程中，用戶只會(huì)關(guān)注于直接對(duì)于主操作手的操作，而不需要關(guān)系其模塊間的運(yùn)行原理。根據(jù)主操作手d-h參數(shù)表求出各連桿變換矩陣：任意一個(gè)自由度主操作對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)系可以得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)矩陣。假設(shè)自由度為n，那么其對(duì)應(yīng)的矩陣為： 設(shè)主操作手末端連桿上任意的位置為，則其在極坐標(biāo)里的位置可表示為：由于主手的六個(gè)關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，因此其運(yùn)動(dòng)變量均為關(guān)節(jié)角。主手的正解d-h變換矩陣為：其中各元素為： 式中，px、py、pz 只與位置關(guān)節(jié)變量1、2、3有關(guān)，與姿態(tài)變量4、5、6無(wú)關(guān)原因是主操作手腕部的三個(gè)

35、關(guān)節(jié)軸線相交于一點(diǎn)，這正是說(shuō)明了主操作手正運(yùn)動(dòng)求解的正確性。操作空間只的是操作手的整體結(jié)構(gòu)空間，代表了其主要的運(yùn)動(dòng)空間，它也是衡量主操作手能力的一個(gè)重要的考量指標(biāo)，從物理空間方面考慮主操作手是否能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中的要求。此外，操作空間也可以詳細(xì)劃分為可以達(dá)到的操作空間和熟練的操作空間?？蛇_(dá)到指的是有些空間位置主操作手可以達(dá)到，熟練地操作空間指得是某些操作空間是可以不費(fèi)力氣就可以完成的，即操作手可以任何想要達(dá)到的位置空間集合。另外，在主操作手工作的時(shí)候，需要調(diào)整主操作手與從操作手之間的映射關(guān)系或者說(shuō)是對(duì)應(yīng)的操作空間比例，以保證操作手之間的精度和準(zhǔn)確度。一般的來(lái)講，主從操作手之間的比例大小與操作精

36、度成正比，但是過大的操作比例也會(huì)給醫(yī)生帶來(lái)一些疲憊感，因此，合理的操作比例必須要在能夠保證精度的基礎(chǔ)上盡量降低醫(yī)生的操作疲勞。在實(shí)際的問題當(dāng)中，其實(shí)要比理論分析復(fù)雜一些，如果想要找到一個(gè)較為合適的比例，還需要考慮自動(dòng)控制，也就是主操作手位置到達(dá)邊界值，能夠中斷并重新映射主從操作手。這樣的設(shè)計(jì)，也就不會(huì)使主操作手受到其他外在環(huán)境的限制了。最終確定的主手工作空間為200200200mm3的空間體積。當(dāng)前的研究課題或者實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)主操作手的空間確定主要有一下幾個(gè)算法，數(shù)值型算法、圖解型算法等。本文采用數(shù)值型算法對(duì)操作空間進(jìn)行分析。數(shù)值型算法有一定的弊端，首先要數(shù)的是數(shù)值型計(jì)算數(shù)據(jù)量很大，而在遇到邊

37、界為非規(guī)則圖形的時(shí)候，不具可靠性?；跀?shù)值型算法的確定，后續(xù)發(fā)展了一種較為完備的算法成為蒙特羅算法，該算法使用了抽樣的方式來(lái)解決數(shù)學(xué)問題，進(jìn)而模擬該主操作手模型。該算法主要是通過對(duì)操作空間的范圍進(jìn)行隨機(jī)抽樣，然后將主操作手末端的關(guān)節(jié)的所能達(dá)到的空間臨界點(diǎn)進(jìn)行搜集并組合到一起，進(jìn)而形成了隨機(jī)抽樣所以，使用本算法的第一步就是要對(duì)于末端關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)進(jìn)行求解，再結(jié)合隨機(jī)取到的抽樣值而得到最終執(zhí)行的坐標(biāo)系，最終通過仿真軟件將這些坐標(biāo)點(diǎn)輸入進(jìn)行得到仿真模型。 該算法的具體操作流程和詳細(xì)步驟如下所示： 1) 結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)變換矩陣和上一章完成的設(shè)計(jì)模型，可以得到主操作手末端關(guān)節(jié)的參考點(diǎn)位置p（px，py，pz

38、）為： 2) 對(duì)于主操作手內(nèi)部關(guān)節(jié)的角度選取，可以拿到如下變量：公式3-18中的i變量代表的是關(guān)節(jié)點(diǎn)，取值樣本為1，2直到n。代表的是p參考點(diǎn)的樣本數(shù)。3）最后一步是得到對(duì)應(yīng)的向量值，即將第1步中的參考點(diǎn)帶入到第2步中的公式。最后將這些有向的向量值帶入到仿真模擬軟件中得到具體的樣本圖形，最終形成對(duì)應(yīng)的操作空間。在一定情況下，大量的樣本數(shù)就可以表示主操作手末端的具體工作空間，理論上來(lái)講，樣本數(shù)據(jù)量越大得到的仿真操作空間的圖像就越是真是。最終得到如圖3-5的操作空間圖。經(jīng)過上文對(duì)于主操作手的操作空間分析，得到最終的仿真結(jié)果可以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，同時(shí)該結(jié)果與主操作手的各個(gè)參數(shù)也能夠?qū)?yīng)起來(lái)，整體的

39、操作空間形狀玩好，沒有太大出入，該結(jié)果與實(shí)際工作情況吻合。本文由蒙特卡洛算法來(lái)對(duì)主操作手的操作空間進(jìn)行計(jì)算，并利用仿真技術(shù)對(duì)該算法的數(shù)據(jù)進(jìn)行了反正模擬，最終得到了操作空間圖，該圖形與實(shí)際的操作需求相吻合。 第四章 主操作手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主操作手在構(gòu)造設(shè)置的時(shí)候，需要從五個(gè)方面進(jìn)行研究。第一，確保主操作手身材小巧，構(gòu)造嚴(yán)密。第二，主操作手不宜過重，且需要慣量較小。第三，主操作手的操作范圍夠大。第四，主操作手硬度達(dá)標(biāo)。第五，主操作手能實(shí)現(xiàn)重力平衡。除了以上五點(diǎn)需要考慮，在構(gòu)造的設(shè)置中，也應(yīng)該考慮電氣安全、電線分布等問題。尤其需要詳細(xì)規(guī)劃主操作手的操作方式，聯(lián)動(dòng)方案，以及主操作手前三個(gè)節(jié)點(diǎn)部位的安排。在

40、設(shè)置主操作手的傳動(dòng)原理時(shí)，以串聯(lián)的形式為主，就能縮減主操作手的慣量。而在關(guān)鍵的前三個(gè)部位上，就會(huì)使用硬度較強(qiáng)的鋼絲繩，改變電機(jī)的放置位置，最后選擇的則是基座部位。此外，可以通過在主操作手的每一個(gè)關(guān)鍵位置，增加電位器，促使主操作手變繁瑣，在慣量加大的同時(shí)，也會(huì)讓主操作手具備一種位置尋零的特殊功用。由此可見，選擇一個(gè)最佳地點(diǎn)放置電位器，是尤其重要的。在本文的論述中，將會(huì)在把重點(diǎn)放到基座的絲傳動(dòng)上，為了讓電位器發(fā)揮最大作用，避免因?yàn)檫h(yuǎn)離主操作手的關(guān)鍵部位，而造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，最后選擇將電位器放置在緊挨主操作手的關(guān)鍵部位。耦合是在通信、軟件、機(jī)械工程中較為常見的的情況，在絲傳動(dòng)也不例外。這樣的情況，更容易

41、發(fā)生在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，如果發(fā)生，會(huì)造成重大的影響。為了避免這樣的情況發(fā)生，就需要清晰的認(rèn)識(shí)到，主操作手關(guān)鍵部位的絲傳動(dòng)，不是一蹴而就的，而是分層級(jí)來(lái)進(jìn)行。這其中，可以劃分為三種級(jí)別的傳動(dòng)，每個(gè)關(guān)鍵部位的傳動(dòng)都是獨(dú)自完成的，在完成但相互之間又存在著不可分割的聯(lián)系。比如關(guān)鍵的第二部位，需要滿足自身的運(yùn)動(dòng)，還需要為下一個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行正確的引導(dǎo)。所以每個(gè)部位都需要進(jìn)行縝密的設(shè)計(jì)。如下圖所表達(dá)，可以清晰看到，關(guān)鍵的第一部位，是通過一級(jí)的絲傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)作的。這其中包含了三個(gè)部位。而這三個(gè)部位的相互配合，就能完成這一運(yùn)作過程。首先是絲輪被電機(jī)帶動(dòng)，絲輪又會(huì)圍繞絲槽慢慢運(yùn)動(dòng)起來(lái)，最后鋼絲繩會(huì)加入到電位器中，帶動(dòng)電位

42、器的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的第一部位的整體運(yùn)動(dòng)。圖4-1關(guān)節(jié)1絲傳動(dòng)一級(jí)絲在完成了第一部位的整體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)被動(dòng)絲輪的運(yùn)作。而在電擊器運(yùn)作的同時(shí)，絲輪開始拉動(dòng)一級(jí)絲之后的二級(jí)絲運(yùn)作。就會(huì)完成最后的二級(jí)絲傳動(dòng)。二級(jí)絲傳動(dòng)如圖4-2所示。 圖4-2主操作手二級(jí)絲傳動(dòng)在完成關(guān)鍵的第二部位傳動(dòng)之時(shí)，就需要兼顧到可能會(huì)發(fā)生的解耦動(dòng)作。為此可以將關(guān)鍵的第二部位進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的劃分，變成兩個(gè)板塊。在實(shí)現(xiàn)連接連桿二的時(shí)候，包含了絲槽的一些部分。但另一部分連接連桿三的時(shí)候，是使用一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的絲槽。這兩個(gè)部分，實(shí)際上只是被放置在同一個(gè)位置上，共用軸線，但是獨(dú)立運(yùn)作的。如下圖所表達(dá)，三級(jí)絲的運(yùn)作較為特殊。在前面

43、介紹的每一級(jí)絲運(yùn)作中發(fā)現(xiàn)，想要讓連桿速度緩慢的同時(shí)，讓扭矩的幅度增加，都會(huì)使用到鋼絲繩和預(yù)緊裝置。與此同時(shí)，還需要合理設(shè)計(jì)絲傳動(dòng)的軌跡。 圖4-3主操作手三級(jí)絲傳動(dòng) 絲槽的存在相當(dāng)重要，比如在與電機(jī)軸相同的絲輪上，就加入了絲槽的設(shè)計(jì)。有了絲槽，就能隨時(shí)掌握鋼絲繩在絲輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。并且還可以減少鋼絲繩運(yùn)動(dòng)時(shí)，路徑不明確而帶來(lái)的一些數(shù)據(jù)出入。此外還需要對(duì)鋼絲繩做包角設(shè)計(jì)，因?yàn)殇摻z繩的包圍方式是閉口的方式，并不是開口的方式。對(duì)于這種方式的鋼絲繩，加上包角的二話，就能起到優(yōu)化鋼絲繩傳動(dòng)的作用。需要做到包角，首先要滿足鋼絲繩精準(zhǔn)的纏繞方式，做到不分叉，不擠壓，不凌亂，甚至出現(xiàn)不轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)主操作手的內(nèi)部實(shí)

44、現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要有兩部分組成，一部分是用于固定主操作手的裝置，另一個(gè)部分是用于鎖緊的裝置。兩個(gè)裝置之間相互輔助相互搭配以保證整個(gè)機(jī)械的統(tǒng)一完整。在內(nèi)外固絲輪上均設(shè)有絲槽，用于規(guī)劃絲纏繞路徑。對(duì)于鎖緊裝置的具體操作步驟有：通過利用孔洞的位置以及裝置形狀，可以使用鋼絲結(jié)合孔洞來(lái)固定裝置的緊湊性，然后通過慢慢調(diào)整整個(gè)裝置繩索之間的緊繃感來(lái)完成鎖緊裝置，之后就開始對(duì)裝置進(jìn)行固定，在達(dá)到無(wú)法進(jìn)一步擰緊裝置的情況下，就說(shuō)明固定裝置已經(jīng)牢固。在完成以上兩個(gè)操作以后該裝置就可以使用了。上一節(jié)完成了設(shè)備的裝配，下面會(huì)對(duì)設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，從上文對(duì)主操作手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以知道，整個(gè)設(shè)備并不是由單一的設(shè)備固定來(lái)完

45、成的，還需要對(duì)其他重要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中包括了對(duì)于運(yùn)動(dòng)裝置、線路規(guī)劃等。電位器是必不可少的裝置之一，它也是整個(gè)電子元件中最為關(guān)鍵的部件，因此可以將其安裝到裝置的固定部位。并保證其不會(huì)受到外界因素的干擾或者損壞，最后將其放置于相對(duì)來(lái)講環(huán)境安全的地方，并配備硬度不是很大的裝置上面。由于電位器的脆弱和對(duì)環(huán)境的敏感，所以必須采用一種硬度不大的材料保證其能夠處在一個(gè)比較安全的位置。此時(shí)，鋁制產(chǎn)品就派上了用場(chǎng)，鋁制品硬度不大，不易因?yàn)榄h(huán)境問題發(fā)生腐朽問題。所以，本文所研究的主操作手上的電位器就是使用鋁制品來(lái)作為固定的。此外，鋁板的作用是阻擋外力對(duì)于電位器的損害，當(dāng)外力作用到鋁板上以后，鋁板具有很好的柔韌度

46、，會(huì)輕微的產(chǎn)生變形來(lái)適應(yīng)外力的作用，這種方式變相的對(duì)電位器進(jìn)行了保護(hù)。其浮動(dòng)連接圖如圖4-4所示。圖4-4電位器浮動(dòng)連接 圖4-5導(dǎo)向輪雙重固定對(duì)于導(dǎo)向輪的固定方法也是非常的復(fù)雜的，首先要確定固定導(dǎo)向輪的策略才能夠分析出具體的組成部分，圖4-5對(duì)導(dǎo)向輪的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的演示，通過演示圖我們知道導(dǎo)向輪的雙重固定所涉及到的部件有墊片、基座、軸等。墊片能夠很好地起到緩沖的作用，還能將整個(gè)設(shè)備固定的更加穩(wěn)定，而基座則是用于承載設(shè)備的作用。作為主操作手最為核心的部件，電機(jī)是整個(gè)設(shè)備一切動(dòng)能的來(lái)源，因此，本文對(duì)該設(shè)備的電機(jī)也有一定分析和研究?，F(xiàn)在較為出名的電機(jī)是maxon電機(jī)，其高潮的電機(jī)技術(shù)已經(jīng)贏得了無(wú)

47、數(shù)的獎(jiǎng)項(xiàng)和專利。該機(jī)器可以降低離心力，幫助穩(wěn)定電機(jī)的位置，和其他類似的電機(jī)相比具有較大的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求，本文研究的醫(yī)療機(jī)器人主操作手并不需要過大功率的電機(jī)，因此，該種類電機(jī)十分適合本文所研究的設(shè)備。對(duì)于本文研究的設(shè)備，可以將主要的機(jī)動(dòng)部位使用該款電機(jī)，用于動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)。此外，對(duì)于每一個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)還要有一定的減速裝置來(lái)保證整體設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。另外，本文研究的主操作手的內(nèi)部模塊具有一定的相互摩擦，設(shè)備本身的重量也對(duì)于電機(jī)的選擇有一定影響，所以，選擇具有一定大小轉(zhuǎn)矩的電機(jī)是非常適合我們的，同時(shí)還需要對(duì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定的調(diào)整來(lái)滿足實(shí)際的用戶需求。此外，腕部連桿質(zhì)量較小，所需電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩也較小，最終選擇maxon re 13電機(jī)作為腕部位置關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于各種電機(jī)的技術(shù)參數(shù)可以參考如下表4-1。 表4-1直流伺服電機(jī)性能參數(shù)序號(hào)電機(jī)參數(shù)maxon re 30maxon re 131額定電壓v24242空載轉(zhuǎn)速rpm8810136003空載電流ma1644額定轉(zhuǎn)速rpm8050106005額定轉(zhuǎn)矩mnm856額定電流ma7堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩mnm10208堵轉(zhuǎn)電流ma9最大效率%876810相間電阻11相間電感mh12轉(zhuǎn)矩常數(shù)rpm/a13速度常數(shù)rpm/v36958414速度/轉(zhuǎn)矩常數(shù)rpm/mnm122015機(jī)械時(shí)間常數(shù)ms16轉(zhuǎn)子慣量gcm2第五