介入手术医疗机器人定位机械臂设计.docx
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介入手术医疗机器人定位机械臂设计
济南大学泉城学院
毕业设计
题目介入手术医疗机器人定位机械臂设计
专业机械设计制造及其自动化
班级机设07Q3
学生康树宗
学号20073006034
指导教师赵洪华
二〇一一年五月三十日
1绪论
20世纪机器人技术已经在制造业领域得到初步的应用，在信息产业的带动下进入21世纪以来在非制造业领域也得到了初步的应用。
介入治疗是是利用现代高科技手段进行的一种微创性治疗--就是在医学影像设备的引导下,将特制的导管,导丝等精密器械,引入人体,对体内病态进行诊断和局部治疗[1]。
介入治疗应用数字技术,扩大了医生的视野,借助导管,导丝延长了医生的双手,它的切口（穿刺点）,仅有米粒大小,不用切开人体组织,就可治疗许多过去无法治疗,必须手术治疗或内科治疗疗效欠佳的疾病,如肿瘤,血管瘤,各种出血等.介入治疗具有不开刀,创伤小,恢复快,效果好的特点.是未来医学的发展趋势[2]。
如今，将机器人技术更好的应用于社会生产的各个领域已成为各行各业的研究重点。
发展医疗机器人技术是涉及到多学科新型交叉研究领域，机器人技术在医疗方面的应用不仅将带动传统医学的发展同时也将带动新技术、新理论的发展[3]。
1.1医疗机械臂的研究目的及意义
随着机器人技术的发展与成熟，医疗机器人也得到了广泛的应用。
其中主要应用于各种外科手术中，利用机器人代替传统的人操纵手术刀及其他医疗器械对病人进行手术[4]。
与一般外科手术相比，机器人技术具有如下优点：
（1）机器人可以克服在手术过程中的人为因素，包括疲劳、心理因素等。
保证手术的顺利实施。
（2）机器人的运动过程可以实现电脑控制，可以通过特定的运行轨迹实现较高的稳定性。
（3）机器人系统具有大量的内部数据比普通医生凭经验手术而言具有更高的科学依据。
普通的微小创伤手术医生的活动空间非常有限，使原本非常简单的动作变得很难实现，对医生的操作要求很高[5]。
并且长时间在小范围内进行手术很容易产生疲劳，影响手术的质量。
运用医疗辅助机械臂技术可以很好的解决以上问题。
并且机械臂可以达到很高的精度。
因此医疗机器人技术得到了广泛的应用和发展[6]。
1.2医疗机器人的发展现状
进入21世纪以来，医疗机器人能技术得到了广泛的应用及发展。
在欧美等一些发达国家机器人技术已经在各大医疗机构得到广泛的应用。
并且将机器人辅助外科手术和虚拟医疗技术仿真作为重点研究领域[7]。
在欧洲、美国等发达国家，80%的腹腔手术都是在内窥镜的辅助下完成的。
上世纪90年代末，美国ComputerMotion公司研发了具有强大可视功能的ZEUS机器人辅助外科手术系统，这种系统打破了传统手术的弊端，极大地提高了手术的精确度和安全性。
其中ZEUS系统可以分为Surgeun-side系统和Patient-side系统。
在ZEUS系统的帮助下医生可以避免在辐射环境下工作，很舒适的对患者进行治疗[8]。
ZEUS系统及手术图片如图1.1，图1.2所示：
图1.1ZEUS机器人系统图1.2ZEUS系统手术现场
除此之外，还有美国IntuitiveSurgical公司开发的达芬奇手术机器人系统，上世纪90年代末瑞典MedicalRobitics公司研制的Pintrace骨科手术机器人系统，德国Crigos机器人系统等[9]。
另外，在国内机器人辅助外科手术也得到了初步的应用。
北京航空航天大学机器人研究所、清华大学和海军总医院合作在国内首先开始了远程脑外科手术机器人的研究工作，并且研制出用于临床的脑外科手术机器人系统CRAS-BH1、CRAS-BH2、CRAS-BH3和黎元BH-600，如图1.3所示。
图1.3北航脑外科医疗机器人系统
与机器人在腹腔、骨外科手术上的应用相比，介入血管手术医疗机器人研究工作起步稍晚，直到上世纪末血管手术机器人的研究工作才刚刚开始。
1999年日本HironobuTakizawa开始从事血管机器人的研究[10]。
到2006年以色列海法医学院的Beyar开发了第一个血管介入手术机器人系统如图1.4所示：
图1.4Beyar心血管介入手术机器人
通过对以上机器人设计方案的了解，现在的血管手术机器人只是局限在人体血管内的推进与旋转，而没有涉及到定位、把持此机构的机械臂[11]。
通过机械臂医生可以通过计算机自动将机器人移动到手术部位进行治疗，提高手术的可控性[12]。
1.3课题研究内容
就现如今血管手术技术要求高、手术环境差等问题，将机器人系统引入到手术过程中，解决手术过程中技术难度高、环境差、手术要求精度高等问题。
本课题主要的研究内容为血管介入手术医疗机器人的机构设计工作，其中主要内容包括：
（1）针对普通医疗手术中存在的问题及技术要求，提出将机器人系统引入血管介入手术中的意义及作用；
（2）机器人本体的结构设计。
其中包括：
电机选型、机构选型、机构综合、传动方式选择、机械结构的设计及校核。
2机械臂的构型设计
2.1机械臂结构设计要求
在机器人血管介入手术系统中，机械臂的任务是按照规定的姿态实现对末端推进机构的把持、定位。
通过对血管手术的分析及研究对机械臂的设计提出以下要求：
（1）对机器人的功能进行分析，不需要绕道管推进方向旋转运动。
因此确定定位机械臂的自由度为五自由度；
（2）设计机械臂末端承重至少2kg；
（3）机械臂末端到地面可调高度：
100cm-150cm；
（4）工作范围：
300mmx300mmx300mm；
（5）末端定位精度1.5mm；
（6）关节最大角度：
5°/s；
2.2介入手术机械臂构型方案设计
在血管手术的机械臂中，主要由手臂和手腕两部分组成，其中手臂的作用是将手腕末端和手术器械送至规定的位置，而手腕的作用是通过自身姿态的调整是手术器械达到进行手术的方向。
这两部分在手术中的运动方式不尽相同，因此应避免两部分的相互依赖关系。
所以，定位机构和定向机构采用分离的方法独立运动[13]。
2.2.1介入手术机械臂大臂方案设计
根据机器人介入血管手术的要求，大臂的作用是将手腕末端送到规划点，因此对手臂提出以下要求：
（1）实现较高的定位精度；
（2）在保证工作空间的前提下，机构尺寸尽量小；
（3）能够承受2kg的重量；
为了能够实现空间任意位置的变化，手臂应至少具备3个自由度，可由P（移动关节）和R（转动关节）组成。
其中定位臂结构及性能分析如图表2.1所示：
表2.1定位臂结构及性能
其中，圆柱坐标性、SCARA型要求结构尺寸比较大，不符合手术要求；直角坐标型工作范围比较小，不符合手术要求；通过多对各种结构简图的分析关节坐标型通过机构综合和结构优化可以实现手术环境的要求，并且能够实现末端2kg的负载支撑。
其结构简图如图2.1,图2.2所示：
图2.1定位臂结构简图图2.2定位臂结构变形图
在定位臂的机构中定位臂通过曲柄滑块机构将直线运动变为旋转运动。
为保证精确的尺寸链才能实现运动的连贯性。
第一关节为旋转运动。
第二关节为连杆滑块机构。
第三关节通过连杆机构带动平行四边形的运动。
三个关节的联动可以实现空间内的任意位置。
2.2.2介入手术机械臂手腕方案设计
当手术进行时，末端推进器或手术器械到达手术位置后要进行位置的调整，因此要在手臂的末端安装旋转功能的手腕关节。
而旋转关节可以分为滚动关节和弯转关节，另外根据自由度的个数分为一个、两个、三个自由度的手腕关节[14]。
一自由度手腕关节仅能调整一个方向姿态。
三个自由度的手腕关节可以实现任意位置的姿态变化，但是在实际操作中不需要绕血管的旋转运动。
因此两个自由度便可以满足需求。
根据弯转和滚动关节的不同配置二自由度的手腕关节可以分为四种主要的结构形式。
如图2.3所示：
图2.3二自由度手腕
根据血管介入手术的要求，末端推进机构不需要绕导管中心的旋转运动，因此手腕简图选用图2.3中b结构形式。
2.2.3介入手术机械臂总体构型方案
根据所选机械臂大臂、手腕的构型方案，可以确定机器人总体的构型方案。
总体构型简图如图2.4所示：
图2.4机器人构型简图
从机构见图可以看出，机械臂共有5个自由度5个关节最终确定的机构简图和示意图如图2.5图2.6所示：
图2.5机器人机构简图图2.6机器人示意图
各关节汇总表如表2.2所示。
表2.2关节汇总表
关节1
腰部关节R
腰部旋转
关节2
旋转关节R
大臂旋转
关节3
旋转关节R
小臂旋转
关节4
旋转关节R
手腕腕摆
关节5
旋转关节R
手腕臂转
2.3关节驱动方式选择
目前常用的驱动器有电动驱动器、液压驱动器、气动驱动器等[15]。
其中：
液压驱动器功率大，结构简单并且可以直接与被驱动装置相连。
但是其易产生液体泄露不易用于医疗机器人。
启动驱动器体积小，但是功率也很小并且速度不易控制。
电动驱动器使用广泛、功率高并且速度和精度比较容易控制。
其中，电动驱动器可以分为直流电机、交流电机、伺服电机和步进电机。
直流电机驱动块电机特性好；交流电机结构简单、制造方便，但速度精度不高易产生振动；步进电机启动快，可以直接接受数字信号，但其噪音大不宜应用在医疗机械中。
综上各种电机的特点，决定使用电机驱动，并且根据医疗环境的特殊要求选用直流伺服电机。
2.4关节传动方式设计
根据介入血管手术医疗机器人的设计要求及医疗环境的特殊要求对传动机构提出以下要求[16]：
（1）在保证传动功率和传动比的前提下做到结构紧凑；
（2）正反转过程中空行程尽量小，保证较高的位置精度；
腰转关节实现的是水平面的转动，加上小臂的长度腰转关节只要转动很小的角度就能实现空间很大位置的变动，因此要求转速较慢，采用两级减速。
通过带减速的电动机与谐波减速配合的方式实现两级减速。
为保证系统的安全性在传动结构中需要添加制动器和编码器，因此最终腰转关节的传动结构为：
伺服电机一级减速器传动轴二级减速器输出轴腰转
大臂、小臂的关节承受的转矩很大，如果采用与腰转关节相同的传动结构所占用的空间较大，外观上不够美观，而且在失电情况下不能够保持原位。
采用涡轮蜗杆结构就解决了失电状态下的自锁问题，但是必须经过机构综合和结构优化。
另外，同腰转关节一样为保证伺服系统的控制结构和传动的安全性仍需要添加编码器。
传动结构为：
伺服电机一级减速器传动丝杠滑块连杆大臂旋转
伺服电机一级减速器传动丝杠滑块连杆小臂旋转
腕部关节承受的载荷小，同时为减轻自重在结构上要尽量简单。
因此采用一级减速。
最终传动结构为：
伺服电机一级减速器输出轴腕部摆动
伺服电机一级减速器输出轴腕部旋转
2.5电机容量的计算与选择
2.5.1婉转关节电机选择
婉转关节的运动是实现负载绕轴线的旋转运动，根据手术的特殊要求，设定其运动范围为-45°到45°，负载运动简图如图2.7所示：
图2.7婉转关节负载简图
设负载为F=20N,负载到轴的距离为H=100mm，由腕转关节运动范围可知，当负载转角为45°时，力矩最大T1：
（2.1）
负载最高角速度为：
w=0.44rad/s
设负载的惯性半径为r=0.1m,负载惯性J为：
（2.2）
设转速达到5°/s的时间为0.5s，则角加速度为10rad/s。
（2.3）
（2.4）
婉转关节功率要求：
（2.5）
设系统的效率为0.5，则实际所需功率为：
（2.6）
根据计算结果可知，为满足要求输出轴转矩为1.6Nm，功率为1.408W。
由MAXON手册可知，RE25型电机的额定功率为20W，额定转矩为26.7mNm。
堵转转矩为257mNm，GP32A减速器减速比86:
1，输出转矩4.5Nm，RE25型电机与GP32A减速器组合，可以满足婉转关节的要求。
2.5.2腕摆关节电机选型
对腕摆关节的受力情况进行分析，分析其极限位置电机所要克服的力矩。
极限位置如图2.8所示：
图2.8腕摆关节负载运动图
末端负载为G=20N,五关节自重为10N,在水平位置时，末端中心到回转轴的距离为H=120mm，腕关节的运动范围φ为20°到-40°，腕转关节的运动范围θ为45°到-45°。
则所需要的驱动转矩为：
因为腕关节的运动范围φ为20°到-40°，腕转关节的运动范围θ为45°到-45°，故最大转矩为：
（2.7）
负载的实际最高角速度为：
w=0.44rad/s
设负载的惯性半径为r=0.12m,负载惯性J为：
（2.8）
设转速达到5°/s的时间为0.5s,则角加速度为10rad/s
（2.9）
（2.10）
四关节功率要求为：
（2.11）
设系统的效率为0.5，则实际所需功率为：
（2.12）
由计算结果分析腕摆关节的传动结构，要求输出轴转矩2.112Nm，电机功率1.86W。
由MAXON电机手册知RE25型电机的额定功率为20W，额定转矩为26.7mNm,堵转转矩为257mNm，GP32A型减速器减速比为86：
1，可连续输出转矩4.5Nm,瞬时容许输出转矩为6.5Nm。
RE25型电机与GP32A减速器组合，可满足要求。
2.5.3大小臂关节电机选型
在大小臂的设计中，大小臂的旋转运动是靠丝杠的直线运动完成的。
关节的运动范围是+20°到-40°，那么由大小臂的结构可以算出丝杠的移动距离要达到150mm。
关节的旋转速度为5°/s时，丝杠的运动速度为12.5mm/s。
不考虑实际运动中峰值带来的增量问题，设计参数取5°/s。
设负载为80N，则最大转矩为80Nm，大臂的平均角速度w=0.087rad/s，则驱动功率为：
（2.13）
设传动系统的总效率为0.3，则实际驱动功率为：
（2.14）
当大臂位于最外倾的位置时，负载最大此时的受力分析如图2.9所示：
图2.9大臂受力分析图
螺母的轴向力为750N,设丝杠的增力比为5，丝杠中经为0.022m，由此可知力矩为：
（2.15）
由传动结构和以上计算结果可知，输出轴转矩要大于3.3Nm，功率大于29W。
因为大小臂结构相同。
因此选用与大臂相同的电机及配件即可。
由FAULHAB电机手册可知，2657CR型电机的额定功率为47.9W，额定转矩为44mNm,堵转转矩286mNm，26/1型减速器减速比为43：
1，连续输出转矩3.5Nm,瞬时转矩4.5Nm。
2657CR型电机与26/1型减速器，可满足功能要求。
2.5.4腰转关节电机选型
因为腰转关节负载小，且要求速度很低。
因此，选用相同类型的电机便能满足要求。
选用RE25直流伺服电机、GP32A减速比为86的减速器、数字型HEDL型500线编码器、AB28型制动器。
由于腰转关节的传动比较复杂，要使用谐波减速器。
考虑到机械臂结构尽量紧凑的要求选用扁平式谐波传动机构。
因此选用XB3-50型谐波减速器,减速比为120：
1，其输出转矩可达20Nm，堵转输出转矩可达25Nm。
综合各关节电机选型及减速器选型情况如表2.3表2.4所示：
表2.3关节电机选型表
关节
腰转
大臂
小臂
臂转
腕摆
电机型号
RE25
2657CR
2657CR
RE25
RE25
功率
20W
47.9W
47.9W
20W
20W
连续转矩
26.7mNm
44mNm
44mNm
26.7mNm
26.7mNm
堵转转矩
257mNm
286mNm
286mNm
257mNm
257mNm
表2.4关节减速器选型表
关节
腰转
大臂
小臂
臂转
腕摆
型号
GP32A
26/1
26/1
GP32A
GP32A
减速比
86：
1
43：
1
43：
1
86：
1
86：
1
连续转矩
3.5Nm
4.5Nm
4.5Nm
3.5Nm
3.5Nm
堵转转矩
4.5Nm
6.5Nm
6.5Nm
4.5Nm
4.5Nm
3机械臂的详细结构设计
3.1腰转关节的设计
腰转关节结构图如图3.1所示：
图3.1腰转关节结构
如图所示：
1.底座臂，2.底电机座，3.谐波输入轴，4.轴肩垫，5.谐波输出轴，6.轴承外圈挡圈，7.轴承内圈挡圈，8.轴承压座，9.圆螺母，10.6202深沟球轴承，11.键，12.谐波减速器，13.内六角圆柱头螺钉，14.6201深沟球轴承，15.紧定螺钉，16内六角螺钉，17.开槽沉头螺钉，18.电机组件
其中，深沟球轴承、轴承压座、电机固定座等安装在底座臂上。
在底座臂的还有用于固定的螺纹孔。
电机减速器输出轴与谐波输入轴通过螺钉15联接。
谐波输出轴通过键11与谐波减速器相连。
谐波输入轴设计成波纹状是为了在同轴度较低的情况下，电机可以正常的运转。
谐波输出轴通过内六角螺钉与减速器输出钢轮相连。
电动机带动自带的减速器，谐波输入轴带动谐波减速器从而带动谐波输出轴。
谐波输出轴与二三关节连接。
3.2大小臂关节的设计
大小臂的结构图如图3.2所示：
图3.2大臂小臂关节结构图
1.大臂底座，2.大臂下铰销，3.长铰轴轴垫套，4.6008深沟球轴承5.6202深沟球轴承，6.小臂对边板，7.支撑筒，8.短铰销垫套，9.铰销轴，10.6202深沟球轴承，11.轴承端盖，12.轴用弹性挡圈，13.开槽沉头螺钉，14.大臂短铰座，15.花套，16.圆柱头螺钉，17.螺杆开槽套筒，18.6004深沟球轴承，19.大臂传动丝杠，20.传动螺母，21.螺杆紧固轴套，22.内六角螺钉，23.中间连接套，24.紧定螺钉，25.开槽沉头螺钉，26.电机安装盘，27.沉头螺钉，29.电机组件，30.大臂长铰座，31.小臂连杆，32大臂连杆，33.轴用弹性挡圈，34.大垫片，35.连杆螺母销轴，36.内六角螺钉，37.支撑杆，38.小臂。
大小臂通过曲柄滑块机构和四边形机构完成旋转运动。
底座通过键槽与关节1相连。
大臂与底座通过深沟球轴承和铰销相连。
组成大臂的机构主要有花套、大臂长铰座、大臂连接件组成。
大臂可以绕销转动，长铰座与大臂基座通过销和深沟球轴承相连。
大臂上有中间连接套筒其作用是对电机进行安装和定位。
大臂上安装传动丝杠，丝杠上有传动螺母，传动螺母依靠开槽套筒实现运动。
套筒的另一端与大臂短铰座连接。
在电机减速器输出轴与丝杠无法保证对中的情况下，为保证传动的可靠性将丝杠与电机的连接段做成波纹管结构。
两大臂的结构相同，只是安装位置相反构成四边形结构，并且在小臂的末端设计了方便与腕关节相连的安装孔。
3.3腕部关节的设计
腕部关节结构图如图3.3所示：
图3.3腕部关节结构图
1.手部连接件，2.电机支座，3.半轴-驱动侧，4.紧定套，5.压紧螺塞，6.半轴-尾部，7.末端座，8.末端套筒，9.轴承外挡圈，10.轴承内挡圈，11.末端端盖，12.压紧螺帽，13.沉头螺钉，14.轴用弹性挡圈，15.深沟球轴承，16.腕摆电机组件，17.深沟球轴承，18.沉头螺钉，19.内六角螺钉，20.内六角螺钉，21腕转电机组件，22.内六角螺钉。
因为末端重量比较重所以用螺杆与螺母配合的方式代替螺钉。
电机支座2与手部连接件1通过螺钉连接。
电机组件输出端通过紧定套4、压紧螺塞5与半轴-驱动侧零件连接，以此来完成腕摆关节的驱动。
腕转关节末端座7与半轴-驱动侧和半轴-尾部通过螺栓、螺母连接，另一端通过轴承安装末端套筒8，电机组件通过螺钉与末端座7连接。
末端套筒与末端压盖11连接，以实现紧定套、压紧螺帽12与电机组件输出轴的连接，以此来完成腕部的扭转运动。
3.4便捷拆装接口设计
便捷接口的结构图如图3.4所示：
1.上接口座2.下接口座3.横插销4.楔紧螺栓
图3.4便捷接口结构图
在机械臂的设计过程中，考虑到末端推进机构与机械臂之间要经常拆卸，因此将两部分的连接口设计为便于拆卸和安装的便捷接口。
上接口座机械臂的末端连接，下接口座与推进机构相连。
下接口设计为燕尾形，当楔紧螺栓向里是横插销向外运动，这样保证两部分处于连接状态；当楔紧螺栓向下运动时，横插销向里运动，此时两部分便可以分离。
3.5关键零部件的校核
在机械臂的设计过程中，因为小臂要承受手腕和末端推进机构的重量，在整个设计中非常的重要[17]。
小臂的受力状态可以简化为一悬臂梁。
需要对小臂的受力进行分析。
小臂应用的是LY12合金铝材料。
其弹性模量为72000牛顿/m2，泊松比为0.33，抗剪模量为27000牛顿/m2,密度为0.0027g/m3,热导率为120W/Mk,比热为960J/kgK。
估计末端重量为4Kg，安全余量取20%。
所以悬臂梁末端承受重量为4.8Kg。
分到每个螺栓的重量为2.4Kg，即24N。
对小臂进行有限元分析得出最大应力1.563e+007N/m2,最大应变为5.597e-001mm。
由数据可以判断小臂的设计达到了强度和应变的要求。
通过分析，推进机构的连接板也是典型的悬臂梁结构，对其也应进行受力分析[18]。
连接板使用的是镀铬合金钢。
弹性模量为2×105N/mm2泊松比为0.28，抗剪模量为7.7x104N/mm2,张力强度为413.613N/mm2,屈服力为172.339N/mm2。
因为其使用四个螺栓与推进机构连接。
因此受力应平均分为四部分。
假设其最大负载为4Kg，则每个螺钉受力10N。
通过有限元分析的方法得屈服力1.723e+008N/m2最大应力为1.42e+008N/m2最大应变为9.872e-001mm，符合设计要求。
4总结
本文对血管介入手术机器人进行了细致的分析、研究。
考虑到机械臂有手臂和手腕两部分组成，根据手术的不同要求，手臂的作用是将手腕与末端推进机构送到手术部位并进行定位。
然后手腕通过自身姿态的调节使手术器械到达手术部位。
通过对医疗机器人进行综合与优化，提出了五自由度机械臂的设计方案，并对其进行了详细的设计、优化和校核。
确定了机械臂的本体构型方案并对各关节驱动方式、传动方式以及各关节电机及辅件的选型做了详细的计算。
目前，对血管介入手术机器人的研究方兴未艾并取得了一定成绩。
在临床应用中取得了很好的应用，但是手术的方案设计还有很大的提升空间。
将机械臂引入到医疗手术中能够避免对医生身体的辐射损害，并能够增强手术的规范性，提高手术质量。
因此，介入血管手术医疗机械臂的研究具有重要的现实意义。
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