新型機(jī)械臂設(shè)計(jì).doc

一 種用于輔助外科手術(shù)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)摘要：本文主要針對(duì)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種可用于輔助立體定向手術(shù)的機(jī)械臂。機(jī)械臂由機(jī)械臂本體、關(guān)節(jié)制動(dòng)器組成，文章分別對(duì)機(jī)械臂本體和關(guān)節(jié)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，使得機(jī)械臂能夠測(cè)量其測(cè)量范圍內(nèi)任意一點(diǎn)相對(duì)于它自身的位置并能夠在任意位置固定不動(dòng)，具有較高的測(cè)量精度。最后將機(jī)械臂應(yīng)用與立體定向手術(shù)，取得了令人滿意的效果。關(guān)鍵詞：機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)系統(tǒng)、機(jī)械臂、立體定向手術(shù)1、引言近幾年來，醫(yī)療機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)療外科技術(shù)（Medical Robot and ComputerAssisted Surgery）已經(jīng)成為在多學(xué)科交叉領(lǐng)域中興起，并越來越受到關(guān)注的機(jī)器人應(yīng)用前沿研究課題之一。它是基于計(jì)算層面掃描圖象或核磁共振圖象的三維醫(yī)療模型，對(duì)醫(yī)療外科手術(shù)進(jìn)行規(guī)劃和虛擬操作，最后實(shí)現(xiàn)多傳感器機(jī)器人的輔助定位和操作。人們預(yù)計(jì)開展這方面的研究，不僅在手術(shù)精確定位、手術(shù)最小創(chuàng)傷、手術(shù)質(zhì)量等方面將帶來一系列的技術(shù)變革，而且將改變常規(guī)醫(yī)療外科的許多概念，對(duì)新一代手術(shù)設(shè)備的開發(fā)與研制產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并對(duì)智能機(jī)器人、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、微機(jī)械電子學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論與技術(shù)發(fā)展也將產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用1-3。 迄今為止，國(guó)內(nèi)外已研究和開發(fā)了多種醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)，適用的范圍也越來越廣。據(jù)有關(guān)報(bào)道，1998年德國(guó)的T.C.Lueth研究了基于并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的用于頭部外科手術(shù)的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)4；1998年美國(guó)的J.Kenneth Salisbury，Jr研究了心瓣修補(bǔ)手術(shù)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)5；1999年美國(guó)的S.Shankar.Sastry研究了用于顯微外科的微創(chuàng)傷機(jī)器人系統(tǒng)6。從資料上看，醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)的研究主要集中于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，盡管已經(jīng)取得了一些成果，但能真正用于臨床應(yīng)用的還不多。 相比而言，國(guó)內(nèi)在此方面的研究多限于醫(yī)療圖象的處理和識(shí)別方面。對(duì)于機(jī)器人輔助外科手術(shù)以前少有問津。近年來，清華、北航、哈工大和上海光機(jī)所分別在仿生器械、醫(yī)療外科機(jī)器人和微機(jī)器人等方面開展了初步研究。 值得一提的是北航機(jī)器人研究所和海軍總醫(yī)院神經(jīng)外科中心聯(lián)合開發(fā)的機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)系統(tǒng)(CRAS-BH1系統(tǒng))已經(jīng)用于輔助立體定向手術(shù)7。該系統(tǒng)是一種用于立體定向手術(shù)的醫(yī)療外科機(jī)器人系統(tǒng)。立體定向外科手術(shù)是醫(yī)生通過CT圖片計(jì)算出病灶點(diǎn)在框架坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)位置(X,Y,Z)，然后在病人顱骨上鉆一個(gè)小孔，將外科手術(shù)器械通過探針導(dǎo)管插入病人腦中，達(dá)到CT圖像上定位的靶點(diǎn)，最后對(duì)病灶點(diǎn)進(jìn)行切除操作的一項(xiàng)外科技術(shù)。開發(fā)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)系統(tǒng)的目的是利用機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)務(wù)人員借助圖象導(dǎo)引輔助規(guī)劃手術(shù)系統(tǒng)、確立手術(shù)方案。然后在機(jī)器人末端導(dǎo)向裝置的導(dǎo)引下，將外科手術(shù)器械(如探針)引入腦內(nèi)，輔助醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行手術(shù)操作。 CRAS-BH1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)中PUMA262機(jī)器人和六自由度機(jī)械臂起到了相當(dāng)重要的作用。PUMA262機(jī)器人主要作為手術(shù)輔助操作單元，六自由度機(jī)械臂主要用于控制圖象。該系統(tǒng)經(jīng)受了臨床實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，填補(bǔ)了我國(guó)在機(jī)器人輔助外科手術(shù)領(lǐng)域中的空白。但是，該系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面尚待改進(jìn)： 第一，由于該系統(tǒng)包含價(jià)格昂貴的PUMA262機(jī)器人，使之在將來的推廣應(yīng)用中受到了極大的限制。 第二，現(xiàn)有的六自由度機(jī)械臂精度不高，難以滿足使用要求。第三，該系統(tǒng)中PUMA262機(jī)器人和六自由度機(jī)械臂其實(shí)都是“機(jī)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(gè)“機(jī)器人”。 就六自由度機(jī)械臂而言，其優(yōu)勢(shì)是各關(guān)節(jié)沒有制動(dòng)裝置，因而操作靈活，可方便地應(yīng)用于操作圖象，這是PUMA262機(jī)器人所不具備的。但在另一方面，由于PUMA262機(jī)器人有關(guān)節(jié)制動(dòng)裝置，使其可在空間任意一點(diǎn)定位。因此，醫(yī)務(wù)人員可方便地利用它作為操作平臺(tái)，這又是六自由度機(jī)械臂所不能的。 顯然，如果設(shè)計(jì)一種新的帶有可控制的關(guān)節(jié)制動(dòng)器的機(jī)械臂，則可將六自由度機(jī)械臂和PUMA262機(jī)器人合二為一。當(dāng)關(guān)節(jié)制動(dòng)器處于“開”時(shí)，各關(guān)節(jié)可靈活運(yùn)動(dòng)，它相當(dāng)于六自由度機(jī)械臂；當(dāng)關(guān)節(jié)制動(dòng)器處于“合”時(shí)，各關(guān)節(jié)相對(duì)鎖緊，它相當(dāng)于PUMA262機(jī)器人。圖1 CRAS-BH1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖 新型機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，不僅可簡(jiǎn)化CRAS-BH1系統(tǒng)，而且可拋棄價(jià)格昂貴的PUMA262機(jī)器人，從而可提高原系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，是一條符合我國(guó)國(guó)情的研究開發(fā)道路。2、機(jī)械臂的工作原理和設(shè)計(jì)總體方案21 機(jī)械臂工作原理我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械臂主要起到兩個(gè)作用，一方面代替鼠標(biāo)，對(duì)三維圖象模型進(jìn)行交互操作，一方面為醫(yī)生提供手術(shù)平臺(tái)，方便醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作。因此要求其結(jié)構(gòu)靈活、輕便、精度較高，易于操作。機(jī)械臂被設(shè)計(jì)成為被動(dòng)式，即機(jī)械臂本身沒有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，依靠外部力量（人力）加以驅(qū)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)是符合手術(shù)規(guī)劃的實(shí)際要求的。由于機(jī)械臂末端安裝的手術(shù)器械導(dǎo)入機(jī)構(gòu)是具有一個(gè)自由度的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以機(jī)械臂設(shè)計(jì)為五自由度即可滿足工作要求。機(jī)械臂的五個(gè)關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)方式，使運(yùn)動(dòng)更加靈活。其整體外形猶如人的手臂，由肘部、大臂、小臂實(shí)現(xiàn)工作空間。手部的兩個(gè)自由度保證機(jī)械手以各種姿態(tài)到達(dá)被測(cè)點(diǎn)。根據(jù)上述情況，我們確定高精度、能測(cè)量、能制動(dòng)機(jī)械臂(簡(jiǎn)稱機(jī)械臂)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：1 高精度機(jī)械臂沿不同軌跡使其末端到達(dá)空間某點(diǎn)時(shí)，通過各關(guān)節(jié)電位計(jì)所得參數(shù)而計(jì)算得出的此點(diǎn)坐標(biāo)的差值(即總精度)小于2mm。由于機(jī)械臂總精度由機(jī)械精度、傳感器精度組成，所以要求機(jī)械臂機(jī)械精度小于1mm。2 能測(cè)量機(jī)械臂能夠測(cè)量其測(cè)量范圍內(nèi)任意一點(diǎn)相對(duì)于它自身的位置。3 能制動(dòng)機(jī)械臂能夠在任意位置固定不動(dòng)，即各關(guān)節(jié)軸能夠在任意位置鎖死。4 測(cè)量空間機(jī)械臂末端能夠到達(dá)一個(gè)300x300x300mm的立方體中的任意一點(diǎn)。5 無動(dòng)力機(jī)械臂各關(guān)節(jié)無動(dòng)力裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。6 可操作性好機(jī)械臂的末端能夠在人手的驅(qū)動(dòng)下自由運(yùn)動(dòng)。7 功能可靠機(jī)械臂的制動(dòng)在末端進(jìn)行操作期間要安全可靠。8 可負(fù)載機(jī)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(shè)計(jì)任務(wù)確定機(jī)械臂由機(jī)械臂本體、關(guān)節(jié)制動(dòng)器和關(guān)節(jié)位置測(cè)量裝置三個(gè)環(huán)節(jié)組成。機(jī)械臂本體是機(jī)械臂的主體成分，它決定了機(jī)械臂的類型、工作空間、精度、關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)類型等。制動(dòng)器是機(jī)械臂的重要環(huán)節(jié)，它的制動(dòng)能力的好壞決定了機(jī)械臂能否提供一個(gè)安全的操作平臺(tái)。關(guān)節(jié)位置測(cè)量裝置類型很多，考慮到價(jià)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(duì)機(jī)械臂本體、關(guān)節(jié)制動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。3、高精度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)31機(jī)械臂方案擬訂 機(jī)械臂實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)沒有驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)器人，因此可以根據(jù)現(xiàn)有機(jī)器人的設(shè)計(jì)擬訂機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案。 常見的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類型主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析比較后，擬采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于以下幾個(gè)方面：第一，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)操作靈活。這一點(diǎn)對(duì)于外科手術(shù)環(huán)境尤其重要。在CRAS-BH1系統(tǒng)中，六自由度機(jī)械臂就是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其操作的靈活性已得到了醫(yī)務(wù)人員的肯定。第二，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)工作空間大。在實(shí)現(xiàn)相同的工作空間的前提下，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)可做得比較緊湊。 當(dāng)然，采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)也會(huì)使設(shè)計(jì)遇到一定困難：精度難以提高、關(guān)節(jié)制動(dòng)時(shí)所需力矩較大。但是，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)主要是面向用戶的設(shè)計(jì)，它以滿足用戶需要、方便用戶為目標(biāo)。因此，最終采用了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。 為了使機(jī)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(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和三個(gè)俯仰關(guān)節(jié)組成。由于機(jī)械臂的末端操作器本身已經(jīng)有了一個(gè)自由度，使得機(jī)械臂末端的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)就多余了。因此，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)采用了的如圖-3所示的原理方案：它共有五個(gè)關(guān)節(jié)，即兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和三個(gè)俯仰關(guān)節(jié)。由底座到末端，不妨稱之為、關(guān)節(jié)?？紤]到工作空間的要求，大臂和小臂的長(zhǎng)度分別取為：250mm、200mm。圖2 機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)圖3 軸承游隙對(duì)機(jī)械臂的影響32使機(jī)械臂達(dá)到精度要求所采取的措施 對(duì)于高精度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，其核心問題就是采用何種結(jié)構(gòu)、采取何種措施使得機(jī)械臂的精度達(dá)到精度要求。對(duì)于關(guān)節(jié)式機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，這個(gè)問題尤為突出。 機(jī)械臂的機(jī)械精度主要由機(jī)械加工精度、機(jī)械結(jié)構(gòu)精度和機(jī)械變形精度三部分組成。機(jī)械加工精度由機(jī)械加工來保障，在此不再贅述。所謂機(jī)械結(jié)構(gòu)精度在此是指由于機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的特殊性而產(chǎn)生的特定的精度影響。下面主要介紹為提高精度而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上所采取的特殊措施。 1關(guān)節(jié)采用U形結(jié)構(gòu) CRAS-BH1系統(tǒng)中的六自由度機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)都是單端支撐，這種設(shè)計(jì)雖然給加工和裝配帶來了很大的便利，但其代價(jià)卻是犧牲了機(jī)械臂的精度。以此為鑒，在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，所有關(guān)節(jié)都采用了雙端支撐，即U形結(jié)構(gòu)。 2關(guān)節(jié)采用高精度軸承支撐 軸承給機(jī)械臂造成的誤差主要有兩項(xiàng)：一是由軸承內(nèi)、外圈和所連接構(gòu)件之間的間隙產(chǎn)生的；另一是由軸承內(nèi)、外圈本身的不同心(即游隙)產(chǎn)生的。設(shè)計(jì)機(jī)械臂時(shí)，軸承內(nèi)、外圈和所連接構(gòu)件均為過贏配合，因此，間隙誤差可忽略不計(jì)。相比之下，游隙誤差就十分顯著。它是影響機(jī)械臂機(jī)械精度的最主要的因素。由于游隙的存在而產(chǎn)生了對(duì)機(jī)械臂精度的影響，在此稱之為結(jié)構(gòu)精度。 在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，采用了進(jìn)口的日本精工株式會(huì)社的高精度向心推力球軸承(相當(dāng)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的C級(jí)軸承)。其有關(guān)參數(shù)見表1。 表-1 機(jī)械臂所采用的高精度軸承有關(guān)參數(shù) 型號(hào) 內(nèi)徑 外徑 寬度用于關(guān)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(yù)負(fù)荷(即軸承內(nèi)、外圈沿軸向反向受力)時(shí)得出的參數(shù)。 在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，U形結(jié)構(gòu)的采用使得高精度軸承可成對(duì)使用。由于在兩軸承內(nèi)圈之間有套筒，因此，通過向端蓋施壓就可使兩軸承預(yù)緊，從而可達(dá)到4的徑向游隙。 下面以關(guān)節(jié)為例計(jì)算軸承游隙對(duì)機(jī)械臂精度的影響。參見圖3，設(shè)關(guān)節(jié)中的兩個(gè)軸承間的支撐距離為b1，機(jī)械臂末端到關(guān)節(jié)的距離為h1。顯然，由游隙而產(chǎn)生的機(jī)械臂末端的誤差1與b1成反比，與h1成正比。當(dāng)兩軸承游隙達(dá)到最大(即1max=4)，且方向相反，同時(shí)，h1也達(dá)到最大h1max時(shí)，1達(dá)到極限值1max。此時(shí)，1max可由下式計(jì)算得出： 1max =21maxh1maxb1 對(duì)于關(guān)節(jié)，h1max=600mm，b1=42mm，故：1max =21maxh1maxb1=0.114mm 同理：對(duì)于關(guān)節(jié)，h2max=500mm，b2=52mm，故：2max =22maxh2maxb2=0.077mm 對(duì)于關(guān)節(jié)，h3max=300mm，b3=52mm，故：3max =23maxh3maxb3=0.046mm 對(duì)于 關(guān)節(jié)，h4max=300mm，b4=50mm，故：4max =24maxh4maxb4=0.048mm 對(duì)于關(guān)節(jié)，h5max=100mm，b5=20mm，故：5max =25maxh5maxb5=0.04mm 因此，由各關(guān)節(jié)軸承游隙所造成的機(jī)械臂累積極限誤差xmax為：xmax =1max +2max +3max +4max +5max=0.325mm 當(dāng)然，max=0.325mm是在非常極端的情況下產(chǎn)生的。實(shí)際使用時(shí)發(fā)生這種情況的概率極小。一般情況下，可以認(rèn)為x=0.2mm(略大于1max +2max )。 如果采用普通軸承，則在相同的預(yù)緊條件下，單個(gè)軸承的最大游隙為：max=10。以此帶入計(jì)算，則max =0.813mm。顯然普通軸承不能滿足設(shè)計(jì)要求。 3 采用滿足剛度要求的桿件 機(jī)械臂的桿件變形是影響機(jī)械臂機(jī)械精度的另一個(gè)重要原因。因此，各桿件的截面除了要滿足結(jié)構(gòu)要求外，更主要的是要滿足剛度要求。 當(dāng)大臂和小臂均為水平狀態(tài)時(shí)，作如圖4所示之簡(jiǎn)化。機(jī)械臂在末端載荷F=10N的作用下所產(chǎn)生的末端撓度為最大ymax。且可以以下式近似計(jì)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(duì)機(jī)械臂精度的影響 I=22(423-203)/12=1.2105mm5(截面慣性矩) 顯然，設(shè)計(jì)中所采用的桿件截面能夠滿足設(shè)計(jì)要求。4關(guān)節(jié)制動(dòng)器的設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)制動(dòng)器的性能是機(jī)械臂的制動(dòng)功能能否實(shí)現(xiàn)的重要保障，它的設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。設(shè)計(jì)之初，本打算采用現(xiàn)有的制動(dòng)器成品，并把十分流行的電磁制動(dòng)器作為首選。經(jīng)與國(guó)、內(nèi)外多家廠家聯(lián)系后，沒發(fā)現(xiàn)合適的體積小、制動(dòng)能力大的電磁制動(dòng)器，只得自行設(shè)計(jì)一種各關(guān)節(jié)都能使用的制動(dòng)器。41制動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求l 制動(dòng)力矩大。在末端外載荷的作用下，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)所受力矩最大，約為5000Nmm，其它關(guān)節(jié)所受力矩較小，均小于1000Nmm。l 體積盡量小。機(jī)械臂是一種醫(yī)療外科器械，如果制動(dòng)器體積太大，將妨礙機(jī)械臂的靈活操作。l 重量盡量輕。制動(dòng)器如果重量過大，將增加機(jī)械臂的整體重量，妨礙機(jī)械臂的靈活操作，加大制動(dòng)器本身的工作負(fù)擔(dān)。42制動(dòng)器方案的擬定 制動(dòng)器的原理方案如圖5所示，它以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，然后通過一連串機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)化、放大后，最后形成了阻礙關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)的摩擦力矩。具體介紹如下： 螺紋機(jī)構(gòu)：將電機(jī)輸出力矩M轉(zhuǎn)化為螺母驅(qū)動(dòng)力F0。 肘桿機(jī)構(gòu)：將F0放大為F1。 杠桿機(jī)構(gòu)：將F1放大為F2。 楔形機(jī)構(gòu)：將F2放大為N。 摩擦機(jī)構(gòu)：將N轉(zhuǎn)化為摩擦力矩T。圖5 制動(dòng)器工作原理圖43 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 參見圖5，電機(jī)的輸出力矩M是通過一個(gè)50.5的細(xì)牙螺紋產(chǎn)生推動(dòng)力F0的。由螺紋傳動(dòng)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(shí)的螺旋升角) v= tg-1(f/cos30)=6.587(f=0.1時(shí)的當(dāng)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(dòng)器的制動(dòng)能力與工作角的大小有極為密切的關(guān)系。越小，則摩擦力矩T越大。理論計(jì)算表明：=0時(shí)，F(xiàn)0、T等將為無窮大。但實(shí)際上由于構(gòu)件變形，以及構(gòu)件間摩擦的存在，F(xiàn)0、T等只能是有限值。 制動(dòng)器的工作角度可在裝配時(shí)調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)與關(guān)節(jié)軸接觸的V形爪的尺寸(鉗工修配)，就可調(diào)節(jié)的大小。 當(dāng)選用電機(jī)的最大輸出力矩M分別為15Nmm（、關(guān)節(jié)）和75Nmm（、關(guān)節(jié)），=20，=45，a=54mm，b=6mm，r=10mm，f=0.1時(shí)，可得以下計(jì)算表格： 表-2 制動(dòng)器制動(dòng)能力計(jì)算M(Nmm)F0(N)F1(N)F2(N)N(N)T(Nmm)154363532376150475215314265818807518顯然，=20時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)能力是能夠滿足設(shè)計(jì)要求的。5. 機(jī)械臂輔助立體定向手術(shù)的臨床應(yīng)用51 機(jī)械臂精度的提高機(jī)械臂設(shè)計(jì)制造完成后是否能滿足臨床應(yīng)用的要求，還要對(duì)機(jī)械臂的位置精度進(jìn)行測(cè)試并給予提高。機(jī)械臂的位置精度是指計(jì)算機(jī)通過安裝在機(jī)械臂各關(guān)節(jié)上的傳感器獲取的末端位置值與機(jī)械臂在手術(shù)操作空間中的實(shí)際位置之間的差別。換言之，當(dāng)機(jī)械臂以不同的位置姿態(tài)到達(dá)手術(shù)操作空間某一點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)所獲取的末端位置坐標(biāo)值應(yīng)與之想對(duì)應(yīng)。從機(jī)械臂的工作原理可知，影響機(jī)械臂精度的因素很多，其中機(jī)械臂加工和安裝中產(chǎn)生的連桿參數(shù)（D-H參數(shù)）誤差對(duì)機(jī)械臂精度的影響最大，使得機(jī)械臂難以滿足手術(shù)精度的要求。本文主要針對(duì)機(jī)械臂加工和安裝中產(chǎn)生的連桿參數(shù)（D-H參數(shù)）誤差給予補(bǔ)償，我們利用距離誤差模型對(duì)D-H參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定以達(dá)到補(bǔ)償機(jī)械臂末端精度。由于篇幅所限，距離誤差模型的詳細(xì)介紹請(qǐng)參見文獻(xiàn)8。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，標(biāo)定后的機(jī)械臂末端位置偏差小于2毫米，完全可以滿足手術(shù)的需要。5.2 機(jī)械臂輔助立體定向手術(shù)的臨床應(yīng)用 在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上我們?cè)谑中g(shù)環(huán)境下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)顱骨表面貼上金屬標(biāo)志點(diǎn)，在顱骨中固定了一個(gè)直徑4mm的金屬模擬靶點(diǎn)。CT掃描后，在規(guī)劃系統(tǒng)上完成標(biāo)志點(diǎn)和靶點(diǎn)測(cè)量后，用機(jī)械臂將探針對(duì)準(zhǔn)靶點(diǎn),測(cè)試結(jié)果表明定位精度可以滿足臨床應(yīng)用的需要。1999年4月20日在海軍總醫(yī)院，采用新型機(jī)械臂進(jìn)行了首例腦部腫瘤外科手術(shù)。手術(shù)時(shí)首先將標(biāo)記點(diǎn)固定在病人頭上，然后進(jìn)行CT掃描。將CT掃描的結(jié)果送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行三維重建，在圖象空間（計(jì)算機(jī)空間）中進(jìn)行三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)和手術(shù)靶點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量，并進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，規(guī)劃好的路徑顯示在重建的三維模型上。手術(shù)時(shí)病人的頭部與手術(shù)床相對(duì)固定，用機(jī)械臂在手術(shù)空間對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，圖6所示。利用標(biāo)記點(diǎn)在手術(shù)空間和圖象空間的測(cè)量結(jié)果計(jì)算從手術(shù)空間到圖象空間的映射變換。在手術(shù)空間中移動(dòng)機(jī)械臂末端的手術(shù)探針，導(dǎo)引軟件將此時(shí)探針的位姿實(shí)時(shí)地顯示在圖象空間中，當(dāng)手術(shù)探針圖象的軸向與規(guī)劃的軌跡重合時(shí)鎖定機(jī)械臂，圖7所示。醫(yī)生以固定在機(jī)械臂末端的工具作為手術(shù)器械的固定支架，準(zhǔn)確地將探針?biāo)瓦_(dá)靶點(diǎn)。穿刺針到達(dá)靶點(diǎn)后，抽吸出囊液，輔助手術(shù)完成。然后，醫(yī)生對(duì)患者眼睛、手腳的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行術(shù)后常規(guī)檢查，結(jié)果一切正常。手術(shù)整個(gè)過程順利，患者無不良反應(yīng)。圖7 機(jī)械臂鎖定圖6 機(jī)械臂測(cè)量標(biāo)記點(diǎn) 在成功地進(jìn)行了首例臨床手術(shù)后，我們又陸續(xù)采用新型機(jī)械臂進(jìn)行了四十余例臨床手術(shù)。已成功開展的手術(shù)項(xiàng)目有：(1) 腦深部病變活檢定性；(2) 腦腫瘤內(nèi)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(nèi)異物摘除；(6) 小型腦瘤切除等。6結(jié)論通過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試、手術(shù)模擬和臨床應(yīng)用，結(jié)果表明由北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所與海軍總醫(yī)院全軍神經(jīng)外科中心聯(lián)合開發(fā)研制的新型機(jī)械臂，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，制動(dòng)性能可靠，造價(jià)低廉，滿足輔助立體定向手術(shù)的要求。新型機(jī)械臂取代了CRAS-BH1系統(tǒng)中PUMA262機(jī)器人，不僅大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步向?qū)嵱梅较蜣D(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1