面向灵活工作空间的血管外科手术机器人设计

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1、第uz卷第v期机器人×∂²¯quzo²qvussx年x月¤¼oussx文章编号}tssu2swwykussxlsv2suus2sy3面向灵活工作空间的显微外科手术机器人设计曹毅o王树新o邱燕o贠今天o李群智k天津大学机械工程学院o天津vssszul摘要}在分析医生显微缝合与打结动作和操作空间布置的基础上o采用向两个方向投影的方法o对医生的动作进行了记录和量化分析q分析了测量数据与机器人灵活度的关系o并以该关系作为整个设计分析的基础q根据投影几何以及显微手术数据得到了从手末端工具准确的三维灵活操作空间q根据测量得到的灵活空间运用逆运动学原理o对机器人

2、的机构参数和关节的运动范围进行了计算q在理论分析和设计的基础之上o加工出了一台显微手术样机k¬¦µ²¤±§lq关键词}显微外科手术机器人~灵活工作空间~逆运动学~操作空间中图分类号}×°uw文献标识码}Δεξτερουσ2ωορκσπαχε2οριεντεδΔεσιγνοφΡοβοτιχΜανιπυλατορσφορΜιχροσυργερψ≤≠¬o•≥«∏2¬¬±o±≠¤±o≠¬±2·¬¤±o±∏±2½«¬(ΣχηοολοφΜεχηανιχαλΕνγινεερινγ,ΤιανϕινΥνιϖερσιτψ,Τιανϕινvssszu,Χηινα)Αβσ

3、τραχτ:©·¨µ¤±¤¯¼½¬±ª·«¨¶∏·∏µ¬±ª¤±§®±²··¼¬±ª²³¨µ¤·¬²±²©¶∏µª¨²±¶¤±§·«¨¤¶¶¬ª±°¨±·²©²³¨µ¤·¬²±¶³¤¦¨o·«¨°²·¬²±¶²©¤±¨¬³¨µ·¶∏µª¨²±¤µ¨µ¨¦²µ§¨§¬±·º²³µ²¨¦·¬√¨√¬¨º¶¤±§¤±¤¯¼½¨§´∏¤±·¬·¤·¬√¨¯¼q׫¨µ¨¯¤·¬²±¶«¬³¥¨·º¨¨±·«¨°¨¤¶∏µ¨§§¤·¤¤±§µ²¥²·§¨¬·¨µ¬·¼¬¶¤±¤¯¼½¨§oº«¬¦«¬¶·¤®¨±¤¶·«¨¥¤¶¬¶©²µ§¨¶¬ª±¬±ª·

4、«¨°¤±¬³∏¯¤·²µ¶q׫¨¤¦¦∏µ¤·¨v§¨¬·¨µ²∏¶²³¨µ¤·¬²±¶³¤¦¨²©·«¨¶¯¤√¨¨±§2¨©©¨¦·²µ¬¶²¥·¤¬±¨§¥¤¶¨§²±·«¨³µ²¨¦·¬√¨ª¨²°¨·µ¼¤±§°¬¦µ²2¶∏µª¬¦¤¯²³¨µ¤·¬²±§¤·¤q¦¦²µ§¬±ª·²·«¨¦²¯¯¨¦·¨§§¤·¤²©§¨¬·¨µ²∏¶º²µ®¶³¤¦¨o·«¨°¤±¬³∏¯¤·²µ³¤µ¤°¨·¨µ¶¤±§°²√¨°¨±·µ¤±ª¨¶²©·«¨²¬±·¶¤µ¨¦²°³∏·¨§∏¶¬±ª¬±√¨µ¶¨®¬±¨°¤·¬¦¶³µ¬±¦¬

5、³¯¨q±¨º³µ²·²·¼³¨µ²¥²·¬¦°¤±¬³∏¯¤·²µk¬¦µ²¤±§l©²µ°¬¦µ²¶∏µª¨µ¼«¤¶¥¨¨±³µ²§∏¦¨§¥¤¶¨§²±·«¨²µ¨·¬¦¤¯¤±¤¯¼¶¬¶¤±§§¨¶¬ª±qΚεψωορδσ:°¬¦µ²¶∏µª¬¦¤¯µ²¥²·~§¨¬·¨µ²∏¶º²µ®¶³¤¦¨~¬±√¨µ¶¨®¬±¨°¤·¬¦¶~²³¨µ¤·¬²±¶³¤¦¨1引言(Ιντροδυχτιον)设计中最基础的工作o同时对不同机构的设计评价!运动参数的选择以及今后机构需要采取的控制方法显微外科是近三十余年来发展形成的外科新技术q由于手术显

6、微镜的使用o外科手术从宏观进入微都具有极其重要的作用q≈t 观世界o其测量单位往往以毫米甚至微米来计算q2机器人工作空间的概念(Χονχεπτοφροβοτ在显微外科中o由于操作对象非常狭小k例如血管直[6]ωορκσπαχε)径一般小于u°°lo而且手术工作时间很长o使医生≈u 感觉非常疲惫o显微手术机器人因此应运而生q通在机器人的设计中,工作空间的分析是十分重过主从操作式机器人o外科医生通过比例缩放条件要的.机器人的工作空间定义为:机器人操作机正常≈v 下的双向力反馈控制o可以准确完成微观环境下运行时,末杆末端点能在空间活动的最大范围,或者的精

7、细操作q说该点可达范围占有的空间体积,称为可达空间,记研制手术机器人能对不同手术工作空间进行测量分析≈wox q手术工作空间的研究是专用外科机器人为Ω(π).在工作空间中,末端执行器可以以任意姿3基金项目}教育部博士点基金资助项目kussvssxysvsl~天津市科技发展重点资助项目kswvt{wuttlq收稿日期}usswps{pts第uz卷第v期曹毅等}面向灵活工作空间的显微外科手术机器人设计uut≈{ 态达到的点构成的工作空间成为灵活工作空间,或为uss°°l等因素导致手术的区域非常小o而且要简称为灵活空间,记作Ω(δ).保证在手术过程中o各

8、种机构的运动应不互相干涉q然而对于多数实际的机器人机构,由于每一个灵活空间测量显得更重要图t灵活度示意图q传动关节都受到了