一种医疗机器人主操作手的设计与运动学仿真【字数：7119】
第一章绪论
1.1引言
当下是一个网络快速发展科技也快速发展的时机，互联网的发展给我们的生活带来了重大的改变，同时也带动了各行各业的信息化发展，机器人的发展也得到了推动。机器人的发展能够让人类从反复重复枯燥的工作中解脱而去做一些更有意义的事情，机器人的出现不仅能够替代人类完成一些安全性差、环境艰苦的工作，还可以使人类的生活起居更加安全便利。在医疗领域，这些高新技术也得到了发挥的余地，对传统的手术方式和方法进行了技术更新。然而，医疗机器人与其他行业的机器人是截然不同的，与工业的机器人来比较，医疗机器人必须要有极高的精准度和稳定性，除此以外，医疗机器人价格不菲，还要能够应对各种不同的大小手术。
对于一般性医疗机器人，需要分为主操作手和从操作手。用户操作主操作手来实现手速动作，而从操作手则是由主操作手控制，所以，实际上用户是通过这种主与从的关系来完成技术操作的。主操作手与从操作手的适配和可靠性都会直接影响医生的实际操作，由此可见，如果能够设计和研究一套高可靠性的医疗机器人的操作手，必定会对医疗机器人的发展带来更进一步的推动。
1.2微创外科手术
微创外科手术又称钥匙孔手术，即通过微小切口进行手术操作的行为。该手术过程非常简单，但要求精准性极高。一般情况下，医生会通过主操作手来控制从操作手，结合医疗成像系统，对病人的患处进行手术。
该种手术方法与其他手术相比具有很大的有事，尤其是对患者来讲，可以以牺牲身体最小代价来完成手术，这不仅大大降低了医疗事故的发生，也在一定程度上减少了患者的痛苦，进而减轻患者身体和心灵上的压力。而对于医生来讲，通过微创手术可以完成许多不可能完成的高难动作，尤其在手术空间有限的情况下，医生可以通过机械手的灵活性，即使在很狭小的工作空间，也能够很容易的完成手术，大大提高手术的成功率。同时医疗机器人的引进，可减少医生的失误，例如由于粗心把手术工具落在病人体内；可以消除医生在操作时的手臂颤动来减少手术风险。所以，微创手术在国内的各大医院已经普及，已经是外科医院的标准配备了。
1.3主从式微创手术机器人研究现状
机器人的研究并不是单纯的一门学科的研究，不仅需要动力学、计算机科学、自动化技术等科目，对于医疗机器人来讲，还要对医学的外科手术有一定的了解。因此，医疗机器人的研究本身是一个跨多学科的技术研究。基于医疗机器人的灵活性，医生能够更加容易的完成传统手术中无法完成的操作，这不仅能够减轻病痛折磨，还能提高外科手术的成功率。
1990年，美国的Computer Motion公司成立。1992年，该公司研发出第一个微创手术内窥镜机器人——AESOP，AESOP的出现可以极大程度地改善当时医生手持内窥镜手术易产生疲劳与颤动的现状。1993年，AESOP顺利完成了一台胆囊切除手术，得到美国食品药品监督管理局的批准，成为了首批在全球销售的手术机器人。1998年，Computer Motion公司又成功研制出Zeus主从式手术机器人，如图1-1所示为Zeus主从式手术机器人系统。
1999年，美国Intuitive Surgical公司成功研制出da Vinci（达芬奇）外科手术机器人系统。这台名气很大的机器人，是具有一定划时代意义的。它的出现可以说是为医疗器械的发展打开了一扇创新的大门，也为后期的医疗技术发展提供了参考。该系统本身就一个主从系统，即医生控制主操作手，而主操作手控制从操作手来对患者进行微创手术，现如今，该西戎已经应用于外科手术的各个领域，简单的从简单的腹腔手到复杂的心脏手术，都可以通过该套系统完成。图1-2是对该结构的一个演示。
在用户使用的过程中，需要通过眼睛所看到的图像结合手部动作来进行操作。手术的过程中，用户只需要观察从设备中传输的图像来查看工作情况，进而完成动作。因此，该系统不仅能够单方面的降低患者的痛苦，还可以降低医生的工作强度，医生通过该系统手术的方式几乎与开放式手术没有区别。此外，该系统还提供了一些辅助功能来降低失误率，例如，忽略医生轻微的手部颤抖，力量均匀等。该系统虽然弥补了传统手术的缺点，但其本身来讲也有一定的不足之处，最为直接的一点是成本的提升会带来医疗诊断费用的增加。
近些年，国内的医疗机械水平也在逐步提高，作为有代表性的是北京航空航天大学的自主研发的脑外科医疗系统和妙手A机器人操作系统，这两个系统都是是主从式医疗系统，整体上分为三个部分，主操作端，从操作端以及视图成像部分。主操作手具有很强的自由度，可以通过三个方向来进行操作。图1-3所示妙手A（MicroHand A）系统。
1.4医疗机器人主操作手国内外发展状况
作为与外科医生的交互设备，主操作手必须要有一定的稳定性和可控性，外科医生通过操作主操作手来向从操作手传递信号，包括方向、力量以及速度等，从操作手根据主操作手传递的信号在患者体内对外科医生的动作进行实现，因此，主操作手的灵活性和准确性都会直接影响手术的成功。如今各个机器人厂商的主操作手都是通用的，即既可以应用于医疗领域，也可以应用在其他领域，如自动化、航天、娱乐等。
1.4.1国外主操作手研究现状
（一）美国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。该系统的工业结构十分轻小、具有很大的灵活性，且其作为人机交互系统，触觉敏感，已经成为目前最为具有代表性的工业商品之一。
PHANTOM Desktop系列具有六个自由度，适合桌面操作环境，同时可以反馈x、y、z三个方向的力，并且该设备允许操作者操作甚至碰撞3D虚拟窗口。笔杆中装有带编码的芯片，以检测3个自由度的位置。如图1-4所示。
图1-4PHANTOM Desktop系列操作手
PHANTOM Omni系列是触觉交互设备中最经济实惠的，同样具有六自由度位置传感，而且外形和工作空间紧凑，结构更便携，但其运营范围、分辨率和输出力都比PHANTOM Desktop系列低。如图1-4所示。
图1-5 PHANTOM Omni系列操作手
1.4.2国内主操作手研究现状
对于机器人主操作手的研究，我国对该方面的研究时间比较晚，还没有专业的商业公司来进行批量的生产，只是一些大学和科研单位进行学术研究。随着近些年经济的快速发展，国家大力支持自主创新，相关的各种科研项目层出不穷。截至目前，该研究领域陆续取得了一些成果。
在这样的条件下，天津大学成为了第一个完成突破性进展的科研单位。该单位研究出的主操作手具有很大的自由度，很强得了灵活性，上手容易，外科医生只需要通过主操作手的操作就能够完成任意想要完成的动作，详情参考图1-6。此外，哈尔滨工业大学也研究了一款摇杆操作手，医生通过操作摇杆来完成手术，详情参考图1-7。该主操作手在手术中得到成功应用，但由于是并联结构，在逆运动求解时较复杂。随后，上海交通大学成功研发了五维力反馈虚拟手术装置如图1-8所示，其采用串联结构，多个自由度，并且各个自有角度都可以完成力反馈，进而模拟腹腔手术的各个外科医生的手术动作，使用该操作手，医生可以自由的对患者的患处进行手术，并且再此过程中医生会感受到器械对器官的作用力。
我国对于医疗机器人方面的发展已经开会时，尤其在具体的结构方面已经取得了一定的成绩。但是，与国外先进技术相比还相差甚远，一些基础科学还有待进一步研究解决。
1.5选题的目的及意义
医疗机器人是一个较大的命题，它所涉及的领域不仅仅是计算机技术、计算机图形技术、自动化技术、医学、机械、运动学相关的知识这么简单，更是要将各个领域的知识融会贯通结合到一起，才能够完成。在巨大的市场潜在利益驱使下，随之科学技术的快速发展，医疗机器人已经迎来的最好的发展时机，机器人灵活度较大、操作精准、稳定性良好的特性都能对当前的医疗技术水平进一步提高。从病人的方面来看，医疗机器人可以大大降低病人的痛苦，降低手风险，进而提高手术成功率，且对于患者的身体来讲，伤害达到最小化；从医生的方面来看，医疗机器人具有很好的人机交互体验，操作方便灵活，手术的过程中还可以消除因为医生心理或者压力带来的手抖等误操作，并且听过系统的力反馈作用使外科医生能够感知手术环境。此外，从操作手的动作都是来自于主操作手，因此主操作手与从操作手之间必须要具备很高的准确性，主操作手也必须要有很好的灵活度，才能满足医生的操作要求。
综上所述，对于医疗机器人结构中的主操作手研发，对我国的医疗现代化水平的发展具有很好的推动型作用，进而提高我国医疗领域的快速发展，推进微创手术技术的进步，改善我国未来医疗水平以及提高人们健康水平都具有重要意义。
1.6本文的主要内容
本文主要论述的内容是对医疗机器人的结构——主操作手进行设计和研究，在通过对外科医生的操作环境、工业标准和性能指标等多方面进行了解和考证，设计一个一套完备的主操作手结构。并结合流行的D-H算法对其进行运动分析，对整套系统的的设计进行仿真模拟，完成主操作手的结构化设计。最后，根据设计好的结构图对主操作手进行具体模块设计，同时再设计的过程中，解决了一些关于空间狭小等方面的问题。
第二章主操作手方案设计
2.1引言
在任何设计都需要有设计标准，对主操作手
的设计中，主操作手的设计标准是首先需要考虑的。本课题研究的医疗机器人主要针对于腹腔手术，对操作手的结构设计，需要依据特定的用户需求。外科医生操作的部分需要支持多种自由度，一部分来确从操作手的位置，一部分来确定从操作手的姿势。除此以外，操作手的动作变化必须要流畅，且具有一定操作空间。主从操作手的设计是一个整体的，无论对主操作手进行怎样的结构设计，操作设计都需要将从操作手的部分考虑进去，使主操作手和从操作手行为一直，以保证外科医生的操作的准确度，简化医疗机器人的结构。
主操作手连接着外科医生和从操作手，因此，主操作手的设计在医疗机器人的设计中是最为重要的，它直接影响着外科医生的操作步骤。本章下面会对主操作手的设计方案进行论述。
2.2主操作手的结构设计及分析
主操作手作为人机交互的接口，其灵活的易用性是十分重要的，不仅可以给手术医生带来良好的操作感，还能够保证手术的顺利进行。主操作手的构造主要分为串联、并联这两类。两种类型都各自有自己的优缺点，在对操作手进行设计的时候，需要根据实际的机器应用场景来设计的，然后结合各种类型的优点来确定最为合适的一种结构。
2.2.1主操作手设计要求
医疗机器人的实际应用可以参考图2-1。医生根据对主操作手的行为操纵，来控制从操作手在人体患处的行为，整个传递过程必须要协调一致。所以，对于主操作手的结构设计，需要具有一定的灵活性和精确性。本文的研究对象是以医疗机器人为辅助系统，帮助医生对患者进行腹腔手术。结合具体的应用场景和用户需求，对主操作手进行定制化设计。
通过对实际手术场景的了解，可以知道手术时候的操作空间对于操作手是很重要的，主操作手的空间和从操作手的空间要相互对应，因此，在对主操作手进行设计的时候，首先要考虑具体的手术操作空间。
第一，对于从操作手的空间可以参考图2-2进行了解，可以通过图上的描述了解到，两个圆锥就是左右操作手的具体操作空间，相交叉的部分就是两个操作手可以操作的部分。根据文献，再综合实际手术过程及从操作手工作空间的特点，可确定主操作手的工作空间为φ150mm*150mm圆柱体大小。如果主操作手的工作空间设计太大，则医生动作幅度增大，这样容易使医生产生疲劳感。相反，主操作手的空间太小的话，也无法保证医生操作的灵活性，对于一些复杂的操作会非常的困难。
第二，通过医疗机器人进行的手术是有具体要求的，主操作手需要满足特定的几个自由度动作以保证位置和姿势的正确性。此外，对于主操作手的位置和姿势，最好在一定的程度上进行拆分，使其彼此不会依赖，这样能够有利于降低对两个操作手设计的复杂度，也给动力学中的主从控制带来一定的方便。同时，对于医生而言，实现运动解耦的主操作手操作起来更直观。
第三，对于主操作手的精准度有极高的要求，因为任何的动作误差或者计算误差都可能导致手术的失败，甚至病人的生死安危。因此，主操作手的操作必须要流畅精准，也不能够在患者的操作空间有任何的不自然。基于以上的这些分析，本文对主操作手的设计结构具有明确要求，操作手的内部结构，包括关节结构需要稳定而紧凑，关节的惯性不能太大，作为人机交互的接口，需要容易操作，不会让医生小号过多的体力，同时也尽量减低医生收不颤抖而带来的副作用。
综合起来，主操作手设计的要求如下：
（1）工作空间为φ150mm*150mm左右圆柱体大小；
（2）多个自由度，包括操作位置的自由度和操作空间的自由度；
（3）设计完成的操作手结构可以解耦操作手之间的依赖；
（4）运动精度≤0.5mm；
（5）主操作手的设计机构能实现自重平衡；
（6）具有良好的人机交互设计，人体工程学设计，内部零件和关节设计紧凑。
2.2.2主操作手的结构设计
2.2.2.1主操作手主要结构分析
操作手主要分为并联结构和串联结构，串联结构是指从操作端到执行端能够犹记得联系到一起；而并联结构是一种封闭式结构。对于串联结构的具体设计，可以参考图2-3。根据转动副和移动副的不同组合，有RRR，RRP，RPP，PRR，PPP五种主要的构型。
常见的并联机构如图2-4所示：
串联结构的有点事，操作空间足够大，操作灵活，内部的设计简单，运动学线管的原理设计也不复杂。但是，它也有明显的缺点，就是功能单一，性能较差。而并联结构刚好与之相反，操作空间小，操作相对于串联结构并不灵活，设计原理复杂，但是它的性能很好。
串联与并联的详情比较可以参考表2-1。
从表2-1可以看出，串联结构和并联结构都有各自的优点和缺点。本文根据实际的应用要求，选取串联结构。第一，本文研究的是医疗机器人辅助手术，要求医生直接操作主操作手进行手术，对于动作的流畅和灵活性有一定的要求。另外，腹腔手术具有足够的操作空间，所以操作空间并不在我们的要求范围内，这是我们进行主控之手设计必须要考虑到的地方。第二，主操作手不能太长，因此串联结构是其首选。第三，由于医疗机器人手术对于精准度和力度有明确的要求，因此选用动力学原理较为简单的串联结构能够保证该机器人操作手的保质完成。
2.2.2.2构型确定及分析
（1）选定好主操作手的设计结构以后，就可以对其细节记性具体的分析，首先要研究机器人主操作手的关节配置。从图2-3可以了解到多种不同串联结构的优点。具体比较结构可以参考表2-2。
表2-2常见串联机构对比
构型RRR RRP RPP PRR PPP
工作空间大小大大较大较大小
运动灵活性好较好较好较好差
通过对表2-2的分析进行比较，结合实际的应用要求，选用RRR型作为我们的结构模型。考虑到转动副关节的组合形式，关节轴线分为竖直向上和水平两种方式。对关节配置的具体方案可以参考图2-5。
通过对以上几个方案的了解，可以从以下方面分析。
操作空间，通过对上面八个结构的比较，可以看到在关节全部水平结构的时候，对于操作空间的平面大小要求较大，结合实际需求，将其排除。另外，结合运动学原理，降低惯性的方面考虑，最终从b、c、d三个选型中进行选择。
作为与医生直接接触的主操作手，应该具有良好的操作手感。因此，操作手的应该具有较好的平衡，否则会加重医生对于操作手操作的压力，使医生操作疲劳，导致手术失败。因此从平衡的角度来看，图2-5的方案中，只有b结构最能够满足实际的应用需求。结合以上的分析结构，主操作手的设计选型为RRR型串联结构，关节位置选择图2-5（b）方案。最终得到如图2-6的简单结构图。
（2）为了对机械位置和空间姿势的完全分解，本文将主操作手分为两个部分单独设计，前文在对主操作手的手臂设计结构进行分析完成之后，现在需要对主操作手的手腕进行分析和设计。手腕部分的操作是十分复杂的，保证了医生的手势、姿态的正确性，从而保证从操作手的正确性。本文将手腕部分设计为完全自由转动的环绕关节，分为三个部分，三部分彼此之间呈直角，并将夹持机的夹持中心放到最后一个关节部位。主操作手的整体结构图可以参考图2-7。
第三章主操作手运动学分析与仿真
3.1引言
第二章主要是对的主操作手的关节结构进行设计，并建立了对应的设计模型，列出对应数值，最终建立了对应的数学抽象矩阵，根据该矩阵，对主操作手的操作空间、学术原理进行分析。
3.2主操作手运动学模拟
依据上文设计的主操作手模型，可以设计出如图3-1所示的操作坐标系。其中连杆的坐标系原点与基坐标系原点重合，Zi（i=0…6）分别为每个关节的轴线，Xi，Yi，Zi（i=0…6）为每个连杆的坐标系。
对于设计好的结构模型进行坐标系建立，并确定具体的物理参数，包括了长度、角度等。并建立D-H参数表，如表3-1所示
杆件号连杆转角连杆长度关节角连杆偏距关节变量范围连杆参数
3.3主操作手正运动学
依据主操作手关节的数据，结合运动学计算得到主操作手内部各个连接点的信息。在手术过程中，用户只会关注于直接对于主操作手的操作，而不需要关系其模块间的运行原理。
根据主操作手D-H参数表求出各连杆变换矩阵：
任意一个自由度主操作对应的坐标系，相对于基础坐标系可以得到一个对应的数学矩阵。假设自由度为n，那么其对应的矩阵为：
设主操作手末端连杆上任意的位置为，则其在极坐标里的位置可表示为：
由于主手的六个关节均为转动关节，因此其运动变量均为关节角。主手的正解D-H变换矩阵为：
其中各元素为：
式中，
PX、PY、PZ只与位置关节变量1、2、3有关，与姿态变量4、5、6无关原因是主操作手腕部的三个关节轴线相交于一点，这正是说明了主操作手正运动求解的正确性。
3.5主操作手工作空间分析
操作空间只的是操作手的整体结构空间，代表了其主要的运动空间，它也是衡量主操作手能力的一个重要的考量指标，从物理空间方面考虑主操作手是否能够满足实际应用中的要求。此外，操作空间也可以详细划分为可以达到的操作空间和熟练的操作空间。可达到指的是有些空间位置主操作手可以达到，熟练地操作空间指得是某些操作空间是可以不费力气就可以完成的，即操作手可以任何想要达到的位置空间集合。
另外，在主操作手工作的时候，需要调整主操作手与从操作手之间的映射关系或者说是对应的操作空间比例，以保证操作手之间的精度和准确度。一般的来讲，主从操作手
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