CT导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究
微创手术机器人多从操作臂系统结构设计
已有多种微创手术机器人系统在使用中。“达芬
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机械传动
2021 年
奇 Si”外科手术系统由主控制台、成像系统和一个 带有 4 个悬臂式机械臂的移动平台组成 。 [4-6] 达芬奇 单个机械臂具有 7 个自由度，可以在 540°的空间下 灵活运行。RAVEN II 微创医疗机器人系统整体结构 紧凑、轻便、造价低廉，允许用户根据自身需要修 改相应代码，使之易于与其他装置连接，便于科研 人员的实验与研究 。 [7-8] Senhance 微创机器人系统可 提供实际的触觉力，医生在处理组织时可以感觉到 器械末端产生的反馈力，同时，内窥镜可以跟随医 生眼睛的焦点运动[9]。“妙手 S”手术机器人系统可以 安装 3 个从操作臂，通过软件控制从操作臂关节实现 远心运动；从操作端基座包括整体升降、伸缩、旋 转 3 个被动自由度，用于术前快速调整机器人末端与 患者病灶之间的相对位置[10-12]。谢琦等研发的“微创 腹腔外科手术机器人系统”主要由主控台、从操作 臂系统和图像采集系统 3 部分组成，每条从操作臂由 用于术前摆位的 4 个被动关节和术中进行操作的 7 个 主动关节所组成[13-14]。
定位姿不变。
图 1 多从操作臂系统组成示意图 Fig. 1 Schematic diagram of multi-slave manipulator system
图 2 单个机械臂结构简图 Fig. 2 Structure diagram of a single robotic arm
图 3 远心机构结构简图 Fig. 3 Structure diagram of the remote-center mechanism
1 机构设计
图 1 所示为多从操作臂系统，其包括术前定位机 构和远心机构。多从操作臂系统单个从操作臂的被 动部分包括 4 个线性关节、4 个旋转关节和 1 个远心 机构的冗余关节。其中，从操作臂指的是 5~12 关 节，如图 2 和图 3 所示。术前，外科医生根据不同的 微创手术需求，对被动部分各个关节进行摆位，从 而确定手术器械和内窥镜进入患者体内的位姿和患 者相对于该机构的体位。在微创手术过程中，被动 关节被电磁制动器掉电锁死，从而保证被动部分固
机器人关节精准控制的内部结构原理
机器人关节精准控制的内部结构原理关节是工业机器人最重要的基础部件之一，也是运动的核心部件：精密减速机。
这是一种精密的动力传达机构，其利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的装置，从而降低转速，增加转矩。
机器人关节处的减速传动，要求传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制，同时，对于中高载荷的工业机器人，还需要足够的刚度、回转精度和运动精度稳定性。
目前全球能够提供规模化且性能可靠的精密减速器生产企业不多，绝大多数市场份额都被日本企业占据：Nabtesco的RV减速器约占60%，Harmonica的谐波减速器约占15%，还有住友重工(SUMITOMO，未查到比例)。
尤其在机器人领域的应用比例，是压倒性的。
▲拆解精密减速机的内部结构Nabtesco(纳博特斯克)是由帝人精机和纳博克(1956年生产了日本第一个自动门)这两家日本公司强强合并组成。
作为运动控制系统和零部件的生产商，这两家公司都在其特定的业务领域，掌握了高端核心技术，控制着很大的市场份额。
作为世界上最大的精密摆线针轮减速机制造商，Nabtesco生产高性能减速机、中空轴减速机，以及单轴伺服执行器和控制器。
其生产的精密设备具有高扭矩、高刚性和高耐过载冲击荷载能力的同时，兼有高精密和非常低的回程间隙，被广泛应用于卫星、雷达天线、工业机器人、半导体和焊接技术等工业自动化领域。
日本Harmonic Drive Systems Inc.(简称HDSI)是整体运动控制的领军企业，其生产的Harmonic Drive组合型谐波减速机，具有轻量小型、无齿轮间隙、高转矩容量等特点，被广泛应用于工业机器人、仿人机器人、半导体液晶生产装置、光伏设备、光学仪器、精密机床等各种尖端领域。
为了涵盖谐波减速机所不能做到的低减速比领域，HDSI产品还涉及到精密行星齿轮箱型谐波减速机Harmonic Planetary。
独特的内齿圈形变工艺，可以使得行星齿轮与其啮合的更紧、消除背隙，已达到精密级的传动误差。
外骨骼机器人关节的机械结构和控制技术研究进展
外骨骼关节，研究现状，关键技术
Research Progress on Mechanical Structure and Control Technology of Exoskeleton Robot Joint
Weiheng Chen, Biao Huang, Hailun Chen, Jianjun Shi, Yonghui Cheng Guizhou Institute of Technology, Guiyang Guizhou
Figure 1. Ranking of global major patent applicants in the field of exoskeleton robot in recent five years (as of May 2020) 图 1. 近 5 年来在外骨骼机器人领域全球主要专利申请人排名情况(截止 2020 年 5 月)
Received: Feb. 3rd, 2021; accepted: Feb. 17th, 2021; published: Feb. 26th, 2021
Abstract
In recent years, exoskeleton technology develops rapidly, involving a variety of technologies. This paper reviews the current research status of exoskeleton from two aspects of mechanical structure and control technology, and analyzes the key technologies of drive, structure, self-locking, signal source and control in detail.
我国外科手术机器人研究应用现状与思考
综述
我国外科手术机器人的研究应用现状可归纳为以下几个方面： 优点： 1、减少医疗差错：外科手术机器人可以精确执行医生的指令，提高手术的 精确性和稳定性，从而减少医疗差错。
2、提高手术效率：外科手术机器人可以持续进行手术操作，提高手术效率， 缩短患者等待时间。
3、避免交叉感染：外科手术机器人采用严格的消毒和隔离措施，可以避免 交叉感染。
3、缺乏规范化的应用标准：我 国尚缺乏规范化的外科手术机器 人应用标准
1、技术发展：随着技术的不断发展，我国外科手术机器人的性能和功能将 得到进一步提升。
2、市场需求：随着民众对高质量医疗保健的需求不断增加，外科手术机器 人的应用将更加普及。
3、政策支持：我国政府已经将医疗机器人列为战略性新兴产业之一，将提 供更多的政策支持和资金投入。
五、结论
总之，外科手术机器人的发展及其应用在现代医疗领域中具有重要的意义。 它不仅可以提高手术的精准度和效率，降低术后并发症的发生率，还可以改善医 生的工作环境，减少医生的疲劳程度。未来，随着技术的不断进步和应用范围的 扩大，外科手术机器人将在医疗领域发挥更加重要的作用。它也将为医疗行业带 来革命性的变革，为患者提供更加安全、高效、舒适的医疗服务。
2、微创手术：通过外科手术机器人，医生可以更精确地进行微创手术，减 少患者的痛苦和恢复时间。
3、操作稳定：外科手术机器人能够保持稳定的操作状态，即使在复杂的环 境下也能够保持精准和稳定。
4、减少医生疲劳：通过远程操控，医生可以在舒适的手术室内进行手术操 作，减少因长时间站立带来的疲劳。
三、外科手术机器人的应用领域
我国外科手术机器人研究应用 现状与思考
01 引言
03 参考内容
目录
02 综述
骨科机器人的研究新进展
骨科机器人的研究新进展摘要近年来，骨科机器人技术在外科手术中的应用取得了显著的进展，提升了手术的精度和效果，推动了个性化医疗的发展。
本文综述了近年来骨科机器人技术的最新研究进展，重点探讨其在关节置换、脊柱手术、创伤手术、韧带重建、微创手术以及手部和肩部手术中的应用。
此外，本文详细介绍了骨科机器人的工作原理、生物信息学与实验研究的结合，并探讨了其未来发展前景。
尽管面临成本和培训的挑战，随着人工智能、深度学习和增强现实等技术的发展，骨科机器人技术有望在未来取得更大的突破，为临床应用提供更好的解决方案。
引言骨科机器人技术的出现和发展极大地改变了传统的外科手术模式。
凭借其高精度、高稳定性和可重复性，骨科机器人为外科医生提供了强有力的技术支持，提升了手术的精度和安全性。
近年来，随着人工智能、深度学习和增强现实等技术的迅猛发展，骨科机器人在各种手术中的应用逐渐普及，极大地推动了个性化医疗的发展。
本文将详细综述骨科机器人技术在各类手术中的最新应用进展，探讨其工作原理、生物信息学与实验研究的结合，并展望其未来发展前景。
骨科机器人研究进展在关节置换手术中，骨科机器人技术的应用已相当广泛。
机器人系统如Mako和ROBODOC通过精确准备骨表面和放置假体，提高了手术的准确性和重复性。
这些系统依靠高精度的导航技术和实时图像引导，使外科医生能够在手术过程中进行精确的骨骼处理和植入物放置。
在脊柱手术中，机器人辅助手术技术主要应用于脊柱融合和矫正手术。
例如，Mazor Robotics的SpineAssist系统用于精确定位和固定脊柱植入物，减少手术时间和并发症。
这些机器人系统依靠图像引导和导航技术，确保植入物的位置和角度的精确性，从而减少手术的创伤和恢复时间。
机器人系统在骨折固定手术中的应用日益广泛。
通过远程操控钻孔导向器，手术的精度和安全性得到了显著提升，减少了X射线暴露的风险。
这些系统能够提供精确的骨折复位和固定方案，减少了手术的复杂性和风险。
我国外科手术机器人研究应用现状与思考
我国外科手术机器人研究应用现状与思考一、概述随着科技的不断进步，外科手术机器人作为现代医学领域的一项重要创新，正在逐步改变传统的手术方式。
我国作为世界上最大的医疗器械市场之一，近年来在外科手术机器人领域的研究与应用取得了显著进展。
外科手术机器人是集成了机械、电子、计算机、医学影像学、生物力学、微细加工及智能控制等多学科先进技术的医疗设备。
它能够通过精准的操作、稳定的执行以及减少人为误差等优势，为患者提供更加安全、高效的手术治疗。
机器人手术还具备术后恢复快、并发症少等优点，因此在临床应用中得到了广泛的关注和认可。
外科手术机器人的研究与应用起步较晚，但发展迅速。
国家出台了一系列支持政策，鼓励企业加强自主研发，推动医疗器械产业的创新发展。
随着医疗水平的提高和患者需求的增加，外科手术机器人在临床中的应用范围也在不断扩大。
我国已经成功研制出多款具有自主知识产权的外科手术机器人，并在多个领域取得了重要突破。
尽管我国外科手术机器人的研究与应用取得了一定的成绩，但仍然存在一些问题和挑战。
技术创新能力相对较弱、核心技术掌握不够全面、产业规模相对较小等。
我们需要进一步加强研发力度，提高自主创新能力，推动外科手术机器人的产业化发展。
还需要加强人才培养和国际合作，提升我国在全球医疗器械领域的竞争力和影响力。
我国外科手术机器人的研究与应用正处于快速发展阶段，具有广阔的前景和巨大的潜力。
我们需要在技术创新、产业发展和人才培养等方面不断努力，推动外科手术机器人在我国的应用水平不断提高，为人民群众提供更加优质、高效的医疗服务。
1. 外科手术机器人的定义与特点外科手术机器人是一种集成了先进机械技术、计算机视觉、人工智能和远程操控技术的医疗设备。
它旨在通过高精度、微创的手术操作，提高手术效果，降低手术风险，同时减轻医务人员的劳动强度。
外科手术机器人具有如下显著特点：机器人操作手臂的稳定性远胜于人手，可以在狭小空间内进行长时间稳定操作，大大提升手术的精确度和可靠性；机器人手术可以实现远程操控，医生可以在远离手术现场的地方进行操作，为手术过程带来更多的便利性和灵活性；机器人手术通常配备有图像识别和导航系统，可以实时为医生提供手术部位的详细图像和精准定位，有助于医生更好地掌握手术进程。
CT导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究
2 关节摩擦力矩产生原理 (Principle of joint friction moment)
关节摩擦面上产生的摩擦力矩为：
Mj = (A2p · βe/V0) · ∆xp · f · Df
(3)
由 (2) 式可以得出如下结论：液压机器人关节 锁紧能力（力矩）主要与液压系统的六个参数有 关，即活塞面积 Ap、活塞位移量 ∆xp、初始容积 V0、 外弹簧刚度 K、关节摩擦面摩擦系数 f 以及摩擦力 矩作用直径 Df．也就是说，设计中要提高关节的 摩 擦 力 矩 ，主 要 是 增 大 活 塞 的 面 积 、液 压 油 的 容 积弹性模量、活塞的行程、外弹簧刚度、摩擦系数 和接触面的摩擦半径，并尽量减小机器人内腔液 压油总的初始体积（指的是压缩前的体积）．
式中，C、βe 为液体的压缩系数、容积弹性模量， Ap、∆xp、∆x 分别为活塞的面积、活塞位移、外弹簧 位移，K、F 分别为外弹簧刚度和外力．
上式等效液压弹簧刚度为 Ke = A2p · βe/V0，它与 活塞面积平方成正比，与初始容积成反比．图 1 给 出了机器人关节液压锁紧结构简图，其中，Df 为 关节摩擦力矩的作用直径．由于外界作用力必须 与外界弹簧力平衡，液压系统内腔所能形成压力 的大小必然与弹簧的性能有关．所以，如果不考 虑医疗机器人关节的具体锁紧结构，并假设液压 油 在 不 同 锁 紧 结 构 上 的 作 用 面 积 相 等 、液 压 油 无 泄 漏 、系 统 受 到 的 各 种 阻 尼 不 计 ，要 使 关 节 的 锁 紧能力尽量大，则必须使机器人内腔具有尽量高 的压强．
微创手术机器人被动式关节设计和优化
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍｉ ｎｉ ｍａ ｌ ｌ ｙ ｉ ｎ ｖ ａ ｓ ｉ ｖ ｅ
ｓ ｕ ｒ ｇ ｅ ｒ ｙ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｉ ｃ ｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ
ＦＡＮＧ Ｗａ ｎ — ｆ ｅ ｉ ，ＰＡＮ Ｂｏ．ＦＵ Ｙｉ — ｌ ｉ
ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｗ ａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ａ ｓ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ＭＩ Ｓ ； ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ；ｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ； ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ； ｌ ｏ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ
第２ ９ 卷 第３ 期
２ ０ １ ３ 年 ６月
哈 尔 滨 商 业 大 学 学报（ 自然科 学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍｍｅ ｒ ｃ ｅ（ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
１ 设 计 准 则
在机 器人 微创 手术 中 ， 术 前医 生需要 手动 设置
实现 部 分关 节 的锁 紧 ， 目前手术 机器 人 中常 用 的锁 紧方 式 有液 压 锁 紧 ｊ ， 偏心锁 紧， 电磁 锁 紧 等 ．
北京 航 空航 天大 学 的 刘达 采 用 了液 压 装 置 实现 了 机器 人 关节 的锁 紧 ， 但其关节结构设计较为复杂，
微创外科手术机器人技术研究进展
微创外科手术机器人技术研究进展1. 本文概述微创外科手术机器人技术是实现外科手术微创化、精确化、智能化和远程化的重要手段。
本文在综述国内外微创外科手术机器人研究现状的基础上，重点论述和分析了操作手设计、控制结构与控制方法等关键技术。
其中包括对力反馈主手、手术器械及力感知、增强现实、半自主手术、手术训练系统等方面的介绍和分析。
基于这些技术研发的微创外科手术机器人改善了医生进行微创手术的环境和工具，提高了外科手术的质量，具有广阔的应用和发展前景。
同时，本文还对微创外科手术机器人技术的发展趋势进行了展望。
关键词：机器人微创外科手术主从控制远心运动力反馈。
2. 微创外科手术机器人的发展历程微创外科手术机器人技术自21世纪初开始兴起，至今已取得了显著的进展。
其发展历程大致可以分为三个阶段：概念萌芽期、技术探索期和临床应用期。
在概念萌芽期，科学家们开始探索将机器人技术应用于医疗领域的可能性。
随着对微创手术需求的不断增长，以及机器人技术在其他领域的成功应用，人们开始设想通过机器人来辅助或替代医生进行微创手术。
这一时期，研究者们主要关注手术机器人的基本构型和功能设计，为后续的技术研发奠定了基础。
进入技术探索期，微创外科手术机器人技术开始得到实质性的突破。
研究者们开始尝试构建各种原型机，并进行初步的实验验证。
这一阶段的重点在于解决手术机器人的精确性、稳定性和安全性等关键问题。
随着技术的不断进步，一些具有代表性的手术机器人系统逐渐崭露头角，如达芬奇手术系统（Intuitive Surgical, Inc.）等。
到了临床应用期，微创外科手术机器人技术开始广泛应用于临床实践中。
随着手术机器人系统的不断完善和优化，以及医生对机器人技术的逐渐熟悉和掌握，手术机器人的应用范围不断扩大，涵盖了多个外科领域。
手术机器人不仅能够提高手术的精确性和安全性，还能减轻医生的体力负担，提高手术效率。
手术机器人还可以为那些难以到达的手术部位提供有效的解决方案，进一步拓宽了微创手术的应用范围。
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图 1 关节液压锁紧结构示意图 Fig.1 Sketch of hydraulic locking structure of joint
3 关节锁紧结构原理 (Principle of locking structure of robot joint)
本文提出并设计了如下几种锁紧结构． 3.1 基于摩擦锥的结构
式中，C、βe 为液体的压缩系数、容积弹性模量， Ap、∆xp、∆x 分别为活塞的面积、活塞位移、外弹簧 位移，K、F 分别为外弹簧刚度和外力．
上式等效液压弹簧刚度为 Ke = A2p · βe/V0，它与 活塞面积平方成正比，与初始容积成反比．图 1 给 出了机器人关节液压锁紧结构简图，其中，Df 为 关节摩擦力矩的作用直径．由于外界作用力必须 与外界弹簧力平衡，液压系统内腔所能形成压力 的大小必然与弹簧的性能有关．所以，如果不考 虑医疗机器人关节的具体锁紧结构，并假设液压 油 在 不 同 锁 紧 结 构 上 的 作 用 面 积 相 等 、液 压 油 无 泄 漏 、系 统 受 到 的 各 种 阻 尼 不 计 ，要 使 关 节 的 锁 紧能力尽量大，则必须使机器人内腔具有尽量高 的压强．
3.2 基于内摩擦环的结构 图 3 所示为本文提出的第二种机器人关节锁
紧结构．该结构大部分与图 2 类似，只是将图 2 中 的摩擦锥改为摩擦环，也就是说，将锥面摩擦变为 平面摩擦．在关节轴上固定了两个摩擦环，在前臂 上两个摩擦环中间固定一个配对的摩擦轮，压盖 与前臂固联．当机器人内腔压力逐渐增大时，承 压活塞推动紧靠它的摩擦环，使摩擦环与摩擦轮 之间产生正压力，从而在两个摩擦面上产生双倍 的摩擦力矩．在摩擦环表面烧结粉末冶金，而摩 擦轮为一般不锈钢，在油压不变的情况下，便大 幅度提高了关节的锁紧能力．这种摩擦形成于前 臂腔体内部，所以本文称之为“内摩擦环”结构．
基金项目：科技部国际科技合作项目 (2006DFA12290)；国家 863 计划资助项目 (2007AA04Z246)． 收稿日期：2007-10-17
第 30 卷第 4 期
刘 达等：CT 导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究
299
下降，同时，这种结构的关节体积大，导致机器人 外形尺寸大，影响机器人的灵活性；另一种是电磁 制动，即在关节上安装电磁制动器，该结构不但增 加了系统成本，也增大了维护难度，同时，因电磁 制动器的安装导致了关节结构的复杂性，也使机 器人外形尺寸较大．
将机器人卸压以后，承压活塞对锁紧锥不再 产生压力或压力很小，并且锁紧锥被设计成弹性 非自锁结构，所以此时关节松开，这样便实现了 机器人关节的液压锁紧．这种结构靠锥面摩擦和 柱面摩擦实现关节的锁紧，但由于柱面半径较小， 所以实际上主要是锥面摩擦起作用．
2008 年 7 月
图 2 摩擦锥式机器人关节 Fig.2 Robot joint with friction cone
(Robotics Institute, Beihang University, Beijing 100083, China)
Abstract: The development status and existing problems of the joint locking mechanism of minimally invasive surgery robot guided by computerized tomography (CT) are analyzed. The principle of robot joint friction torque and the influence factors on friction torque are discussed. According to the deficiencies existed in the locking structure of current medical robot, three locking structures of minimally invasive surgery robot with CT navigation are presented based on joint friction theory, and their working principles and realization forms are expatiated respectively. Experiments are made on different structures to compare their performance, and the locking structure of robot joint with exterior friction ring is determined. It is validated that robot system with the presented structure can meet the requirements of clinical operation for minimally invasive surgery with CT navigation.
文 [9] 总结出四个经典摩擦定律：摩擦力与载 荷成正比、摩擦系数与表面接触面积无关、静摩擦 系数大于动摩擦系数、摩擦系数与滑动速度无关． 上述四个定律适用于滑动摩擦．
机 构 锁 紧 与 固 体 摩 擦 、摩 擦 力 以 及 摩 擦 力 矩 的产生密切相关．经典摩擦理论的机械啮合理论 或分子作用理论都很不完善，它们得出的摩擦系 数与粗糙度的关系都是片面的 [9]．Bowden 和 Tabor[10] 经过系统的实验研究，建立了较完整的粘着 摩擦理论，它认为粘着效应和犁沟效应产生阻力 的总和，奠定了现代固体摩擦的理论基础．但其不 完善之处是认为摩擦系数不随法向载荷的变化而 变化．前苏联学者Крагельский等 [11] 给出了固体 摩擦的二项式定律，认为滑动摩擦是克服表面粗 糙峰的机械啮合和分子吸引力的过程，因而摩擦 力就是机械作用和分子作用阻力的总和，该定律 的不足是不适用于摩擦面积较小的干摩擦问题．
数字成像技术的发展，在图像设备（CT、X 射线 C 型臂）引导下的微创手术已经广泛应用于胸、腹等 外科领域 [4]．术中使用 CT 具有显著的优势 [5]，这 是因为它可以动态显示病变体的空间位置，从而 有利于提高手术定位精度，保证手术安全．
北航机器人研究所于 20 世纪 90 年代中期开 始了医疗机器人的研究，目前开发的五代医疗机 器人的关节锁紧机构采用的是如下结构：一种是 机械锁紧，靠弹簧在关节外圈拉紧摩擦片实现功 能，但弹簧容易变形和损坏，摩擦片于关节轴之 间长期摩擦，导致摩擦系数越来越小，锁紧能力
针对上述锁紧结构存在的问题，本文提出和 设计了机器人的三种关节锁紧结构，基于固体干 摩擦理论中的粘着摩擦理论，阐述了机器人关节 摩擦力矩形成机理，分析了三种关节锁紧结构的 工作原理，对它们的锁紧性能进行了实验和性能 对比，确定了本文所采用的锁紧结构形式．
2 关节摩擦力矩产生原理 (Principle of joint friction moment)
图 3 内摩擦环式机器人关节 Fig.3 Robot joint with inner friction ring
与摩擦锥结构相比，内摩擦环结构具有以下 优点：一是摩擦环结构更为简单，因为摩擦锥上 要开一系列通槽，结构比较复杂；二是工艺更简 单，摩擦环通过一般加工后，到专业厂家进行外 表面粉末冶金的烧结，工艺上比较容易实现，而 摩擦锥体积小，要保证径向能够自由收缩，同时 也要保证在摩擦锥的周向，切割后留下来的金属 体厚度只有 0.2∼0.3 mm，而不与其它部分脱离，线 切割精度要求非常高，加工工艺困难；第三是使用 寿命更长，为了使摩擦锥在受压后易于收缩，切割 后作为一个整体的摩擦锥每一部分之间只有较薄 金属相连，比较脆弱，而摩擦环结构稳固，是由金 属基体摩擦环与粉末进行冶金烧结而成，因此有 较长的使用寿命．
第 30 卷第 4 期 2008 年 7 月
文章编号： 1002-0446(2008)04-0298-06
机器人 ROBOT
Vol.30, No.4 July, 2008
CT 导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究
刘 达，唐 粲
（北京航空航天大学机器人研究所，北京 100083）
摘 要：分析了目前微创外科机器人关节锁紧机构的发展现状和存在的问题，讨论了机器人关节摩擦力 矩产生的机理以及影响摩擦力矩的因素．针对当前医疗机器人锁紧结构不足之处，基于关节摩擦理论，提出 并设计了三种不同形式的 CT 导航微创外科机器人关节锁紧结构，分别阐述了它们的工作原理和实现形式．通 过对不同结构的性能对比实验，确定采用基于外摩擦环的机器人关节锁紧结构，并初步验证基于该结构的机 器人系统可以满足 CT 导航微创外科临床手术需求．
近十年来，医疗外科机器人是机器人应用发 展最快的领域 [1]．目前，机器人技术在医疗外科手 术规划模拟、微创定位操作、无损伤诊疗、新型手 术治疗方法等方面得到了广泛的应用，不仅促进 了 传 统 医 学 的 革 命 ，也 带 动 了 新 技 术 、新 理 论 的 发展，并形成了新的高技术产业 [2]．作为医疗外科 手术的重要分支，微创外科手术 [3] 对健康组织的 创伤小，术后恢复时间短，住院费用低，因此，受 到医生和患者的普遍欢迎．特别是近几年来，伴随
柴明晓 [6] 设计了一种液压锁紧平面多路阀， 其阀杆与电机相连，该结构不能用于关节锁紧；潘 保安 [7] 设计了一种液压锁紧缸，它虽然锁紧力可 调，但也无法用于机器人关节锁定；潘高峰 [8] 设 计了双动液压机内外滑块液压锁紧机构，它由电 机 、油 泵 和 一 系 列 阀 和 锁 紧 机 构 组 成 ，系 统 庞 杂 ， 不适合医疗机器人．
关节摩擦面上产生的摩擦力矩为：
Mj = (A2p · βe/V0) · ∆xp · f · Df
(3)Biblioteka 由 (2) 式可以得出如下结论：液压机器人关节 锁紧能力（力矩）主要与液压系统的六个参数有 关，即活塞面积 Ap、活塞位移量 ∆xp、初始容积 V0、 外弹簧刚度 K、关节摩擦面摩擦系数 f 以及摩擦力 矩作用直径 Df．也就是说，设计中要提高关节的 摩 擦 力 矩 ，主 要 是 增 大 活 塞 的 面 积 、液 压 油 的 容 积弹性模量、活塞的行程、外弹簧刚度、摩擦系数 和接触面的摩擦半径，并尽量减小机器人内腔液 压油总的初始体积（指的是压缩前的体积）．