新型机械臂设计

一种用于辅助外科手术的机械臂设计

摘要：本文主要针对机器人与计算机辅助外科手术系统，设计了一种可用于辅助立体定向手术的机械臂。机械臂由机械臂本体、关节制动器组成，文章分别对机械臂本体和关节制动器的结构进行了设计和计算，使得机械臂能够测量其测量范围内任意一点相对于它自身的位置并能够在任意位置固定不动，具有较高的测量精度。最后将机械臂应用与立体定向手术，取得了令人满意的效果。

关键词：机器人与计算机辅助外科手术系统、机械臂、立体定向手术

1、引言

近几年来，医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术（Medical Robot and Computer—Assisted Surgery）已经成为在多学科交叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是基于计算层面扫描图象或核磁共振图象的三维医疗模型，对医疗外科手术进行规划和虚拟操作，最后实现多传感器机器人的辅助定位和操作。人们预计开展这方面的研究，不仅在手术精确定位、手术最小创伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规医疗外科的许多概念，对新一代手术设备的开发与研制产生深远的影响，并对智能机器人、计算机虚拟现实、微机械电子学等相关学科的理论与技术发展也将产生积极的推动作用[1-3]。

迄今为止，国内外已研究和开发了多种医用机器人系统，适用的范围也越来越广。据有关报道，1998年德国的T.C.Lueth研究了基于并联机器人机构的用于头部外科手术的机器人手术系统[4]；1998年美国的J.Kenneth Salisbury，Jr研究了心瓣修补手术的遥操作机器人系统[5]；1999年美国的S.Shankar.Sastry 研究了用于显微外科的微创伤机器人系统[6]。从资料上看，医用机器人系统的研究主要集中于西方发达国家，尽管已经取得了一些成果，但能真正用于临床应用的还不多。

相比而言，国内在此方面的研究多限于医疗图象的处理和识别方面。对于机器人辅助外科手术以前少有问津。近年来，清华、北航、哈工大和上海光机所分别在仿生器械、医疗外科机器人和微机器人等方面开展了初步研究。

值得一提的是北航机器人研究所和海军总医院神经外科中心联合开发的机器人与计算机辅助外科手术系统(CRAS-BH1系统)已经用于辅助立体定向手术[7]。该系统是一种用于立体定向手术的医疗外科机器人系统。立体定向外科手术是医生通过CT图片计算出病灶点在框架坐标系中的三维坐标位置(X,Y,Z)，然后在病人颅骨上钻一个小孔，将外科手术器械通过探针导管插入病人脑中，达到CT图像上定位的靶点，最后对病灶点进行切除操作的一项外科技术。开发机器人与计算机辅助外科手术系统的目的是利用机器人和计算机技术、医务人员借助图象导引辅助规划手术系统、确立手术方案。然后在机器人末端导向装置的导引下，将外科手术器械(如探针)引入脑内，辅助医务人员进行手术操作。

CRAS-BH1系统的总体结构框图如图1所示。该系统中PUMA262机器人和六自由度机械臂起到了相当重要的作用。PUMA262机器人主要作为手术辅助操作单元，六自由度机械臂主要用于控制图象。该系统经受了临床实验的考验，填补了我国在机器人辅助外科手术领域中的空白。但是，该系统在以下几个方面尚待改进：

第一，由于该系统包含价格昂贵的PUMA262机器人，使之在将来的推广应用中受到了极大的限制。

第二，现有的六自由度机械臂精度不高，难以满足使用要求。

第三，该系统中PUMA262机器人和六自由度机械臂其实都是“机器人”，但是由于其功能的局限性而不得不在此系统中采用了两个“机器人”。

就六自由度机械臂而言，其优势是各关节没有制动装置，因而操作灵活，可方便地应用于操作图象，这

是PUMA262机器人所不具备的。但在另一方面，由于PUMA262机器人有关节制动装置，使其可在空间任意一点定位。因此，医务人员可方便地利用它作为操作平台，这又是六自由度机械臂所不能的。

显然，如果设计一种新的带有可控制的关节制动器的机械臂，则可将六自由度机械臂和PUMA262机器人合二为一。当关节制动器处于“开”时，各关节可灵活运动，它相当于六自由度机械臂；当关节制动器处于“合”时，各关节相对锁紧，它相当于PUMA262机器人。

新型机械臂的设计，不仅可简化CRAS-BH1系统，而且可抛弃价格昂贵的PUMA262机器人，从而可提高原系统的经济性和可靠性，是一条符合我国国情的研究开发道路。

2、机械臂的工作原理和设计总体方案

2．1 机械臂工作原理

我们设计的机械臂主要起到两个作用，一方面代替鼠标，对三维图象模型进行交互操作，一方面为医生提供手术平台，方便医生进行手术操作。因此要求其结构灵活、轻便、精度较高，易于操作。机械臂被设计成为被动式，即机械臂本身没有驱动机构，依靠外部力量（人力）加以驱动。这种设计是符合手术规划的实际要求的。由于机械臂末端安装的手术器械导入机构是具有一个自由度的移动结构，所以机械臂设计为五自由度即可满足工作要求。机械臂的五个关节全部采用转动副的运动方式，使运动更加灵活。其整体外形犹如人的手臂，由肘部、大臂、小臂实现工作空间。手部的两个自由度保证机械手以各种姿态到达被测点。

根据上述情况，我们确定高精度、能测量、能制动机械臂(简称机械臂)的设计指标如下：

1．高精度──机械臂沿不同轨迹使其末端到达空间某点时，通过各关节电位计所得参数而计算得出的

此点坐标的差值(即总精度)小于2mm 。由于机械臂总精度由机械精度、传感器精度组成，所以要求机械臂机械精度小于1mm 。

2．能测量──机械臂能够测量其测量范围内任意一点相对于它自身的位置。

3．能制动──机械臂能够在任意位置固定不动，即各关节轴能够在任意位置锁死。

4．测量空间──机械臂末端能够到达一个300x300x300mm 的立方体中的任意一点。

5．无动力──机械臂各关节无动力装置进行驱动。

6．可操作性好──机械臂的末端能够在人手的驱动下自由运动。

7．功能可靠──机械臂的制动在末端进行操作期间要安全可靠。

8．可负载——机械臂末端能够承受1Kg 左右的重量。

9．成本低——在满足上述要求下，尽量降低成本。 二维CT图像六自由度

机械臂

PUMA262机器人

图1 CRAS-BH1系统的总体结构框图