带辅助运动平台的手术机器人设计与分析

带辅助运动ＸｌＺ台的手术机器人设计与分析

武超，高雪官，曹其新，谭宏冰（上海交通大学机器人研究所，上海２００２４０）

［中图分类号］ＴＨ７７７

（文献标识码］Ａ

［文章编号］１００２—２３７６（２０１２）０２—０００１—０５

［摘要］：文章介绍了手术机器人的国内外研究现状，并做了类比分析，重点讲述了基于辅助运动平台的七自由度外科手术机器人的结构设计基本方案。以“达芬奇”手术机器人等为参考进行了优化设计，以期

更好的实现辅助移动、遥控操作、稳定支撑、精确定位等主要作用，并结合实际要求，针对具体设计思路进行

了系统运动可靠・ｌ，Ｘ和．ｒ－作稳定性分析。

［关键词］辅助运动平台；机械臂；主动关节；运动仿真；稳定性

０

引言介绍手术机器人辅助运动平台的设计思路。

１手术机器人机械臂结构原理

随着医疗科学的进步，微创医疗得到了长足的发展，这也是未来外科手术的必然要求。众所周知，传统的人工手术对于医生的经验和技术水平依赖很大，也不能实现微创，病人恢复周期较长，对于健康组织的损害也较大。内窥镜技术的发展部分解决了这一问题，可以实现微创，但是应用存在局限性，也不能实现远程操控。

目前；国外的全方位手术辅助机器人技术已经非常成熟，达芬奇手术机器人系统就是其中一个很好的实践成果，目前已经发展到第三代，在国外得到广泛应用。其主要的技术特点是，采用四机械臂结构，其中两个相当于左右手，第三个是“助手”，起牵；弓Ｉ、稳定作用，第四个相当于内窥镜，形成真实的三维立体图像，同时，手臂腕部有自由活动的手术器械，实现夹紧、转动、切割、缝合操作。与其他的手术机器人如Ｚｅｕｓ机器人系统不同的是，Ｚｅｕｓ机器人没有从动操作车，在手术台上直接安装乏个独立的机械手臂，医生通过两个圆形

机械臂运动简图如图１所示，图示为单一机械臂结构，整个系统共需要３个手术机械臂以及一个３Ｄ摄像探头，每一个机械臂共配置７个自由度，其中１—４自由度为被动关节，５—７为机械臂自由

度，由电机和缆线驱动。自由度１为上下平动，整

个机械臂以滑动轨道的形式配置在辅助平台上，依靠顶端定滑轮以及安放在滑轨柱内部的配重实现升降；自由度２—４为被动转动关节，每个关节由转轴、滚动轴承、轴承座、电磁制动器构成，从而在开始前实现手术位置的确定；自由度５—７为主动关节，依靠电机驱动，在实际手术过程中依靠关节５和６的转动以及７的伸缩实现末端手术机械空间任意位置的定位。

结合图２的机械臂三维建模仿真，分析具体的

运动形式如下：

（１）停机时，所有四个手术机械臂都处于收缩状态，全部自由度都收缩到末端的支撑台上。（２）手术开始前，当病人的位置以及手术点确定后，推动手术机器人小车，使其到达最理想的手术位置，便于主刀医生及助理医生的操作，然后关闭被动关节电磁制动器，依靠助理医生将末端手术机械定位于病人手术点，随即开启制动器使被动关节固定。

（３）手术过程中，５—７三个自由度依靠驱动电机进行驱动，主刀医生的手部动作通过控制系统控制５—７自由度的运动，三个自由度进行匹配，实现末端手术器具在病人体内任意位置的操控。

１

的主动装鼙来控制手术机械。而达芬奇机器人系统

有辅助的运动平台、振动消除系统和定位系统，确保精确操作和实现区域移动。

设计国产化的自动化手术辅助机器人，显得尤为关键。目前国内有许多高校都已经投入了这一领域的研究，其中包括哈尔滨工业大学的腹腔微创外科手术机器人、天津大学的“妙手”（ＭｉｅｒｏＨａｎｄ）机器人等，都取得了不错的阶段性成果。本文主要

收稿日期：２０１１—１１—２１医疗装备２０１２第０２期

过医生控制台的主操作手控制上下运动，而滑板３

相对滑板２可以被辅助医生进行手动调节。上下滑动轴与横滚轴交于平行四边形的一个顶点，该点称

为远程中心。可以看出，当定位关节定位好后，也就意味着杆１的位置和方向都确定了。从而横滚轴确定了，然后边ｌ的长度与边３的长度相等，边３的长度由杆４决定，从而线１的长度也就确定了。而仅角由杆２的弯折角度决定。这样，远程中心就被确定了。即当定位关节定位确定之后，远程中心就确定了。同时可以从图上看出，远程机构可以绕

图ｌ

蛾：；。１；÷妒

手术机器人机械臂运动原理

远程中心做俯仰，横滚和上下滑动的运动。

经实验确定，仅角＝１０—２００，俯仰角＝±７５０，

横滚角＝＋９０。，转动角＝士１８０。，由此确定驱动电机和各杆尺寸。

远程中心机构为了节省结构空间和重量，不采用传统的平行四杆机构，而是采用两杆加金属带约束的方式实现平行四边形机构，这是一个机构上的

围２手术机械臂主动关节实体建模

在手术开始之前，需要在病人的身体上进行微创切口，插入手术套筒，由于病人和运动平台处于相对静止状态，因此必须确保在手术过程中手术机械臂末端插人点相对辅助平台不动，即医生控制台操控仪器安装臂时仪器安装臂的远程中心将保持不

变。这就对主动关节的配置和尺寸提出了难题。

为解决这一问题，我们采用平行四边形分布方

创新点。实现了机构在完成既定要求的基础上的紧

凑性和稳定性。

３手术机器人辅助运动平台结构原理

如图４所示为外科手术机器人辅助运动台车系统的示意图。手术机械臂含三个被动转动关节和三

个主动关节，手术过程中，被动关节锁死，依靠三个主动关节以及末端手术执行器实现手术动作。机

械臂固定在手术台车上，确保手术稳定性和可移动性。辅助运动平台主要由两部分组成：底部为支撑

【Ｉ

法，并以此确定远程中心。如图３所示。

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黼

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／手术ｇ

Ｉ』

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７

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图３主动关节远程中心确定示意图

仪器安装臂的远程中心机构主要由杆１、２、３、４和滑板１、２、３组成。其中，杆ｌ包含一个机械与电气接口，可以和定位关节的末端方便地连接。同时，杆一种安装有电机和减速器，可以驱动远程中心的横滚关节。杆２为一根弯杆，主要其连接杆Ｉ和后面平行四边形机构的作用。杆３，杆４通过滑轮组１—４之间的金属带的连接，可以组成一个平行四

边形机构（图中虚线１—４组成）。滑板１—３组成一

图４手术机器人辅助运动平台建模圈

１底盘右架、２驱动轮系统、３底盘支撑架、４垂直支撑架、５滑动导轨、６滑头、７机械臂被动关节、８电磁制动器、９滑轮支架、ｌＯ滑轮、１１手柄、１２手柄支架、１３驱动脚轮

ＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏＬ２５，Ｎｏ，０２

２

个两级的滑动关节，其中滑板２相对滑板１可以通

２

整个机器系统的台车，含底盘左右架与中间支撑架作为底盘主要配件，台车不仅支撑整个手术机器人

台车底座的四个角上还分别装配有小型千斤顶（图６所示），这样做的目的是使在手术过程中保证台车的固定，防止由于误操作引起台车位置移动，从而影响机械臂的定位，确保驻车稳定性。手

系统，也为工控机、电源等提供装配空间；中间竖

直方形架为机械臂的支撑架，内置配重，装配滑轨和滑块，支撑机械臂。

底部台车由四个轮子组成，驱动总成２含驱动电机、减速器、控制器和驱动轮，驱动轮分别由Ｍａｘｏｎ电机独立驱动，通过控制左右驱动轮差速的方式实现转向，后端两轮１３连在一起，主要起支撑作用，且装有脚踏刹车片，确保在平台运动到指定地点后实现系统静止不动。

术过程中依靠千斤顶作为支撑，而手术台需要移动的时候，旋转千斤顶把手则可撤回其支撑作用，重新变为轮子支撑，以移动机身位置。

台车竖直架的四个面上分别布置有竖直方向上

的滑动导轨５，导轨滑块与机械臂的被动关节相连，通过滑块的上下移动实现机械臂整体的上下位

移。医生在手术之前需要将机械臂固定在合适的位置，以确保机械臂末端能方便插入病人身体某一点的手术孔中。这一动作是通过滑块的垂直自由度与

３个被动关节的转动自由度实现的。

图６台车系统底盘稳定配件——千斤顶机构以上便是手术机器人辅助运动平台的基本结构原

理，其主要起到支撑机械臂、定位末端手术位置、辅助移动等作用，要求确保系统稳定性和过程可靠性。

４手术机器人动力学分析４．１运动学仿真

通过计算机软件，对机械臂进行运动学仿真

围５机械臂垂直自由度驱动示意图

（如图７所示），仿真的结果与实际要求十分相符，同时也为系统的优化提供了直观数据。

如图４、５所示，垂直滑动的具体原理是：缆

绳绕过滑轮１０，一端连接机械臂滑块６，另一端连接配重（置于支撑架内，配重的重量约等于机械

臂静止重量，以实现二者配重平衡。），滑轮１０装有电磁制动器８，其主要作用是在手术过程中锁止

滑轮，防止滑轮滚动。当制动器打开时，滑轮转

动，用很小的力作用于配重，即可实现机械臂的上

下滑动，滑动到指定位置之后，关闭电磁制动器，

实现位置固定。传感器通过缆绳与滑块６或配重耦合，其含有精准电位器，电位器生成电信号，信号随滑块位置变化而变化，从而实现对滑块的定位。

被动关节运行原理与此类似，手术之前电磁制动器８打开，待手动转动被动关节将末端执行器安放至指定位置之后，关闭电磁制动器，锁紧被动关节，手术过程中保证被动关节和滑块位置不动。

此外，四个机械臂的总体重心配置应沿竖直

轴，以提高系统的稳定性。

医疗装备２０１２第０２期

３

图７手术机械臂运动学仿真

４．２动力学分析车轮采用高强度聚氨酯材料，确保了行驶稳定性。

其次，是需要保证手术过程中的稳定性，考虑到手术是微创医疗，因此对于手术过程中的定位务

为了验证系统的可靠性和稳定性，我们对部分

核心部件进行了动力学参数的有限元分析，按照最大使用条件进行预载荷，得出了最大变形、拉

必要求精确，通过采用千斤顶结构，依靠四个千斤顶

底部的吸盘牢牢锁紧地面，确保在驻车时不出现滑

（压）应力等数据，所有的材料都在许用范围之内。

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车，同时，滑轮系统及被动关节上的高精度电磁制动器的使用，也能够确保在手术过程中的定位稳定。

５结论

七自由度手术机械臂的构造能够灵活实现手术

图８主动关节Ｌ型杆的有限元分析

如针对主动关节的主要承重件Ｌ型杆进行了

的自动化操作，同时，手术机器人辅助运动平台承担着重要的辅助职能，是确保机械臂正常工作的重要保障，也是实现系统可移动、遥操作的关键因素，本文基于这一原理进行了结构设计及初步分

析，此项研究主要实现了以下技术特点：

系统分析（如图８所示），Ｌ杆作为整个主动关节机构中的一个重要的结构件，又是一个悬臂结构，因此需要对其做应力应变分析。经ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ有限

元软件分析，在１００Ｎ的载荷作用下，其做大变形量为０．４ｍｍ，可以满足刚度要求。而且，应力也在许用范围内。同时，其设计采用两段驳接方式，

减少加工难度。

（１）手术机械臂上的关节具有多个活动自由

度，使得系统更加灵活，拓展了手术人员的操作能力，减少手术误操作；

（２）紧凑型、轻便型的手术机器人辅助运动

同时，本手术机械臂主体部分采用镁铝合金，镁铝合金具有密度小，强度、硬度高等特点，具有良好的应用性能。如５０５２号ＡＬ—Ｍｇ系合金，抗拉

强度为１７０—３０５ＭＰａ，条件屈服强度大于６５

ＭＰａ，

平台设计，保证了在任何地点进行手术的可能性；

（３）此项研究基于临床应用，在完成既定要求的前提下，在机械结构上力求简单实用，从而极

大的增强了整体系统可靠性；

（４）系统采用高分辨率的三维图像处理设备，便于外科医生清晰精确地进行组织定位和器械操作，提高了手术精度。

目前，手术机器人系统还停留在理论设计和计

弹性模量Ｅ为６９．３—７０．７ＧＰａ。分析可知，在机械臂系统中，始端位置即机械臂在滑轨处受力、力矩

作用最大，因此取该部分进行重点分析。

初步可预估机械臂总重量为２５ｋｇ，展开后总长度为１．５ｍ，则考虑极限情况为机械臂全部展开，此时对滑轨的作用力及作用力矩最大，此时机械臂重心位置距滑轨约为ｌｎｌ。将作用力平移至滑

算机仿真阶段，结合实际需要做出更多的优化和改进，期待在临床应用上可以得到进一步的检验。［参考文献］

［１］嵇武、李宁、黎介，达芬奇手术机器人的应用进展，

东南国防医药２０１０年９月．

［２］杜志江、孙立宁、富历新，医疗机器人发展概况综述

［Ｊ］，机器人第２５卷第２期２００３年３月．

。

轨处，可得机械臂对滑轨的总用力等效为ｍｇ及倾覆力矩Ｍ的和作用。同时，由于机械臂受到竖直滑轨内与其质量相等的重物的拉力，因此其对滑轨的作用可视为倾覆力矩Ｍ。经计算，得到滑轨处受最大倾覆力矩Ｍ＝２４５ＮＭ。在导轨选型时，采用双滑块结构，可以极大地提高最大倾覆力矩。

辅助运动平台主体采用型钢材料，除必要的焊接外，核心部件的装配均采用铆接，垂直架上增加三角加强筋，这样也能够极大的提高系统可靠性。

４．３稳定性分析

［３］朴明波，腹腔微创外科手术机器人仿真平台搭建及操

作仿真研究，哈尔滨工业大学

［４］刘万平、赵臣，妙手Ⅱ手术机器人双目视觉系统研

究，天津大学［５］Ｃｅｉｌｉｎｇ

ａｎｄｆｌｏｏｒｍｏｕｎｔｅｄｓｕｒｇｉｃａｌｒｏｂｏｔｓｅｔｕｐａｒｍｓ，Ｕｎｉｔ—

ｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ２００４／０２６１１７９Ａｌ

首先，要确保辅助运动平台在行驶过程中的稳定性，与其他手术机器人装配不同，本装置采用前轮驱动，利用左右车轮差速实现转向，在结构上实现了轻量化设计，减少了复合零件及系统的设计，

４

［６］Ｔｏｏｌｇｕｉｄｅａｎｄｍｅｔｌｌｏｄｆｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ帅ｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒｔｏ

ａ

ｓｕｒｇｉｃａｌｓｉｔｅｉｎｍｉｎｉｍａｌｌｙｉｎｖａｓｉｖｅｓｕｒｇｅｒｙ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ。Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ

２００２／

００４５９０５Ａ】

ＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏＬ２５．Ｎｎ０２

高压氧舱的日常维护

田

亮

（山东省莱芜市人民医院

设备科，山东莱芜２７１１００）

医院用的高压氧舱分为两种：医用空气加压氧

头等附件。外观是否良好，有无明显的故障前兆。

舱和医用氧气加压舱。经过４０多年的发展，我国（４）清洁氧舱内外的卫生。

的高压氧舱的数量已经达到３０００多台，已经超过（５）检查各个阀门、传动装置、门铰链是否世界各国氧舱数量的总和。由于氧舱内是一个高压顺滑。即使清理发现的油脂污染。

和富氧的密闭环境，如果日常维护不当或操作错误（６）检查吸氧面罩及各个单项膜瓣的性能。

会引发事故。高压氧舱一旦发生事故，往往会造成２日常的检修

非常严重的人员伤亡。

每半年应该进行一次检修。检修的主要内容有高压氧舱的日常维护要制定科学规范的保养与以下几个方面。

检修计划。对高压氧舱的的维护人员是有一定要求（１）清洗压缩空气供气系统中的油水分离器

的。中专或高中以上学历，经过省以上质量技术监和进气过滤器。必要时更换虑芯。

督局培训并通过考试取得国家质检总局颁发的上岗（２）通电检查设备电器部分的工作是否正常。证方能负责氧舱的日常维护。

检查设备电器元件的绝缘是否可靠，接地电阻是否１日常的保养

正常在４欧姆以下。

根据氧舱的使用频率，日常的维护保养应该每（３）检查空调是否工作正常，包括制冷和制周或每月进行一次。包括如下内容：

热的效率。

（１）空压机。检查润滑油的油位，及时添加（４）检查各个阀门是否泄漏。

润滑油。检查冷却系统工作是否正常，及时维修。（５）检查氧舱壳体有无生锈，及时除锈届Ⅱ漆。检查空压机的工作可以在给储气罐充气时进行。

（６）将氧舱压力升到高于正常工作压力，检（２）检查管路的密封是否良好，是否有漏气查舱门、递物口的气密性。发现问题及时排除。

的现象。发现漏气及时排除。

高压氧舱工作正常与否事关重大，人命关天。（３）检查各个压力表、流量计、灭火器、摄像

各级医疗机构在切实落实氧舱日常维护工作的同时，要积极配合当地压力容器检验机构做好氧舱的收稿日期：２０１１—１１—２３

定期检验。投入使用的氧舱必须取得检定合格证。

（７］Ｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｍｏｖｉｎｇａｎ

ｉｍａｇｅｃａｐｔｕｒｅ

ｄｅｖｉｃｅｉｎ

ＵＳ２００９／０２０００９２Ａ１

ｔｅｌｅｓｕｒｇｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐＫｃａｆｉｏｎＰｕｂ一

［９］Ｓｔｅｅｒｉｎｇ

ＳｙｓｔｅｍＷｉｔｈ

Ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍ

ＬｉｎｋａｇｅＦｏｒＨｅａｖｙ

ｌｉｃａｆｉｏｎ，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ６４５１０２７８１

ＭｏｂｉｌｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａ一

［８］ＭｅｔｈｏｄｓＯｆＳｔｅｅｒｉｎｇ

ＨｅａｖｙＭｏｂｉｌｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｉｏｎ

ＰｕｂＬｅａｔｉｏｎ，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ

２００９／０１９９６７４Ａ１

ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＯｐｅｒａｔｉｏｎＲｏｂｏｔｗｉｔｈＡｕｘｉｌｉａｒｙ

ＭｏｔｉｏｎＰｌａｔｆｏｒｍ

ＷＵＣｈａｏ，ＧＡＯＸｕｅ－ｇｕａｎ，ＣＡＯＱｉ—ｘｉｎ，ＴＡＮＨｏｎｇ—ｂｉｎｇ

（ＲｏｂｏｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔｓ】ｎｉｓ

ｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ

ｒｏｂｏｔ

ａｔ

ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｉｔｆｏｃｕｓ

ｏｎ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｏｆ

ｓｅｖｅｎ

ｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍｗｉｔｈａｕｘｉｌｉａｒｙｍｏｔｉｏｎ

ｐｌａｔｆｏｒｍ．ｎｅｐｕｒｐｏｓｅｉｓｔｏ

ａ—

ｃｈｉｅｖｅａｕｘｉｌｉａｒｙｍｏｔｉｏｎ，ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｔａｂｌｅｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｐｒｅｃｉｓｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｄｉｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ

ａｎｄ

ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．

【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】Ａｕｘｉｌｉａｒｙ

ＭｏｔｉｏｎＨａｆｆｏｒｍ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｔｎｌ，Ａｃｔｉｖｅ

ｊｏｉｎｔ，Ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ

医疗装备２０１２第０２期

５

带辅助运动平台的手术机器人设计与分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

武超， 高雪官， 曹其新， 谭宏冰， WU Chao， GAO Xue-guan， CAO Qi-xin， TAN Hong-bing上海交通大学机器人研究所,上海,200240医疗装备

Chinese Journal of Medical Device2012,25(2)

参考文献(9条)

1. 刘万平;赵臣 妙手Ⅱ手术机器人双目视觉系统研究

2. 朴明波 腹腔微创外科手术机器人仿真平台搭建及操作仿真研究3. 嵇武;李宁;黎介 达芬奇手术机器人的应用进展 2010

4. Steering System With Parallelogram Linkage For Heavy Mobile Medical Equipment5. Methods Of Steering Heavy Mobile Medical Equipment

6. Devices and methods for moving an image capture device in telesurgical system

7. Tool guide and method for introducing an end effector to a surgical site in minimally invasive surgery8. Ceiling and floor mounted surgical robot setup arms9. 杜志江;孙立宁;富历新 医疗机器人发展概况综述 2003(02)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ylzb201202001.aspx

带辅助运动ＸｌＺ台的手术机器人设计与分析

武超，高雪官，曹其新，谭宏冰（上海交通大学机器人研究所，上海２００２４０）

［中图分类号］ＴＨ７７７

（文献标识码］Ａ

［文章编号］１００２—２３７６（２０１２）０２—０００１—０５

［摘要］：文章介绍了手术机器人的国内外研究现状，并做了类比分析，重点讲述了基于辅助运动平台的七自由度外科手术机器人的结构设计基本方案。以“达芬奇”手术机器人等为参考进行了优化设计，以期

更好的实现辅助移动、遥控操作、稳定支撑、精确定位等主要作用，并结合实际要求，针对具体设计思路进行

了系统运动可靠・ｌ，Ｘ和．ｒ－作稳定性分析。

［关键词］辅助运动平台；机械臂；主动关节；运动仿真；稳定性

０

引言介绍手术机器人辅助运动平台的设计思路。

１手术机器人机械臂结构原理

随着医疗科学的进步，微创医疗得到了长足的发展，这也是未来外科手术的必然要求。众所周知，传统的人工手术对于医生的经验和技术水平依赖很大，也不能实现微创，病人恢复周期较长，对于健康组织的损害也较大。内窥镜技术的发展部分解决了这一问题，可以实现微创，但是应用存在局限性，也不能实现远程操控。

目前；国外的全方位手术辅助机器人技术已经非常成熟，达芬奇手术机器人系统就是其中一个很好的实践成果，目前已经发展到第三代，在国外得到广泛应用。其主要的技术特点是，采用四机械臂结构，其中两个相当于左右手，第三个是“助手”，起牵；弓Ｉ、稳定作用，第四个相当于内窥镜，形成真实的三维立体图像，同时，手臂腕部有自由活动的手术器械，实现夹紧、转动、切割、缝合操作。与其他的手术机器人如Ｚｅｕｓ机器人系统不同的是，Ｚｅｕｓ机器人没有从动操作车，在手术台上直接安装乏个独立的机械手臂，医生通过两个圆形

机械臂运动简图如图１所示，图示为单一机械臂结构，整个系统共需要３个手术机械臂以及一个３Ｄ摄像探头，每一个机械臂共配置７个自由度，其中１—４自由度为被动关节，５—７为机械臂自由

度，由电机和缆线驱动。自由度１为上下平动，整

个机械臂以滑动轨道的形式配置在辅助平台上，依靠顶端定滑轮以及安放在滑轨柱内部的配重实现升降；自由度２—４为被动转动关节，每个关节由转轴、滚动轴承、轴承座、电磁制动器构成，从而在开始前实现手术位置的确定；自由度５—７为主动关节，依靠电机驱动，在实际手术过程中依靠关节５和６的转动以及７的伸缩实现末端手术机械空间任意位置的定位。

结合图２的机械臂三维建模仿真，分析具体的

运动形式如下：

（１）停机时，所有四个手术机械臂都处于收缩状态，全部自由度都收缩到末端的支撑台上。（２）手术开始前，当病人的位置以及手术点确定后，推动手术机器人小车，使其到达最理想的手术位置，便于主刀医生及助理医生的操作，然后关闭被动关节电磁制动器，依靠助理医生将末端手术机械定位于病人手术点，随即开启制动器使被动关节固定。

（３）手术过程中，５—７三个自由度依靠驱动电机进行驱动，主刀医生的手部动作通过控制系统控制５—７自由度的运动，三个自由度进行匹配，实现末端手术器具在病人体内任意位置的操控。

１

的主动装鼙来控制手术机械。而达芬奇机器人系统

有辅助的运动平台、振动消除系统和定位系统，确保精确操作和实现区域移动。

设计国产化的自动化手术辅助机器人，显得尤为关键。目前国内有许多高校都已经投入了这一领域的研究，其中包括哈尔滨工业大学的腹腔微创外科手术机器人、天津大学的“妙手”（ＭｉｅｒｏＨａｎｄ）机器人等，都取得了不错的阶段性成果。本文主要

收稿日期：２０１１—１１—２１医疗装备２０１２第０２期

过医生控制台的主操作手控制上下运动，而滑板３

相对滑板２可以被辅助医生进行手动调节。上下滑动轴与横滚轴交于平行四边形的一个顶点，该点称

为远程中心。可以看出，当定位关节定位好后，也就意味着杆１的位置和方向都确定了。从而横滚轴确定了，然后边ｌ的长度与边３的长度相等，边３的长度由杆４决定，从而线１的长度也就确定了。而仅角由杆２的弯折角度决定。这样，远程中心就被确定了。即当定位关节定位确定之后，远程中心就确定了。同时可以从图上看出，远程机构可以绕

图ｌ

蛾：；。１；÷妒

手术机器人机械臂运动原理

远程中心做俯仰，横滚和上下滑动的运动。

经实验确定，仅角＝１０—２００，俯仰角＝±７５０，

横滚角＝＋９０。，转动角＝士１８０。，由此确定驱动电机和各杆尺寸。

远程中心机构为了节省结构空间和重量，不采用传统的平行四杆机构，而是采用两杆加金属带约束的方式实现平行四边形机构，这是一个机构上的

围２手术机械臂主动关节实体建模

在手术开始之前，需要在病人的身体上进行微创切口，插入手术套筒，由于病人和运动平台处于相对静止状态，因此必须确保在手术过程中手术机械臂末端插人点相对辅助平台不动，即医生控制台操控仪器安装臂时仪器安装臂的远程中心将保持不

变。这就对主动关节的配置和尺寸提出了难题。

为解决这一问题，我们采用平行四边形分布方

创新点。实现了机构在完成既定要求的基础上的紧

凑性和稳定性。

３手术机器人辅助运动平台结构原理

如图４所示为外科手术机器人辅助运动台车系统的示意图。手术机械臂含三个被动转动关节和三

个主动关节，手术过程中，被动关节锁死，依靠三个主动关节以及末端手术执行器实现手术动作。机

械臂固定在手术台车上，确保手术稳定性和可移动性。辅助运动平台主要由两部分组成：底部为支撑

【Ｉ

法，并以此确定远程中心。如图３所示。

一‘ｎ■∞露

黼

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一

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７

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图３主动关节远程中心确定示意图

仪器安装臂的远程中心机构主要由杆１、２、３、４和滑板１、２、３组成。其中，杆ｌ包含一个机械与电气接口，可以和定位关节的末端方便地连接。同时，杆一种安装有电机和减速器，可以驱动远程中心的横滚关节。杆２为一根弯杆，主要其连接杆Ｉ和后面平行四边形机构的作用。杆３，杆４通过滑轮组１—４之间的金属带的连接，可以组成一个平行四

边形机构（图中虚线１—４组成）。滑板１—３组成一

图４手术机器人辅助运动平台建模圈

１底盘右架、２驱动轮系统、３底盘支撑架、４垂直支撑架、５滑动导轨、６滑头、７机械臂被动关节、８电磁制动器、９滑轮支架、ｌＯ滑轮、１１手柄、１２手柄支架、１３驱动脚轮

ＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏＬ２５，Ｎｏ，０２

２

个两级的滑动关节，其中滑板２相对滑板１可以通

２

整个机器系统的台车，含底盘左右架与中间支撑架作为底盘主要配件，台车不仅支撑整个手术机器人

台车底座的四个角上还分别装配有小型千斤顶（图６所示），这样做的目的是使在手术过程中保证台车的固定，防止由于误操作引起台车位置移动，从而影响机械臂的定位，确保驻车稳定性。手

系统，也为工控机、电源等提供装配空间；中间竖

直方形架为机械臂的支撑架，内置配重，装配滑轨和滑块，支撑机械臂。

底部台车由四个轮子组成，驱动总成２含驱动电机、减速器、控制器和驱动轮，驱动轮分别由Ｍａｘｏｎ电机独立驱动，通过控制左右驱动轮差速的方式实现转向，后端两轮１３连在一起，主要起支撑作用，且装有脚踏刹车片，确保在平台运动到指定地点后实现系统静止不动。

术过程中依靠千斤顶作为支撑，而手术台需要移动的时候，旋转千斤顶把手则可撤回其支撑作用，重新变为轮子支撑，以移动机身位置。

台车竖直架的四个面上分别布置有竖直方向上

的滑动导轨５，导轨滑块与机械臂的被动关节相连，通过滑块的上下移动实现机械臂整体的上下位

移。医生在手术之前需要将机械臂固定在合适的位置，以确保机械臂末端能方便插入病人身体某一点的手术孔中。这一动作是通过滑块的垂直自由度与

３个被动关节的转动自由度实现的。

图６台车系统底盘稳定配件——千斤顶机构以上便是手术机器人辅助运动平台的基本结构原

理，其主要起到支撑机械臂、定位末端手术位置、辅助移动等作用，要求确保系统稳定性和过程可靠性。

４手术机器人动力学分析４．１运动学仿真

通过计算机软件，对机械臂进行运动学仿真

围５机械臂垂直自由度驱动示意图

（如图７所示），仿真的结果与实际要求十分相符，同时也为系统的优化提供了直观数据。

如图４、５所示，垂直滑动的具体原理是：缆

绳绕过滑轮１０，一端连接机械臂滑块６，另一端连接配重（置于支撑架内，配重的重量约等于机械

臂静止重量，以实现二者配重平衡。），滑轮１０装有电磁制动器８，其主要作用是在手术过程中锁止

滑轮，防止滑轮滚动。当制动器打开时，滑轮转

动，用很小的力作用于配重，即可实现机械臂的上

下滑动，滑动到指定位置之后，关闭电磁制动器，

实现位置固定。传感器通过缆绳与滑块６或配重耦合，其含有精准电位器，电位器生成电信号，信号随滑块位置变化而变化，从而实现对滑块的定位。

被动关节运行原理与此类似，手术之前电磁制动器８打开，待手动转动被动关节将末端执行器安放至指定位置之后，关闭电磁制动器，锁紧被动关节，手术过程中保证被动关节和滑块位置不动。

此外，四个机械臂的总体重心配置应沿竖直

轴，以提高系统的稳定性。

医疗装备２０１２第０２期

３

图７手术机械臂运动学仿真

４．２动力学分析车轮采用高强度聚氨酯材料，确保了行驶稳定性。

其次，是需要保证手术过程中的稳定性，考虑到手术是微创医疗，因此对于手术过程中的定位务

为了验证系统的可靠性和稳定性，我们对部分

核心部件进行了动力学参数的有限元分析，按照最大使用条件进行预载荷，得出了最大变形、拉

必要求精确，通过采用千斤顶结构，依靠四个千斤顶

底部的吸盘牢牢锁紧地面，确保在驻车时不出现滑

（压）应力等数据，所有的材料都在许用范围之内。

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车，同时，滑轮系统及被动关节上的高精度电磁制动器的使用，也能够确保在手术过程中的定位稳定。

５结论

七自由度手术机械臂的构造能够灵活实现手术

图８主动关节Ｌ型杆的有限元分析

如针对主动关节的主要承重件Ｌ型杆进行了

的自动化操作，同时，手术机器人辅助运动平台承担着重要的辅助职能，是确保机械臂正常工作的重要保障，也是实现系统可移动、遥操作的关键因素，本文基于这一原理进行了结构设计及初步分

析，此项研究主要实现了以下技术特点：

系统分析（如图８所示），Ｌ杆作为整个主动关节机构中的一个重要的结构件，又是一个悬臂结构，因此需要对其做应力应变分析。经ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ有限

元软件分析，在１００Ｎ的载荷作用下，其做大变形量为０．４ｍｍ，可以满足刚度要求。而且，应力也在许用范围内。同时，其设计采用两段驳接方式，

减少加工难度。

（１）手术机械臂上的关节具有多个活动自由

度，使得系统更加灵活，拓展了手术人员的操作能力，减少手术误操作；

（２）紧凑型、轻便型的手术机器人辅助运动

同时，本手术机械臂主体部分采用镁铝合金，镁铝合金具有密度小，强度、硬度高等特点，具有良好的应用性能。如５０５２号ＡＬ—Ｍｇ系合金，抗拉

强度为１７０—３０５ＭＰａ，条件屈服强度大于６５

ＭＰａ，

平台设计，保证了在任何地点进行手术的可能性；

（３）此项研究基于临床应用，在完成既定要求的前提下，在机械结构上力求简单实用，从而极

大的增强了整体系统可靠性；

（４）系统采用高分辨率的三维图像处理设备，便于外科医生清晰精确地进行组织定位和器械操作，提高了手术精度。

目前，手术机器人系统还停留在理论设计和计

弹性模量Ｅ为６９．３—７０．７ＧＰａ。分析可知，在机械臂系统中，始端位置即机械臂在滑轨处受力、力矩

作用最大，因此取该部分进行重点分析。

初步可预估机械臂总重量为２５ｋｇ，展开后总长度为１．５ｍ，则考虑极限情况为机械臂全部展开，此时对滑轨的作用力及作用力矩最大，此时机械臂重心位置距滑轨约为ｌｎｌ。将作用力平移至滑

算机仿真阶段，结合实际需要做出更多的优化和改进，期待在临床应用上可以得到进一步的检验。［参考文献］

［１］嵇武、李宁、黎介，达芬奇手术机器人的应用进展，

东南国防医药２０１０年９月．

［２］杜志江、孙立宁、富历新，医疗机器人发展概况综述

［Ｊ］，机器人第２５卷第２期２００３年３月．

。

轨处，可得机械臂对滑轨的总用力等效为ｍｇ及倾覆力矩Ｍ的和作用。同时，由于机械臂受到竖直滑轨内与其质量相等的重物的拉力，因此其对滑轨的作用可视为倾覆力矩Ｍ。经计算，得到滑轨处受最大倾覆力矩Ｍ＝２４５ＮＭ。在导轨选型时，采用双滑块结构，可以极大地提高最大倾覆力矩。

辅助运动平台主体采用型钢材料，除必要的焊接外，核心部件的装配均采用铆接，垂直架上增加三角加强筋，这样也能够极大的提高系统可靠性。

４．３稳定性分析

［３］朴明波，腹腔微创外科手术机器人仿真平台搭建及操

作仿真研究，哈尔滨工业大学

［４］刘万平、赵臣，妙手Ⅱ手术机器人双目视觉系统研

究，天津大学［５］Ｃｅｉｌｉｎｇ

ａｎｄｆｌｏｏｒｍｏｕｎｔｅｄｓｕｒｇｉｃａｌｒｏｂｏｔｓｅｔｕｐａｒｍｓ，Ｕｎｉｔ—

ｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ２００４／０２６１１７９Ａｌ

首先，要确保辅助运动平台在行驶过程中的稳定性，与其他手术机器人装配不同，本装置采用前轮驱动，利用左右车轮差速实现转向，在结构上实现了轻量化设计，减少了复合零件及系统的设计，

４

［６］Ｔｏｏｌｇｕｉｄｅａｎｄｍｅｔｌｌｏｄｆｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ帅ｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒｔｏ

ａ

ｓｕｒｇｉｃａｌｓｉｔｅｉｎｍｉｎｉｍａｌｌｙｉｎｖａｓｉｖｅｓｕｒｇｅｒｙ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ。Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ

２００２／

００４５９０５Ａ】

ＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏＬ２５．Ｎｎ０２

高压氧舱的日常维护

田

亮

（山东省莱芜市人民医院

设备科，山东莱芜２７１１００）

医院用的高压氧舱分为两种：医用空气加压氧

头等附件。外观是否良好，有无明显的故障前兆。

舱和医用氧气加压舱。经过４０多年的发展，我国（４）清洁氧舱内外的卫生。

的高压氧舱的数量已经达到３０００多台，已经超过（５）检查各个阀门、传动装置、门铰链是否世界各国氧舱数量的总和。由于氧舱内是一个高压顺滑。即使清理发现的油脂污染。

和富氧的密闭环境，如果日常维护不当或操作错误（６）检查吸氧面罩及各个单项膜瓣的性能。

会引发事故。高压氧舱一旦发生事故，往往会造成２日常的检修

非常严重的人员伤亡。

每半年应该进行一次检修。检修的主要内容有高压氧舱的日常维护要制定科学规范的保养与以下几个方面。

检修计划。对高压氧舱的的维护人员是有一定要求（１）清洗压缩空气供气系统中的油水分离器

的。中专或高中以上学历，经过省以上质量技术监和进气过滤器。必要时更换虑芯。

督局培训并通过考试取得国家质检总局颁发的上岗（２）通电检查设备电器部分的工作是否正常。证方能负责氧舱的日常维护。

检查设备电器元件的绝缘是否可靠，接地电阻是否１日常的保养

正常在４欧姆以下。

根据氧舱的使用频率，日常的维护保养应该每（３）检查空调是否工作正常，包括制冷和制周或每月进行一次。包括如下内容：

热的效率。

（１）空压机。检查润滑油的油位，及时添加（４）检查各个阀门是否泄漏。

润滑油。检查冷却系统工作是否正常，及时维修。（５）检查氧舱壳体有无生锈，及时除锈届Ⅱ漆。检查空压机的工作可以在给储气罐充气时进行。

（６）将氧舱压力升到高于正常工作压力，检（２）检查管路的密封是否良好，是否有漏气查舱门、递物口的气密性。发现问题及时排除。

的现象。发现漏气及时排除。

高压氧舱工作正常与否事关重大，人命关天。（３）检查各个压力表、流量计、灭火器、摄像

各级医疗机构在切实落实氧舱日常维护工作的同时，要积极配合当地压力容器检验机构做好氧舱的收稿日期：２０１１—１１—２３

定期检验。投入使用的氧舱必须取得检定合格证。

（７］Ｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｍｏｖｉｎｇａｎ

ｉｍａｇｅｃａｐｔｕｒｅ

ｄｅｖｉｃｅｉｎ

ＵＳ２００９／０２０００９２Ａ１

ｔｅｌｅｓｕｒｇｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐＫｃａｆｉｏｎＰｕｂ一

［９］Ｓｔｅｅｒｉｎｇ

ＳｙｓｔｅｍＷｉｔｈ

Ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍ

ＬｉｎｋａｇｅＦｏｒＨｅａｖｙ

ｌｉｃａｆｉｏｎ，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ６４５１０２７８１

ＭｏｂｉｌｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａ一

［８］ＭｅｔｈｏｄｓＯｆＳｔｅｅｒｉｎｇ

ＨｅａｖｙＭｏｂｉｌｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｉｏｎ

ＰｕｂＬｅａｔｉｏｎ，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ

２００９／０１９９６７４Ａ１

ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，，Ｐｕｂ．Ｎｏ．：

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＯｐｅｒａｔｉｏｎＲｏｂｏｔｗｉｔｈＡｕｘｉｌｉａｒｙ

ＭｏｔｉｏｎＰｌａｔｆｏｒｍ

ＷＵＣｈａｏ，ＧＡＯＸｕｅ－ｇｕａｎ，ＣＡＯＱｉ—ｘｉｎ，ＴＡＮＨｏｎｇ—ｂｉｎｇ

（ＲｏｂｏｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔｓ】ｎｉｓ

ｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ

ｒｏｂｏｔ

ａｔ

ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｉｔｆｏｃｕｓ

ｏｎ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｏｆ

ｓｅｖｅｎ

ｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍｗｉｔｈａｕｘｉｌｉａｒｙｍｏｔｉｏｎ

ｐｌａｔｆｏｒｍ．ｎｅｐｕｒｐｏｓｅｉｓｔｏ

ａ—

ｃｈｉｅｖｅａｕｘｉｌｉａｒｙｍｏｔｉｏｎ，ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｔａｂｌｅｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｐｒｅｃｉｓｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｄｉｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ

ａｎｄ

ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．

【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】Ａｕｘｉｌｉａｒｙ

ＭｏｔｉｏｎＨａｆｆｏｒｍ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｔｎｌ，Ａｃｔｉｖｅ

ｊｏｉｎｔ，Ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ

医疗装备２０１２第０２期

５

带辅助运动平台的手术机器人设计与分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

武超， 高雪官， 曹其新， 谭宏冰， WU Chao， GAO Xue-guan， CAO Qi-xin， TAN Hong-bing上海交通大学机器人研究所,上海,200240医疗装备

Chinese Journal of Medical Device2012,25(2)

参考文献(9条)

1. 刘万平;赵臣 妙手Ⅱ手术机器人双目视觉系统研究

2. 朴明波 腹腔微创外科手术机器人仿真平台搭建及操作仿真研究3. 嵇武;李宁;黎介 达芬奇手术机器人的应用进展 2010

4. Steering System With Parallelogram Linkage For Heavy Mobile Medical Equipment5. Methods Of Steering Heavy Mobile Medical Equipment

6. Devices and methods for moving an image capture device in telesurgical system

7. Tool guide and method for introducing an end effector to a surgical site in minimally invasive surgery8. Ceiling and floor mounted surgical robot setup arms9. 杜志江;孙立宁;富历新 医疗机器人发展概况综述 2003(02)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ylzb201202001.aspx