_妙手_系统机械结构设计与优化.pdf

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1、文章编号:100220446(2006)0220154206“妙手”系统机械结构设计与优化3岳龙旺1,2,许天春1,贠今天1(1.天津大学机械工程学院,天津 300072;2.军事交通学院装运机械系,天津 300161)摘 要:为了辅助医生更好地完成显微外科手术,开发了一种主从异构的显微外科手术机器人系统 “妙手”系统.“妙手”系统的主手为商业化的Phantom Desktop主手,从手为针对显微外科血管缝合而设计的“妙手”从手.从手包括位置机构和姿态机构.位置机构通过丝传动实现双四连杆机构的运动特性;姿态机构采用三轴交汇于一点的设计思想.通过分析双四连杆机构的运动特性,根据Angeles运动

2、灵活度指标对双四连杆机构进行了优化.结果表明:当双四连杆机构前三级杆等长且I级杆与III级杆垂直时,机构运动灵活度取最大值.关键词:“妙手”系统;显微外科手术机器人;丝传动;机构优化中图分类号:TP24 文献标识码:BM echan ism Design and Opti m ization for“M icroHand”SystemYUE Long2wang1,2,XU Tian2chun1,YUN Jin2tian1(1.School of M echanical Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Department

3、 of Handling Equipment,M ilitary Traffic Institute of PLA,Tianjin300161,China)Abstract:In order to assist the surgeon to accomplish micro2surgery better,we develop a new master2slave isomerousmi2cro2surgery robotic system,i.e.“MicroHand”.The master manipulator is Phantom Desktop,which is a commercia

4、l robotwith comfortable manipulability.The slave manipulator is developed by our lab,which is designed for the micro2surgery.The slave manipulator includes t wo parts:position mechanis m and orientation mechanis m.The position mechanis m can im2plement kinematic characteristics of double four2bar li

5、nkage structure by cable driving,and the orientation mechanis m ap2plies the structure of three rotating axes intersecting at one point.Based on the kinematic analysis of the double four2barlinkagemechanis m and the kinematic conditioning index,we optimize the double four2bar linkagemechanism.The re

6、sult in2dicates that the system has themaximal dexteritywhen the first three linksof the double four2bar linkage mechanism have e2qual length and link I is perpendicular to link III.Keywords:“MicroHand”system;micro2surgical robot;cable driving;mechanism optimization1 引言(Introduction)在现代的显微手术中,医生借助显微

7、镜可以在小于1mm的血管上缝十几针.但是由于显微镜的视野范围小(视野直径一般小于40mm),导致医生手术区域小,手术灵活度差.显微外科手术需要时间长、精度高,医生的疲劳或手部的震颤常常会导致手术的失败.机器人辅助外科手术系统的研究已经成为一个热点.该系统一般采用主从操作方式17,有效地利用了手术医生的经验以及机器人定位精确、运行稳定、操作精度高等特性.不仅可以使外科医生获得一种与以往传统手术相似的操作环境,而且可以协助医生完成精细的手术动作,减少外科医生在手术中因为疲劳产生的误操作和手部震颤造成的损伤,提高手术质量与安全性,缩短治疗时间,降低医疗成本.目前,已经获得美国FDA认证的达芬奇系统和

8、宙斯系统是典型的微创手术系统1,2.在显微外科手 第28卷第2期2006年3月机器人 ROBOTVol.28,No.2March,20063基金项目:国家自然科学基金资助项目(50405018);教育部博士点基金资助项目(20030056030);天津市科技发展计划重点资助项目(043184211).收稿日期:2005-07-04 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/术机器人系统方面,日本东京大学进行了许多卓有成效的研究37.现有的主、从式医疗机器人系统通常

9、采用主、从同构的结构形式.该形式的机器人系统易于控制,但不能很好地满足对主手操作舒适性和对从手对于特定手术的针对性的要求.我们研发了一种新型的主从异构的机器人系统 “妙手”系统8.该系统主手为具有力反馈功能的PhantomDesktop9,从手为自主开发的“妙手”从手.主手能很好地满足操作舒适性的要求,从手是针对显微血管缝合手术专门设计的.本文首先根据临床显微外科手术工作空间要求,确立了从手的结构形式,然后根据运动灵活度指标对机构进行了优化设计.图1“妙手”系统Fig.1MicroHand system2从手机构设计(Design of slave mecha2n ism)在机器人的设计中,工

10、作空间的分析是十分重要的一步.由于显微外科手术通常在很小的空间完成,因此分析显微外科手术机器人的机构灵活性就显得尤为重要.为了设计显微外科手术机器人,必须首先测量手术需要的工作空间和灵活度.2.1 手术空间测量为了测量手术需要的工作空间和灵活度,采用两个摄像机分别从俯视(摄像机1,布置于Z轴的正向上)和正视(摄像机2,布置于X轴负方向的延长线上)两个方向对临床显微血管缝合手术进行同步录像,如图2所示.其中OP1表示左手工具,OP2表示右手工具.利用投影法分析手术工具的姿态.手术工具与XOY面的夹角为,工具在XOZ平面内的投影角为,在YOZ平面内的投影角为.通过对手术工具投影角的统计分析可知,手

11、术工具的运动幅度绝大多数时间都在40 50 的范围之内.每一个手术工具的活动空间都类似于圆锥体,两个工具的活动空间呈左右对称布置,圆锥体所对应的圆心角为40,圆锥体中心轴线与XOZ平面的夹角为1=2=40,与XOY平面的夹角为1=2=70.手术工作空间位于锥体的相交处,大约是202020mm3的立方体.图2 显微外科手术工作空间分析Fig.2Workspace analysis ofmicrosurgery2.2 从手姿态机构设计由分析结果可知,手术工具的工作范围为一个圆心角为40 的圆锥,此时可满足手术要求,故“妙手”从手姿态机构采用转动轴线汇聚于一点(工具末端点)的3个转动关节来实现,如图

12、3所示.图3 姿态机构示意图Fig.3Sketch map of the orientation structure 电机1的旋转轴线通过圆弧导轨的圆心,手指可沿着导轨运动,且手指的端点位于导轨的圆心处,保证了在导轨旋转、手指沿导轨偏转以及手指自转时手指端点的位置不发生变化,从而使手指在一个圆心角为60 的锥体内运动,满足了临床手术的要求.I V级杆与III级杆通过竖直轴连接,左右摆动各90,可满足圆锥体中心轴线与XOZ平面的夹角为1=2=40 的要求.滑台固定在I V级杆一端,由 2=551第28卷第2期岳龙旺等:“妙手”系统机械结构设计与优化 1994-2006 China Academi

13、c Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/arctg(sin2tg2)可求得斜滑台与水平面夹角为50,可满足圆锥体中心轴线与XOY平面的夹角为1=2=70.电机2带动圆弧导轨做直线运动,电机1驱动导轨旋转(360),电机3驱动手指沿导轨偏转(60),手指内部电机驱动手指自转(360).初始位姿为I V级杆相对III级杆摆动70,手指与导轨旋转轴线重合,保证了姿态机构所能达到的姿态圆锥包括医生操作时的动作圆锥,满足了手术动作的要求.2.3 从手位置机构设计分析显微手术的测量数据,可知末端执行器的姿态大都在固定的

14、圆锥体范围内.基于这个特点,系统运动原理上采用双四连杆机构的运动形式,如图4所示.ABCD和CDEF为两个平行四边形.在机构的运动过程中,EF、DC、AB始终保持平行,由于AB固定不动,故EF在运动过程中保持姿态不变.为了提高从手的刚度,通过丝传动实现双四连杆机构的运动特性,如图5所示.图4 双四连杆机构原理图Fig.4Principle of double four2bar linkage图5 位置机构示意图Fig.5Sketch map of the position mechanis m4个钢丝轮分别固定在0级杆、II级杆、I V级杆上,并通过钢丝绳连接.两台电机分别驱动I级杆、III级

15、杆摆动.当I级杆、III级杆摆动时,II级杆、I V级杆始终保持姿态不变.从机械结构上补偿了位置移动时姿态的变化量,实现了位置和姿态的解耦,从而避免了在控制方面复杂的补偿算法,提高了控制系统的效率.手臂结构示意图见图6.根据D2H原理建立从手的坐标.由于机构运动灵活度只与位置机构有关,故只考虑位置机构的变换矩阵,其中I级杆、II级杆、III级杆、I V级杆的长度为l1、l2、l3、l4.图6 单个操作臂结构图Fig.6Structure of the single manipulator表1 位置机构D2H参数表Table 1D2H parameters of the position mec

16、han is m关节ai(mm)idi(mm)i1l10012l200-13l30024l400-2Ai-1i=ci-sicosi-1sisini-1i-1cisicicosi-1-cisini-1i-1si0sini-1cosi-1di0001T04=A013A123A233A34=100l1+l4+l1c1+(l2-l1)c21+l3c2010l1s1+(l2-l1)s1c1+l3s200100001(1)其中:si=sini,ci=cosi.J=-(l2-l1)sin21-l1sin1-l3sin2(l2-l1)cos21+l1cos1l3cos2(2)3 机构优化设计(Opti m i

17、zation of mechanis m)由末端杆的位姿矩阵可知,末端杆姿态矩阵为单位阵,即其姿态始终保持不变.故位置机构的运动不改变姿态机构的姿态.由于姿态机构采用三轴汇交的特殊结构,所以姿态机构的运动不改变工具末端的位置.因此从手的逆解可简化为双四连杆机构的逆解问题.根据位置机构的变换矩阵可得:651 机 器 人2006年3月 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/px=l1+l4+l1c1+(l2-l1)c21+l3c2py=l1s1+(l2-l1)s1

18、c1+l3s2(3)由式(3)知,l4只改变工作空间的空间位置,不改变其大小和形状.可将式(3)简化为:px=l1+l1c1+(l2-l1)c21+l3c2py=l1s1+(l2-l1)s1c1+l3s2(4)式(4)有5个未知数,方程有无穷多解.但是当从手满足一定的机构特性时,如:高的运动灵活度、最大的条件数、灵巧的可操作性等,这些未知数之间就必然存在约束条件.假设l2=k21l1,l3=k31l1,式(4)可简化为:px=l1(1+c1+(k21-1)c21+k31c2)py=l1(s1+(k21-1)s1c1+k31s2)(5)就关节空间与操作空间的速度、精度和静刚度映射特性而言,雅可比

19、矩阵J的条件数k(J)=l/s被广泛认为是一种最为适合评价机器人操作机运动学和静力学性能的指标1012.而Angeles用条件数的倒数k(J)=s/l作为运动灵活度指标,反映末端执行器的广义速度大小V对关节广义速度矢量P方向的敏感度13.由于从手采用双四连杆机构实现位置和姿态的解耦,因此根据所需工作空间即可确定姿态机构的参数.从手工作空间与运动灵活度与位置机构的参数有关.实际手术工作空间为202020mm,其中Z轴方向的运动由斜滑台实现,根据斜滑台与水平面夹角(由工具初始姿态决定)可求得滑台长度,l5=20/sin2.“妙手”系统是一种新型的显微外科手术机器人,适于进行显微外科手术,因此要求其

20、工作空间很小,但是灵活度很高.由于通过丝传动实现的双四连杆机构实现了位置和姿态的解耦.因此只需分析位置机构的灵活度.由双四连杆机构的变换矩阵可知:机构在运动过程中,末端杆的姿态不发生变化,位置只与前3级杆有关.利用Angeles运动灵活度指标k=s/l来表示该机构的灵活度.其中 s、l分别为雅可比矩阵J的最小、最大奇异值.假设I级杆长度为1,II级杆、III级杆长度与I级杆的长度比为k21、k31.计算当k21、k31取不同值时,双四连杆机构的运动灵活度,如图7所示.其中每一个小图中,X轴表示I级杆的摆动角 1,Y轴表示III级杆的摆动角 2,Z轴表示对应的运动灵活度k=s/l.图7k21、k

21、31取不同值时运动灵活度曲面Fig.7Surface ofkaccording to differentk21,k31751第28卷第2期岳龙旺等:“妙手”系统机械结构设计与优化 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 图7中,第一行的四个图分别对应于k21=011时,k31分别为011、015、110、115时机构的运动灵活度曲面图;第二行为k21=015时,k31=011、015、110、115时机构的灵活度度曲面图;第三行为k21=110时,k31=01

22、1、015、110、115时机构的灵活度度曲面图;第四行为k21=011、k31=019,k21=013、k31=017,k21=017、k31=013,k21=019、k31=011时机构的灵活度度曲面图.由各图可知:只有当k21=110,k31=110时,机构的最大运动灵活度为连续曲面,而不是若干的尖点,且极大值为1.机构运动灵活度与关节角度有关.图8为k21=110,k31=110时,机构运动灵活度与 1、2之间的关系图.图中虚线表示k=0,实线表示k=1.由图可知:当1=2n(n=0,1)时,即I级杆与III级杆平行时,k=0,机构运动灵活度最差.当1=2n/2(n=1,3)时,即I级

23、杆与III级杆垂直时,k=1,机构运动灵活度最好.图8k21=k31=110时k与关节角度1、2的关系Fig.8Relationship betweenkand1,2whenk21=k31=1 图9表示k21=011、k31=019,1分别取-180、-150、-120、-90、-60、-30、0、30、60、90、120、150时,2从-180连续变化到180时,机构的灵活度曲线.更直观地反映机构运动灵活度与k21、k31的关系.同理,图10表示k21=1、k31=1时,机构的运动灵活度曲线,图11表示k21=015、k31=015时,机构的运动灵活度曲线.比较3组图可知:当k21=1、k3

24、1=1时,机构的灵活度总能达到最大值1.要完成显微手术动作,不仅对最大的运动灵活度有要求,同时要求有足够大的满足某灵活度要求的工作空间.我们采用灵活度大于某个值的工作空间面积占总工作空间面积的比率来表示这一性质.图12为k21、k31为不同值时,运动灵活度大于某个固定值的曲线图,虚线为灵活度大于015的工作空间占全部工作空间的百分数,实线为灵活度大于018的工作空间占全部工作空间的百分数.曲线1表示k21=011,曲线2表示k21=015,曲线3表示k21=1,曲线4表示k21=115时,而k31=011、015、110、115时对应的百分数值.从图中可知:第3条曲线在k31=1处取得极大值.

25、表明当k21=1、k31=1时,机构大于某确定值灵活度的面积最大.图9k21=011、k31=019时的运动灵活度曲线Fig.9Curve ofkwhenk21=011andk31=019图10k21=1、k31=1时的运动灵活度曲线Fig.10Curve ofkwhenk21=1 andk31=1 由以上指标对比可得:1)对于双四连杆机构,当I级杆、II级杆、III级杆长度相等时,k21=1、k31=1时机构最灵活.I V级杆的长度对其灵活度没有影响.851 机 器 人2006年3月 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing

26、 House.All rights reserved.http:/2)当I级杆与III级杆垂直时,机构运动灵活度取最大值1,1-2=/2.根据以上结论和式(5),可以得出l1、1、l2、l3和2.根据所测显微外科手术的工作空间,可得 1、2的运动范围.I V杆的长度应在保证机构不干涉的前提下取最小值.图11k21=015、k31=015时的机构灵活度曲线Fig.11Curve ofkwhenk21=015 andk31=015图12 对应确定k的工作空间比率Fig.12Ratio of usable workspace with a certaink4 结论(Conclusion)通过分析显微

27、外科血管缝合手术,得出了手术需要的工作空间大约是202020mm3的立方体,手术工具的工作范围是一个圆心角为40的圆锥.以此为基础设计了用于显微外科手术的机器人系统的机械结构.位置机构通过丝传动实现双四连杆机构的运动特性,保证了从手位置与姿态的解耦;姿态机构通过三轴交汇于一点,保证了机构在工作空间中任一点都有足够的灵活度.根据双四连杆机构的运动特性和Angeles运动灵活度指标进行优化,确定了机构的参数.参考文献(References)1Taylor R H,StoianoviciD.Medical robotics in computer2integratedsurgeryJ.IEEE Tr

28、ansactions on Robotics and Automation,2003,19(5):765-781.2 Intuitive Surgical,Inc.Intuitive Surgical公司主页 EB/OL.ht2tp:/,2005.3 MitsuishiM,Watanabe T,Nakanishi H,et al.A tele2micro2surgerysystem that showswhat the userwants to seeA.Proceedingsof theIEEE International Workshop on Robot and Human Commun

29、icationC.New York,USA:IEEE,1995.237-246.4 MitsuishiM,Iizuka Y,Watanabe H,et al,Remote operation of amicro2surgical system A.Proceedings of the IEEE InternationalConference on Robotics and Automation C.Piscataway,USA:IEEE,1998.1013-1019.5 MitsuishiM,Tomisaki S,Yoshidome T,et al.Tele2micro2surgerysyst

30、em with intelligent user interfaceA.Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation C.Piscat2away,USA:IEEE,2000.1607-1614.6 MitsuishiM,Warisawa S,Tsuda T,et al.Remote ultrasound diag2nostic systemA.Proceedings of the IEEE International Conferenceon Robotics and Automation

31、C.Piscataway,USA:IEEE,2001.1567-1574.7 Ikuta K,Yamamoto K,Sasaki K.Development of remote microsur2gery robot and new surgical procedure for deep and narrow spaceA.Proceedings of the IEEE International Conference on Roboticsand AutomationC.Piscataway,USA:IEEE,2003.1103-1108.8 Wang S X,Ding J N,Yun J

32、T,et al.A robotic system with forcefeedback formicro2surgeryA.Proceedingsof the IEEE Internation2al Conference on Robotics and AutomationC.Piscataway,USA:IEEE,2005.200-205.9 Sensable Technologies,Inc.GHOST SDK EB/OL.http:/,2005.10 Singh J R,Rastegar J.Optimal synthesis of robot manipulatorsbased on

33、global kinematic parametersJ.Mechanis m and MachineTheory,1995,30(4):569-580.11 Gosselin C M,Angeles J.A global performance index for the kine2matic optimization of robotic manipulatorsJ.Journal ofMechanicalDesign,1991,113(3):220-226.12 GosselinM.The optimum design of robotic manipulators using dex2

34、terity indicesJ.Robotics and Autonomous Systems,1992,9(4):213-226.13 Angeles J.Fundamentals of Robotic Mechanical System.Theory,Methods,and Algorithms(Second Edition)M.New York:Spring2er2Verlag,2002.作者简介:岳龙旺(19742),男,博士生,讲师.研究领域:机器人机构及其运动学.许天春(19792),女,硕士生.研究领域:医疗机器人及虚拟现实技术.951第28卷第2期岳龙旺等:“妙手”系统机械结构设计与优化 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/