1、 七自由度颅颌外科手术辅佐机械臂构设与分析第一章绪论1.1 课题来源及研究意义本课题来源于国家自然科学基金项目 (No. 30801302)：光学导航定位多自由度机械臂辅助颅颌面骨畸形整复的开发应用研究，并得到了上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室自主课题(MSV-MS-2010-02)： 光学导航颅颌面外科手术辅助机械臂关键技术研究 的资助。 本课题前期研究工作最早可追溯到 2000 年，在前期研究中，课题组主要合作者张诗雷副教授等人已经成功开发了三维交互式操作正颌外科手术模拟仿真平台TBNavis-CMFS 软件著作登记号：2006SR16153) ，并在国内该领域首次完成了光学导航辅
2、助颅颌面骨畸形整复手术的临床实例，取得了满意的结果。2007 年开始利用 MOTOMAN 工业机械臂开展了光学导航条件下机械臂辅助手术的研究1，在机械臂远程控制，与光学导航系统的整合，末端执行器设计等方面进行了大量的工作，取得了良好的效果。经过模拟手术实验，从原理上验证了使用机械臂辅助进行颅颌面外科手术的可行性。 颅颌面外科由于解剖结构的复杂性和治疗目的的特殊性，必须以最小的创伤完成精准的操作。目前光学导航技术已基本解决了手术操作规划和术中精确测量2，但传统的手术方法由于人手动作的不稳定可能带来误差和损伤。而机械臂的运动具有高度准确性和可靠性，而且可具有微创等显著优点。因此机械臂在截骨、磨削、
3、固定等需要高精度、高稳定性的操作中能起到很好的辅助作用3。本研究利用上海交大医学院附属九院口腔颌面外科雄厚的临床和实验优势，结合上海交通大学机械臂研究所现有的技术和设备，在已经自主建立的三维导航辅助正颌外科技术路线和利用工业机械臂进行的原理性实验研究的工作基础上，将系统研究基于光学导航定位的多自由度机械臂辅助颅颌面骨畸形整复手术的关键技术，旨在自主研发具有独立知识产权、能进入临床应用的手术辅助机械臂系统，显著提高手术疗效、扩大适应症、使颅颌面整复手术更趋于精确和微创。研发出的机械臂样机通过临床实践后有望进入产业化进程，基于此项技术，将产生全新安全的手术类型及一系列高难度手术的普及应用，为医用机
4、械臂的发展和应用奠定有效的基础，以填补国内口腔颌面外科医用机械臂辅助手术研究的空白，具有极高的社会经济价值和深远的临床应用意义。且作为开放式多自由度手术辅助机械臂，能够作为基础平台与各种诊断、导航系统相整合，适用于多种类型的手术和其它作业，具有更好的普及价值。1.2 手术机械臂研究概况1.2.1 国外手术辅助机械臂介绍手术辅助机械臂的研究国外起步较早，1991 年伦敦皇家学院研制成功 Probot 机械臂并将其应用于临床实验，利用 Probot 机械臂医生可以将大量组织从患者体内切除，它是世界上第一个用于医疗领域的手术机械臂4。1992 年美国 Integrated Surgical Syst
5、ems 公司推出了 ROBODOCTM 机械臂系统，它是在传统工业机械臂技术基础上开发而成的，可以完成全髋骨替换、修复和膝关节置换等手术。该公司还开发了 ORTHODOC 图像处理系统，根据 CT 图片进行 3D 建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据帮助医生完成监控和虚拟手术5。1994 年，美国 Computer Motion 公司推出了 AESOP 机械臂，该机械臂辅助内窥镜系统是具有七个运动自由度的声控机械手臂，能模拟人手臂的运动功能，替代医生助手实行对内窥镜的操作。机械手臂的控制方式是采用医生语音信息辅助控制的人机协调系统，即按医生在手术过程中要求机械手臂动作的指令所构造的一种语音
6、识别系统。手术医生的语音指令要预先录入语音卡，并在手术前将此卡置入控制器。这样，在手术过程中，机械手臂便能按照手术医生发出的一道道简单的语音指令，自动、快速而精确地操作内窥镜，并将其调整到最佳的位置和姿态，同时将一幅幅清晰稳定的图像传送到显示器上，使手术医生能直接观察和控制内窥镜来获取稳定的手术视野，提高了手术的精确性和安全性。为了防止机械手臂对人体施加超出需要的外力或过分接近人体内部器官，该系统采用有先进的安全保护技术，一旦出现这种危险情况，系统就会自动停止工作6。第二章 颅颌面外科手术辅助机械臂的结构设计2.1 引言颅颌面外科手术辅助机械臂作为一种专用型机械臂，在具体技术指标与机械构型上都
7、需要根据颅颌面外科手术的要求来确定。 模块化设计是机械结构设计的重要设计思想之一，它将一个复杂的问题分解成若干个子模块，每个子模块完成一个特定的功能，将子模块与其他机构连接起来，便组成一个整体，完成整个机械系统所需的功能。2.2 机械臂整体概念设计2.2.1 结构设计原则与机械臂设计指标近年来，机械设计的理论和方法在国内外得到了很大的发展，机械工程师在进行机械设计时，必须要掌握先进的设计理论和方法。根据设计人员的经验总结，机械系统设计主要有以下几方面的原则:(1)整体性：机械系统的整体性把握至关重要。在设计产品中，需要考虑机械设计的主要因素，包括能否实现这些功能，用什么机构来实现这些功能，除此
8、之外，还需要考虑力作用是否封闭，动平衡性是否理想，是否美观，受力大的部件是否需要加大尺寸，受力小的部件是否需要缩小尺寸等。(2)功能性：机械系统的设计需要以功能的实现为基本的目标。实现功能可以有很多种方案，设计前需要在不同方案之间权衡比较，最终选择能实现功能的最优方案，设计过程中需要进行细节的完善，如具体的传动链布置，驱动单元的选型等，以便满足最终用户的需求。(3)可靠性：包括了零部件可靠性和机构设计可靠性。零部件可靠性主要包括了标准件零件和加工零件的可靠性，对零部件的优化设计是提高可靠性的重要途径;影响机构设计可靠性的因素很多，主要因素包括了机构的工作原理、机构的动力驱动源特性和装配精度等。
9、良好的可靠性特点是实现机构各个功能的前提条件，它可以提高产品开发的效率，降低后期维护的费用。(4)实用性：要求采用经济、简约的设计方法进行设计，不仅降低了加工工艺的要求，而且降低了加工成本，缩短了开发周期，便于后期的维护和批量化生产14。第三章 颅颌面外科手术辅助机械臂. 31-473.1 引言 .313.2 运动学分析的理论基础. 31-333.3 机械臂正运动学求解 .33-403.4 机械臂逆运动学求解. 40-443.5 机械臂的雅可比矩阵. 44-463.6 本章小结. 46-47第四章 颅颌面外科手术辅助机械臂的动力学分析. 47-604.1 引言 .474.2 动力学分析的理论基
10、础. 47-484.3 机械臂刚体模型的静力学与动力学分析. 48-524.4 基于 UG/MOTION 模块的动力学仿真分析 .52-594.4.1 仿真模型的建立 .52-554.4.2 动力学仿真解算与结果分析. 55-594.5 本章小结 .59-60第五章 颅颌面外科手术辅助机械臂. 60-665.1 引言. 605.2 工作空间分析的理论基础. 60-615.2.1 工作空间的定义. 605.2.2 确定工作空间的主要方法.60-615.3 基于蒙特卡洛法的机械臂.61-655.4 本章小结. 65-66结论本课题来源于国家自然科学基金项目 (No. 30801302)：光学导航定
11、位多自由度机械臂辅助颅颌面骨畸形整复的开发应用研究。本研究利用上海交大医学院附属九院口腔颌面外科雄厚的临床和实验优势，旨在自主研发具有独立知识产权、能进入临床应用的手术辅助机械臂。 在本文中，作者主要完成了以下工作：1、分析颅颌面外科手术的要求，确定技术指标，设计了一种 7 自由度手术辅助机械臂，冗余自由度提供了很好的避障能力，增加了灵活度。基于模块化设计思想完成了全部机械结构的详细设计，并加工装配出了机械臂样机。2、用 D-H 方法对机械臂建立连杆坐标系，给出了机械臂的 D-H 参数表，完成了机械臂的正运动学与逆运动学求解，并在 MATLAB Robotics Toolbox 中验证了正逆解
12、的正确性，即建立了关节角与末端位姿的映射关系。同时给出了机械臂的雅克比矩阵，建立了速度映射关系。3、对机械臂进行了基于经典牛顿力学的静力学分析，基于此对关节驱动单元进行了初步选型校核。基于拉格朗日法推导了机械臂的刚体动力学方程，并在 UG/Motion 模块中对机械臂进行动力学仿真，得到了机械臂在以最大关节速度运动到接近极端位姿过程中的各关节驱动力矩曲线，基于此对驱动单元的选型进行了精确校核，证明了驱动单元的可靠性。4、 根据运动学正解和机械臂各个关节的运动范围，采用蒙特卡洛法，在 MATLAB 中编写程序绘制出了机械臂的工作空间云图，与颅颌面外科手术的操作区域比照，校核了机械臂的结构设计参数，证明了结构参数的合理性。5、基于光学导航机械臂辅助颅颌面外科手术 的技术路线搭建了实验台，对本课题所开发完成的手术辅助机械臂样机进行了实验，证明了其定位精度与负载能力性能指标完全达到了颅颌面外科手术要求。在人体颅骨模型上进行了完整手术模拟实验，取得了很好的手术效果，证明了机械臂的设计与光学导航机械臂辅助颅颌面外科手术 技术路线的合理性，为临床应用打下了基础。参 考 文 献1 陈黎明,栾楠,张诗雷,林艳萍. 颅颌面骨畸形整复手术中辅助机器人的应用J. 机械与电子, 2010, (4) .2 Chen X,Lin Y,Wu Y,et al. Real-time
