文献翻译-一种骨骼牵引机构的设计和实现

一种骨骼牵引机构的设计和实现摘 要定位支架可以帮助外科医生定位并锁定内窥镜工具，而无需辅助外科医生。定位支架的运动结构包括两个主要部分，臂（用于定位）和手腕（用于定向工具）。手腕的主要要求是在切口点周围进行球形运动。已经为腕部机构开发了同心多连杆球形接头设计。进行尺寸合成以最小化手腕的整体尺寸并且还使角度移动的范围最大化。定位臂的类型合成导致SCARA配置，作为平衡且易于移动的臂配置，定量。基于可达到的工作空间和臂的可操作性，执行臂的尺寸合成，目的是最小化其整体尺寸。手腕和手臂的整合是通过优化手腕的方向来实现的，使得手腕和外科医生的工作空间之间的干涉最小化。关键词：定位，定量，平衡移动，腕臂整合1 介绍与开放手术相比，内窥镜手术作为一种侵入性较小的手术方法对于患者具有许多优点，例如;恢复时间更短，感染风险更低，住院/费用减少。另一方面，间接视力，有限的手部运动和缺乏力感测，以及持有长工具的疲劳姿势使得外科医生执行手术成为非常困难的任务。因此，与开放手术相比，外科医生具有一定的灵活性和能力。腹腔镜手术是内窥镜手术的一个特定分支，在腹部进行，内窥镜工具通过腹壁上的切口点和套管针，因此可以到达手术部位。腹壁作为运动控制条带作为枢转点，外科医生必须以球形配置移动工具（即3自由度切口点周围的角运动和一个平移DOF）。这种球形的工具运动是腹腔镜手术的固有和主要条件，在进行任何工具和系统的分析或设计之前应该特别注意。在本文中，目标是被动定位支架的最佳设计，可用于定位和锁定工具/内窥镜（如以下第I项所述），但是设计可以进行修改和升级，以满足更高的要求和机器人应用程序（即项目II）：I- 机械被动支架：有商用设备可以简单地固定手术工具例如Andronic Devices Ltd.，USPat.No。：5,104,103。然而，这里描述的多臂被动支架为外科医生提供全面支持Faraz，June 95如下：a）定位和锁定内窥镜工具和摄像机，b）为sur geon提供休息框架，c）带有传感器的编码接头可以与计算机连接，用于支架的运动建模，用于手臂，手腕和工具的图形表示，以便更好地观察腹部以及训练目的。II- 带有驱动的定位支架：在这种定位支架中，腕部末端执行器在工具的移动或锁定中具有主要作用。如果手腕被驱动和控制，它可以提供许多新功能，例如将工具自动重新定位到先前存储的位置Faraz，May 95（例如，用于将内窥镜视角改变为先前存储的方向）例如AESOP comcial系统由Computer Motion Inc.，Goleta，Ca。，USA.l 也是Taylor 95，或通过外科医生的简单头部运动控制内窥镜视图例如英国Beaconsfield的Armstrong Projects Ltd.的EndoSista商业系统）芬利，5月95日）。另一种类型的驱动手腕是远程操作系统，手腕作为从动装置由主臂控制，该主臂由外科医生移动Faraz，June 95。下一节将介绍该类型/大小的合成定位台。腕部机构的类型和尺寸在2.1节中合成，并且在2.2和2.3中针对臂机构执行相同的步骤。2 支架的运动学综合定位支架的功能包括两个主要任务：1）将腕部末端执行器和工具定位在切口点上，以及2）使工具穿过切口点朝向手术部位。在制作切口点时，主要在手术开始时进行定位，同时在整个过程中形成通过切口点定向工具。这两项任务在运动类型方面（即理想地定位平移和定向工具的旋转）以及它们在程序期间的应用都是不同的。因此，优化设计不仅应该能够执行两个任务，而且还能最小化或消除用于运动的手臂和腕关节之间的任何相互依赖性。为了实现这一点，定位机构（手臂）和定向机构（手腕）应该在运动学上依赖于单独的机构。在以下部分中，首先是手腕，然后是手臂机构，其类型和尺寸分别合成。2.1 手腕Endeffector在laparoscopic手术切口点的运动学约束允许：a）切口点处的两个DOF角度运动，在距离垂直对称轴70的范围内，b）围绕工具纵轴的一个旋转DOF， c）进出腹部的一个直线运动DOF。这种球形运动的球形结构是腹腔镜手术所固有的，任何手腕设计的设计都应该能够提供手术所需的这些自由度Nagy 94。这意味着手腕在切口点应具有与球形关节相同的DOF，以及通过切口点的线性运动。任何其他运动配置必须依赖于至少两个或更多个轴的同时移动和控制来模拟球形配置的任何移动例如，由Motion Motion Inc.，Goleta，Ca.，USA。的AESOP单元。2.1.1 手腕的类型合成根据手腕的要求，类型合成仅限于那些可以提供球形运动的机制，如下所示：I- 球形关节：这是一种带有套筒球形设计的球形关节，工具穿过关节中心然后穿过切口点（图1）。优点：I）这是一款小巧轻便的设计，2）移动部件数量最少，3）设计制造简单。缺点：1）低角度运动范围（远小于70的要求范围），2）旋转中心不在切口点，而是在其上方的距离h（图1）。由于腹壁的约束，这使得在球形关节内围绕切口点旋转工具的困难，以及3）在致动腕部的情况下，围绕关节的三个旋转轴致动套筒球是不可行的。II- 球形连杆：在这种设计中，连杆是具有相同半径的圆弧形状，并且所有关节轴都穿过切口点所在的中心点。为了提供两个自由度运动，可以设计一个四杆球形连杆系统（图2）。优点：1）这提供了切口点处的球形运动，以及2）足够的角度运动范围（70）。缺点：1）不是刚性的，特别是当机械结构延伸到极端角度时，2）容易堵塞并且由于关节清晰和链接在负载下的不对中而难以操纵，以及3）需要庞大/巨大的接头和连杆in或der以增加刚性并减少堵塞效应。同心多连杆球形关节：这种设计由六个连杆和八个旋转关节组成，并且在切口处精确地模拟球形关节（图3），在任一方向上具有大的角度范围。相互之间的联系比例和关节位置是这样的，即工具的方向始终朝向修正点O Hamlin 94。因此，可以使工具在三个垂直方向（即X，Y和Z轴，图3）中围绕点O旋转，就像球形接头一样。通过比较上述三种类型的手腕机构并考虑到每种类型的手腕机械的缺点，同心多连杆球形关节作为更好类型的手腕末端执行器具有多种优点，因此它的尺寸在下一部分中合成。图1：带球形关节的手腕图2：带有球形连杆机构的手腕。2.1.2 手腕的尺寸合成要确定机构的大小和几何形状，首先需要指定以下参数：L1，L2，L3，L4和，（图3）。应按顺序满足以下等式约束方程8同心多连杆球形接头设计Hamlin 94功能：tan，= t, L4 = 3可以看出，尺寸L2在机构的运动学功能中不起任何作用。然而，稍后将显示尺寸L2 在机理的动力学和准的大小中是重要的在外部载荷的作用下作用在其关节上的静力。让我们考虑关节A和H被锁定以防止机构运动的情况（图3）。例如，将外部力矩M应用于连杆GE。为了找出关节对外部载荷的反作用力，我们可以写出链路CDE和FDB的平衡方程。因此，为了避免极端的联合力，我们必须限制链接比f;。这里，关节力的比例为了不超过关节强度安全系数，最多2被认为是可接受的，这导致链节尺寸比的约束，这种优化的目的是尽可能地减小腕部机构的整体尺寸。相当于这种平面设计，Neisius（94）也提出了一种平面臂机构，用于相同的功能，没有任何细节。Taylor（95）提出了一种几何上的平行四边形多连杆系统此外，这两个系统Taylor 95，Neisius 94都被设计并打算用作单臂支架。因此，这些设计（如作者所描述的那样，作为手臂操纵器）不能被视为类似于此处所提出的设计的末端执行器或腕部机构，其仅被设计为腕部机构，其中可以安装其中的几个。在同一个有限的工作空间内使用的多臂架图3：同心多连杆球形接头2.2 定位臂类型合成臂的设计的一般要求，作为多臂架的被动机械连杆系统Faraz，May 95 Nagy 94，是：a）作为平衡机构，b ）可以用手轻松移动，c）可以锁定在任何所需的位置，d）占用操作区域的最小空间，不干扰外科医生的工作区域，e）不干扰操作区域内的其他类似手臂。每种形式的定位任务都有无限的机制可能性。在Funda（94）的HISAR手术机器人等定位支架和机械手中，冗余轴包含在单臂的设计中。这可以提供更大的灵活性和更大的自由度来移动手臂。另一方面，冗余轴可以使系统更重，更笨重并且更难以操纵，因为任何附加轴需要在该轴之前更强和更重的接头/连杆（因此更高的惯性，质量，重力和摩擦力）。这里轴的数量尽可能少，并且如果由于某些特定要求而必要时可以添加冗余轴。基本上将机械手/机器人的末端定位在三维空间中，需要至少3度的自由度。表（1）显示了具有旋转和/或棱柱接头的3轴臂的类型合成的不同示意性配置。根据上述要求a）至e），表（1）中有几种机制可被视为良好的候选者，如No.12,13和No.12和13是三个棱柱关节臂（PPP）的不同配置，X和Z轴是水平的，因此可以轻松移动（因为重力）力在这些运动方向上没有任何组成部分）。此外，Y轴可以通过使用弹簧系统（例如重量滑轮/气动重量补偿器/电动机平衡系统）或使用自锁导螺杆来平衡，因为沿Y轴的移动不经常执行。12号和13号的缺点是棱柱形接头可能变得笨重/块状，并且可能比旋转接头引入更高的摩擦力/惯性力。此外，两种设计都是架空安装，从便携性，易于安装和维护的角度来看，这使得它们的吸引力降低。另一方面，设计No.41是（PRR）SCARA配置，其中两个旋转接头沿垂直Y轴平行。手臂自然平衡，可以在与手术台表面平行的水平面上移动。臂的连杆可以选择为短而轻，具有旋转接头，这对于手动运动产生低摩擦。所有这些使得SCAR配置对于这个应用非常有吸引力（但是，不是唯一可能的解决方案），这将被考虑尺寸合成在下一节中。表1 - 3DOF臂的示意图2.3 臂的尺寸合成通常，可以选择具有500350mm矩形形状的操作工作空间，其可以被均分为每个臂（左和右）的两个250350的区域。外科医生位于手术台的手术侧，用手握住每只手臂（图8）。外科医生通常应该能够轻松地将手臂操纵到期望的位置，并且手臂的尺寸应该允许它们到达其整个工作空间。为了满足这些要求，在接下来的两节中，研究了臂的可操纵性和可达性的两个主要主题。2.3.1 可操作性测量外科医生双手易于移动被动臂不仅取决于每个关节处的摩擦力，还取决于手臂的构型和连杆的大小。本节的目的是研究手臂的可控制性和操纵力的各向同性，以优化手臂设计。文献中有几个与我们的应用相关的着作，例如可操作性Yoshikawa 85，Lee 93，Kine matic Dexterity Park 94，以及操纵力的各向同性Klein 91。这些概念是基于操纵器的雅可比矩阵和矩阵的条件指数/数量而演变而来的。然而，雅可比矩阵的条件指数并不代表任何物理设计参数。在本节中，一个新的可操纵性测量（最大操纵力和最小操纵力的比率）被推导为调节指数的物理解释，以及在关节处具有恒定摩擦扭矩的被动臂的特殊情况。基本概念是在奇点处，机制的设计至少失去一个DOF，并且当Jacobian的行列式接近零时发生这种情况。对于两个链接机制（图4），雅可比行列式将是：的J - - L1sin81 + L2sin（82-81）L2si n(82 - 81) - L1cos81+L2cos(82-81)L2cos(82-81)和det（J）= - L1 L2 sin 02 = 0 = 02 := 0和1r。非冗余机制的可操纵性度量（m）是雅可比决定因素的绝对值Yoshikawa 85，Lee 93：m = ldet（J）I。因此，在02 = 0和7r时，可操纵性将为零。当我们接近奇点时，由于缺乏各向同性（即在不同方向上操纵力的不均匀性），手臂也不容易操纵。避免，但02 应限制在范围内两个连杆系统的可操纵性在可接受的范围内。为了表明这一点，让我们考虑一下关节扭矩关系：r = JT F，其中F是施加在手臂末端的手力，角度（图4）： (4)接头1和2处的反作用力矩基本上是库仑摩擦力矩（例如主要是由于接头气动制动器的密封圈），它们的最大极限可以认为是Tmax 通过产生足够的扭矩（rmax）来移动（在任何方向上）关节1或2，取决于作用力F与关节的正常距离（图4）。要找到移动手臂的最小和最大力，请考虑以下情况：I) 案例OA AB：在这种情况下，关节1是第一个移动的关节，因为它具有来自操纵力的最长臂（即OA，图4）。为了找到可以移动关节1的最小力（Fmin）的大小和方向，我们有（从方程（4）：T1 = Tmax =常用， l1sin81 + l2sin（82 - 01） +F罪L1 + L2，因为81 cos（82 - 01）由于L1 sin01 = = L2s in（02 - 01）（=图4中的BC），因此上述等式简化为： 图4：作用在臂上的操纵力2.3.2 可达性优化本节的目的是最小化臂的尺寸，同时它仍然可以达到350 x 250mm的操作区域，受操纵/方向约束为135这种优化的变量是手臂的基础位置（a和b），以及手臂的连接（1英镑和2英镑，图6）。对于给定的位置和连接变量。臂（ABC）到达最远点（M或N），然后：R（0 2 = 60） 2：MAX（AMorAN），这导致要到达最近点。以及，这两个不等式约束确保臂可以到达其工作空间中的所有点而不违反可操纵性约束135。图5：Fmax / Fmin VS.02此优化的目标函数 图6：手臂的变量（a，b，L1 , 和L2）是为了最小化手臂的整体尺寸。实现此目的的一种方式是通过最小化基点A距工作空间的中心点的距离（即点0，图6）。2.3.3 手腕方向为了最小化手腕机构在手术区域内的手部运动干扰，理想情况下，希望手腕（W）的方向始终指向外科医生的S点（图7）。换句话说，当切口点（C）被认为是Nagy 94之间的中心点时，最好使腕机构（W）处于这样的方向，即它总是位于外科医生的另一侧. .理想地，关节D可以是交流关节，因此可以基于手臂的构造来控制角度，使得手腕W总是指向外科医生而C点移动。另一方面，如果工作空间中的整个工作范围的方向偏差在可接受的范围（例如45）内，则关节D可以被认为是具有恒定角度的固定关节。这个可以通过找到a，/ 3和的修正值来验证L当C位于操作区域的中心而Wis指向S（其中Xs = 0且Ys = 500）。使用a，b，L1 , L2 和W的优化值前面的部分，并使用基本的几何分析，我们可以得到：a = 58，/ 3 = 27，L;= 228如图7所示，手腕的方向基本上没有偏离（对于操作区域的极点（例如，点M，N，Q和R），最大值为45。手腕W也不会干扰当接近Y的对称轴时，另一个臂的操作区域。因此对于被动定位臂，在D处以恒定角度的固定接头可以被认为是最佳的并且也是最简单的解决方案。图7：手腕朝向点S的方向3 总结和结论定位架的功能主要包括：a) 用手臂定位手腕，b）用手腕定位工具。由于腕部和手臂执行的单独任务，以及使它们在运动学上独立/分离，它们被设计为单独的机构。手腕：由于球面运动要求和腹腔镜手术中工具运动的性质，手腕必须模拟切口点处的球形运动。为此，发现同心多连杆球形接头是最合适的机构。手腕的尺寸合成是通过最小化手腕的整体尺寸以及最大化其运动范围来实现的。手臂：为了手动将手臂放在手术点上，它必须平衡，易于移动，占据最小的空间，并且不会干扰外科医生的工作区域或其他类似的手臂。在这种情况下，SCARA配置被选择为适合于手臂的类型，并且开发了用于被动操纵器的新操控性（方程11和14）。臂的尺寸合成通过最小化它们的整体尺寸同时满足可制造性测量并且也达到所需要来进行此外，腕部取向被优化到这样的角度，使得它相对于外科医生在切口点的相对侧上保持不碍事。这可以消除手腕与外科医生工作区域和其他手臂的干扰。在手臂和手腕的最终集成中，至少两个集成臂可以并排工作而不会产生干扰，如SFU-ERL实施的系统所示（图8）。此外，在更高的平面上的附加臂（以消除与前面提到的两个主臂干涉的任何可能性）可以为诸如用于视觉系统的内窥镜之类的其他工具提供定位可能性。实施的系统作为第一个正在进行实验临床试验的多臂外科定位设备，显示了实用的潜力，并提供了进行“单独手术”所需的总体环境。所提出的设计可以用于完整的机器人主干/手术远程操作系统Faraz，May 95，手腕由外科手臂（在SFU-ERL开发中）移动的主臂致动/控制。图8：被动腹腔镜支架。工作区4 致谢作者要感谢机器人和智能系统研究所（IRIS）的财政支持，A. 联邦卓越中心网络，以及Nagy博士为促进临床评估所做的贡献，以及SFU机械加工厂的开发。5 参考 Faraz，A.，Payandeh，S.，Nagy，A.，1995年6月，“是内窥镜扩展器中的起诉和设计概念”，Proc。第六届IFAC Symp。关于MMS，麻省理工学院，第109-114页。 Faraz，A.，Payandeh，S.，1995年5月，“机器人在内窥镜手术中的应用”，Proc。第15届加拿大dian应用力学会议，第1卷，第252-225页。 Finlay，PA，Ornstein，MH，1995年5月/ 6月，“控制外科腹腔镜运动”，IEEE Engineering in Medicine and Biology Maga zine，Vol.14，No.3，pp.289-291。 Funda，J.，Eldridge，B.，Gruben，K.，Gomory，S.，Taylor，R.，1994，“Two of Manipulator Designs for Laparoscopic Surgery”，Telemanipula tor and Telepresence Technologies，SPIE，Vol.2351， pp.172-183。 Gosselin，C.，Angeles，J.，1991年9月，“用于机器人操作的运动优化的全局性能指数”，ASME的交易，机械设计杂志，第113卷，第220-226页。 Hamlin，GJ，Sanderson，AC，1994，“具有并行机器人应用的新型同心多连杆球形接头”，IEEE，pp.1267-1272。 Klein，AK，Miklos，TA，1991，“Spatial Robotic Isotropy”，The International Journal of Robotics Re search，Vol.