一种医疗机器人主操作手的设计与运动学仿真

1、一种医疗机器人主操作手的设计与运动学仿真摘 要现如今，在科技大力发展的前提下，也为医学界带了不少福音，这其中，微创手术，相较于传统手术，成为了外科界所追求的一种手术境界。也正因此，外科的传统手术在逐步发展起来，慢慢向微创手术转型。毕竟对医学界而言，医学持续发展的根本主题，就是在解决患者痛苦，治愈患者伤病的同时，能最大程度的减少为患者带来的创伤。而微创手术机器人正是这样的环境下发展起来的，并逐渐步入了人们的视野，应用优势日益显现。而微创手术机器人和医生之间的联系，就是通过主操作手来控制界面实现的，所谓的主操作手，可以说就是实现人机交互的重要手段。医生在操作微创手术机器人进行手术的过程中，主操作手

2、的作用极其重要，可以通过操作来获取到手术需要的器械，因此主操作手的性能指标，就非常重要，会对手术的最终结果造成一定的影响。只有确保主操作手具有良好的性能，才能使微创手术机器人在医疗领域的运用发挥重要作用。本文的主要内容如下：根据医生在手术过程中的手臂操作、动作特点和空间距离，结合医生主操作手的标准姿势及性能要求，来对该行为进行具体的设计。设计完成以后，结合D-H算法对该设计进行相应的验证和求解，从而完成对整个操作流程的仿真模拟、场景分析。文章的末尾对操作手的具体结构组织进行了设计，并对主操作手的各关节结构所遇到的问题进行了方案研究，最终完成了主操作手的技术设计图。 关键词：医疗仿真；运动学理论

3、；结构设计 An analysis of the design and work space of the master manipulator of a medical machine AbstractIn recent years, with the development of science and technology, minimally invasive surgery has become the standard of foreign science and the higher state of the surgical industry. As a result, sur

4、gery underwent a transition from open surgery to minimally invasive surgery. The eternal rhythm of medical development is that, while healing the pain for the patient, it minimizes the medical trauma. The microsurgical robot was developed in this environment, and gradually became the peoples field o

5、f view. The doctors direct control of the interface for medical robots is the main operator, and the main operator is an important human-computer interaction device. During surgery, the doctor always by operating the main operator to control the manipulator using the equipment required for operation

6、 and, therefore, the main operator of the performance will directly influence the effect of the surgery. It is of great significance to promote the application of medical robots in the medical field. The main content of this article is as follows:First of all, according to the doctor in the process

7、of open surgical hand operating characteristics and the working space, to get the master manipulator design criteria and performance indicators, so as to complete the structure of master manipulator design. Then, the method of d-h is applied to solve the positive kinematics of the main operators, an

8、d the kinematics simulation and the work space analysis are carried out. Finally, to complete the structure design of the main operator to solve various joint power how to pass in small, narrow space, wire transmission design problems such as tension, and complete the master manipulator detailed 3 d

9、 part drawing and assembly drawing. Key Words：Medical robots; The main operator; Kinematics analysis; Organization design; The workspace目 录第一章 绪论11.1引言11.2微创外科手术11.3主从式微创手术机器人研究现状11.4 医疗机器人主操作手国内外发展状况31.5选题的目的及意义51.6本文的主要内容6第二章 主操作手方案设计72.1引言72.2主操作手的结构设计及分析72.2.1主操作手设计要求72.2.2主操作手的结构设计82.2.2.1主操作手主

10、要结构分析82.2.2.2构型确定及分析10第三章 主操作手运动学分析与仿真123.1 引言123.2主操作手运动学模拟123.3 主操作手正运动学133.5主操作手工作空间分析15第四章 主操作手的结构设计174.1引言174.2主操作手设计174.2.1结构传动原理设计174.2.2机构设计194.3电机的选择20参考文献22致 谢23天津理工大学中环信息学院2017届本科毕业设计说明书第一章 绪论1.1引言当下是一个网络快速发展科技也快速发展的时机，互联网的发展给我们的生活带来了重大的改变，同时也带动了各行各业的信息化发展，机器人的发展也得到了推动。机器人的发展能够让人类从反复重复枯燥的

11、工作中解脱而去做一些更有意义的事情，机器人的出现不仅能够替代人类完成一些安全性差、环境艰苦的工作，还可以使人类的生活起居更加安全便利。在医疗领域，这些高新技术也得到了发挥的余地，对传统的手术方式和方法进行了技术更新。然而，医疗机器人与其他行业的机器人是截然不同的，与工业的机器人来比较，医疗机器人必须要有极高的精准度和稳定性，除此以外，医疗机器人价格不菲，还要能够应对各种不同的大小手术。对于一般性医疗机器人，需要分为主操作手和从操作手。用户操作主操作手来实现手速动作，而从操作手则是由主操作手控制，所以，实际上用户是通过这种主与从的关系来完成技术操作的。主操作手与从操作手的适配和可靠性都会直接影响

12、医生的实际操作，由此可见，如果能够设计和研究一套高可靠性的医疗机器人的操作手，必定会对医疗机器人的发展带来更进一步的推动。1.2微创外科手术微创外科手术又称“钥匙孔”手术，即通过微小切口进行手术操作的行为。该手术过程非常简单，但要求精准性极高。一般情况下，医生会通过主操作手来控制从操作手，结合医疗成像系统，对病人的患处进行手术。该种手术方法与其他手术相比具有很大的有事，尤其是对患者来讲，可以以牺牲身体最小代价来完成手术，这不仅大大降低了医疗事故的发生，也在一定程度上减少了患者的痛苦，进而减轻患者身体和心灵上的压力。而对于医生来讲，通过微创手术可以完成许多不可能完成的高难动作，尤其在手术空间有限

13、的情况下，医生可以通过机械手的灵活性，即使在很狭小的工作空间，也能够很容易的完成手术，大大提高手术的成功率。同时医疗机器人的引进，可减少医生的失误，例如由于粗心把手术工具落在病人体内；可以消除医生在操作时的手臂颤动来减少手术风险。所以，微创手术在国内的各大医院已经普及，已经是外科医院的标准配备了。1.3主从式微创手术机器人研究现状机器人的研究并不是单纯的一门学科的研究，不仅需要动力学、计算机科学、自动化技术等科目，对于医疗机器人来讲，还要对医学的外科手术有一定的了解。因此，医疗机器人的研究本身是一个跨多学科的技术研究。基于医疗机器人的灵活性，医生能够更加容易的完成传统手术中无法完成的操作，这不

14、仅能够减轻病痛折磨，还能提高外科手术的成功率。1990年，美国的Computer Motion公司成立。1992年，该公司研发出第一个微创手术内窥镜机器人AESOP，AESOP的出现可以极大程度地改善当时医生手持内窥镜手术易产生疲劳与颤动的现状。1993年，AESOP顺利完成了一台胆囊切除手术，得到美国食品药品监督管理局的批准，成为了首批在全球销售的手术机器人。1998年，Computer Motion公司又成功研制出Zeus主从式手术机器人，如图1-1所示为Zeus主从式手术机器人系统。1999年，美国Intuitive Surgical公司成功研制出da Vinci（达芬奇）外科手术机器人

15、系统。这台名气很大的机器人，是具有一定划时代意义的。它的出现可以说是为医疗器械的发展打开了一扇创新的大门，也为后期的医疗技术发展提供了参考。该系统本身就一个主从系统，即医生控制主操作手，而主操作手控制从操作手来对患者进行微创手术，现如今，该西戎已经应用于外科手术的各个领域，简单的从简单的腹腔手到复杂的心脏手术，都可以通过该套系统完成。图1-2是对该结构的一个演示。在用户使用的过程中，需要通过眼睛所看到的图像结合手部动作来进行操作。手术的过程中，用户只需要观察从设备中传输的图像来查看工作情况，进而完成动作。因此，该系统不仅能够单方面的降低患者的痛苦，还可以降低医生的工作强度，医生通过该系统手术的

16、方式几乎与开放式手术没有区别。此外，该系统还提供了一些辅助功能来降低失误率，例如，忽略医生轻微的手部颤抖，力量均匀等。该系统虽然弥补了传统手术的缺点，但其本身来讲也有一定的不足之处，最为直接的一点是成本的提升会带来医疗诊断费用的增加。近些年，国内的医疗机械水平也在逐步提高，作为有代表性的是北京航空航天大学的自主研发的脑外科医疗系统和妙手A机器人操作系统，这两个系统都是是主从式医疗系统，整体上分为三个部分，主操作端，从操作端以及视图成像部分。主操作手具有很强的自由度，可以通过三个方向来进行操作。图1-3所示“妙手A（MicroHand A）”系统。1.4 医疗机器人主操作手国内外发展状况作为与外

17、科医生的交互设备，主操作手必须要有一定的稳定性和可控性，外科医生通过操作主操作手来向从操作手传递信号，包括方向、力量以及速度等，从操作手根据主操作手传递的信号在患者体内对外科医生的动作进行实现，因此，主操作手的灵活性和准确性都会直接影响手术的成功。如今各个机器人厂商的主操作手都是通用的，即既可以应用于医疗领域，也可以应用在其他领域，如自动化、航天、娱乐等。1.4.1国外主操作手研究现状（一）美国Sensable Technology公司的PHANTOM系列PHANTOM系列包括PHANTOM Desktop系列、PHANTOM Omni系列、PHANTOMPremium系列和PHANTOM 3

18、.0/6DOF系列。该系统的工业结构十分轻小、具有很大的灵活性，且其作为人机交互系统，触觉敏感，已经成为目前最为具有代表性的工业商品之一。PHANTOM Desktop系列具有六个自由度，适合桌面操作环境，同时可以反馈x、y、z三个方向的力，并且该设备允许操作者操作甚至碰撞3D虚拟窗口。笔杆中装有带编码的芯片，以检测3个自由度的位置。如图1-4所示。 图1-4PHANTOM Desktop系列操作手PHANTOM Omni系列是触觉交互设备中最经济实惠的，同样具有六自由度位置传感，而且外形和工作空间紧凑，结构更便携，但其运营范围、分辨率和输出力都比PHANTOM Desktop系列低。如图1-

19、4所示。图1-5 PHANTOM Omni系列操作手1.4.2国内主操作手研究现状对于机器人主操作手的研究，我国对该方面的研究时间比较晚，还没有专业的商业公司来进行批量的生产，只是一些大学和科研单位进行学术研究。随着近些年经济的快速发展，国家大力支持自主创新，相关的各种科研项目层出不穷。截至目前，该研究领域陆续取得了一些成果。在这样的条件下，天津大学成为了第一个完成突破性进展的科研单位。该单位研究出的主操作手具有很大的自由度，很强得了灵活性，上手容易，外科医生只需要通过主操作手的操作就能够完成任意想要完成的动作，详情参考图1-6。此外，哈尔滨工业大学也研究了一款摇杆操作手，医生通过操作摇杆来完

20、成手术，详情参考图1-7。该主操作手在手术中得到成功应用，但由于是并联结构，在逆运动求解时较复杂。随后，上海交通大学成功研发了五维力反馈虚拟手术装置如图1-8所示，其采用串联结构，多个自由度，并且各个自有角度都可以完成力反馈，进而模拟腹腔手术的各个外科医生的手术动作，使用该操作手，医生可以自由的对患者的患处进行手术，并且再此过程中医生会感受到器械对器官的作用力。我国对于医疗机器人方面的发展已经开会时，尤其在具体的结构方面已经取得了一定的成绩。但是，与国外先进技术相比还相差甚远，一些基础科学还有待进一步研究解决。 图1-6关节式主操作手 图1-7缩放式力觉主操作手图1-8五维力反馈虚拟手术装置1

21、.5选题的目的及意义医疗机器人是一个较大的命题，它所涉及的领域不仅仅是计算机技术、计算机图形技术、自动化技术、医学、机械、运动学相关的知识这么简单，更是要将各个领域的知识融会贯通结合到一起，才能够完成。在巨大的市场潜在利益驱使下，随之科学技术的快速发展，医疗机器人已经迎来的最好的发展时机，机器人灵活度较大、操作精准、稳定性良好的特性都能对当前的医疗技术水平进一步提高。从病人的方面来看，医疗机器人可以大大降低病人的痛苦，降低手风险，进而提高手术成功率，且对于患者的身体来讲，伤害达到最小化；从医生的方面来看，医疗机器人具有很好的人机交互体验，操作方便灵活，手术的过程中还可以消除因为医生心理或者压力

22、带来的手抖等误操作，并且听过系统的力反馈作用使外科医生能够感知手术环境。此外，从操作手的动作都是来自于主操作手，因此主操作手与从操作手之间必须要具备很高的准确性，主操作手也必须要有很好的灵活度，才能满足医生的操作要求。综上所述，对于医疗机器人结构中的主操作手研发，对我国的医疗现代化水平的发展具有很好的推动型作用，进而提高我国医疗领域的快速发展，推进微创手术技术的进步，改善我国未来医疗水平以及提高人们健康水平都具有重要意义。1.6本文的主要内容本文主要论述的内容是对医疗机器人的结构主操作手进行设计和研究，在通过对外科医生的操作环境、工业标准和性能指标等多方面进行了解和考证，设计一个一套完备的主操

23、作手结构。并结合流行的D-H算法对其进行运动分析，对整套系统的的设计进行仿真模拟，完成主操作手的结构化设计。最后，根据设计好的结构图对主操作手进行具体模块设计，同时再设计的过程中，解决了一些关于空间狭小等方面的问题。 24第二章 主操作手方案设计2.1引言在任何设计都需要有设计标准，对主操作手的设计中，主操作手的设计标准是首先需要考虑的。本课题研究的医疗机器人主要针对于腹腔手术，对操作手的结构设计，需要依据特定的用户需求。外科医生操作的部分需要支持多种自由度，一部分来确从操作手的位置，一部分来确定从操作手的姿势。除此以外，操作手的动作变化必须要流畅，且具有一定操作空间。主从操作手的设计是一个整

24、体的，无论对主操作手进行怎样的结构设计，操作设计都需要将从操作手的部分考虑进去，使主操作手和从操作手行为一直，以保证外科医生的操作的准确度，简化医疗机器人的结构。 主操作手连接着外科医生和从操作手，因此，主操作手的设计在医疗机器人的设计中是最为重要的，它直接影响着外科医生的操作步骤。本章下面会对主操作手的设计方案进行论述。2.2主操作手的结构设计及分析主操作手作为人机交互的接口，其灵活的易用性是十分重要的，不仅可以给手术医生带来良好的操作感，还能够保证手术的顺利进行。主操作手的构造主要分为串联、并联这两类。两种类型都各自有自己的优缺点，在对操作手进行设计的时候，需要根据实际的机器应用场景来设计

25、的，然后结合各种类型的优点来确定最为合适的一种结构。 2.2.1主操作手设计要求医疗机器人的实际应用可以参考图2-1。医生根据对主操作手的行为操纵，来控制从操作手在人体患处的行为，整个传递过程必须要协调一致。所以，对于主操作手的结构设计，需要具有一定的灵活性和精确性。本文的研究对象是以医疗机器人为辅助系统，帮助医生对患者进行腹腔手术。结合具体的应用场景和用户需求，对主操作手进行定制化设计。通过对实际手术场景的了解，可以知道手术时候的操作空间对于操作手是很重要的，主操作手的空间和从操作手的空间要相互对应，因此，在对主操作手进行设计的时候，首先要考虑具体的手术操作空间。第一，对于从操作手的空间可以

26、参考图2-2进行了解，可以通过图上的描述了解到，两个圆锥就是左右操作手的具体操作空间，相交叉的部分就是两个操作手可以操作的部分。根据文献，再综合实际手术过程及从操作手工作空间的特点，可确定主操作手的工作空间为150mm*150mm 圆柱体大小。如果主操作手的工作空间设计太大，则医生动作幅度增大，这样容易使医生产生疲劳感。相反，主操作手的空间太小的话，也无法保证医生操作的灵活性，对于一些复杂的操作会非常的困难。第二，通过医疗机器人进行的手术是有具体要求的，主操作手需要满足特定的几个自由度动作以保证位置和姿势的正确性。此外，对于主操作手的位置和姿势，最好在一定的程度上进行拆分，使其彼此不会依赖，这

27、样能够有利于降低对两个操作手设计的复杂度，也给动力学中的主从控制带来一定的方便。同时，对于医生而言，实现运动解耦的主操作手操作起来更直观。 第三，对于主操作手的精准度有极高的要求，因为任何的动作误差或者计算误差都可能导致手术的失败，甚至病人的生死安危。因此，主操作手的操作必须要流畅精准，也不能够在患者的操作空间有任何的不自然。基于以上的这些分析，本文对主操作手的设计结构具有明确要求，操作手的内部结构，包括关节结构需要稳定而紧凑，关节的惯性不能太大，作为人机交互的接口，需要容易操作，不会让医生小号过多的体力，同时也尽量减低医生收不颤抖而带来的副作用。 综合起来，主操作手设计的要求如下：（1）工作

28、空间为150mm*150mm 左右圆柱体大小； （2）多个自由度，包括操作位置的自由度和操作空间的自由度；（3）设计完成的操作手结构可以解耦操作手之间的依赖； （4）运动精度0.5mm； （5）主操作手的设计机构能实现自重平衡； （6）具有良好的人机交互设计，人体工程学设计，内部零件和关节设计紧凑。2.2.2主操作手的结构设计2.2.2.1主操作手主要结构分析操作手主要分为并联结构和串联结构，串联结构是指从操作端到执行端能够犹记得联系到一起；而并联结构是一种封闭式结构。对于串联结构的具体设计，可以参考图2-3。根据转动副和移动副的不同组合，有 RRR，RRP，RPP，PRR，PPP 五种主要的

29、构型。常见的并联机构如图2-4所示：串联结构的有点事，操作空间足够大，操作灵活，内部的设计简单，运动学线管的原理设计也不复杂。但是，它也有明显的缺点，就是功能单一，性能较差。而并联结构刚好与之相反，操作空间小，操作相对于串联结构并不灵活，设计原理复杂，但是它的性能很好。串联与并联的详情比较可以参考表2-1。 表2-1串联机构对比特性串联机构并联机构灵活性工作空间结构奇异点动态性能承载能力运动学正解较好大较简单在工作空间边缘较差较低简单且只有唯一解较差小较复杂在工作空间内和边缘处都有好较高复杂且包含有多个解从表2-1可以看出，串联结构和并联结构都有各自的优点和缺点。本文根据实际的应用要求，选取串

30、联结构。第一，本文研究的是医疗机器人辅助手术，要求医生直接操作主操作手进行手术，对于动作的流畅和灵活性有一定的要求。另外，腹腔手术具有足够的操作空间，所以操作空间并不在我们的要求范围内，这是我们进行主控之手设计必须要考虑到的地方。第二，主操作手不能太长，因此串联结构是其首选。第三，由于医疗机器人手术对于精准度和力度有明确的要求，因此选用动力学原理较为简单的串联结构能够保证该机器人操作手的保质完成。 2.2.2.2构型确定及分析（1）选定好主操作手的设计结构以后，就可以对其细节记性具体的分析，首先要研究机器人主操作手的关节配置。从图2-3可以了解到多种不同串联结构的优点。具体比较结构可以参考表2

31、-2。 表2-2常见串联机构对比构型RRRRRPRPPPRRPPP工作空间大小大大较大较大小运动灵活性好较好较好较好差通过对表2-2 的分析进行比较，结合实际的应用要求，选用RRR型作为我们的结构模型。考虑到转动副关节的组合形式，关节轴线分为竖直向上和水平两种方式。对关节配置的具体方案可以参考图2-5。通过对以上几个方案的了解，可以从以下方面分析。操作空间，通过对上面八个结构的比较，可以看到在关节全部水平结构的时候，对于操作空间的平面大小要求较大，结合实际需求，将其排除。另外，结合运动学原理，降低惯性的方面考虑，最终从b、c、d三个选型中进行选择。作为与医生直接接触的主操作手，应该具有良好的操

32、作手感。因此，操作手的应该具有较好的平衡，否则会加重医生对于操作手操作的压力，使医生操作疲劳，导致手术失败。因此从平衡的角度来看，图2-5的方案中，只有b结构最能够满足实际的应用需求。结合以上的分析结构，主操作手的设计选型为RRR型串联结构，关节位置选择图2-5（b）方案。最终得到如图2-6的简单结构图。（2）为了对机械位置和空间姿势的完全分解，本文将主操作手分为两个部分单独设计，前文在对主操作手的手臂设计结构进行分析完成之后，现在需要对主操作手的手腕进行分析和设计。手腕部分的操作是十分复杂的，保证了医生的手势、姿态的正确性，从而保证从操作手的正确性。本文将手腕部分设计为完全自由转动的环绕关节

33、，分为三个部分，三部分彼此之间呈直角，并将夹持机的夹持中心放到最后一个关节部位。主操作手的整体结构图可以参考图2-7。第三章 主操作手运动学分析与仿真3.1 引言第二章主要是对的主操作手的关节结构进行设计，并建立了对应的设计模型，列出对应数值，最终建立了对应的数学抽象矩阵，根据该矩阵，对主操作手的操作空间、学术原理进行分析。3.2主操作手运动学模拟图3-1主手运动学模型依据上文设计的主操作手模型，可以设计出如图3-1所示的操作坐标系。其中连杆的坐标系原点与基坐标系原点重合，Zi（i=06）分别为每个关节的轴线，Xi，Yi，Zi（i=06）为每个连杆的坐标系。对于设计好的结构模型进行坐标系建立，

34、并确定具体的物理参数，包括了长度、角度等。并建立D-H参数表，如表3-1所示杆件号连杆转角连杆长度关节角连杆偏距关节变量范围连杆参数ii-1ai-1i图示位置dia2=240mmd4=206mm100100-90902/202001017030a2300301504/2040d401805-/20500301506/20600-6060 表3-1主操作手D-H参数表3.3 主操作手正运动学依据主操作手关节的数据，结合运动学计算得到主操作手内部各个连接点的信息。在手术过程中，用户只会关注于直接对于主操作手的操作，而不需要关系其模块间的运行原理。根据主操作手D-H参数表求出各连杆变换矩阵：任意一个

35、自由度主操作对应的坐标系，相对于基础坐标系可以得到一个对应的数学矩阵。假设自由度为n，那么其对应的矩阵为： 设主操作手末端连杆上任意的位置为，则其在极坐标里的位置可表示为：由于主手的六个关节均为转动关节，因此其运动变量均为关节角。主手的正解D-H变换矩阵为：其中各元素为： 式中，PX、PY、PZ 只与位置关节变量1、2、3有关，与姿态变量4、5、6无关原因是主操作手腕部的三个关节轴线相交于一点，这正是说明了主操作手正运动求解的正确性。3.5主操作手工作空间分析操作空间只的是操作手的整体结构空间，代表了其主要的运动空间，它也是衡量主操作手能力的一个重要的考量指标，从物理空间方面考虑主操作手是否能

36、够满足实际应用中的要求。此外，操作空间也可以详细划分为可以达到的操作空间和熟练的操作空间。可达到指的是有些空间位置主操作手可以达到，熟练地操作空间指得是某些操作空间是可以不费力气就可以完成的，即操作手可以任何想要达到的位置空间集合。另外，在主操作手工作的时候，需要调整主操作手与从操作手之间的映射关系或者说是对应的操作空间比例，以保证操作手之间的精度和准确度。一般的来讲，主从操作手之间的比例大小与操作精度成正比，但是过大的操作比例也会给医生带来一些疲惫感，因此，合理的操作比例必须要在能够保证精度的基础上尽量降低医生的操作疲劳。在实际的问题当中，其实要比理论分析复杂一些，如果想要找到一个较为合适的

37、比例，还需要考虑自动控制，也就是主操作手位置到达边界值，能够中断并重新映射主从操作手。这样的设计，也就不会使主操作手受到其他外在环境的限制了。最终确定的主手工作空间为200200200mm3的空间体积。当前的研究课题或者实际应用中，对主操作手的空间确定主要有一下几个算法，数值型算法、图解型算法等。本文采用数值型算法对操作空间进行分析。数值型算法有一定的弊端，首先要数的是数值型计算数据量很大，而在遇到边界为非规则图形的时候，不具可靠性。基于数值型算法的确定，后续发展了一种较为完备的算法成为蒙特罗算法，该算法使用了抽样的方式来解决数学问题，进而模拟该主操作手模型。该算法主要是通过对操作空间的范围进

38、行随机抽样，然后将主操作手末端的关节的所能达到的空间临界点进行搜集并组合到一起，进而形成了随机抽样所以，使用本算法的第一步就是要对于末端关节的位置坐标进行求解，再结合随机取到的抽样值而得到最终执行的坐标系，最终通过仿真软件将这些坐标点输入进行得到仿真模型。 该算法的具体操作流程和详细步骤如下所示： 1) 结合运动学变换矩阵和上一章完成的设计模型，可以得到主操作手末端关节的参考点位置p（px，py，pz）为： 2) 对于主操作手内部关节的角度选取，可以拿到如下变量：公式3-18中的i变量代表的是关节点，取值样本为1，2直到n。代表的是p参考点的样本数。3）最后一步是得到对应的向量值，即将第1步中

39、的参考点带入到第2步中的公式。最后将这些有向的向量值带入到仿真模拟软件中得到具体的样本图形，最终形成对应的操作空间。在一定情况下，大量的样本数就可以表示主操作手末端的具体工作空间，理论上来讲，样本数据量越大得到的仿真操作空间的图像就越是真是。最终得到如图3-5的操作空间图。经过上文对于主操作手的操作空间分析，得到最终的仿真结果可以满足实际的应用需求，同时该结果与主操作手的各个参数也能够对应起来，整体的操作空间形状玩好，没有太大出入，该结果与实际工作情况吻合。本文由蒙特卡洛算法来对主操作手的操作空间进行计算，并利用仿真技术对该算法的数据进行了反正模拟，最终得到了操作空间图，该图形与实际的操作需求

40、相吻合。 第四章 主操作手的结构设计4.1引言主操作手在构造设置的时候，需要从五个方面进行研究。第一，确保主操作手身材小巧，构造严密。第二，主操作手不宜过重，且需要惯量较小。第三，主操作手的操作范围够大。第四，主操作手硬度达标。第五，主操作手能实现重力平衡。除了以上五点需要考虑，在构造的设置中，也应该考虑电气安全、电线分布等问题。尤其需要详细规划主操作手的操作方式，联动方案，以及主操作手前三个节点部位的安排。4.2主操作手设计4.2.1结构传动原理设计在设置主操作手的传动原理时，以串联的形式为主，就能缩减主操作手的惯量。而在关键的前三个部位上，就会使用硬度较强的钢丝绳，改变电机的放置位置，最后

41、选择的则是基座部位。此外，可以通过在主操作手的每一个关键位置，增加电位器，促使主操作手变繁琐，在惯量加大的同时，也会让主操作手具备一种位置寻零的特殊功用。由此可见，选择一个最佳地点放置电位器，是尤其重要的。在本文的论述中，将会在把重点放到基座的丝传动上，为了让电位器发挥最大作用，避免因为远离主操作手的关键部位，而造成数据错误，最后选择将电位器放置在紧挨主操作手的关键部位。耦合是在通信、软件、机械工程中较为常见的的情况，在丝传动也不例外。这样的情况，更容易发生在串联结构中，如果发生，会造成重大的影响。为了避免这样的情况发生，就需要清晰的认识到，主操作手关键部位的丝传动，不是一蹴而就的，而是分层级

42、来进行。这其中，可以划分为三种级别的传动，每个关键部位的传动都是独自完成的，在完成但相互之间又存在着不可分割的联系。比如关键的第二部位，需要满足自身的运动，还需要为下一个关键部位进行正确的引导。所以每个部位都需要进行缜密的设计。如下图所表达，可以清晰看到，关键的第一部位，是通过一级的丝传动进行运作的。这其中包含了三个部位。而这三个部位的相互配合，就能完成这一运作过程。首先是丝轮被电机带动，丝轮又会围绕丝槽慢慢运动起来，最后钢丝绳会加入到电位器中，带动电位器的同步转动。实现关键的第一部位的整体运动。图4-1关节1丝传动一级丝在完成了第一部位的整体运动的同时，就会带动被动丝轮的运作。而在电击器运作

43、的同时，丝轮开始拉动一级丝之后的二级丝运作。就会完成最后的二级丝传动。二级丝传动如图4-2所示。 图4-2主操作手二级丝传动在完成关键的第二部位传动之时，就需要兼顾到可能会发生的解耦动作。为此可以将关键的第二部位进行一个详细的划分，变成两个板块。在实现连接连杆二的时候，包含了丝槽的一些部分。但另一部分连接连杆三的时候，是使用一个相对独立的丝槽。这两个部分，实际上只是被放置在同一个位置上，共用轴线，但是独立运作的。如下图所表达，三级丝的运作较为特殊。在前面介绍的每一级丝运作中发现，想要让连杆速度缓慢的同时，让扭矩的幅度增加，都会使用到钢丝绳和预紧装置。与此同时，还需要合理设计丝传动的轨迹。 图4

44、-3主操作手三级丝传动 丝槽的存在相当重要，比如在与电机轴相同的丝轮上，就加入了丝槽的设计。有了丝槽，就能随时掌握钢丝绳在丝轮的运动轨迹。并且还可以减少钢丝绳运动时，路径不明确而带来的一些数据出入。此外还需要对钢丝绳做包角设计，因为钢丝绳的包围方式是闭口的方式，并不是开口的方式。对于这种方式的钢丝绳，加上包角的二话，就能起到优化钢丝绳传动的作用。需要做到包角，首先要满足钢丝绳精准的缠绕方式，做到不分叉，不挤压，不凌乱，甚至出现不转动。整个主操作手的内部实现结构主要有两部分组成，一部分是用于固定主操作手的装置，另一个部分是用于锁紧的装置。两个装置之间相互辅助相互搭配以保证整个机械的统一完整。在内

45、外固丝轮上均设有丝槽，用于规划丝缠绕路径。对于锁紧装置的具体操作步骤有：通过利用孔洞的位置以及装置形状，可以使用钢丝结合孔洞来固定装置的紧凑性，然后通过慢慢调整整个装置绳索之间的紧绷感来完成锁紧装置，之后就开始对装置进行固定，在达到无法进一步拧紧装置的情况下，就说明固定装置已经牢固。在完成以上两个操作以后该装置就可以使用了。4.2.2机构设计上一节完成了设备的装配，下面会对设备内部的各个子模块进行设计，从上文对主操作手的结构设计可以知道，整个设备并不是由单一的设备固定来完成的，还需要对其他重要部件进行设计。其中包括了对于运动装置、线路规划等。电位器是必不可少的装置之一，它也是整个电子元件中最为

46、关键的部件，因此可以将其安装到装置的固定部位。并保证其不会受到外界因素的干扰或者损坏，最后将其放置于相对来讲环境安全的地方，并配备硬度不是很大的装置上面。由于电位器的脆弱和对环境的敏感，所以必须采用一种硬度不大的材料保证其能够处在一个比较安全的位置。此时，铝制产品就派上了用场，铝制品硬度不大，不易因为环境问题发生腐朽问题。所以，本文所研究的主操作手上的电位器就是使用铝制品来作为固定的。此外，铝板的作用是阻挡外力对于电位器的损害，当外力作用到铝板上以后，铝板具有很好的柔韧度，会轻微的产生变形来适应外力的作用，这种方式变相的对电位器进行了保护。其浮动连接图如图4-4所示。图4-4电位器浮动连接 图

47、4-5导向轮双重固定对于导向轮的固定方法也是非常的复杂的，首先要确定固定导向轮的策略才能够分析出具体的组成部分，图4-5对导向轮的机构进行了简单的演示，通过演示图我们知道导向轮的双重固定所涉及到的部件有垫片、基座、轴等。垫片能够很好地起到缓冲的作用，还能将整个设备固定的更加稳定，而基座则是用于承载设备的作用。4.3电机的选择作为主操作手最为核心的部件，电机是整个设备一切动能的来源，因此，本文对该设备的电机也有一定分析和研究。现在较为出名的电机是maxon电机，其高潮的电机技术已经赢得了无数的奖项和专利。该机器可以降低离心力，帮助稳定电机的位置，和其他类似的电机相比具有较大的稳定性优势。结合实际

48、的应用需求，本文研究的医疗机器人主操作手并不需要过大功率的电机，因此，该种类电机十分适合本文所研究的设备。对于本文研究的设备，可以将主要的机动部位使用该款电机，用于动力的驱动。此外，对于每一个关节的电机还要有一定的减速装置来保证整体设备运转正常。另外，本文研究的主操作手的内部模块具有一定的相互摩擦，设备本身的重量也对于电机的选择有一定影响，所以，选择具有一定大小转矩的电机是非常适合我们的，同时还需要对与电机的转速进行一定的调整来满足实际的用户需求。此外，腕部连杆质量较小，所需电机额定转矩也较小，最终选择maxon RE 13电机作为腕部位置关节的驱动电机。对于各种电机的技术参数可以参考如下表4-1。 表4-1直流伺服电机性能参数序号电机参数Maxon RE 30Maxon RE 131额定电压V24242空载转速rpm8810136003空载电流mA16423.24额定转速rpm8050106005额定转矩mNm852.426额定电流mA3.440.1697堵转转矩mNm102011.58堵转电流mA39.30.7019最大效率%876810相间电阻0.61134.211相间电感mH0.1191.1912转矩常数rpm/A25.916.313速度常数rpm/V36958414速度/转矩常数rpm/mNm8.69122015机械时间常数ms3.036.