微创手术机器人设计及系统仿真

微创手术机器人设计及系统仿真摘要：本文提出一种新型微创手术机器人系统，该系统可实现基于定点（切口）的运动，从而保证了手术的安全可靠性。以SolidWorks为平台建立机器人的三维模型，在机构运动学，逆运动学的基础上运用Cosmos/Motion进行仿真研究得出了满足临床需要的机器人系统参数。关键词：微创手术；机器人；结构设计；运动学仿真引言微创外科手术（MIS）技术兴起于20世纪80年代，一般也称为介入式手术［1］。所谓微创外科手术是指医生借助各种视觉图像的引导，将手术器械沿着事先规划好的手术路径，经过小切口送入病人体内进行观察或治疗。目前应用于临床的微创手术机器人系统DaVinci为微创手术也为外科手术机器人系统的发展与应用开辟了新的途径。微创外科机器人机构发展［4］经历了从简单的串联或并联结构到现在的主从手或串并混连结构。串联结构在工作空间、灵活性、手术空间等技术指标方面都优于并联结构，并联结构在刚性和稳定性方面要好于串联结构，而串并混连结构可将这二者的优点集中在一起。目前的微创手术机器人通常采用主从式结构。微创手术机器人机构设计（RCM结构特点）从图1机构简图中可以看出，该系统为双臂机构，每个机械臂有5个自由度，分别为绕R轴、V轴、Z轴的转动，绕U轴曲线移动和沿V轴的手术器械的直线移动。其中，Z轴和R轴的转动为摆动，V轴的转动为手术器械回转。通过U轴和R轴实现基于机构的定点（切口）运动，通过V轴和Z轴转动实现末端工作装置的姿态变化。运动学仿真系统仿真（SystemSimulation）是一种实验技术，它为一些复杂系统创造了一种计算机实验环境，使系统的未来性能测度和长期动态特性，能在相对极短的时间内在计算机上得到实现［8］。以SolidWorks为平台建立机器人的三维模型，运用Cosmos/Motion进行仿真研究。三维仿真模型的建立方法主要有造型节点直接建模法［9］和通过其它三维制图软件间接建模法两种。本论文采用三维制图软件SolidWorks建模。由于本文机构包括一个圆弧移动，可以把它看成绕圆弧中心线的转动，此机构由四个转动副和一个移动副组成。考虑到机械手臂实际的运动范围，并为了能够将复合运动很好的仿真，采用速度运动类型。设定圆弧运动转角角速度为3.6°/s，横杆摆动转角角速度为1.8°/s,手术器械的移动速度为-4mm/s,手术器械的回转角速度为7.2°/s，腕部的翻转角速度为3.6°/s。仿真时间设为50s，按下运动仿真按钮进行仿真。仿真完成后，右击手部-绘制曲线，分别选择位置、速度、加速度，x，y，z轴分量。手部位置的三轴分量，横轴为时间，单位s，纵轴为位移，单位为mm，如图4-1所示；手部速度的三轴分量，横轴为时间，单位s，纵轴为速度，单位为mm/s，从图4-1中可知，末端点位置在x轴上最大分量是55mm，最小分量是-15mm，运动范围最大可达70mm，如图a）所示；末端点位置在y轴上最大分量是-3mm，最小分量是-186mm，运动范围最大可达183mm，如图b）所示；末端点位置在z轴上最大分量是-42mm，最小分量是-205mm，运动范围最大可达163mm，如图c）所示。末端点可达的最大空间是183mmx163mmx70mm的长方体，由前面分析的100mmx100mmx40mm相比，满足手术要求。4.结论本文完成了机构的设计并在Solidworks中完成三维建模，并利用motion模块对其进行仿真，验证了手术空间满足手术要求，速度变化范围小，运动过程平稳，加速度小满足动力要求，为后续的仿真和控制打下基础。参考文献：CavusogluMC.WorkspaceAnalysisofRoboticManipulatorsforaTeleoperatedSuturingTask.The2001IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystemsMaui，Hawaii，USA，2001.MitsuhiroH，NaokiS，MakotoH，etal.Roboticsurgerysetupsimulationwiththeintegrationofinverse-kinematicscomputationandmedicalimaging[J].Com-puterMethodsandProgramsinBiomedicine2006.LiJM，WangSX，WangXF，etal.Optimizationofanovelmechanismforaminimallyinvasivesurgeryro-bot[J].IntJMedRoboticsComputAssistSurg，20096（1）.尚凤玲.微创机器人从手结构设计及运动学仿真，机器人技术.北京清华大学出版社，2010.王淑敬，洪鹰，王刚，肖瑞义.腹腔镜微创外科手术主从式机器人从手结构设计.设计与研究，2002.[6]TAROKHM，MCDERMOTTG.Kinematicsmodelingandanalysesofarticulatedrovers[J].IEEETrans.RoboticsandAutomation,2005,21(4).[7]CHANGY,TAND,WANGH,etal.Kinematicsanalysisofasix-wheeledmobilerobo