第８期 机械设计与制造 ２０１１年８月 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ １６５ 文章编号：１００１—３９９７（２０１ １）０８—０１６５—０３ 混联机器人结构设计及优化 米 胡德成刁燕陈章平 （四川大学制造科学与工程学院，成都６１００６５） Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｏｂｏｔ ＨＵ Ｄｅ－ｃｈｅｎｇ，ＤＩＡＯ Ｙａｎ，ＣＨＥＮ Ｚｈａｎｇ－ｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５，Ｃｈｉｎａ） 【摘要】针对传统开放手术病人创伤大、微创手术医生易疲劳等现状，设计出一种基于混联结构 的微创手术机器人。为满足微创手术的各种复杂动作，该机器人采用冗余８自由度结构提高其灵活性； 结合球关节结构紧凑特点，所设计机器人采用串并联相结合的混联结构提高自身刚度，满足微创手术 机器人高精度、小尺寸要求。依据所设计结构，在Ｍａｔｌａｂ软件中对机器人的运动学、灵活＿Ｔ－作空间等求 解及仿真，论证了结构设计的合理性。 关键词：微创手术；机器人；混联结构；优化 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 ｅｃ ｃ ｔｏ ｂｉｇ ｔｒａｕｍａ ｏｆｐａｔｉｅｎｔｓ ｉｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｐｅｎ ｓｕｒｇｅｒｙ ａｎｄ ｅａｓｙｆａｔｉｇｕｅ ｏｆｄｏｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ（ＭＩＳ），ａ ＭＩＳ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｍｅｅｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ＭＩＳ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ８ ＤＯＦ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｉｔｓ ｌｆｅｘｉｂｉｌｉｔｙ；Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｇｌｏｂｅ ｊｏｉｎｔ．ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｄｏｐｔｓ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏ”卜 ｂｉｎａｔｉｏｎ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｉｔｓ ｆｒｅｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ＭＩＳ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ。Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｌｖｉｎｇｆｏｒ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｐａｃｅ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｗｉｔｈ ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｆｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｎｇ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒｔａｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＩＳ；Ｒｏｂｏｔ；Ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＨ１６，ＴＰ２４２文献标识码：Ａ １引言 术医生的舒适性、降低手术风险，减少手术医生的疲劳，微创手术 随着科学技术的发展，机器人在生产和生活的各个领域中得 机器人系统应运而生。微创手术机器人在具备了机器人的基本特 到越来越多的应用，作为其中的一个重要分支的微创手术机器人 点的同时。还有其自身的选位准确、动作精细等特点；用微创手术 在医疗行业中更是发挥着巨大作用。微创手术的核心就是为病人 机器人进行手术，避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患 提供“最少的创伤、最大的利益、最好的服务”ｌ】１。但这些对做微创手 者的感染危险１２ｌ。正是因为手术机器人有诸多的优点，使得这一行 术的医生是—个挑战，为了提高手术精度和工具的灵活性、增加手 业生机勃勃。据日本科学技术政策研究所预测，到２０１７年，在医疗 ★来稿日期：２０１０—１０—２４ ★基金项目：四川省科技支撑计划资助（０７ＧＧ００８－０２６） 的模态振型。通过静态和动态情况下的固有频率分析，表明转速使 得转鼓系统的固有频率减小，为旋转床转鼓的动态设计提供依据。 参考文献 ［Ｉ］郭锴，柳松年，陈建峰，等．超重力工程技术应用的新进展［Ｊ］．化工进 展，１９９７（１）：１．＿４． ［２］谢国勇，柳来栓，刘有智，等．旋转填料床气相压降研究进展［Ｊ］．煤化 工，２００１（２）：２４—２６． ［３］张艳辉，柳来栓，刘有智．超重力旋转床用于烟气除尘的实验研究［Ｊ］． 图８动态下５阶模态振型 环境工程，２００３，２１（６）：４２—３． 对比图５与图７可知：在转速的作用下，转鼓系统的固有频 ［４］李会勋，胡迎春，张建中利用ＡＮＳＹＳ模拟螺栓预紧力的研究［Ｊ］＿山东 率减小。固有频率减小后使得转鼓系统在工作过程中可能产生强 科技大学学报（自然科学版），２００６，２５（１）：５７—５９． 烈的振动，说明转鼓的刚度有待提高。 ［５］Ｋａｈｎｅｍａｎ Ｄ．Ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｆｏｒｔ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ Ｉｎｃ， ５结论 １９７３． ［６］Ｙ．Ｆ．Ｌｏｕ，Ｐ．Ｂｒｕｎｎ，Ａ ｈｙｂｒｉｄ ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ８０一 以理论分析为基础，ＡＮＳＹＳ软件分析为手段，对旋转床转鼓 ｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｃｃｕｒａｔｅ ｒｏｂｏｔ ｐａｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｓｔ ＭＥ，１９９９，２１３ 系统进行动力学分析。得出转鼓系统的应变云图和静动两种情况下 （１）：２３－３２． １６６ 胡德成等：混联机器人结构设计及优化 第８期 领域使用手术机器人和微型机器人的手术将超过全部医疗手术的 一半日。近些年，微创外科手术作为外科手术中受益于机器人的一 个领域获得了飞速的发展［４１。微创外科手术机器人与人类相比具有 状态稳定、定位准确、灵巧性好、工作范围大等优势 。 它在手术中的作用是将手术工具按医生所规划的轨迹送到 病灶位置 。并且，为了更好地实现所规划的轨迹，可以通过研究 机构的灵活度找到灵活的工作区域，在此工作区域内，机构能够 满足较多的位姿要求 。重点介绍的是一种微创手术机器人的结 构设计及优化。 ２机器人构型设计 设计的混联机器人，如图１所示。该机器人具有（７＋１）个冗 余运动自由度，第一关节为移动关节，实现手术机械手整体的上 下移动；第二、第三关节为两个轴线相互平行的转动关节，实现手 术臂在水平面内的大范围运动；第四关节相当于手臂的肘关节， 是带平行四边行机构的转动关节，保证位置机构运动时，末端工 具只发生位置的改变而姿态不变；第五关节为并联转动机构，实 现两个自由度的转动，调整手术工具杆的姿态；第六关节为移动 关节，用于控制手术工具杆的伸缩；第七关节为转动关节，实现手 术工具的自转。 ３ 图１机器人结构 １．底座２．立柱３．第一关节４．第二关节５．第三关节６．第四关节 ７．第五关节８第六关节９．第七关节 ３工作空间分析 采用Ｄ—Ｈ与坐标变换相结合的办法对机器人进行正运动 学分析，得到手术杆末端坐标与各关节变量的函数关系： ＝ ｓ Ｊ ｌ２（ ＋ ＋ ＋ ｃ ｊ一 （Ｌ＋ｕ４＋ｄ６）（ｓ ｃｌ２＋ｃ：ｓ ｓｌ２） ：（ ）（ｃ ‰ 一ｚ）＋ （１） ｃｌ２（Ｕ３Ｓｅ＋Ｕ２ ＋ ｃ白 ）＋ ｃ１ ＝一（ｕ４＋Ｌ＋ｄ６ ｊＣ ％一 ｃ口＋ Ｕ２ｓ口 ｓ ＋ｄ２ ｌ 式中：ｓ ＝ｓｉｎＯｉ，ｓｏ＝ｓｉｎ（ ）；嘶 ，ｄ２，卢，Ｌ—结构参数。 依据各关节的运动范围，采用蒙特卡罗法求解机器人的工 作空间，如图２所示，第四关节（平行四边形关节）取不同转角范 围时，工作空间在ｙｏｚ平面上的投影；通过比较，较大的转角范围 能够取得更大的工作空间，有助于微创手术的顺利进行。 （ａ）转角范围［Ｏ。，９０。］ ｚ籁 窑 兽 蜉 晦柩 ｙ］ｍｍ （ｂ）转角范围［一６０。，９０。］ 图２平行四边形关节不同转角范围时工作空间比较 ４灵活工作空间分析 微创手术要求手术杆能以任意姿态到达目标位置，对灵活 性提出很高的要求。依据服务球、服务区等概念，对工作空间内任 意点的灵活性进行分析；在灵活工作空问分析的基础上，研究了 并联球关节的运动范围及手术杆长度对灵活工作空间的影响。 图３腕关节转角范围和手术杆长度对灵活工作空间的影响 以腕关节的转角和手术杆的长度为变量，以大于０．８５的灵 活点的数目为函数值来定量分析灵活工作空间所受影响，如图３ 所示。图中： 轴—第五关节（球关节）的转角 ；ｌ，轴一手术杆的 长度Ｌ；Ｚ轴—对应的工作空间水平截面灵活度大于０．８５的点数 目Ⅳ。由图可得，较大的球关节运动范围和较小的手术刀杆长有 助于提高机器人的灵活性。 ５主要关节结构设计 ５．１第四关节（平行四边形关节） 第四关节的作用是要使后面的结构能够实现平动，所以在 原理上第四关节和平行四边形机构相同，但是和一般的平行四边 Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１ １ 机械设计与制造 １６７ 形机构相比较，该机构在运动的空间上受到的局限很小，因此该 过螺纹传动，将传动架１７推进一定的位移。驱动盘１０和接头ｌ２ 关节的优点是以较简洁的结构得到了较大的运动空间。 之间是间隙配合，可以自由滑动，防转杆支架焊合件１３及防转架 第四关节整体结构，如图４所示。电机１输出动力，通过减 １４限制了多余的自由度。在这个过程中，接头１２就实现了预期 速器２减速增扭带动第四关节轴３转动，然后带动后连杆７摆 的纯摆动。动。如果第四关节轴３转动的角速度为 ，则后连杆７摆动的 角速度也为ｔｏ（以第四关节支座４参照物）。前同步带带轮１０与 后同步带带轮６型号规格相同，后带轮６固定在第四关节支座４ 上，前带轮１０是和前连杆ｌ１固定在一起的。所以当第四关节轴 ３带动后连杆７摆动时，后带轮５并不转动，同步带８随着后连 １ 杆７的摆动而转动，设第四关节轴３的角度为 ．，平行四边形转 动轴９的角度为ｃａ） ，后带轮５的节圆半径为尺，，前带轮１０的节 圆半径为 ：，两个同步带带轮型号规格相同，所以Ｒｌ＝Ｒ ；当第四 关节轴３以角速度 转动时（以后前连杆７为参照）： ∞１Ｒ１； ２ ‘‘．Ｒｌ：Ｒ２ ’．．ｆ．ｏｌ－￣ｔ｝２ 又因为前带轮ｌ０和第四关节轴３转动的方向相反，所以 ＝—ｃｃ，。，所以以第四关节支座４为参照物时，前带轮１０的角速度为 ∞ ：Ⅷ ＝０，也就是说在这个运动过程中前连杆１ １做的是平动， 这样就满足了设计的要求。 ３ ２ 】 图４平行四边形关节 １．电机２减速器３．第四关节轴４．第四关节支座５．后带轮 ６编码器７．后连杆８．同步带９．平行四边形转动轴１０．前带轮 １】．前连杆ｌ２．前连杆支架 ５．２第五关节（球关节） 第五关节要带动后面的结构做一定范围的摆动，以满足灵活 空间的需要，该结构相当于一个少一个自由度的球关节，其原理是 这样的：驱动盘芯轴和防转杆支架焊合件上的固定杆同轴，设二者 中心线为 ，连杆头与驱动盘芯轴相连接端的孔中心点与驱动轴 圆孔中心点的连线为Ｌ ， 。与￡ 相交，焦点为０点，Ｏ点相当于球 关节的球心，则在电机的驱动和防转支架焊合件的限制下，接头就 可以绕０点做纯摆动（摆动的时不会绕自身轴线转动）。 第五关节结构整体结构，如图５所示。主要零部件有电机１、 电机２、驱动轴联轴器３、轴承支架４、导轨支架５、驱动盘导轨６、 传动内盘７、连杆头８、驱动盘连接架９、驱动盘１０、盖１１、接头 １２、防转杆支架焊合件１３、防转架ｌ４、驱动盘芯轴１５、驱动轴１６、 传动架１７、丝杠ｌ８、底板１９、丝杠联轴器２０等组成。第五关节实 现接头１２纯摆动的过程是这样的，电机２带驱动轴１６转动，扭 矩又通过驱动盘连接架９及连杆头８带动传动内盘７转动，这样 传动内盘７就转动了一定的角度。在这同时，电机１输出扭矩，通 图５球关节 １．电机２．电机３ ｉ动轴联轴器４轴承支架５．导轨支架 ６．驱动盘导轨７．传动内盘８．连杆头９．驱动盘连接架１０．驱动盘 １ １．盖ｌ２．接头１ ３．防转杆支架焊合件１４．防转架１５．驱动盘芯轴 ｌ６．驱动轴１７．传动架１８．丝杠１９．底板２Ｏ．丝杠联轴器 ６结束语 该机器人采用了冗余７＋１自由度结构，提高了机器人的灵 活性，并运用了改进型的平行四边形机构和球关节机构等串并联 相结合的机构设计，使得机器人整体机构比较紧凑，运动精度较 高。另外，在结构允许的情况下要增大工作空间及手术刀的灵活 性可以从以下几点考虑： （１）增大第四关节（平行四边形关节）的摆动角度工作空间 也相应较大。（２）扩大第五关节（球关节）的运动范围可以提高机 器人的灵活性。（３）在允许范围内适当缩短手术刀杆长度也可以 提高机器人的灵活性。 除了，这些原因，其它关节对机器人的工作空间及灵活性也 有影响，其影响的主要因素是其结构形式，即结构设计完成之后 其相关参数也随之固定下来，很难通过控制程序来改变机器人的 工作空间及灵活性。 参考文献 ［１］王国彪，彭芳瑜，王树新，朱晒红，王田苗．中国科学基金．学科进展与 展望，２００９（４）：２０９—２１４． ［２］张西正。机器人的研究与进展＿中国医学装备，２００９，ｌ（第６卷第１期）： ７－１２． ［３］宋晓峰，谈士力微型机器人的发展和研究现状［Ｊ］．机床与液压，２００４ （８）：１—３． ［４］邢宏光，王利红，张玉茹 申经外科手术机器人灵活性分析［Ｊ］＿北京航 空航天大学学报，２００４，３０（４）：３１２—３１５． ［５］Ｍｉｎｏｒ Ｍ，Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ Ｐ．Ａ ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍａｌｌｙ ｉｎｖａｓｉｖｅ ｓｕｒｇｅｒｙ［Ａ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，１９９９：２０５７－２０６４． ［６］唐粲，负超，栾胜．一种新型医疗机器人运动学及灵活性分析［Ｊ］．北京 航空航天大学学报，２００５，３１（７）：７４８—７５２． ［７］刘达，胡磊．微创外科手术机器人手腕灵活性的研究［Ｊ］．北京航空航 天大学学报，２００５，３１（７）：７４８－７５２． ［８ Ｊ Ｌｉｕ Ｄａ，Ｗａｎｇ Ｔ Ｍ，Ｗａｎｇ Ｚ Ｇ，ｅｔ １ａ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｒｏｂｏｔａｓｓｉｓｔｅｄ ｍｉｎｉｍａｌｌｙ ｉｎｖａｓｉｖｅ ｌｆｅｕｒｏ—ｓｕｒｇｅｒｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ［ｃ］． Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．２００１：２００８～２０１３．