開題報告 一種骨骼牽引機構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn) 一種骨骼牽引機構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn) 張亞飛 011115170 1 課題背景及研究的目的和意義 1.1 課題背景 古往今來，成百上千萬的人因為疾病、工傷、交通事故或意外傷害因而受到傷病的折磨，致使上肢、下肢受到損傷。特別是近年來，隨著改革開放的不斷深入，隨著工業(yè)、交通事業(yè)的快速發(fā)展以及隨著我國經(jīng)濟規(guī)模不斷擴大且持續(xù)快速發(fā)展，這一數(shù)字正在以驚人的速度增加。據(jù)有關(guān)全國殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，目前我國殘疾人越有6000萬，其中上、下肢殘疾者各達到將近600萬。一項調(diào)研表明，我國每年就有將近11萬人因上肢或者下肢不能得到及時有效的治療修復而無奈導致病人的截肢，使他們失去了正常人的生活。對于這些病人來說，能到先進醫(yī)療機構(gòu)的有效治療，以使他們不失去人類最基本的行動功能對他們來說是一件夢寐以求的事情。 隨著幾年來我國改革開放的不斷深入發(fā)展、我國經(jīng)濟的不斷提高、我國人民生活水平的不管提高，以及人工智能、計算機、信息、控制、康復醫(yī)學工程技術(shù)的深入研究，人們對這一醫(yī)療領(lǐng)域提出了更高的要求，都是為了使殘疾病人重獲健康的夢想成為現(xiàn)實。同時，由于國外在該領(lǐng)域機械機構(gòu)價格方面的種種原因與國內(nèi)的可接受范圍相距甚遠，完全依賴國外的機構(gòu)使病人得到最好的康復治療在近期希望渺茫。 將當代先進的智能控制技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、機械設(shè)計與制造技術(shù)、新材料技術(shù)與生物醫(yī)學工程和康復醫(yī)療工程技術(shù)融合在一起，研究真正有意義的骨骼牽引醫(yī)療機構(gòu)，是殘疾病人得到最好的醫(yī)療治愈，讓他們能恢復健康，這對于他們重新回歸社會生活，重新恢復正常人的生活、學習和工作，對減輕社會負擔、同時填補我國在該領(lǐng)域的空白、對促進我國康復醫(yī)學工程技術(shù)的發(fā)展無疑都有極其重要的意義。 在這樣的背景下，研究開發(fā)一種新式的有助于殘疾病人上、下肢康復治療的醫(yī)療機構(gòu)迫在眉睫,為使他們花出最低的成本，得到最行之有效的治療是我們該課題的主要目的和意義。而且該機構(gòu)的研發(fā)對于我國醫(yī)學在該領(lǐng)域的發(fā)展有著極其重要的意義，這使得該機構(gòu)的研發(fā)顯得更為重要。 1.2 研究的目的和意義 在四肢受傷并經(jīng)過手術(shù)后的患者需要康復治療，而康復治療技術(shù)是一項使康復患者或殘疾人或需要進行康復鍛煉的人進行適當鍛煉的新興技術(shù)。本課題的目的設(shè)計一種骨骼牽引與拉伸治療機構(gòu),讓手術(shù)后的患者或者需要進行康復治療的病人可以更方便地進行受傷四肢的牽引拉伸,從而使上、下肢能夠得到及時以及適當?shù)目祻湾憻挘_到康復治療的目的。使患者能夠盡快地恢復正常生活，能夠正常的工作和學習。康復治療技術(shù)這項新興技術(shù)有著非常光明的前景和發(fā)展勢頭，該技術(shù)和機械發(fā)展反映了患者對康復治療這項技術(shù)的迫切要求。在康復治療的過程中，除了需要家人的悉心照顧、醫(yī)生護士的精心就診和照料、更加需要先進精密的儀器的治療，這就為這項技術(shù)的發(fā)展提供了強大的依據(jù)。該牽引機構(gòu)的核心是使用伺服主電機運轉(zhuǎn)帶動柱狀伸縮桿進而帶動活動板（將患者需要進行康復鍛煉四肢置于活動板上）上下牽引，加之滑輪上的配重，進而使四肢得到適當?shù)臓恳憻挕? 隨著科技的發(fā)展，各項理論都在結(jié)合，進而在某些領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用，為消費者帶來便利。我國致力于將醫(yī)學理論與機械理論相結(jié)合，設(shè)計出有助于四肢需要康復治療的患者使用的牽引機構(gòu)。目前，在我國骨骼牽引機構(gòu)的應用越來越廣，也越來越現(xiàn)代化，而且國內(nèi)對機械的使用要求也越來越高，對骨骼牽引機構(gòu)的需求也越來越大。在我國醫(yī)療裝備系統(tǒng)中大多實行加速發(fā)展的同時，即設(shè)備投入運行后會進行大量應用。該骨骼牽引機構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,解決了上、下肢能夠方便操作以達到牽引治療的難題。使得患者在術(shù)后可以進行有效快捷的牽引治療，減少痛苦并早日恢復健康。 2 國內(nèi)外骨骼牽引機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 2.1 國內(nèi)骨骼牽引機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 目前，國內(nèi)骨骼牽引機構(gòu)普遍采用手動操作、種類單一，康復治療效果往往難以滿足患者的需要，延緩病人恢復健康的時機。這在傳統(tǒng)醫(yī)療器械競爭優(yōu)勢不良情況下的確是令國家、政府、醫(yī)院頭疼的事情，但隨著各種醫(yī)療器械種類的不斷增加和對檢測要求的日益嚴格，傳統(tǒng)的醫(yī)療器械顯然不能滿足病人要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，醫(yī)療器械設(shè)備種類單一，不能滿足日益增多的病人康復治療的要求；第二：裝夾機構(gòu)結(jié)構(gòu)功能簡單，僅能夠滿足少數(shù)特定病人肢體的安裝需要；第三：傳統(tǒng)的操作機構(gòu)在使用時效率低，主要表現(xiàn)在為病人進行肢體的裝夾、調(diào)節(jié)不方便；第四，由于傳統(tǒng)醫(yī)療器械機構(gòu)以啟動為主，所以無法控制病人的使用結(jié)果，并且產(chǎn)生的波動較大。 在現(xiàn)代醫(yī)療器械方面，國內(nèi)外各大公司不僅在開發(fā)產(chǎn)品方面做了很大的研究，而且在創(chuàng)新研發(fā)方法上也投入了大量的物力、財力和人力。各公司企業(yè)延續(xù)傳統(tǒng)的醫(yī)療器械的大部分優(yōu)點，并為提出新的創(chuàng)新方案，而且很難進一步調(diào)高牽引的質(zhì)量和效率。 國內(nèi)企業(yè)（如上海市人民醫(yī)療器械有限公司）在對病人進行康復治療的牽引機構(gòu)上采用靜態(tài)調(diào)節(jié)，這不僅導致精度和質(zhì)量低于國外 30%，還使使用成本與治療時間較國外多出1倍多。針對如此巨大的差距，國內(nèi)正展開積極的研究，并取得了一定的成效。 近年來，我國醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展勢頭強勁，骨骼牽引機構(gòu)的研究也受到國內(nèi)外企業(yè)的關(guān)注和歡迎。并且都取得了一定的研究成效，也在市場上有一定的份額，這都是國家、社會和各企業(yè)共同投入努力而得到的結(jié)果。但總體上，該機構(gòu)的總體質(zhì)量還是不夠硬，精度不夠高，病人所要求滿意的程度還遠遠未達到，很難達到高質(zhì)量和高效率的完美統(tǒng)一。因此，對骨骼牽引機構(gòu)的創(chuàng)新和研發(fā)制作是未來5-10年內(nèi)的一項巨大趨勢，具有極其廣闊的市場前景，既出于對病人進行最好康復治療的考慮，也出于提高我國在該行業(yè)綜合競爭力的考慮，研發(fā)最新骨骼牽引機構(gòu)時不我待。 隨著我國改革開放的深入，我國的骨骼牽引技術(shù)有了明顯的進步，但是依舊存在一些難以解決的問題，比較主要的便是深靜脈血栓的形成仍舊無法有效的避免，所以這仍舊是骨骼牽引機構(gòu)發(fā)展前進所急需攻克的內(nèi)容，骨骼牽引技術(shù)和相關(guān)醫(yī)療器械仍有很大的發(fā)展空間和非常強大的發(fā)展勁頭。 2.2 國外骨骼牽引機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 眾所周知，國外的骨骼牽引技術(shù)的發(fā)展是世界牽引技術(shù)發(fā)展的源泉，骨骼牽引技術(shù)的歷史最早可追溯到古希臘。伴隨著布朗式牽引架的發(fā)明，休·歐文·托馬斯發(fā)明了托馬斯支架，在骨科牽引的發(fā)展上有著不可磨滅的貢獻。國外更加看重其他種類的牽引，尤其是牽引技術(shù)在口腔方面的應用。在四肢牽引方面則是于科技的進步緊密的結(jié)合在一起，通過與計算機和電機的結(jié)合，能夠更加精準的控制牽引所需要的力的大小，通過計算機三維技術(shù)的發(fā)展和應用，在電腦上能夠進行有效的模型模擬和精準的牽引，以減少病人在治療過程中的痛苦和加快病人的恢復速度。雖然我國也在進行相關(guān)技術(shù)的研究，但與國外始終有著一定的距離。 3 研究內(nèi)容、實現(xiàn)方法以及需解決的關(guān)鍵問題 3.1 研究內(nèi)容 牽引技術(shù)，是目前最常用的骨骼治療方法。牽引裝置，即利用懸垂物的重量為作用力，自己身體的重量的反作用力，實現(xiàn)肢體的拉伸，以達到鍛煉的目的，還能整復四肢關(guān)節(jié)，并能預防和矯正軟組織攣縮，以及對某些疾病術(shù)前組織松懈和術(shù)后制動的一種治療方法。 本課題是屬于研究設(shè)計類的課題，主要內(nèi)容涉及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳動機械設(shè)計。在一定醫(yī)學理論知識的支撐下，需要對成年人體的上、下肢部分結(jié)構(gòu)，尤其是骨骼部分的結(jié)構(gòu)有一定的了解，目的是這將以助于在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相關(guān)制作材料的選擇。同時還需要對于四肢關(guān)節(jié)的基本活動形式有所了解，這樣在進行四肢固定的時候才能夠更加的準確無誤，同時可以進行適當?shù)幕謴突顒?。在機構(gòu)的基本設(shè)計完成以后，要進行行程模擬，防止各個機構(gòu)之間的相互干預，這符合人體的運動規(guī)律。 考慮到核心部分活動板需要與人體四肢直接接觸，這將對材料的選擇提出更高更精細的要求，要有一定的剛度、強度和韌性，能夠承受一定范圍的重力作用，其次材料要求與人體長時間的接觸并不會損害到人肢體的皮膚以及骨骼。該機構(gòu)的其余架構(gòu)部分可采用使用較為廣泛的45號鋼和價格低廉的鑄鐵制造。 最后還需適當考慮骨骼牽引機構(gòu)的使用舒適度。因為骨骼牽引一般的牽引的使用周期都在三個禮拜左右，時間較長，對于康復中的患者本來就是一種負擔，所以在滿足工作條件后，要盡量地保證患者進行牽引時的舒適程度，通過加裝內(nèi)飾墊等方法增加舒適程度，減少患者的痛苦。 3.2 研究方法 在設(shè)計前期，需要查閱相關(guān)資料，對各種元器件的工作原理和特性進行深入分析，了解其對工作環(huán)境的要求。在此基礎(chǔ)上，合理對各元器件進行安排布置以適應不同尺寸的器件。執(zhí)行機構(gòu)應增加閉環(huán)反饋的設(shè)計，以達到高精度、高可靠性的目的。對于檢測部件，要根據(jù)其相關(guān)特性進行合理排布，并通過實驗來檢測其工作特性，根據(jù)需要不斷調(diào)整各部件的位置和間距，最終達到理想的工作效果。 濾波是過濾掉病人肌肉之間運動的干擾，保證sEMG的質(zhì)量，特征提取和特征分類是肌電控制的核心內(nèi)容，模式分類的性能決定了控制系統(tǒng)的性能。然后根據(jù)模式分類得到病人的動作模式后，發(fā)送指令脈沖，控制牽引機構(gòu)做出適當?shù)膭幼?。最后牽引機構(gòu)通過主電機帶動伸縮桿帶動活動板，實現(xiàn)帶動病人肢體的運動，從而達到康復治療的效果，形成一個動作控制模式系統(tǒng)。 3.3 課題擬解決的關(guān)鍵問題 本課題為一項將醫(yī)學與機械理論相結(jié)合，設(shè)計出一個骨骼牽引機構(gòu)。前期，在閱讀和搜集大量的與四肢關(guān)節(jié)骨牽引機構(gòu)相關(guān)的文獻資料以后，銅鍋與導師及師兄們的探討，初步擬定了設(shè)計方案，在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)了最主要的并需解決的關(guān)鍵問題為骨骼牽引機構(gòu)的是否可拆以及是否方便攜帶的問題，若能將這兩個問題在最后的設(shè)計中加以改進，將是一個質(zhì)的突破，為醫(yī)生、患者、正常人帶來無比的方便。 4 擬采取的技術(shù)路線、進度計劃、預期結(jié)果 4.1 技術(shù)路線 (1)采用適當?shù)难芯款惐确椒?，搜集、參考、查閱大量的相關(guān)文獻資料，確定骨骼傳動機構(gòu)的運動功能； (2)制定骨骼牽引機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案； (3)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案繪制零件圖，再將零件進行裝配，進而得到總裝配三維實體圖； (4)對關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)進行有限元分析； (5)檢查并完善機構(gòu)設(shè)計； (6)撰寫畢業(yè)設(shè)計論文； 4.2 進度計劃 第1周：接受課題、熟悉了解骨骼牽引機構(gòu)的基本概念； 第2—3周：進行相關(guān)文獻資料的搜集和整理，明確設(shè)計的思路以及主要設(shè)計方向，明確工作原理；編寫開題報告； 第4—6周：了解機構(gòu)的運行狀況，三維設(shè)計及程序仿真，使其符合運行過程； 第7—10周：詳細設(shè)計，查漏補缺，進行運動模擬； 第11—13周：對部分結(jié)構(gòu)進行選型及計算，進行有限元分析； 第14—16周：撰寫修改論文，制作PPT準備答辯。 4.3 預期結(jié)果 （1）完成骨骼牽引機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計； （2）完成骨骼牽引機構(gòu)的總裝配三維圖繪制以及關(guān)鍵零件圖繪制； （3）完成骨骼牽引機構(gòu)關(guān)鍵零件的特性分析并撰寫畢業(yè)論文報告。 參考文獻 [1] Fengfa Lang, Yinjie Cao, Hui Huang, Yan Wang, Pengpeng Yu, Xinghai Xie. 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所設(shè)計的骨骼牽引機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,解決了肢體能夠得到康復鍛煉以達到牽引治療的難題。,牽引技術(shù)的理論基礎(chǔ),現(xiàn)代康復牽引技術(shù)是實現(xiàn)康復鍛煉和治療目的的一種治療方法。這種技術(shù)中的牽引力可通過手動施加或者機械電器裝置進行施加，通過以上方法將外力施加于患者的脊柱或者四肢，使脊柱或四肢關(guān)節(jié)組織發(fā)生一定的活動，達到適當?shù)臓恳屠熳饔谩?牽引療法的治療作用包括：消除部分肌肉腫痛、緩和痙攣狀況；緩解組織的各種粘連、牽引拉伸各韌帶關(guān)節(jié)；擴大各關(guān)節(jié)的活動范圍、改良或恢復脊柱的生理彎曲功能；擴大脊椎的間隙和增加椎間孔以及椎管面積，緩解椎間盤內(nèi)的壓力，解除神經(jīng)上的刺激和壓力；,在患者病人進行手術(shù)過后的康復治療過程中，目前多使用的是牽引技術(shù)，主要用于牽引脆弱的關(guān)節(jié)等部位。而在康復保健過程中，多用到牽伸技術(shù)，主要作用于人體的脊椎、脊柱和腰間椎，作用力通常為軸向的作用力，見下圖。,保健康復過程中的牽伸技術(shù)的受力一般則為切向受力，見下圖。,骨骼牽引機構(gòu)的組成,隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展，許多具有優(yōu)秀性能的零部件均能夠生產(chǎn)出來，進而裝配成理想的機構(gòu)。 本次設(shè)計的骨骼牽引機構(gòu)主要由：長桿、圓柱扶手桿、扶手架、腳墊、支撐板、活動板、電機、電機附件、驅(qū)動連桿、擋板和多個螺栓組成。,零件材料的選擇,考慮到生產(chǎn)工藝性的各項要求，選取45鋼和硬鋁合金為主要材料。 采用45鋼加工制造的零件有：長桿、腳墊、扶手架、圓柱扶手桿。 采用硬鋁合金加工制造的零件有：支撐板、活動板。 45鋼在現(xiàn)代生產(chǎn)制造行業(yè)內(nèi)用用極為廣泛。45鋼可通過一些熱處理的方法實現(xiàn)良好的強度和較好的切削加工性要求。 為了減少患者感染的風險同時又要滿足機械性能，支撐板和活動板不選用45號鋼，由于與患者的肢體直接接觸，不能單方面的考慮結(jié)構(gòu)和制造成本方面的需要，所以選用了硬鋁合金。 硬鋁合金具有很多的優(yōu)質(zhì)品質(zhì)，比如密度較低，強度較高，塑性較好，有很好的導電性、導熱性和抗腐蝕性，在工業(yè)制造中應用極其廣泛。,主要參數(shù)的確定,經(jīng)過去病房的實地考察，確定出該醫(yī)院病床的床桿長650mm，床身長450mm。為了能夠讓各種患者的肢體能夠妥善的放在上層支撐板上，決定將上層支撐板與腳墊和地面的高度定在450mm左右。四根長干的高度統(tǒng)一，經(jīng)過有效的調(diào)研和計算，長桿的長度取為550mm，決定二層板的高度比上層板低200mm左右，這個距離是為了讓電機附件和驅(qū)動連桿能夠毫無干涉地進行運動。成年男子的大腿最寬可達180mm，活動板又要與人體想接觸，中間必然要放置一些襯墊等隔離屋，而且擋板也要與人體相接觸，所以決定留下約250mm的空間，足以放置肢體和墊子等。,整體方案的確定,主框架結(jié)構(gòu)采用框型，由四根長桿、四個腳墊、一個圓柱扶手桿和兩塊扶手架組裝而成。第一層支撐板的四個邊角有與螺紋孔嚙合的伸出卡槽，中間有兩個燕尾槽和一塊鏤空的區(qū)域，這塊區(qū)域用來放置活動板，燕尾槽中用來放置擋板。下層也是一塊支撐板，結(jié)構(gòu)與上層板類似，功能為放置電機，板上設(shè)有螺紋孔，與標準電機進行裝配。電機還有電機附件，與驅(qū)動連桿相連，帶動上層活動板，進而起到上下活動的作用。,零件圖分析,本次設(shè)計所采用的零件結(jié)構(gòu)、功能簡單。主要介紹以下幾個零件：,由于要與人的肢體直接接觸，所以其加工所用材料為硬鋁合金。有圖清晰可見，這塊板分為三個部分，左右兩個部分為防止固定板的位置所在，作用是固定放置在中間的患者肢體，中間部分則是一塊空缺，是用來安裝活動板的?；顒影宀⒎侵苯雍附釉谥伟迳希瑸榱四軌蜻_到上下運動的目的，巧妙地采用一個標準件的鉸鏈，將活動板與上層支撐板相連接。牽引力可由定滑輪上的重物隨意配置，以滿足不同使用者的要求。定滑輪裝置與平面角度定位45度。,活動板是整個機構(gòu)的核心，因為該部分用來放置病人的受傷肢體，考慮到這點，其材料采用硬鋁合金，具有一定的強度和脆性，與人的肢體長期接觸也不會發(fā)生發(fā)炎或者腐爛等不良現(xiàn)象。 由于是主要受力的部位，所以也要對其進行有限元的分析，看是否達到強度的要求。,機構(gòu)的裝配,首先需要將骨架裝配好，先將長桿與腳墊用螺栓固定好，接著將扶手板與圓柱扶手桿配合，將扶手板與長桿配合。 再將兩層支撐板上的零件裝配完成，上層板中的擋板與燕尾槽進行轉(zhuǎn)配固定，活動板用標準件鉸鏈進行連接。下層板上的電機通過螺栓與下層板連接固定，再連接好驅(qū)動連桿，上端接上活動板。 最后將兩塊板通過卡槽與長桿上對應的螺栓孔相連接，固定。,機構(gòu)的調(diào)試,調(diào)試的內(nèi)容包括：圓柱扶手桿和腳墊的固定情況、電機帶動活動板運動時是否會與上層板發(fā)生干涉，驅(qū)動桿是否轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。調(diào)試工作是整個工藝的最后一步，是一道關(guān)鍵的工序，必須引起重視。 通過系統(tǒng)的分析，腳墊與地面之間的摩擦力足以能夠使整個機構(gòu)穩(wěn)定下來，能夠保證機構(gòu)的穩(wěn)定性，可供使用者正常使用。 當電機運轉(zhuǎn)，帶動驅(qū)動連桿，能夠完整的運動，不會發(fā)生任何干涉，活動板也可以靈活自由上下活動，并且不會與上層板之間發(fā)生任何干涉，符合使用要求。,機構(gòu)的模型及視圖,所設(shè)計出的骨骼牽引機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，所采用的零件均是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的通用零件。,經(jīng)過繪制，畫出了機構(gòu)的三視圖。,2.課題難點,,課題的難點在于如何才能實現(xiàn)所要求的牽引功能，其理論與現(xiàn)實依據(jù)如何尋找，怎樣才能將康復治療與機械結(jié)構(gòu)的運動恰當結(jié)合已達到任務書中康復治療的要求是本次設(shè)計中的最大難點。 其次，如何才能實現(xiàn)機構(gòu)的運動，怎樣才能將機構(gòu)的運動在沒有任何其他零件干涉的情況下實現(xiàn)是具體設(shè)計過程中又一大難點。,3.課題創(chuàng)新點,整個骨骼牽引機構(gòu)的創(chuàng)新點在于便攜與拆裝的改進?，F(xiàn)代生活中越來越重視空間的重要性，在不使用的情況下，可對機構(gòu)進行拆卸，然后進行放置，最大程度的節(jié)省了空間。 同時兼?zhèn)浜唵五憻捁δ芙档土藸恳委煹碾y度，能夠使病人患者或者老年人得到最適當?shù)目祻湾憻?，有助于患者更好的恢復?此次十七周的畢業(yè)設(shè)計是我大學中為期最長的一次作業(yè)，我的課題要求涉及到大量的專業(yè)知識，例如控制、機械設(shè)計、機構(gòu)傳動、電機、電工電子等等。一次畢業(yè)設(shè)計任務便將我這4年所學的知識都串聯(lián)在了一起，使我對我的專業(yè)有了新的認識，同時也讓我溫故了以前學的知識。 本次畢業(yè)設(shè)計的順利完成離不開程武山老師對我的指導。在整個課題的設(shè)計和論文的編寫過程中，程老師給了我許多啟發(fā)、幫助以及建議，衷心地感謝他在我畢業(yè)設(shè)計過程中給予的關(guān)心和支持。,4.課題總結(jié)與致謝,感謝觀看 THE END 答辯人：張亞飛,上海工程技術(shù)大學 畢業(yè)設(shè)計（畢業(yè)論文）任務書 畢業(yè)設(shè)計(論文)題目 一種骨骼牽引機構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn) 學 院 機械與汽車工程學院 專 業(yè) 機械工程 學生姓名 張亞飛 學號 011115170 指導教師 程武山 職稱 教授 任務規(guī)定進行日期 自 2018 年 12 月 17 日起，至 2019 年 5 月 7 日止 一、畢業(yè)設(shè)計(論文)的目的、要求 目的：骨骼牽引機構(gòu)是目前迅速發(fā)展的一項先進醫(yī)療器械。是將現(xiàn)代先進的機械結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代設(shè)備和醫(yī)學治療理論相結(jié)合的一種新型機械裝置。本課題目的為設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)骨骼牽引與拉伸治療機構(gòu),讓手術(shù)后的患者或者需要進行康復治療的病人可以更方便地進行受傷四肢的牽引拉伸,從而使上、下肢能夠得到及時以及適當?shù)目祻湾憻?，達到康復治療的目的，讓病人得到更好的治療，進而彰顯科技、醫(yī)學與機械相結(jié)合帶來的好處。 要求：（1）使用安全性要求：手術(shù)后的病患或者需要康復治療的病患往往處于很脆弱的階段，所以在治療的時候咬格外的注重安全性能，只有安全性的到了保障，才能夠使得四肢牽引機構(gòu)真正的發(fā)揮作用。（2）機械結(jié)構(gòu)的要求：由于設(shè)計的主要針對對象是患者的四肢，首先要符合人體上肢和下肢的生理結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計要符合人體工學，保證運動部分的機械設(shè)計要符合各個關(guān)節(jié)的運動角度，以免運動幅度過大造成損傷。（3）操作便利性要求：骨骼牽引機構(gòu)的使用對象不僅局限于醫(yī)院中的患者，發(fā)展趨勢要求該機構(gòu)能夠進入家家戶戶，為需要康復治療的人帶來便利。所以要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)更加簡潔，便于拆卸、攜帶、操作。 JWC-SJ-BY-18-03 二、主要工作內(nèi)容 （1）收集和查閱有關(guān)骨骼牽引機構(gòu)的特點和性能資料，編寫開題報告； （2）制定骨骼牽引機構(gòu)的總體設(shè)計方案； （3）分析制定骨骼牽引機構(gòu)的總體架構(gòu)，選擇合適的選型以及核心部件、部分零部件進行分析計算； （4）繪制骨骼牽引機構(gòu)的總裝配三維模型圖和部分關(guān)鍵零件圖； （5）撰寫畢業(yè)論文。 三、主要技術(shù)指標（或主要論點） 技術(shù)指標： （1）骨骼牽引機構(gòu)的工作原理(擬定設(shè)計方向為上，下四肢)。 （2）對于設(shè)計機構(gòu)進行自由度的測試以及舒適度調(diào)整。 主要論點： （1）論述骨骼牽引機構(gòu)國內(nèi)外未來趨勢、發(fā)展方向。 （2）論述骨骼牽引機構(gòu)，即主要針對實現(xiàn)上、下四肢牽引中的使用總體設(shè)計方案、設(shè)計方向和主要思想。 四、進度計劃 第1周：接受課題、熟悉了解骨骼牽引機構(gòu)的基本概念； 第2—3周：進行相關(guān)文獻資料的搜集和整理，明確設(shè)計的思路以及主要設(shè)計方向，明確工作原理；編寫開題報告； 第4—6周：了解機構(gòu)的運行狀況，三維設(shè)計及程序仿真，使其符合運行過程； 第7—10周：詳細設(shè)計，查漏補缺，進行運動模擬； 第11—13周：對部分結(jié)構(gòu)進行選型及計算，進行有限元分析； 第14—16周：撰寫修改論文，制作PPT準備答辯。 五、主要參考資料（外文資料至少一篇） [1] 杜勇 智能護理輪椅系統(tǒng)的研究與設(shè)計 [J] 電子技術(shù)設(shè)計與應用 2018.8 [2] 劉福民 等 一種新型緊急救護搬運椅 [J] 河北農(nóng)機 2018.9 [3] 劉紅亮 雙臂手救援工程機械轉(zhuǎn)臺設(shè)計與優(yōu)化 [D] 大連理工大學 2012.6 [4] 李森林 等360度翻轉(zhuǎn)筆記本電腦轉(zhuǎn)軸力學性能研究及優(yōu)化 [J] 中國水運 2018.10 [5] 顧綺芳 一種坐臥變換式輪椅的設(shè)計 [J] 電腦知識與技術(shù) 2018.8 [6] 白建軍.多功能護理服務機器人的設(shè)計與研究[D].南昌大學，2010. [7] 劉倩倩. 多功能護理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學分析[D]. 中國地質(zhì)大學(北京), 2011. [8] 陳琛.基于用戶體驗的多功能醫(yī)療護理床設(shè)計研究[D].湖北工業(yè)大學,2014. [9] 張渤海. 多功能康復床的設(shè)計與研究[D]. 天津科技大學, 2009. [10] 劉宇，趙京，李謙.多功能護理翻身床的設(shè)計[J].《機械設(shè)計與研究》，2008，24（05）:125-128. [11] Fengfa Lang, Yinjie Cao, Hui Huang, Yan Wang, Pengpeng Yu, Xinghai Xie. The design of automatic flipping-body nursing bed[P]. Artificial Intelligence, Management Science and Electronic Commerce (AIMSEC), 2011 2nd International Conference on,2011. [12] TODOH Masahiro Development of Electric Wheel Chair with Active Seat for Level Holding [J] J-stage 2005 學生簽字 日期： 年 月 日 指導教師簽字 日期： 年 月 日 系（教研室）審批意見： 系（教研室）（簽名）： 院領(lǐng)導審核意見: 院領(lǐng)導（簽名）： 注：本表雙面打印，限2面。 文獻翻譯 一種骨骼牽引機構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn) 摘 要 定位支架可以幫助外科醫(yī)生定位并鎖定內(nèi)窺鏡工具，而無需輔助外科醫(yī)生。定位支架的運動結(jié)構(gòu)包括兩個主要部分，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點周圍進行球形運動。已經(jīng)為腕部機構(gòu)開發(fā)了同心多連桿球形接頭設(shè)計。進行尺寸合成以最小化手腕的整體尺寸并且還使角度移動的范圍最大化。定位臂的類型合成導致SCARA配置，作為平衡且易于移動的臂配置，定量?；诳蛇_到的工作空間和臂的可操作性，執(zhí)行臂的尺寸合成，目的是最小化其整體尺寸。手腕和手臂的整合是通過優(yōu)化手腕的方向來實現(xiàn)的，使得手腕和外科醫(yī)生的工作空間之間的干涉最小化。 關(guān)鍵詞：定位，定量，平衡移動，腕臂整合 1 介紹 與開放手術(shù)相比，內(nèi)窺鏡手術(shù)作為一種侵入性較小的手術(shù)方法對于患者具有許多優(yōu)點，例如;恢復時間更短，感染風險更低，住院/費用減少。另一方面，間接視力，有限的手部運動和缺乏力感測，以及持有長工具的疲勞姿勢使得外科醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)成為非常困難的任務。因此，與開放手術(shù)相比，外科醫(yī)生具有一定的靈活性和能力。 腹腔鏡手術(shù)是內(nèi)窺鏡手術(shù)的一個特定分支，在腹部進行，內(nèi)窺鏡工具通過腹壁上的切口點和套管針，因此可以到達手術(shù)部位。腹壁作為運動控制條帶作為樞轉(zhuǎn)點，外科醫(yī)生必須以球形配置移動工具（即3自由度切口點周圍的角運動和一個平移DOF）。這種球形的工具運動是腹腔鏡手術(shù)的固有和主要條件，在進行任何工具和系統(tǒng)的分析或設(shè)計之前應該特別注意。在本文中，目標是被動定位支架的最佳設(shè)計，可用于定位和鎖定工具/內(nèi)窺鏡（如以下第I項所述），但是設(shè)計可以進行修改和升級，以滿足更高的要求和機器人應用程序（即項目II）： I- 機械被動支架：有商用設(shè)備可以簡單地固定手術(shù)工具[例如Andronic Devices Ltd.，USPat.No。：5,104,103]。然而，這里描述的多臂被動支架為外科醫(yī)生提供全面支持[Faraz，June 95]如下：a）定位和鎖定內(nèi)窺鏡工具和攝像機，b）為sur geon提供休息框架，c）帶有傳感器的編碼接頭可以與計算機連接，用于支架的運動建模，用于手臂，手腕和工具的圖形表示，以便更好地觀察腹部以及訓練目的。 II- 帶有驅(qū)動的定位支架：在這種定位支架中，腕部末端執(zhí)行器在工具的移動或鎖定中具有主要作用。如果手腕被驅(qū)動和控制，它可以提供許多新功能，例如將工具自動重新定位到先前存儲的位置[Faraz，May 95]（例如，用于將內(nèi)窺鏡視角改變?yōu)橄惹按鎯Φ姆较颍例如AESOP comcial系統(tǒng)由Computer Motion Inc.，Goleta，Ca。，USA.l [也是Taylor 95]，或通過外科醫(yī)生的簡單頭部運動控制內(nèi)窺鏡視圖[例如英國Beaconsfield的Armstrong Projects Ltd.的EndoSista商業(yè)系統(tǒng)）[芬利，5月95日）。另一種類型的驅(qū)動手腕是遠程操作系統(tǒng)，手腕作為從動裝置由主臂控制，該主臂由外科醫(yī)生移動[Faraz，June 95]。下一節(jié)將介紹該類型/大小的合成定位臺。腕部機構(gòu)的類型和尺寸在2.1節(jié)中合成，并且在2.2和2.3中針對臂機構(gòu)執(zhí)行相同的步驟。 2 支架的運動學綜合 定位支架的功能包括兩個主要任務：1）將腕部末端執(zhí)行器和工具定位在切口點上，以及2）使工具穿過切口點朝向手術(shù)部位。 在制作切口點時，主要在手術(shù)開始時進行定位，同時在整個過程中形成通過切口點定向工具。這兩項任務在運動類型方面（即理想地定位平移和定向工具的旋轉(zhuǎn)）以及它們在程序期間的應用都是不同的。因此，優(yōu)化設(shè)計不僅應該能夠執(zhí)行兩個任務，而且還能最小化或消除用于運動的手臂和腕關(guān)節(jié)之間的任何相互依賴性。為了實現(xiàn)這一點，定位機構(gòu)（手臂）和定向機構(gòu)（手腕）應該在運動學上依賴于單獨的機構(gòu)。在以下部分中，首先是手腕，然后是手臂機構(gòu)，其類型和尺寸分別合成。 2.1 手腕Endeffector 在laparoscopic手術(shù)切口點的運動學約束允許：a）切口點處的兩個DOF角度運動，在距離垂直對稱軸±70°的范圍內(nèi)，b）圍繞工具縱軸的一個旋轉(zhuǎn)DOF， c）進出腹部的一個直線運動DOF。這種球形運動的球形結(jié)構(gòu)是腹腔鏡手術(shù)所固有的，任何手腕設(shè)計的設(shè)計都應該能夠提供手術(shù)所需的這些自由度[Nagy 94]。這意味著手腕在切口點應具有與球形關(guān)節(jié)相同的DOF，以及通過切口點的線性運動。任何其他運動配置必須依賴于至少兩個或更多個軸的同時移動和控制來模擬球形配置的任何移動[例如，由Motion Motion Inc.，Goleta，Ca.，USA。的AESOP單元]。 2.1.1 手腕的類型合成 根據(jù)手腕的要求，類型合成僅限于那些可以提供球形運動的機制，如下所示： I- 球形關(guān)節(jié)：這是一種帶有套筒球形設(shè)計的球形關(guān)節(jié)，工具穿過關(guān)節(jié)中心然后穿過切口點（圖1）。 優(yōu)點：I）這是一款小巧輕便的設(shè)計，2）移動部件數(shù)量最少，3）設(shè)計制造簡單。 缺點：1）低角度運動范圍（遠小于±70°的要求范圍），2）旋轉(zhuǎn)中心不在切口點，而是在其上方的距離h（圖1）。由于腹壁的約束，這使得在球形關(guān)節(jié)內(nèi)圍繞切口點旋轉(zhuǎn)工具的困難，以及 3）在致動腕部的情況下，圍繞關(guān)節(jié)的三個旋轉(zhuǎn)軸致動套筒球是不可行的。 II- 球形連桿：在這種設(shè)計中，連桿是具有相同半徑的圓弧形狀，并且所有關(guān)節(jié)軸都穿過切口點所在的中心點。為了提供兩個自由度運動，可以設(shè)計一個四桿球形連桿系統(tǒng)（圖2）。 優(yōu)點：1）這提供了切口點處的球形運動，以及2）足夠的角度運動范圍（±70°）。 缺點：1）不是剛性的，特別是當機械結(jié)構(gòu)延伸到極端角度時，2）容易堵塞并且由于關(guān)節(jié)清晰和鏈接在負載下的不對中而難以操縱，以及3）需要龐大/巨大的接頭和連桿in或der以增加剛性并減少堵塞效應。 同心多連桿球形關(guān)節(jié)：這種設(shè)計由六個連桿和八個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，并且在切口處精確地模擬球形關(guān)節(jié)（圖3），在任一方向上具有大的角度范圍。相互之間的聯(lián)系比例和關(guān)節(jié)位置是這樣的，即工具的方向始終朝向修正點O [Hamlin 94]。因此，可以使工具在三個垂直方向（即X，Y和Z軸，圖3）中圍繞點O旋轉(zhuǎn)，就像球形接頭一樣。通過比較上述三種類型的手腕機構(gòu)并考慮到每種類型的手腕機械的缺點，同心多連桿球形關(guān)節(jié)作為更好類型的手腕末端執(zhí)行器具有多種優(yōu)點，因此它的尺寸在下一部分中合成。 圖1：帶球形關(guān)節(jié)的手腕 圖2：帶有球形連桿機構(gòu)的手腕。 2.1.2 手腕的尺寸合成 要確定機構(gòu)的大小和幾何形狀，首先需要指定以下參數(shù)：L1，L2，L3，L4和￠，（圖3）。應按順序滿足以下等式約束方程 8 同心多連桿球形接頭設(shè)計[Hamlin 94]功能：tan￠，= t',, L4 = 3 可以看出，尺寸L2在機構(gòu)的運動學功能中不起任何作用。然而，稍后將顯示尺寸L2 在機理的動力學和準的大小中是重要的 在外部載荷的作用下作用在其關(guān)節(jié)上的靜力。讓我們考慮關(guān)節(jié)A和H被鎖定以防止機構(gòu)運動的情況（圖3）。例如，將外部力矩M應用于連桿GE。為了找出關(guān)節(jié)對外部載荷的反作用力，我們可以寫出鏈路CDE和FDB的平衡方程。因此，為了避免極端的聯(lián)合力，我們必須限制鏈接比f;。這里，關(guān)節(jié)力的比例 為了不超過關(guān)節(jié)強度安全系數(shù)，最多2被認為是可接受的，這導致鏈節(jié)尺寸比的約束，這種優(yōu)化的目的是盡可能地減小腕部機構(gòu)的整體尺寸。 相當于這種平面設(shè)計，Neisius（94）也提出了一種平面臂機構(gòu)，用于相同的功能，沒有任何細節(jié)。Taylor（95）提出了一種幾何上的平行四邊形多連桿系統(tǒng) 此外，這兩個系統(tǒng)[Taylor 95，Neisius 94]都被設(shè)計并打算用作單臂支架。因此，這些設(shè)計（如作者所描述的那樣，作為手臂操縱器）不能被視為類似于此處所提出的設(shè)計的末端執(zhí)行器或腕部機構(gòu)，其僅被設(shè)計為腕部機構(gòu)，其中可以安裝其中的幾個。在同一個有限的工作空間內(nèi)使用的多臂架 圖3：同心多連桿球形接頭 2.2 定位臂 類型合成臂的設(shè)計的一般要求，作為多臂架的被動機械連桿系統(tǒng)[Faraz，May 95] [Nagy 94]，是：a）作為平衡機構(gòu)，b ）可以用手輕松移動，c）可以鎖定在任何所需的位置，d）占用操作區(qū)域的最小空間，不干擾外科醫(yī)生的工作區(qū)域，e）不干擾操作區(qū)域內(nèi)的其他類似手臂。 每種形式的定位任務都有無限的機制可能性。在Funda（94）的HISAR手術(shù)機器人等定位支架和機械手中，冗余軸包含在單臂的設(shè)計中。這可以提供更大的靈活性和更大的自由度來移動手臂。另一方面，冗余軸可以使系統(tǒng)更重，更笨重并且更難以操縱，因為任何附加軸需要在該軸之前更強和更重的接頭/連桿（因此更高的慣性，質(zhì)量，重力和摩擦力）。這里軸的數(shù)量盡可能少，并且如果由于某些特定要求而必要時可以添加冗余軸。 基本上將機械手/機器人的末端定位在三維空間中，需要至少3度的自由度。表（1）顯示了具有旋轉(zhuǎn)和/或棱柱接頭的3軸臂的類型合成的不同示意性配置。 根據(jù)上述要求a）至e），表（1）中有幾種機制可被視為良好的候選者，如No.12,13和No.12和13是三個棱柱關(guān)節(jié)臂（PPP）的不同配置，X和Z軸是水平的，因此可以輕松移動（因為重力）力在這些運動方向上沒有任何組成部分）。此外，Y軸可以通過使用彈簧系統(tǒng)（例如重量滑輪/氣動重量補償器/電動機平衡系統(tǒng)）或使用自鎖導螺桿來平衡，因為沿Y軸的移動不經(jīng)常執(zhí)行。12號和13號的缺點是棱柱形接頭可能變得笨重/塊狀，并且可能比旋轉(zhuǎn)接頭引入更高的摩擦力/慣性力。此外，兩種設(shè)計都是架空安裝，從便攜性，易于安裝和維護的角度來看，這使得它們的吸引力降低。 另一方面，設(shè)計No.41是（PRR）SCARA配置，其中兩個旋轉(zhuǎn)接頭沿垂直Y軸平行。手臂自然平衡，可以在與手術(shù)臺表面平行的水平面上移動。臂的連桿可以選擇為短而輕，具有旋轉(zhuǎn)接頭，這對于手動運動產(chǎn)生低摩擦。所有這些使得SCAR配置對于這個應用非常有吸引力（但是，不是唯一可能的解決方案），這將被考慮尺寸合成在下一節(jié)中。 表1 - 3DOF臂的示意圖 2.3 臂的尺寸合成 通常，可以選擇具有500×350mm矩形形狀的操作工作空間，其可以被均分為每個臂（左和右）的兩個250×350的區(qū)域。外科醫(yī)生位于手術(shù)臺的手術(shù)側(cè)，用手握住每只手臂（圖8）。外科醫(yī)生通常應該能夠輕松地將手臂操縱到期望的位置，并且手臂的尺寸應該允許它們到達其整個工作空間。為了滿足這些要求，在接下來的兩節(jié)中，研究了臂的可操縱性和可達性的兩個主要主題。 2.3.1 可操作性測量 外科醫(yī)生雙手易于移動被動臂不僅取決于每個關(guān)節(jié)處的摩擦力，還取決于手臂的構(gòu)型和連桿的大小。本節(jié)的目的是研究手臂的可控制性和操縱力的各向同性，以優(yōu)化手臂設(shè)計。 文獻中有幾個與我們的應用相關(guān)的著作，例如可操作性[Yoshikawa 85，Lee 93]，Kine matic Dexterity [Park 94]，以及操縱力的各向同性[Klein 91]。這些概念是基于操縱器的雅可比矩陣和矩陣的條件指數(shù)/數(shù)量而演變而來的。然而，雅可比矩陣的條件指數(shù)并不代表任何物理設(shè)計參數(shù)。在本節(jié)中，一個新的可操縱性測量（最大操縱力和最小操縱力的比率）被推導為調(diào)節(jié)指數(shù)的物理解釋，以及在關(guān)節(jié)處具有恒定摩擦扭矩的被動臂的特殊情況。 基本概念是在奇點處，機制的設(shè)計至少失去一個DOF，并且當Jacobian的行列式接近零時發(fā)生這種情況。對于兩個鏈接機制（圖4），雅可比行列式將是： 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。 非冗余機制的可操縱性度量（m）是雅可比決定因素的絕對值[Yoshikawa 85，Lee 93]：m = ldet（J）I。因此，在02 = 0和7r時，可操縱性將為零。當我們接近奇點時，由于缺乏各向同性（即在不同方向上操縱力的不均勻性），手臂也不容易操縱。 避免，但02 應限制在范圍內(nèi) 兩個連桿系統(tǒng)的可操縱性在可接受的范圍內(nèi)。為了表明這一點，讓我們考慮一下 關(guān)節(jié)扭矩關(guān)系：r = JT F，其中F是 施加在手臂末端的手力，角度￠（圖4）： (4) 接頭1和2處的反作用力矩基本上是庫侖摩擦力矩（例如主要是由于接頭氣動制動器的密封圈），它們的最大極限可以認為是Tmax 通過產(chǎn)生足夠的扭矩（rmax）來移動（在任何方向上）關(guān)節(jié)1或2，取決于作用力F與關(guān)節(jié)的正常距離（圖4）。要找到移動手臂的最小和最大力，請考慮以下情況： I) 案例OA> AB：在這種情況下，關(guān)節(jié)1是第一個移動的關(guān)節(jié)，因為它具有來自操縱力的最長臂（即OA，圖4）。為了找到可以移動關(guān)節(jié)1的最小力（Fmin）的大小和方向，我們有（從方程（4））： T1 = Tmax =常用￠，[ l1sin81 + l2sin（82 - 01）] + F罪￠L1 + L2，[因為81 cos（82 - 01）] 由于L1 sin01 = = L2s in（02 - 01）（=圖4中的BC），因此上述等式簡化為： 圖4：作用在臂上的操縱力 2.3.2 可達性優(yōu)化 本節(jié)的目的是最小化臂的尺寸，同時它仍然可以達到350 x 250mm的操作區(qū)域，受操縱/方向約束為135° 這種優(yōu)化的變量是手臂的基礎(chǔ)位置（a和b），以及手臂的連接（1英鎊和2英鎊，圖6）。對于給定的位置和連接變量。臂（ABC）到達最遠點（M或N），然后：R（0 2 = 60°）\ 2：MAX（AMorAN），這導致要到達最近點。 以及，這兩個不等式約束確保臂可以到達其工作空間中的所有點而不違反可操縱性約束135°。 圖5：Fmax / Fmin VS.02 此優(yōu)化的目標函數(shù) 圖6：手臂的變量（a，b，L1 , 和L2） 是為了最小化手臂的整體尺寸。實現(xiàn)此目的的一種方式是通過最小化基點A距工作空間的中心點的距離（即點0，圖6）。 2.3.3 手腕方向 為了最小化手腕機構(gòu)在手術(shù)區(qū)域內(nèi)的手部運動干擾，理想情況下，希望手腕（W）的方向始終指向外科醫(yī)生的S點（圖7）。換句話說，當切口點（C）被認為是[Nagy 94]之間的中心點時，最好使腕機構(gòu)（W）處于這樣的方向，即它總是位于外科醫(yī)生的另一側(cè). .理想地，關(guān)節(jié)D可以是交流關(guān)節(jié)，因此可以基于手臂的構(gòu)造來控制角度α，使得手腕W總是指向外科醫(yī)生而C點移動。 另一方面，如果工作空間中的整個工作范圍的方向偏差在可接受的范圍（例如±45°）內(nèi)，則關(guān)節(jié)D可以被認為是具有恒定角度α的固定關(guān)節(jié)。這個 可以通過找到a，/ 3和的修正值來驗證 L當C位于操作區(qū)域的中心而Wis指向S（其中Xs = 0且Ys = 500）。使用a，b，L1 , L2 和W的優(yōu)化值 前面的部分，并使用基本的幾何分析，我們可以得到：a = 58°，/ 3 = 27°，L;= 228如圖7所示，手腕的方向基本上沒有偏離（對于操作區(qū)域的極點（例如，點M，N，Q和R），最大值為±45°。手腕W也不會干擾當接近Y的對稱軸時，另一個臂的操作區(qū)域。因此對于被動定位臂，在D處以恒定角度α的固定接頭可以被認為是最佳的并且也是最簡單的解決方案。 圖7：手腕朝向點S的方向 3 總結(jié)和結(jié)論 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。由于腕部和手臂執(zhí)行的單獨任務，以及使它們在運動學上獨立/分離，它們被設(shè)計為單獨的機構(gòu)。 手腕：由于球面運動要求和腹腔鏡手術(shù)中工具運動的性質(zhì)，手腕必須模擬切口點處的球形運動。為此，發(fā)現(xiàn)同心多連桿球形接頭是最合適的機構(gòu)。手腕的尺寸合成是通過最小化手腕的整體尺寸以及最大化其運動范圍來實現(xiàn)的。 手臂：為了手動將手臂放在手術(shù)點上，它必須平衡，易于移動，占據(jù)最小的空間，并且不會干擾外科醫(yī)生的工作區(qū)域或其他類似的手臂。在這種情況下，SCARA配置被選擇為適合于手臂的類型，并且開發(fā)了用于被動操縱器的新操控性（方程11和14）。臂的尺寸合成通過最小化它們的整體尺寸同時滿足可制造性測量并且也達到所需要來進行 此外，腕部取向被優(yōu)化到這樣的角度，使得它相對于外科醫(yī)生在切口點的相對側(cè)上保持不礙事。這可以消除手腕與外科醫(yī)生工作區(qū)域和其他手臂的干擾。 在手臂和手腕的最終集成中，至少兩個集成臂可以并排工作而不會產(chǎn)生干擾，如SFU-ERL實施的系統(tǒng)所示（圖8）。此外，在更高的平面上的附加臂（以消除與前面提到的兩個主臂干涉的任何可能性）可以為諸如用于視覺系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡之類的其他工具提供定位可能性。實施的系統(tǒng)作為第一個正在進行實驗臨床試驗的多臂外科定位設(shè)備，顯示了實用的潛力，并提供了進行“單獨手術(shù)”所需的總體環(huán)境。 所提出的設(shè)計可以用于完整的機器人主干/手術(shù)遠程操作系統(tǒng)[Faraz，May 95]，手腕由外科手臂（在SFU-ERL開發(fā)中）移動的主臂致動/控制。 圖8：被動腹腔鏡支架。工作區(qū) 4 致謝 作者要感謝機器人和智能系統(tǒng)研究所（IRIS）的財政支持， A. 聯(lián)邦卓越中心網(wǎng)絡，以及Nagy博士為促進臨床評估所做的貢獻，以及SFU機械加工廠的開發(fā)。 5 參考 ? 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