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(dǎo)致SCARA配置，作為平衡且易于移動的臂配置，定量。基于可達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(fù)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(wù)。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(yīng)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(yīng)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(xùn)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(xué)綜合
定位支架的功能包括兩個主要任務(wù)：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(wù)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(yīng)用都是不同的。因此，優(yōu)化設(shè)計不僅應(yīng)該能夠執(zhí)行兩個任務(wù)，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(yīng)該在運動學(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。
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(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)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(dǎo)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(wù)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(wù)，以及使它們在運動學(xué)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(luò)，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)。
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