介入手术医疗机器人设计

介入手术医疗机器人设计

张乐彤，李文昱，张帅，国馨文

（青岛黄海学院 智能制造学院，山东 青岛，266427）

摘要：随着机器人技术的应用和发展,机器人技术逐渐应用到了医疗领域,介入手术作为医疗领域的一种重要手术方式，对精准度和稳定性的要求极高。为了满足这些需求，我们设计了一种用于介入手术的医疗机器人定位机械臂[1]。该设计旨在提高手术的精准度，降低医生的操作难度，为患者带来更好的治疗效果。如今，将机器人技术更好的应用于社会生产的各个领域已成为各行各业的研究重点。发展医疗机器人技术是涉及到多学科新型交叉研究领域，机器人技术在医疗方面的应用不仅将带动传统医学的发展同时也将带动新技术、新理论的发展。

关键词：机械臂；医疗机器人；精准度

0引言

介入医疗机器人是现代高新领域的治疗技术即用可视视屏影像将身体内部的情况反映出来再用定位机械臂操控仪器来完成手术作业。介入医疗手术使用数字技术，极大的扩大了医生观察的视野，借助机械臂和手术仪器延长了医生的双手，避免了医生在抛开人体对病人的二次伤害。

对于医学微创手术来说，平常医生的工作空间非常有限，对医生的操作水平也是一个极大地挑战，我们用医疗机械臂定位技术可以很好的解决上述问题，节省了医生的体力消耗，并且机械臂可以达到很高的精度。所以医疗机器人技术应将在未来的医学治疗领域得到更加广泛的应用和发展。

1介入手术医疗机器人总体设计

1.1介入手术医疗机器人的基本结构

介入手术医疗机器人定位机械臂的基本结构，主要由手臂和手腕两部分组成，其中手臂的作用是将手腕末端和手术器械送至规定的位置，而手腕的作用是通过自身姿态的调整是手术器械达到进行手术的方向。这两部分在手术中的运动方式不尽相同，因此应避免两部分的相互依赖关系。所以，定位机构和定向机构采用分离的方法独立运动[2]。大臂的作用是将手腕末端送到规划点，应至少具备3个自由度，为保证精确的尺寸链才能实现运动的连贯性。第一关节为旋转运动。第二关节为连杆滑块机构。第三关节通过连杆机构带动平行四边形的运动。三个关节的联动可以实现空间内的任意位置。一自由度手腕关节仅能调整一个方向姿态。三个自由度的手腕关节可以实现任意位置的姿态变化但是在实际操作中不需要绕血管的旋转运动[3]。电动驱动器使用广泛、功率高并且速度和精度比较容易控制。其中，电动驱动器可以分为直流电机、交流电机、伺服电机和步进电机。综合各种电机的特点，决定使用电机驱动，并且根据医疗环境的特殊要求选用直流伺服电机。

1.2介入手术医疗机器人的工作原理

介入手术医疗机器人的定位机械臂主要根据术前或术中的影像数据构建三维血管内外影像，通过建立空间参考坐标系以及对血管分叉处、角度、弹性、斑块特征的分析，并在手术过程中跟踪、定位介入手术器械，实现医生通过远程操作方式在导航系统引导下利用移动机械手臂操作导管导丝等介入器材为患者进行精确的血管介入手术，辅助医生高质量地完成手术操作。机械臂结构血管介入手术属于精细操作，因此血管介入手术机器人机械臂在完成把持、定位、推送、旋转导管等操作时，同样应具备很高的柔顺性和灵活性，同时完成任务需要多余个活动度，才能保证导管快速、安全传递到病灶区。

2 创新点

(1)机械领域的驱动机构设计不同

机械领域的驱动机构：气动驱动、液压驱动、机械驱动和电机驱动四个类型。

(2)介入手术机械医疗臂工作环境特殊

为了实现手术的简单化要求机械臂的灵活性机械臂最少需要三个自由度，可由P(移动关节)和R（转动关节）组成。查得医疗定位机械臂的参考数据如表1所示：

表1 定位臂结构及性能

我们对各种机械结构对比得知只有关节坐标结果可以通过后续关节设计以及对驱动结构的适当选择可以完成手术的各项要求，能承载2kg以上的重力，并且具有手术所要求的的高灵活性，在RRR结构的基础上设计机械手极其转动关节。

3结语

本文对介入手术机器人的定位机械臂进行了细致的分析研究。考虑到机械臂有手臂和手腕两部分组成，根据手术的不同要求，手臂的作用是将手腕与末端推进机构送到手术部位并进行定位。然后手腕通过自身姿态的调节使手术器械到达手术部位。

介入手术医疗机器人在现代医学领域具有广泛的应用前景，能够有效提高手术安全性、减少并发症、降低手术成本，并为医生提供更加灵活和精确的操作手段。目前，对血管介入手术机器人的研究方兴未艾，并取得了一定成绩。将机械臂引入到医疗手术中能够避免对医生身体的辐射损害，并能够增强手术的规范性，提高手术质量。因此，介入手术医疗机器人的研究具有重要的现实意义。

参考文献

[1]王天苗等医疗外科机器人的研究开发与产业化前景[J]机器人,2000,22(7):897-901.

[2]R.H.Taylor,J.FundaA telerobotic assistant for laparoscopicsurgery.Computer-Integrated Surgery,1996:581-592

[3]刘达等.面向微创手术的医疗外科机器人构型综合[J].机器人,2003,25(2):132-135.

作者简介

张乐彤，2004年7月，青岛黄海学院 智能制造学院 机械设计制造及其自动化专业 本科在读。

此文章为校级大学生创新创业训练项目：介入手术医疗机器人设计   项目编号：X202313320709   的阶段性成果。