介入手术医疗机器人末端执行器设计-学位论文.doc

济南大学毕业设计

毕业设计

题 目 介入手术医疗机器人末端
执行器设计
1 前言
随着社会的进步和科技水平的不断提高，人类对自身的健康给予了越来越多的关注。这使得医生不仅要在传统生理医学有所成就，还要学习应用医疗机器人，这为医疗机器人的研究提供了客观条件。微创医疗机器人具有手术创伤小、痛苦少、操作方便、定位精度高等优点，因此得到了广大医生的认可，具有广阔的应用前景[1]。
据世界卫生组织调查统计，心脑血管疾病是人类疾病死亡的第一“杀手”，我国每年死于这类疾病的患者有300多万。因而血管介入手术的发展对患者来说至关重要。
血管介入手术：医生在血管造影成像（DSA）系统[2]的引导下，操控导管在人体血管内运动，达到栓塞畸形血管、溶解血栓和扩张狭窄血管等治疗目的。
介入医学与外科学、内科学并称为三大医疗技术，是医学中最年轻而又发展最快的一门学科。传统的血管介入手术需要医生徒手操作：稳定性差，手工操作抖动；X-Ray辐射，平均照射时间17分钟；间断性监控具有潜在性风险；操作技巧性强，培训时间长等种种因素影响患者生存质量，限制了血管介入手术的广泛应用。
先进的血管介入手术由机器人辅助操作: 运动精度、定位精度高；刚性、稳定性好；远程操作，避免辐射；利用VR技术，开展培训。因此研究介入手术医疗机器人对于广大心血管疾病患者来说具有重要的意义。

2 课题综述
2.1 介入手术医疗机器人的研究意义
随着科技的不断进步，医疗技术也在不断的发展，现代的外科手术是朝着无创、微创方向发展，介入手术代替了过去的“开放式”手术，实现了微小创伤的治疗。但是传统的血管介入手术需要医生徒手操作，有时间长，辐射大，培训成本高等缺点，严重影响了患者的生存质量。如图2-1所示，就是传统的血管介入手术，医生需要长时间徒手操作，对医生的技术水平要求较高；同时因为在射线下工作，对医生的的身体伤害很大。这些都严重限制了血管介入手术的发展。
本文将医疗机器人技术应用于血管介入手术中，，医生可以遥控操作医疗机器人进行临床手术，并可简化医生的手术培训工作。开展医疗机器人手术系统的研究和临床应用，可以增强手术的动态可视化、简化手术操作过程、提高手术成功率、减少手术过程中患者的痛苦、缩短病人的康复周期等方面发挥重要的作用。
综上所述开展介入手术医疗机器人的研究具有重要的实际意义，而且对于医疗技术的进步乃至人类社会的发展都起到至关重要的作用。

图2-1 血管介入手术
2.2 介入手术医疗机器人的发展前景
随着生活水平的提高与人口老龄化的日益严重，我国每年都会新增数百万各类血管疾病患者。在现有的医疗条件下血管介入手术是患者最好的选择，血管介入手术范畴包括三类：（1）外周介入：周围血管疾病，如肿瘤的动脉化疗、动脉狭窄的扩张；（2）心脏介入：心血管疾病，如冠心病支架成型，先心病封堵；（3）神经介入：脑血管疾病，如脑动脉瘤栓塞、脑梗塞。因而介入医学成为了与外科学、内科学并称的三大医疗技术，是医学中最年轻而发展又最快的一门学科[3]。
但是传统的血管介入手术缺点太多，成本过高，极大的限制了其在实际生活中的应用。因而无论是患者还是医生都对血管介入手术医疗机器人技术表现出极大的热情，希望引入机器人技术，使医生避免手术中的辐射伤害，让患者减少痛苦，提高生存质量。
西方某些发达国家非常重视医疗外科机器人的研究，并迅速推进其产业化。美国的Stereotaxis公司与西门子公司在十年前就开始研究介入手术医疗机器人，并且已经推出了数字平板磁导航血管造影系统[4]，用于血管介入性心血管疾病的治疗。
2008年全球血管介入手术方面的治疗费用大约为110亿美元，中国占到了30～35 亿美元。欧洲有近18 亿美元的市场需求，美国则接近29亿美元。然而，我国现有的血管介入手术系统无法满足国内的需求。因此，我们从国情出发，研究医疗机器人与介入手术结合的技术，充分符合国情，具有广阔的发展空间与重要的实际意义。
2.3 介入手术医疗机器人的发展现状
2.3.1 医疗机器人的概述
医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在实际运用上有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个新的研究热点。
机器人有两个突出的优点：一是它能够代替人类工作，代替人进行简单的重复劳动，代替人在混乱和危险的环境下工作；二是扩展人类的能力，它可以做到人很难做到的高细微精密的作业，以及超高速作业等。医疗机器人正是集中了机器人的这两个优点。而同时，医疗机器人还有其自身的选位准确、动作精细、避免病人感染等优点。譬如：在血管缝合手术时，人工很难进行细于1毫米以下的血管缝合，如果使用医疗机器人，血管缝合手术可以达到小于0．1毫米的精度；用医疗机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者的感染危险。
目前, 已经有部分医疗机器人, 尤其是外科手术机器人, 开始从研究阶段走向临床商业应用阶段。医疗机器人技术的发展不仅在医学领域具有重要的意义, 为传统医学带来了极大的变革, 而且已经作为一种产业成为世界经济新的增长点, 因而受到了世界各国的重视。针对医疗机器人的研究也正处在不断的进步和发展之中。
本文主要研究血管介入手术医疗机器人，血管介入手术是指医生在数字减影血管造影成像系统的导引下，操控导管在人体血管内运动，对病灶进行治疗，达到栓塞畸形血管、溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。与传统手术相比，介入手术无需开刀[5]，具有出血少、痛苦少、操作方便、定位精度高等优点。
2.3.2 国外的研究现状及发展趋势
与医疗机器人在其他类手术的应用上相比，血管介入手术医疗机器人的起步较晚，接近21世纪人们的才开始进行研究。受到当时科技条件限制，研究只限于实验阶段，没有达到临床应用阶段。但是此后几年，人们将越来越多的关注转移到了血管介入手术医疗机器人上，促进了此研究的飞速发展。2006年，日本名古屋大学设计出血管介入手术机器人。同年以色列海法医学院开发的心血管介入手术机器人进行实验。如图2-2所示便是Beyar开发出来的心血管介入手术的微创机器人。这是世界上第一套用于临床实验的血管介入手术机器人系统。2007年，英国汉森科技公司设计出主从血管介入手术机器人。如图2-3所示。

图2-2 Beyar 心血管介入手术机器人

图2-3 Hansen 主从血管介入手术机器人
2.3.3 国内的研究现状及发展趋势
与国外相比，国内的血管介入手术医疗机器人研究起步更晚，虽然已经有多家医院具备介入手术的医疗条件，但手术过程中都没有机器人的参与，还停留在靠医生徒手操作导管阶段。
目前国内对血管介入手术机器人进行研究的单位较少，主要有哈尔滨工业大学和北京航空航天大学等单位。哈尔滨工业大学机器人研究所[6]研制出了“象鼻子”柔性臂，这种柔性臂是由五级臂杆串联而成。北京航空航天大学机器人研究所研制了BUAA-RR七自由度冗余机器人，如图2-4 所示，其机构是在六自由度机器人的基础上增加了一个回转自由度，利用此特性，可以完成更多的灵活操作，例如避开机器人的内部奇异位形、躲避操作空间障碍、克服关节角限制、实现运动学优化控制等。

图2-4 BUAA-RR 七自由度冗余机器人
2.4 介入手术医疗机器人末端执行器设计要求

血管介入手术医疗机器人是在原有脑立体定向外科机器人的基础上，以血管介入手术为使用背景，研制出的一种机器人辅助系统，用于帮助医生完成血管介入手术，实现导管运动自动化，并对其进行遥控操作。
介入手术在数字减影血管造影机（DSA）下进行，由于手术室的辐射较大及手术空间有限等因素，因此机器人末端执行器应满足以下要求：
1）机器人末端执行器能在手术室内灵活移动，拆装方便，术后不占用手术室空间；
2）机器人末端执行器能够实现对导管平稳的推进和旋转；
3）机器人末端执行器应该实时提供所推进导管的实际推进距离；
4）机器人末端执行器要具备足够的推进精度，能够将导管准确的送到指定的病灶点；
5）机器人末端执行器应该具备适应医学消毒处理等方面的能力；
6）机器人系统应该具备远程操作的能力；
7）末端执行器的材料不应对DSA扫描产生影响；

2.5 课题研究思路
本文的研究思路如图2-5所示的结构进行

图2-5 课题研究思路
3 末端执行器优化设计
3.1 机构原理简介

血管介入手术属于微创外科手术[7]，是指医生在先进的数字减影技术的指引下，操控导管在人体的血管内运动，到达病灶实施治疗，实现栓塞畸形血管、溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。在手术过程中医生对导管的主要有两个操作动作：一是将导管沿着人体的血管往前推进；二是在血管的分支处旋转导管来选择正确的方向。有时技术熟练及经验丰富的医生会将导管一边旋转一边推进，实现上述两个动作的合成。
血管介入手术机器人末端执行器属于医疗外科手术的辅助设备。其主要目的是在辐射环境下辅助医生实现对导管上述的两个操作动作或是两者的合成动作，以实现导管在人体内的推进，达到手术治疗的目的。根据以上的分析，我们设计了一种新型的血管介入手术机器人末端执行器，其主要的驱动原理简图如图3-1所示

a.轴向进给与检测机构简图 b.旋转机构驱动简图
C
图3-1 机构主要运动简图
c.整体结构原理图

如图3-1a所示，导管的轴向进给运动由滚轮机构实现，旋转运动由齿轮传动机构实现，导管在轴向进给机构上运动时，滚轮由一组传动齿轮驱动，并使在两轮之间的导管通过摩擦传动的方式，实现导管的轴向直线运动，从而实现轴向进给。导管的轴向运动距离检测[8]也是由滚轮机构实现的，只是检测机构的运动过程与轴向进给机构是相反的，是由滚轮机构将导管的轴向运动通过摩擦的方式转化为滚轮的转动，再通过光电编码器记录滚轮的转动变化实现的。轴向进给模块安装在旋转运动模块上，同时用连杆将检测模块与旋转模块固定在一起，形成一个整体的旋转部件，由主动与从动滚轮实现对导管的双臂把持，由旋转齿轮驱动，实现了导管沿自身轴线的旋转。
3.2 机构存在的问题
国外血管介入手术机器人的主要问题：机器人导管推进机构复杂，只能单独推进导管，精细操作困难；血管DSA图像提供二维信息，未能实现三维医学图像下的导航；缺少力反馈信息，难以有效的实现医生模拟手术培训。
本文中设计血管介入手术机器人末端执行器样机分为三个部分：轴向进给部分、周向旋转部分、码盘检测部分，其机械结构基本实现了导管操作运动的三大基本功能，但是在精度、稳定性及安全性能上仍然存在不少问题。如图3-2所示便是轴向进给部分的虚拟样机。

图3-2 机构样机
3.3 机械结构的模块化设计

模块化设计是从系统的观点出发，研究产品的结构组成，用分解和组合的方法，建立起模块体系，运用模块的组合生成产品。模块化设计是一种标准化设计，组合化设计。
对于末端执行器来说，与导管直接接触的零部件主要有三种：一是用于实现导管轴向进给的主动滚轮；二是用于实现导管轴向直线运动距离检测的从动滚轮；三是机构旋转主轴。在对末端执行器的具体结构进行系统设计之后，我们对以上的三种零部件进行了模块化设计[9]，来满足其在功能上的严格要求。

3.3.1 导管轴向进给部件的模块化设计

根据导管摩擦传动的推进方式，我们对血管介入手术机器人末端执行器的轴向进给部分进行了系统的模块化设计，并根据方便拆装的基本要求，对其机械机构进行了优化设计。重新设计后的轴向进给部件由步进电机驱动，通过齿轮传动将动力传递到主动滚轮上，然后通过摩擦传动的方式将主动滚轮的转动转化为导管直线进给运动的动力。

图3-3 轴向进给机构二维结构图
轴向进给部件如图3-3所示，主要包括 1.左侧主动滚轮、2.右侧主动滚轮、3.定位齿轮、4.柔性锁紧机构、5.主动滚轮轮皮、6.传动齿轮、7.L 型连杆、8.梯形固定块、9.主动滚轮固定片、10.主动滚轮轴等。整个轴向进给部件是用螺钉固定在大旋转盘的梯形槽内，并且应保证主动滚轮轮皮上圆弧形槽的圆心在旋转部件的轴线上。

图3-4 进给部件传动示意图

由于血管介入手术医疗机器人在临床应用时的特殊环境以及对机器人电子设备的保护[10]，要求进给部件的执行机构能能够与电器设备快速的分离，因此本文中的轴向进给机构的传动方式采用齿轮传动。其传动装置如图9所示，主要包括四个相同模数和齿数的传动齿轮。在传动过程中，步进电机带动第一齿轮，并通过第四齿轮把动力传递到左侧主动滚轮；同时，第二齿轮运动方向改变，并由第三齿轮将动力传递到右侧主动滚轮，最后实现左右主动滚轮的同步反转。

3.3.2 导管轴向距离检测部件的模块化设计

与血管介入手术机器人末端执行器的轴向进给部件原理相似，轴向距离检测部件也是由摩擦传动的方式实现的，但是与进给机构不同的是，进给机构由主动滚轮的转动通过传动转变为导管的直线进给运动，而检测部件的主动运动是通过导管的直线运动驱动从动滚轮，使其发生转动，然后由光电编码器记录从动滚轮的角度变化，再通过处理，计算得出导管的实际推进距离，从而实现手术过程中对导管的实时检测。
在设计检测部件的过程中，考虑到机器人临床应用的特殊环境以及对机器人电子设备的保护等要求，此轴向距离检测机构也采用了齿轮传动[11]的方式，以保证在对机器人进行处理时快速方便的分离机械结构和电器设备。

图3-5 轴向距离检测部件
a.二维结构示意图 b.三维模型示意图

检测部件的具体结构如图3-5所示，检测部件包括 1.左侧从动滚轮、2.编码器传动齿轮、3.从动滚轮轴承座、4.从动滚轮轮皮、5.右侧从动滚轮、6.从动滚轮轴、7.从动滚轮支架、8.压缩弹簧、9.从动轮移动支架、10.从动轮移动轴等。整个检测部件通过螺钉被固定在大检测盘上，并确保从动滚轮轮皮上的圆弧形槽的圆心在旋转部件的轴线上。
为了能够快速更换并且适应不同型号的导管，检测机构设计了可变化中心距的导管夹持功能，就是通过改变两个从动滚轮的间距来快速的更换导管[12]，并且具备适应不同型号的导管的功能。

3.3.3 旋转主轴的机构设计

在介入手术过程中与导管有直接接触的第三个零部件就是末端执行器的旋转主轴，由于旋转主轴是整个末端执行器旋转部件的支撑定位构件，是整个机构运动部件和支撑部件间的桥梁，它的拆卸涉及到了整个机构的各个零部件，因此要实现其整体的快速拆卸基本上是不可能。我们对末端执行器的旋转主轴进行了嵌套式的结构设计。其具体的结构如图3-6所示。

图3-6 轴向距离检测部件
a.旋转主轴二维结构图 b.旋转主轴三维模型
1—大旋转盘前支架、2—外层阶梯轴、3—中层轴套、4—大旋转盘后支架、5—内层离合式轴芯

3.3.4 末端执行器中导管的选择

本末端执行器推进的导管是一种细小的柔性中空软管，其具体的形状如图3-7 所示。主要结构包括前端弯曲导向段、中间等圆柱面过度段、末端与医疗设备的接口段三个部分。不同型号的导管其长度范围一般在800mm-1500mm 之间，其进入人体的前端和中间部分的直径一般在1mm-4mm之间，末端与医疗设备的接口最大径向尺寸不超过15mm。

图3-7 手术过程中使用的导管示意图
3.4 本章小结
本章根据血管介入手术在临床实践中的要求以及原有样机存在的问题，对血管介入手术机器人末端执行器进行了优化设计，完善了末端执行器的各项功能，提高了精度。对末端执行器的模块化设计使其能够实现三大基本功能；对推进机构的优化设计有助于提高手术的安全性能[13]。
在机器人结构方面，我们分析了影响末端执行器的各种因素，针对各种影响因素对机械结构进行了改进，最终绘制了机械图纸，加工出的虚拟样例如图3-8所示。

图3-8 末端执行器虚拟样机
4 末端执行器运动控制系统开发
随着机器人技术的不断进步，机器人在各行业中的应用越来越广泛。在机器人的应用技术中，最为重要的部分就是机器人的运动控制系统[14]。
4.1 控制系统方案选择

本文在了解了当前机器人的应用趋势，查阅了相关研究资料的基础上，根据临床实践的具体要求，选择了可编程多轴运动控制器PMAC。
PMAC是美国Delta　Tau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。PMAC内部使用了一片Motorola　DSP　56001数字信号处理芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。PMAC内部使用了一片Motorola　DSP　56001数字信号处理芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。
在控制器的设计过程中，首先要确定控制系统的整体控制结构。按结构方式划分机器人控制系统一般分三种：集中控制、主从控制和集散式控制。
集中控制是选则一台高性能的计算机来实现控制系统的全部控制功能。在过去这种控制方式很常见，优点是容易实现，也比较经济；缺点是计算量大，控制效率低。
因此不选择这种控制系统。
主从式控制系统的结构如图4-1所示，一级计算机为主机，具有管理系统、机器人语言编译和人机接口的功能，并定时地把运算结果送到公共内存，然后供二级计算机读取。二级机完成全部关节位置的数字控制，从公共内存中读取一级机的给定数值，将各关节实际位置返回到公共内存供一级机读取。与集中控制结构相比，这类系统控制性能更高。

图4-1 主从式控制结构

集散式结构是现代机器人控制系统使用最广泛的一种方式，其结构如图4-2 所示，上层的主控计算机负责整个系统的管理以及空间坐标变换和复杂轨迹插补运算等工作，下层由控制器负责各关节位置指令控制和基本轨迹插补，完成控制任务，从而提高了工作速度和处理能力。这种结构优点明显，功能更强，速度更快。
因此本控制系统结构方案采用集散式控制结构，将软件系统集中到上层计算机，关节位置控制由下层控制器完成，既利用了上位机的操作环境和相应的扩展性能，又利用了下层控制器的优秀控制性能，实现手术的远程操作[15]。

图4-2 集散式控制结构
4.2 控制器设计选择

本控制系统采用的是基于可编程多轴控制器的集散式控制结构，系统的主要功能是实现血管介入手术机器人末端执行器的轴向运动控制及导管轴向位移的实时监测。并通过光电编码器实时反馈导管在轴线方向上的位移。PMAC 与上层PC 机之间的通信通过以太网的方式进行，以满足远程遥控手术的功能。
为了实现末端执行器中导管的轴向推进与周向旋转功能，需要两个独立的驱动设备即两个直流电机，为了实现对导管位移的实时检测需要一个位移传感器，由于系统驱动采用的是不带编码器的步进电机，因此运动控制系统的主要控制对象有三个，即两个步进电机和一个光电编码器。因此，本文确定的运动控制系统的主体结构方案如图4-3所示：

图4-3 运动控制系统的主体结构图
4.3 驱动器与驱动电机的选择
本系统中末端执行器本体的惯量并不大，因而从控制精度上考虑，可以选择功率较小的步进电机及其配套的细分驱动器，在查阅相关资料后，我们选择了性价比高，可靠性好的三洋两相混合式步进电机及其配套的细分驱动器。因为周向旋转机构的转矩大于直线运动中轴向进给滚动轮的转矩，所以，为了便于操作，步进电机选用相同的型号—— SANYO DENKI 系列步进电机。
（1）为达到传动精度的要求，选择电机的步距角为1.8°，经过控制器细分后最小步距角可以达到0.009°
（2）初步限定电机的质量在0.3-0.5Kg之间。
根据SANYO DENKI 系列步进电机的选型手册，初选确定步进电机的型号为103H548-0440，电机的参数如表1所示

表1 步进电机参数
型号
103H546-0440(0410)
103H548-0440(0410)
130H549-0440(0410)
轴数
单轴 (双轴)
步距角（°）
1.8
额定电压(V)
3.15
3.6
3.96
相电流(A/phase)
1
1.2
1.2
相电阻(Ω/phase)
3.15
3
3.3
相电感(mH/phase)
2.8
4.3
3.8
保持转矩N.m
0.147(1.5)
0.265(2.7)
0.315(3.2)
转子惯量(㎏. ㎡)
0.03
0.053
0.065
重量(㎏)
0.3
0.38
0.45
接线方式
Ι

驱动电机的型号确定后就可以根据步进电机的型号选择配套的驱动器，驱动器型号为：YKA2404MC。
其特点是：
(1) 噪音低、平稳性好；
(2) 性能高、价格低；
(3) 运转平滑，分辨率高；
(4) 减少了电机过热的可能；
(5) 采用双极恒流斩波方式，提高了电机的输出速度和功率；
（6） 驱动电流是连续可调的；
（7） 可以驱动任何4.0A相电流以下的两相混合式步进电机。

4.4光电编码器的选择

末端执行器的三大基本功能之一是实时检测导管的轴向位移，本系统采用光电编码器采集检测滚轮的旋转角度，再通过运算得出导管的推进距离。因为受到检测精度以及装配空间的限制[16]，我们采用了日本的MTL 增量编码器，其型号为：MES-20-2500P。编码器线数2500，4倍频，每周线数10000。

4.5 本章小结
本章主要介绍了采用可编程多轴控制器（PMAC）开发的血管介入手术医疗机器人末端执行器运动控制系统的设计。完成了控制系统的主体结构方案设计；完成了控制器的设计选择以及驱动设备的选型；实现了机器人的自动控制；满足了末端执行器在血管介入手术中要求的三大基本功能。

5 结 论
本文将机器人技术与血管介入手术相结合，研究出了介入手术医疗机器人末端执行器。作为介入手术中的辅助医疗设备，充分发挥了机器人精度高，稳定性好，可以远程操作控制的优点。有助于改善医护人员的工作环境，减轻患者的痛苦，提高手术的成功率与患者的生存质量。本文的主要贡献如下：
（1） 根据血管介入手术的要求，本文进行了末端执行器的方案设计，从临床实验的功能要求出发，将其分为轴向进给机构，检测机构与旋转机构；
（2） 为满足末端执行器在介入手术中要求的三大基本功能，我们对以上的三种零部件进行了模块化设计，并进行了虚拟样机设计及其理论计算分；
（3） 本文在可编程多轴控制器（PMAC）的基础上开发了对机器人末端执行器的运动控制系统，进行了驱动器与驱动电机的设计选择，实现了机器人的运动控制。
课题展望：
（1） 本文在理论上实现了末端执行器对导管操作的基本要求，但在稳定性与精度上还有待提高，也缺乏实践检验。
（2） 运动控制系统只能满足基本功能要求，在整体协调性上还有很多不足，因此控制系统有待于进一步完善。
综上所述，本文的介入手术末端执行器还有很多不足之处。 但是由于时间紧张，
以及本人能力有限，难免有考虑不周的地方。对此将在今后的工作中继续完善。

参 考 文 献
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

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