PAGE18一款醫(yī)用振動(dòng)鉆孔機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u296031緒論 191751．1課題研究目的和意義 2174211．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 2184081.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2271521.2.2發(fā)展趨勢(shì) 6104621．3課題研究的主要內(nèi)容 6126281.3.1振動(dòng)鉆機(jī)械臂總體任務(wù)要求 6274581.3.2附加要求 676052總體方案確定 659082．1設(shè)計(jì)任務(wù) 793442.1.1需求分析 7195972.1.2確定設(shè)計(jì)任務(wù)要求 7278132．2功能分析 8136582．3總體方案確定 8161392.4方案對(duì)安全的影響 11102802.5各方案的經(jīng)濟(jì)性比較和對(duì)環(huán)保的影響 12124213主要部件詳細(xì)設(shè)計(jì) 1239063.1進(jìn)給絲杠選型 127023.2升降機(jī)的選擇 14214063.3電動(dòng)機(jī)的選擇 1540173.4錐齒輪選型計(jì)算 16320821.選定齒輪類型，精度控制等級(jí)，零件材料類型及所用齒輪 1613022.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1664643按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 18169124幾何尺寸計(jì)算 1983585主要設(shè)計(jì)結(jié)論 2079353.5傾覆穩(wěn)定性校核 209753參考文獻(xiàn) 211緒論骨科手術(shù)智能機(jī)器人是加快骨科手術(shù)精度，消融手術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和普及程度的關(guān)鍵智能系統(tǒng)武器裝備[1]。骨科手術(shù)自動(dòng)化技術(shù)是一種新興的國(guó)際交叉科學(xué)研究課程產(chǎn)業(yè)，它集醫(yī)學(xué)，運(yùn)動(dòng)生理學(xué)，材料科學(xué)，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)，材料科學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，機(jī)器人技術(shù)等于一身，具有多個(gè)交叉學(xué)科，并已發(fā)展成為六學(xué)科交叉學(xué)科。合二為一。腦外科智能機(jī)器人可以在視覺效果，觸覺及其聽覺系統(tǒng)方面協(xié)助主治醫(yī)師的管理決策和實(shí)際操作，具有足夠的信息內(nèi)容和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。擴(kuò)展醫(yī)生的操作能力，特別有效提高了手術(shù)判斷和評(píng)估、標(biāo)靶定位、縝密操作與手術(shù)的完成質(zhì)量與成功率。骨科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)探究日益凸顯醫(yī)學(xué)與信息科學(xué)等相關(guān)工程學(xué)科廣泛交織、深度與中醫(yī)醫(yī)藥相融合的醫(yī)療產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展呈現(xiàn)創(chuàng)新增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),是當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)代醫(yī)療保健服務(wù)領(lǐng)域"新技術(shù)革命"的一個(gè)重要典型發(fā)展特征及其代表,具有高度的醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略性、成長(zhǎng)性和強(qiáng)大市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)性。1．1課題研究目的和意義隨著現(xiàn)在社會(huì)人們?nèi)粘Ｉ钗镔|(zhì)水平的飛速穩(wěn)步提高同對(duì)現(xiàn)代醫(yī)療輔助服務(wù)技術(shù)需求的需要日益增長(zhǎng),近年以來,機(jī)器人輔助技術(shù)的廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代醫(yī)療器械領(lǐng)域漸漸完全取代了傳統(tǒng)手持式的手術(shù)器械輔助作業(yè),特別是在進(jìn)行醫(yī)療輔助手術(shù)的作業(yè)領(lǐng)域中它取得了社會(huì)人們廣泛的技術(shù)關(guān)注,在醫(yī)療傷病員的醫(yī)療轉(zhuǎn)運(yùn),手術(shù)后的救助和術(shù)后康復(fù)中,醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人輔助系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的研究運(yùn)用,當(dāng)前它已經(jīng)是醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究發(fā)展熱點(diǎn)。與人類手持手術(shù)的當(dāng)前階段相比，在手術(shù)中使用智能機(jī)器人的更大優(yōu)勢(shì)是微創(chuàng)手術(shù)。裝在智能機(jī)器人末端的手術(shù)設(shè)備可以操縱越來越迫切需要操作的零件，并且在手術(shù)機(jī)器人操作的整個(gè)過程中，機(jī)械臂的制造精度和安裝精度都很高。伴隨著它變得越來越高，越來越多地用于要求高精度的醫(yī)療設(shè)備中。傳統(tǒng)的醫(yī)生手里拿著外科手術(shù)設(shè)備進(jìn)行手術(shù)。無論準(zhǔn)確性和生命力如何，它們都與外科手術(shù)機(jī)器人的實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。為了使手術(shù)變得方便和輕松，高性能的手術(shù)臂是必要的。所以機(jī)械手術(shù)臂特別是骨科手術(shù)機(jī)器人的性質(zhì)以及機(jī)械手平臺(tái)設(shè)計(jì)與制造對(duì)于手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)來說意義重大。1．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在機(jī)械臂的輔助在醫(yī)療手術(shù)中占據(jù)地位日益增加。并且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，醫(yī)療機(jī)器人也具有廣闊的發(fā)展前景。因此，世界各地特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，都在爭(zhēng)相在醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)軟件的產(chǎn)品開發(fā)和測(cè)試中使用高科技技術(shù)。甚至有些已經(jīng)推向市場(chǎng)臨床應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研究外科手術(shù)機(jī)械的人較多，但是，很少有關(guān)于機(jī)器人臂和外力對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的危害的深入分析。在國(guó)外，外科手術(shù)機(jī)器人手臂的新科學(xué)研究項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)展得比較早。他們被公認(rèn)為外科手術(shù)智能機(jī)器人的先驅(qū)。Lanfranco等人在1985年應(yīng)用了6軸工業(yè)設(shè)備臂Puma560[2]來代替三維精確定位結(jié)構(gòu)。高精度實(shí)施神經(jīng)外科穿刺活檢的具體指導(dǎo)。在此操作中，工業(yè)智能機(jī)器人PUMA560的末端配備了類似于機(jī)床固定裝置的專用工具，以正確引導(dǎo)手術(shù)設(shè)備執(zhí)行激光切割操作。通常認(rèn)為這是使用智能機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)的第一個(gè)例子。1988年，理查森（Richardson）使用Puma560進(jìn)行男性前列腺摘除術(shù)。1991年，他成功地獨(dú)立研發(fā)了世界上第一個(gè)人體智能機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)軟件，該軟件已成功用于從惡性腫瘤患者體內(nèi)完全清除許多癌組織。然后在1992年，美國(guó)綜合外科系統(tǒng)公司在這一階段發(fā)布了傳統(tǒng)的大中型工業(yè)機(jī)械臂醫(yī)療技術(shù)。rorobodctm工業(yè)機(jī)器人手臂綜合醫(yī)療行業(yè)基本上是獨(dú)立開發(fā)和設(shè)計(jì)的。它不僅輕巧而且容易。松開執(zhí)行各種操作，例如替換手臂骨骼和關(guān)節(jié)的位置。然后，該公司獨(dú)立開發(fā)了新的圖像處理技術(shù)系統(tǒng)軟件。該技術(shù)首先根據(jù)特定的優(yōu)化算法，基于掃描儀的二維CT圖像開發(fā)了三維模型，然后創(chuàng)建了自然環(huán)境的物理模型，以便對(duì)手術(shù)進(jìn)行總體規(guī)劃，手術(shù)過程所需要的全部數(shù)據(jù)可以由整套技術(shù)提供[3]。在早期的手術(shù)機(jī)器人中，工業(yè)機(jī)器人的末端安裝一個(gè)類似鉆模形狀的工具。以及引導(dǎo)手術(shù)器械進(jìn)行切割手術(shù)。骨科手術(shù)機(jī)器人作為推動(dòng)精準(zhǔn)、微創(chuàng)術(shù)是骨科整合手術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)的智能化醫(yī)療裝備應(yīng)運(yùn)而生。北京天智航醫(yī)療科技股份公司公司聯(lián)合北京積水潭醫(yī)院、北京航空航天大學(xué)等多家單位共同研發(fā)生產(chǎn)出了完全具有自主研發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的"天璣"骨科疾病手術(shù)修復(fù)機(jī)器人[4]（見圖1），“天璣”是世界上能開展全節(jié)段手術(shù)的骨科機(jī)器人，手術(shù)精度高，適應(yīng)證范圍及定位精度處于世界領(lǐng)先水平。圖1：天璣神經(jīng)外科治療需要極高的精度，錯(cuò)誤的操作很容易導(dǎo)致死亡和傷害。手術(shù)機(jī)器人為臨床醫(yī)生提供了合理的幫助。北京百會(huì)威康高科技有限公司開發(fā)的“睿米”神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人[5]（圖2）于2018年根據(jù)CFDA類別三級(jí)國(guó)家醫(yī)療機(jī)械認(rèn)證進(jìn)行了驗(yàn)證，并成為當(dāng)時(shí)唯一的第一家公司。宣布了由國(guó)家制造并批準(zhǔn)的新型整形美容神經(jīng)外科微創(chuàng)整形外科專用醫(yī)療機(jī)械智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，以彌補(bǔ)我國(guó)微創(chuàng)外科設(shè)備的空缺。“睿米”是一種用于腦部手術(shù)的全自動(dòng)手機(jī)定位系統(tǒng)，其精確度為1毫米，可以幫助醫(yī)生對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行精確的微創(chuàng)手術(shù)。在這一階段，它已經(jīng)成功地應(yīng)用于腦出血，帕金森氏病和癲癇病。圖2“睿米”2010年，它由中國(guó)科學(xué)院沉陽(yáng)自動(dòng)化技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室和第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院共同開發(fā)。這是中國(guó)第一個(gè)具有完全獨(dú)立專利的新型脊柱微創(chuàng)手術(shù)治療機(jī)械手。[6]（如圖3所示），它也是第一個(gè)在國(guó)際上專業(yè)應(yīng)用的，用于微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)的新型機(jī)械手臂自動(dòng)控制系統(tǒng)。用于微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)軟件中的機(jī)器人手臂類似于人體手臂。它由手臂，手臂和手掌組成的每個(gè)骨骼關(guān)節(jié)組成，但是與手臂的旋轉(zhuǎn)盲區(qū)不同，機(jī)械手臂可以輕松地在各個(gè)方向上完成360度旋轉(zhuǎn)而沒有死角。然后，您可以接觸到所有需要手術(shù)的部位。在尾部的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)中可以根據(jù)實(shí)際的手術(shù)治療方法安裝諸如骨鉆和骨刀之類的手術(shù)設(shè)備。并且?guī)в姓障嘞到y(tǒng)和輔助的照明系統(tǒng)。在手動(dòng)技術(shù)原理研究員和操作技術(shù)人員的精心訓(xùn)練操控下，“機(jī)器人”不足1分鐘就可以輕松完成對(duì)一塊腰椎模型的兩次定位、對(duì)準(zhǔn)、打孔等操作，并且在兩次對(duì)同一小塊腰椎重要部位的兩次模型重復(fù)定位瞄準(zhǔn)鉆孔操作中,近乎分毫不差。如圖3：骨科導(dǎo)航機(jī)器人1.2.2發(fā)展趨勢(shì)在近些年的發(fā)展中，醫(yī)療機(jī)器人正在往結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，控制智能化，以達(dá)到小型化在狹小手術(shù)室應(yīng)用的要求的范圍，能夠有效提高醫(yī)療行業(yè)發(fā)展綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。同時(shí)振動(dòng)鉆機(jī)械臂正在以原本滿足安全性的基礎(chǔ)上向著更加節(jié)能方向發(fā)展[7]。1．3課題研究的主要內(nèi)容1.3.1振動(dòng)鉆機(jī)械臂總體任務(wù)要求在很多的鉆孔作業(yè)中，不僅需要準(zhǔn)確定位鉆孔的方向與位置，而且可能需要在強(qiáng)輻射之下工作，如骨外科機(jī)器人手術(shù)。因此，將振動(dòng)鉆孔機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂相結(jié)合，組成振動(dòng)鉆孔機(jī)械臂，就成為一種必然的選擇。課題組的前期工作中，進(jìn)行了一些探索，并搭建了機(jī)械臂鉆孔試驗(yàn)臺(tái)。本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，就是進(jìn)行機(jī)械臂結(jié)合振動(dòng)鉆的整體動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。1.3.2附加要求1.采用Solidworks軟件仿真模擬，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)三維仿真圖軌跡進(jìn)行逆向分析。2.導(dǎo)出振動(dòng)鉆機(jī)械臂軌跡圖并加以分析。2總體方案確定2．1設(shè)計(jì)任務(wù)2.1.1需求分析伴隨著當(dāng)下人們生活水平的不斷提高和對(duì)醫(yī)療服務(wù)市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，近年來，醫(yī)療機(jī)器人輔助技術(shù)已逐漸取代外科領(lǐng)域的傳統(tǒng)手持設(shè)備作業(yè)，特別是在骨科與神經(jīng)外科手術(shù)領(lǐng)域得到了人們的廣泛關(guān)注，在傷病人員的手術(shù)救助，轉(zhuǎn)運(yùn)和康復(fù)中，醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)得到了廣泛的運(yùn)用，它是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)。與人工手術(shù)相比，機(jī)器人手術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是微創(chuàng)。機(jī)器人末端的手術(shù)設(shè)備可以對(duì)必須操作的位置進(jìn)行精確的操縱，并且在手術(shù)機(jī)器人的整個(gè)操作過程中，機(jī)器人手臂的制造精度和安裝精度越來越高，并且更高。使用高精度醫(yī)療設(shè)備以及傳統(tǒng)的手持手術(shù)設(shè)備的醫(yī)生來進(jìn)行手術(shù)，無論準(zhǔn)確性和生命力如何，都遠(yuǎn)沒有達(dá)到手術(shù)機(jī)器人的實(shí)際效果。為了使手術(shù)變得方便和輕松，，需要具有優(yōu)異性能的手術(shù)臂。因此，機(jī)械設(shè)備，特別是腦外科機(jī)器人的手術(shù)臂的特性，以及機(jī)械臂服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)對(duì)于手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)軟件具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2.1.2確定設(shè)計(jì)任務(wù)要求本設(shè)計(jì)針對(duì)實(shí)際骨科手術(shù)中的問題進(jìn)行研究，通過設(shè)計(jì)手術(shù)機(jī)械設(shè)備幫助減輕醫(yī)生的工作量和對(duì)患者的傷害，關(guān)于振動(dòng)鉆機(jī)械臂的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，主要有一下幾點(diǎn)：1.對(duì)現(xiàn)有的骨科手術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，深入了解當(dāng)下骨外科醫(yī)生的難點(diǎn)與痛點(diǎn)，特別是鉆骨過程中的不便。2.設(shè)計(jì)一個(gè)振動(dòng)鉆的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，搭載一個(gè)振動(dòng)骨鉆，實(shí)現(xiàn)鉆頭的任意定位3.利用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)節(jié)能、環(huán)保、輕巧的產(chǎn)品，通過三維制圖軟件繪制虛擬樣機(jī)，繪制裝配圖和零件圖2．2功能分析2.2.1振動(dòng)鉆機(jī)械臂主要功能分析設(shè)計(jì)的振動(dòng)鉆機(jī)械臂的主要功能是實(shí)現(xiàn)末端機(jī)械手的工作范圍控制，能夠定位在空間的任一點(diǎn)上。設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景為用于醫(yī)療手術(shù)、為骨科手術(shù)提供引導(dǎo)并實(shí)施操作的服務(wù)型機(jī)器平臺(tái)。因此，首先分析現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人和醫(yī)療手術(shù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，得到本次機(jī)械臂設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能（如圖4，總體功能圖）。圖4：總體功能圖2．3總體方案確定2.3.1總體結(jié)構(gòu)方案（1）輔助平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求手術(shù)平臺(tái)有良好的穩(wěn)定性，對(duì)手術(shù)的干擾控制在最小范圍，體積盡可能縮小，便醫(yī)護(hù)人員調(diào)用與操作。方案一：固定式基臺(tái)面將機(jī)械臂安裝在固定的基臺(tái)之中，在手術(shù)室相對(duì)于手術(shù)臺(tái)的一個(gè)確定位置不能移動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是這種類型的操作平臺(tái)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且對(duì)手術(shù)的影響較小。缺點(diǎn)的關(guān)鍵在于手術(shù)室中用于住院治療的室內(nèi)空間的大小是確定的。不利于住院手術(shù)室的合理通用和活化,給住院主刀員和醫(yī)生工作帶來了很多不便,不是很符合我國(guó)現(xiàn)代住院醫(yī)療器械裝備的發(fā)展趨勢(shì)[8]。（如圖5：固定通用手術(shù)臺(tái)）圖5：固定通用手術(shù)臺(tái)方案二：移動(dòng)式平臺(tái)將機(jī)械手安裝在可移動(dòng)的平臺(tái)上。當(dāng)必須進(jìn)行骨鉆孔手術(shù)時(shí)，醫(yī)務(wù)人員會(huì)將攜帶機(jī)械臂的平臺(tái)推入手術(shù)室，并將其安裝在有效部位上以進(jìn)行外科手術(shù)。手術(shù)后可以收回機(jī)械臂。手術(shù)室可以騰出更大的室內(nèi)空間，用于其他外科手術(shù)和患者的術(shù)后醫(yī)療護(hù)理。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較弱，這對(duì)操作有很大影響。[9]。（圖6：國(guó)產(chǎn)手術(shù)平臺(tái)）圖6：國(guó)產(chǎn)專用手術(shù)平臺(tái)方案分析：綜合進(jìn)行比較，兩種平臺(tái)均可滿足本系統(tǒng)的要求，但考慮手術(shù)室的實(shí)際操作與空間大小，最終選擇移動(dòng)式升降平臺(tái)，（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型分析該課題的研究規(guī)定，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)具有足夠的扭矩來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)骨鉆鉆，并且能夠精確地控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和終止。慣性力應(yīng)該比較小，并且可以準(zhǔn)確地完成小角度旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型方案一：直流伺服電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以應(yīng)用于控制器的速度，位置控制精度非常精確。它可以自動(dòng)將工作電壓控制數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和控制速度比，以方便驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制目標(biāo)?？梢酝ㄟ^電動(dòng)機(jī)輸入控制數(shù)據(jù)信號(hào)自動(dòng)控制放置在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度比，并且可以進(jìn)行快速響應(yīng)。在全自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，它用作全自動(dòng)控制組件，并且電機(jī)轉(zhuǎn)子具有機(jī)電系統(tǒng)。該項(xiàng)目的關(guān)鍵特性是穩(wěn)態(tài)值小，線性度高以及啟動(dòng)控制工作電壓，可以將接收到的所有意外電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸的角速度或角適應(yīng)運(yùn)動(dòng)速率數(shù)據(jù)信號(hào)輸出的軸。直流低壓電源伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：制動(dòng)精度：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速：高速性能好。適應(yīng)性：扛過載能力強(qiáng)，能承受三倍與額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。運(yùn)行穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，適用于高速響應(yīng)特定要求的應(yīng)用場(chǎng)合。及時(shí)性：控制電機(jī)自動(dòng)加速或減速的電機(jī)動(dòng)態(tài)中斷響應(yīng)持續(xù)時(shí)間短。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型方案二：步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)式交流發(fā)電機(jī)主要用途是一種將同步交流電動(dòng)機(jī)脈沖中的同步交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電路具有一個(gè)相應(yīng)角位移或者非線性角位移的脈沖同步交流電動(dòng)機(jī)。每次輸入脈沖數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子都會(huì)旋轉(zhuǎn)視角或向前旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距。輸出角位移或線偏移與輸入的脈沖數(shù)成正比，速度比與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。根據(jù)電磁體的最基本原理，它是一種可以隨意旋轉(zhuǎn)的電磁線圈。其姿勢(shì)的基本原理是利用磁密度和磁導(dǎo)率的變換來引起磁感應(yīng)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的角位移嚴(yán)格與輸入脈沖數(shù)成正比，并在一定時(shí)間內(nèi)與每個(gè)輸入脈沖數(shù)據(jù)信號(hào)同步。因此，僅需根據(jù)電源開關(guān)動(dòng)作角的總數(shù)，電機(jī)控制的每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率和速率控制值以及電機(jī)功率的零線觸發(fā)線來執(zhí)行零線觸發(fā)線。可以定量獲得開關(guān)驅(qū)動(dòng)器脈沖繞組的位置，以控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。控制脈沖運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角，速度和脈沖運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向。因此，控制非常方便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)。電機(jī)停止時(shí)候具有的轉(zhuǎn)矩較大。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)誤差不會(huì)累計(jì)，因而它的零件位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性都很好。出色的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。由于速度與脈沖頻率成正比，因此速度比范圍更廣。方案分析：通過以上的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比，可以得知步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)都擁有足夠的力矩帶動(dòng)進(jìn)給絲杠運(yùn)動(dòng)，專用的驅(qū)動(dòng)器都擁有全方面的保護(hù)。但是由于伺服步進(jìn)電機(jī)在低速執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較平穩(wěn)而且相比傳統(tǒng)步進(jìn)伺服電機(jī)更加具有振動(dòng)優(yōu)勢(shì)因而步進(jìn)伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)低速時(shí)容易振動(dòng)出現(xiàn)低頻率的振動(dòng)因此現(xiàn)象對(duì)于本手術(shù)系統(tǒng)平臺(tái)工作造成各種不可能及預(yù)計(jì)的不良影響,所以最終我們選擇采用伺服電機(jī)系統(tǒng)作為本手術(shù)系統(tǒng)的電機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)控制裝置。（如圖7）圖7：減速伺服電機(jī)2.4方案對(duì)安全的影響在對(duì)骨科手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，本設(shè)計(jì)為確保手術(shù)過程中的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性使用了更多技術(shù)添加了更多保障。醫(yī)生在手術(shù)前，會(huì)基于病人的CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，對(duì)角度、尺寸、距離等多個(gè)維度進(jìn)行測(cè)算，找到最佳方案；手術(shù)中，機(jī)器人在進(jìn)行鉆骨時(shí)，主刀醫(yī)生可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人前端振動(dòng)鉆頭的磨鉆速度和振動(dòng)頻率，萬一情況骨有移動(dòng)時(shí)，骨運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)使機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)立刻停止磨鉆；極其類似加工機(jī)床的自動(dòng)急停系統(tǒng)，機(jī)器人還有非常精確的自動(dòng)切割系統(tǒng)，精度達(dá)到毫米級(jí)，從而使植入物吻合度較高，增加手術(shù)治療的期望[8]。2.5各方案的經(jīng)濟(jì)性比較和對(duì)環(huán)保的影響固定式手術(shù)操作平臺(tái)可以一勞永逸的解決手術(shù)室空間的布局問題[9]，但是前期投入較高需要兼顧工程施工方的經(jīng)濟(jì)利益，而且后期維護(hù)較為復(fù)雜昂貴，綜合效益較差。移動(dòng)式手術(shù)操作平臺(tái)集成度高所相應(yīng)的價(jià)格較高，加工組裝性較低，優(yōu)點(diǎn)是通用性高可應(yīng)用范圍廣可以不受手術(shù)室尺寸的限制和其他設(shè)備的干擾，不會(huì)對(duì)手術(shù)室與主刀醫(yī)生產(chǎn)生多余不利影響，綜合考慮具有較好的經(jīng)濟(jì)效益而且更加綠色環(huán)保。3主要部件詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1進(jìn)給絲杠選型設(shè)該振動(dòng)鉆機(jī)械臂能夠承受的最大負(fù)載為10kg，絲杠帶動(dòng)的其余部件重5kgF－穩(wěn)態(tài)力（N）m－總的工作質(zhì)量（kg）－最大加速度（m/）－絲杠導(dǎo)程（mm）－考慮絲杠本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響轉(zhuǎn)矩T應(yīng)增加的百分?jǐn)?shù)對(duì)于慣性負(fù)載通常取較大值（20%-30%），對(duì)于常定負(fù)載通常取較小值（10%-15%）[10]T=按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算直徑為許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，對(duì)于滾珠絲桿常用材料為中碳鋼，取值25～45這里取35dmin在選擇進(jìn)給絲杠時(shí)必須考慮進(jìn)給應(yīng)盡可能穩(wěn)定，并且頻率精度應(yīng)與假定的±0.5mm定位精度相匹配。根據(jù)十倍原則，進(jìn)給螺桿的往復(fù)精度應(yīng)大于或等于0.05mm。同時(shí)，確保它可以處理移動(dòng)平臺(tái)的負(fù)載。最終選用GGP正反牙滾珠絲杠滑臺(tái)（如圖8）。該滑臺(tái)的具體參數(shù)如表1所示：表1GGP正反牙滾珠絲杠滑臺(tái)行程最高速遞一圈位移最大負(fù)載往返精度100mm50mm/s2mm水平15KG垂直10KG≥0.05mm圖8雙光軸滾珠絲杠滑臺(tái)圖9滑臺(tái)與機(jī)械臂連接3.2升降機(jī)的選擇從SWL2.5系列中選擇一種新型的螺旋絲杠升降機(jī)，渦輪升降機(jī)是主要的升降組件之一，與其他起重機(jī)構(gòu)相比，具有許多優(yōu)勢(shì)。它可以單獨(dú)使用，也可以組合使用[11]。蝸輪可以按照一定的比例精確地控制起升速度和推力高度。電源可以是手動(dòng)或電動(dòng)的，并且可以在惡劣的環(huán)境中使用。（見表2）表2：升降結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)型號(hào)結(jié)構(gòu)形式裝配形式絲桿頭部形式傳動(dòng)比提升承載能力SWL2.5I型B型法蘭型24：12.5KN中間轉(zhuǎn)向裝置選用了T系列螺旋齒輪轉(zhuǎn)向箱，主要結(jié)構(gòu)是兩個(gè)錐齒輪嚙合，起到轉(zhuǎn)向作用。提升承載能力校核如下：總質(zhì)量為：[130kg（平臺(tái)質(zhì)量）+18kg（ur10質(zhì)量）+10kg（骨鉆質(zhì)量）]x10/40%（安全系數(shù)）=3.95kN設(shè)有4個(gè)螺旋升降機(jī)，但是在實(shí)際使用中最少有3個(gè)支撐腳同時(shí)支撐在地面上，所以：2.5KNx3=7.5kN滿足承載能力要求，并且留有一定富余量。提升速度計(jì)算：絲桿螺紋尺寸為Tr30x6，速比選擇24:1，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min，所以絲桿升降的速度為v=1400r/min÷24×6mm=350mm/min滿足工作要求。3.3電動(dòng)機(jī)的選擇鑒于連接到UR10e機(jī)器人手臂控制箱的電氣控制接口的所有電壓和電流均為直流電（直流電）以及醫(yī)院環(huán)境條件（通常為單相電源），因此研究選擇了單相異步直流流電動(dòng)機(jī)[12]。選擇的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為n=1400r/min，提升重量W=3.95KN，提升速度V=350mm/min，傳動(dòng)效率?=0.11，輸出功率計(jì)算公式：電機(jī)功率（瓦特）=提升重量（牛頓）×提升速度÷60÷傳動(dòng)效率代入上公式得：P=3950×0.350÷60÷0.11=210w從而經(jīng)過對(duì)比選擇370w功率的單相交流電機(jī)。（如圖10減速電機(jī)）圖10減速電機(jī)選擇HUAJI/華機(jī)單相齒輪減速機(jī)+無極調(diào)速電機(jī)YTC-370-4/125370W220V1:181臺(tái)剛度是設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)械臂的大前提[13]，在保證剛度的前提下應(yīng)當(dāng)盡量減少所占用的體積，使手術(shù)室的空間得到最大化利用（如圖11）由分析可得，外部負(fù)載和手的自重是機(jī)械手臂的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要原因。該醫(yī)療機(jī)械臂的設(shè)計(jì)初步要求為能承受8kg的載荷，設(shè)定最末機(jī)械關(guān)節(jié)的自重是1kg，固有作用在最末端機(jī)器人關(guān)節(jié)的負(fù)載為9kg。最末端機(jī)械關(guān)節(jié)長(zhǎng)度約為60mm，則力臂l1=60mm。是故可得最末端機(jī)械臂的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩是：T腕關(guān)節(jié)具有一個(gè)屈伸自由度和一個(gè)收展自由度，屈伸自由度負(fù)載轉(zhuǎn)矩與收展自由度負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，均為5.292N?m。圖11機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖3.4錐齒輪選型計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入功率P=0.5KW，小齒輪轉(zhuǎn)速為n1=37r/min，齒數(shù)比u=1.5，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作壽命1000h[15]選定齒輪類型，精度控制等級(jí)，零件材料類型及所用齒輪選取直齒錐齒輪傳動(dòng)，壓力角取為20。該平臺(tái)為一般機(jī)器，取用7級(jí)精度。材料抉擇，初步選定小齒輪為40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度280HBS，大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為240HBS。選小齒輪為z1=28，大齒輪齒數(shù)z2=u按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式算小齒輪分度圓直徑d1t≥式中：d1t為小齒輪分度圓的分度圓初算值，KHtT為小齒輪傳遞的扭矩，單位為N?mmΦRu為大小齒輪間的傳動(dòng)比σH為齒輪基礎(chǔ)疲勞許用應(yīng)力，ZHZE為齒輪材料的彈性影響系數(shù)，單位為確定公式中的各參數(shù)值試選KHt②計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=3.61×105選取齒寬ΦR查得區(qū)域系數(shù)ZH由表查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.5⑥計(jì)算接觸疲勞許永應(yīng)力[σ1t]，小大齒輪接觸疲勞極限分別為σHlim1=600MPa，σHlim2=550MPa，計(jì)算循環(huán)次數(shù)，N1=60n1jL?=60×37×1×2×8×300×15=1.60x10查手冊(cè)有接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1[σH]1=KHN1σHlim1S=取較小者為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力即[σ2）試算小齒輪分度圓直徑d1t≥=3=105.242mm(2)調(diào)整小齒輪分度圓直徑1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備①圓周速度Vdm1=d1t（1-0.5ΦR）=Vm=πd1mn②當(dāng)量齒輪的齒寬系數(shù)Φb=ΦRd1tΦd=b/d計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)①由表查得使用系數(shù)KA②根據(jù)Vm=0.173m/s，8級(jí)精度，查手冊(cè)有動(dòng)載荷系數(shù)K③直齒錐齒輪加工傳動(dòng)精度較低，取齒間載荷分配系數(shù)KHα④由表用線性插值法查得7級(jí)精度，小齒輪為懸臂梁時(shí)，得齒向載荷分布系數(shù)KHβKH=K3）由式可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得分度圓直徑為d1=d1t3相應(yīng)模數(shù)m=d1/z3按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)試算模數(shù)mt≥式中mt為模數(shù)的試算值，單位為KFtT1Φz(mì)1u為大小齒輪間的傳動(dòng)比YFaYSaσF為齒輪所受的彎曲疲勞應(yīng)力，確定各參數(shù)值并帶入公式①試取KFt②計(jì)算Y由分錐角δ1=arctan（1/u）=arctan(1/3)=18.434°和δ2=90°-18.434°=71.566°，可得當(dāng)量齒數(shù)Zv1=Z1cos齒形系數(shù)YFa1=2.57，Y由圖查得應(yīng)力修正系數(shù)YSa1=1.59，Y小齒輪大齒輪齒根彎曲疲勞極限分別為σFlim1=520MPa，σ取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85，K取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.7得[σF]1=KFN1σFlim1S=取YFa1YSa1[σ取YFa2）計(jì)算模數(shù)mt≥=3=4.51mm（2）調(diào)整齒輪齒數(shù)[16]1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備①圓周速度d1=mdm1=d1（1-0.5ΦRVm=πd1m②齒寬bb=ΦRd1t2）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)K①根據(jù)Vm=0.178m/s，8級(jí)精度，由手冊(cè)有動(dòng)載荷系數(shù)K②直齒錐齒輪加工傳動(dòng)精度較低，齒間載荷分配系數(shù)KFα③用線性插值法取得KHβ=1.186，于是K由式可得實(shí)際載荷KF=K3）算齒輪模數(shù)為m=mt3K按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，就近選擇標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4mm。按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算算得分度圓直徑d1算得小齒輪齒數(shù)Z1=d取Z1=29，則大齒輪齒數(shù)Z2=uZ14幾何尺寸計(jì)算（1）計(jì)算分度圓直徑d1=Z1d2=Z2（2）計(jì)算分錐圓δ1=arctan（1/u）=arctan(1/3)=18.434°和δ2=90°（3）計(jì)算齒輪寬度b=ΦRd1t取b1=b5主要設(shè)計(jì)結(jié)論齒數(shù)Z1=28，Z2=42，模數(shù)m=4mm,壓力角α=20°，變位系數(shù)x1=0，x2=0，分錐角δ1=18.434°，δ2=71.566圖12：錐齒輪傳動(dòng)3.5傾覆穩(wěn)定性校核該小節(jié)的關(guān)鍵是討論在較大的機(jī)械臂伸展度工作條件下，科學(xué)研究測(cè)試服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定性問題。在對(duì)測(cè)試服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行傾覆穩(wěn)定性判別之前，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)軟件進(jìn)行了以下假設(shè)：（1）地面是完美平面，即假設(shè)手術(shù)室地面是完全平整；（2）機(jī)械臂與移動(dòng)平臺(tái)剛性連接，移動(dòng)平臺(tái)與以及接骨鉆機(jī)械臂均是剛性的；（3）抽象的四個(gè)支撐腳都可以視為與地面的點(diǎn)接觸；（4）支撐腳是剛性的，也就是說支撐腳在承受載荷時(shí)不會(huì)發(fā)生形變[18]。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)骨鉆的重力、骨鉆實(shí)際工作情況下的反作用力、機(jī)械臂關(guān)節(jié)在移動(dòng)時(shí)加速度引起的慣性力等，都是影響系統(tǒng)傾覆穩(wěn)定性的原因，比如因?yàn)橛捎诒救嗽O(shè)計(jì)研究的振動(dòng)鉆機(jī)械臂是在緩慢條件中展開設(shè)計(jì)的，因而所產(chǎn)生的慣性力很小，所以我們就只討論下面所展開描述的兩種情況，即靜態(tài)情況和靜態(tài)并受工作反力的情況。因?yàn)楸竟?jié)主要考慮骨鉆機(jī)械臂最大工作范圍的前提下，所以首先把在機(jī)械臂完全伸展開的簡(jiǎn)化狀態(tài)下如圖所示，在僅考慮重力情況下討論該系統(tǒng)的質(zhì)心、機(jī)械臂骨鉆的質(zhì)心、連桿長(zhǎng)等因素，應(yīng)用杠桿原理校核該系統(tǒng)的傾覆穩(wěn)定性。這些數(shù)值主要來源于Solidworks仿真軟件的計(jì)算，為了計(jì)算說明方便，下面以簡(jiǎn)化圖說明這些數(shù)值的關(guān)系。如圖13：骨鉆機(jī)械臂極限位置圖13中的各參數(shù)值如下：m0=210kg，m1=30kg，L0=0.252m，L1=0.022m，L2=0.704m，L3=0.373m，L4=0.312m只有末端執(zhí)行器骨鉆的重力的情況下時(shí)：M1=m0gL0-m1g（L1+L2）=302.741N·m＞0M>0說明在末端執(zhí)行器骨鉆與平臺(tái)的重力同時(shí)作用情況時(shí)支撐腳2是受力的，從而可以說明不會(huì)使平臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生傾覆[20]。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知振動(dòng)骨鉆在鉆骨過程中的最大頂緊力為100N，當(dāng)骨鉆末端工作產(chǎn)生反作用力最大為100N時(shí)：M2=m1g（L0+L1+L2+L4）+m0gL4-100×(L0+L1+L2+L3+L4)=862.014N·m＞0M>0證明在末端執(zhí)行器骨鉆與平臺(tái)重力和鉆骨過程中產(chǎn)生的反作用力作用下支撐腳1是受力狀態(tài)的，從而可以說明在工作情況下也不會(huì)使平臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生傾覆。參考文獻(xiàn)[1]SunDianmin,ZhaoHonghua,SongTao,LiuAiqin,ChengJinling,LiuZhi,ZhaoXin.LearninghierarchicalfacerepresentationtoenhanceHCIamongmedicalrobots[J].FutureGenerationComputerSystems,2021,118.[2]ChandrasekaranKarthik,ParameswaranSuraj,AnnamrajuSrikar,ChandraSourav,ManickamRamalingam,ThondiyathAsokan.APracticalApproachtotheDesignandDevelopmentofTele-OperatedSurgicalRobotsforResourceConstrainedEnvironments—ACaseStudy[J].J.Med.Devices,2021,15(1).[3]白小帆,侯書軍,李慨,曲云霞.軸向低頻振動(dòng)輔助皮質(zhì)骨鉆削的鉆削力和溫升[J].中國(guó)機(jī)械工程,2021,32(03):321-330.[4]朱金明,翁曉蓓,李昕華.MAKO骨科機(jī)器人輔助全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的圍術(shù)期護(hù)理[J].中國(guó)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)管理,2021,12(02):158-162.[5]鄭博隆,郝定均,林斌,昌震,高林,閆亮,楊小彬,惠華,范順武,鄧忠良,朱悅,賀寶榮."天璣"骨科手術(shù)機(jī)器人輔助與徒手穿刺椎體成形術(shù)治療上胸椎骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的療效比較[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2021,23(01):20-