某骨盆復(fù)位機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21005某骨盆復(fù)位機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)案例 1195781.1骨盆復(fù)位機(jī)器人復(fù)位過(guò)程分析 1230291.1.1牽引力分析 111361.1.2骨盆固定分析 2288361.2機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)研究 3316891.1.1骨盆復(fù)位機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 3294471.1.2骨盆復(fù)位機(jī)器人各模塊的設(shè)計(jì)要求 4275121.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5120521.3.1機(jī)器人選型 6182141.3.2床體連接架設(shè)計(jì) 8228341.3.3骨盆外固定架設(shè)計(jì) 9本課題從骨盆復(fù)位手術(shù)所需復(fù)位力出發(fā)，分析了骨盆附近各大肌群之間的受力情況。通過(guò)不同骨科復(fù)位機(jī)器人的之間復(fù)位力和復(fù)位力矩的大小，提出了符合于骨盆骨折復(fù)位的復(fù)位力大小，并確定了幾種骨盆固定針的入針位置。確定機(jī)器人設(shè)計(jì)的一系列設(shè)計(jì)參數(shù)。針對(duì)這些設(shè)計(jì)參數(shù)，本課題設(shè)計(jì)了一款能夠進(jìn)行骨盆復(fù)位手術(shù)的復(fù)位機(jī)器人。1.1骨盆復(fù)位機(jī)器人復(fù)位過(guò)程分析1.1.1牽引力分析由于骨盆附近存在著復(fù)雜而密閉的肌肉以及韌帶組織，因此在進(jìn)行骨盆復(fù)位過(guò)程中操作者需要較大復(fù)位力和復(fù)位力矩?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外有關(guān)于骨盆骨折所需的復(fù)位力及復(fù)位力矩研究的論文文獻(xiàn)相對(duì)較小，由于骨盆骨折的大部分情況都是由于高能量損傷照成的，病情相對(duì)于其他而已危害性更加嚴(yán)重。再加上國(guó)內(nèi)外大體老師的數(shù)量有限，對(duì)肌肉的復(fù)位力的牽引力的研究就相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少。根據(jù)克羅地亞薩格勒布醫(yī)學(xué)院創(chuàng)傷臨床大學(xué)的EsmatElabjer教授和VasilijeNikolie教授對(duì)骨盆骨折碎片上的肌肉力進(jìn)行分析。他們通過(guò)分析骨盆的髂翼骨折時(shí)向上作用的肌肉力的大小，研究發(fā)現(xiàn)骨盆附近最弱小的肌肉是勃起肌，平均大小為1.675N，強(qiáng)大的肌肉是外斜肌，肌肉力最大值為840N[21]。當(dāng)骨盆的恥骨骨折后，骨盆附近有多達(dá)9對(duì)肌肉向下負(fù)責(zé)牽引坐骨骨頭的碎片，半腱肌平均力為2348N，股二頭肌長(zhǎng)頭的平均力800~1200N,而其他肌肉的力量大小明顯變小[22]。德國(guó)漢珞威醫(yī)學(xué)院創(chuàng)傷中心的Gosling等教授通過(guò)一系列傳感器研究了股骨干在骨折復(fù)位的過(guò)程中所可能產(chǎn)生的應(yīng)力和扭矩，研究發(fā)現(xiàn)股骨干在復(fù)位的過(guò)程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為411N，最大扭矩為74N.m[23]。由日本大阪南醫(yī)學(xué)中心整形外科Y.Maeda教授、Y.Tamura教授和M.Saito教授通過(guò)研究使用機(jī)器人來(lái)對(duì)髖骨骨折進(jìn)行復(fù)位，他們通過(guò)志愿者來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出了下肢內(nèi)旋的最大牽引力平均為231.9N，外旋最大力矩平均為6.31N.m[24]。男性與女性的最大牽引距離無(wú)明顯差異。YukiMaeda教授研究股骨干骨折復(fù)位時(shí)，做了好幾組人體實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示:當(dāng)有意識(shí)健康志愿者的四肢在感到疼痛或異常時(shí)，這時(shí)施加于有意識(shí)健康志愿者下肢最大牽引力達(dá)250.7N，平均最大扭矩內(nèi)旋5.6Nm，外旋76Nm，因此股骨近端骨折復(fù)位過(guò)程中所需的平均牽引力為215.9N，旋轉(zhuǎn)扭矩為3.2N.m[25]。由于骨盆周圍有許多的韌帶纖維束以及眾多肌肉組織包裹著，因此在完成骨盆復(fù)位過(guò)程中需要提供較大的牽引力及牽引力矩。但是,當(dāng)骨盆發(fā)生了骨折時(shí),需要在骨盆進(jìn)行手術(shù)前和復(fù)位前就必須要對(duì)這個(gè)患者進(jìn)行一次全身的麻醉,在接受了一次全身性的麻醉后會(huì)導(dǎo)致使得全身肌肉恢復(fù)到一種放松的狀態(tài)，因此骨盆與股骨之間的連接強(qiáng)度就會(huì)降低。綜上所示，骨盆骨折過(guò)程中所需的最大牽引力大致為200~350N，最大復(fù)位力矩為10~25N.m.1.1.2骨盆固定分析由于骨盆骨折后骨盆腔內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，肌肉與韌帶之間的牽引力比較大，因此，對(duì)骨折的骨盆進(jìn)行復(fù)位時(shí)，需要將骨折骨盆進(jìn)行牢固固定。為了能夠相對(duì)牢固的把持骨盆并在三維空間中移動(dòng)，置入骨盆的末端固定針一定要有足夠的把持力，固定針的位置也至關(guān)重要。固定針的位置的選擇需要保證總體的連接強(qiáng)度，又不能影響骨盆的復(fù)位操作。根據(jù)骨盆骨折的各種分型和數(shù)目統(tǒng)計(jì)資料可以知道，骨盆骨折大部分發(fā)生在骶髂關(guān)節(jié)連接處或恥、坐骨聯(lián)合附近位置。因此為了使骨盆與固定針之間的連接強(qiáng)度最大，需要在髂骨翼的不同位置上植入髂骨釘。因此衍生出了四條髂骨釘?shù)娜脶樛ǖ?。如圖2-1所示:圖2-1四種入針通道A線從髂后上棘上方24mm處為起點(diǎn)，方向是為髖臼上緣；B線是從髂后上棘上方24mm處為起點(diǎn)，方向是髂前下棘；C線從髂前下棘為起點(diǎn)，方向是髂后上棘；D線是髂后上棘為起點(diǎn)，方向是髂前下棘[26]。但是，由于每個(gè)人的骨盆的大小、髂骨翼的傾角都不一樣，所有在設(shè)計(jì)骨盆骨折復(fù)位機(jī)器人的時(shí)候要充分考慮到機(jī)器人與髂骨釘?shù)倪B接方式，使其能夠滿足大眾的需求。1.2機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)研究1.1.1骨盆復(fù)位機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在機(jī)器人進(jìn)行骨盆骨折復(fù)位過(guò)程設(shè)計(jì)中，有很多方面因素需要考慮，要盡最大可能減小復(fù)位過(guò)程中對(duì)患者的身體傷害，提高手術(shù)復(fù)位精度及手術(shù)成功率，需要滿足以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要求:（1）手術(shù)精度要求手術(shù)精度是決定機(jī)骨盆復(fù)位手術(shù)質(zhì)量的決定性因素。而手術(shù)精度由多方面決定。手術(shù)精度由以下幾個(gè)方面決定：一是空間配準(zhǔn)的精度;二是末端夾具的精度;三是人為操作誤差造成的精度。因此機(jī)器人對(duì)于機(jī)構(gòu)的最終的精度要有以下要求:姿態(tài)位移偏差2mm以內(nèi)，姿態(tài)旋轉(zhuǎn)偏差2°以內(nèi)。（2）運(yùn)動(dòng)功能要求這款機(jī)器人還是應(yīng)該要擁有足夠的自由度數(shù)，才能使其結(jié)構(gòu)中的末端機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠表現(xiàn)出較好的靈活性。該類型的機(jī)器人不僅僅是需要在一定連續(xù)的空間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并且還可以在一些特殊位置上實(shí)現(xiàn)一定姿態(tài)調(diào)整，通過(guò)調(diào)整姿態(tài)用規(guī)避骨盆腔內(nèi)重要血管、組織和器官，使骨盆患側(cè)位能夠以最佳的復(fù)位路徑進(jìn)行手術(shù)操作。（3）人機(jī)交互性要求骨盆復(fù)位手術(shù)機(jī)器人在進(jìn)行手術(shù)過(guò)程中需要醫(yī)務(wù)人員的參與。因而該款手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該具有比較完備的人機(jī)交互功能，使機(jī)器人與手術(shù)環(huán)境能夠比較好進(jìn)行融合，更加便利醫(yī)護(hù)人員使用，減少醫(yī)務(wù)人員的學(xué)習(xí)時(shí)間。（4）安全性要求由于手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境的特殊性，其設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)高于其他行業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)。人體骨盆內(nèi)部分布著大量血管和組織，使得骨盆復(fù)位機(jī)器人復(fù)位手術(shù)操作變得十分復(fù)雜。在機(jī)器人進(jìn)行骨折復(fù)位手術(shù)的過(guò)程中，如果機(jī)器人的操作失誤和機(jī)器人死機(jī)，就會(huì)造成嚴(yán)重的醫(yī)療事故。為了對(duì)醫(yī)生和患者的平安考慮，在設(shè)計(jì)手術(shù)機(jī)器人的時(shí)候，應(yīng)該考慮手術(shù)過(guò)程中可能發(fā)生的各類事故，針對(duì)機(jī)器人出現(xiàn)的問(wèn)題，就必須設(shè)計(jì)一款合適的安全機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)手術(shù)過(guò)程中出現(xiàn)的不確定因素。1.1.2骨盆復(fù)位機(jī)器人各模塊的設(shè)計(jì)要求由于骨盆復(fù)位手術(shù)需要打開(kāi)一個(gè)小的切口，而當(dāng)整個(gè)人體組織遭到破壞時(shí)，患者受到感染風(fēng)險(xiǎn)概率高達(dá)40%，因此手術(shù)過(guò)程中必須在無(wú)菌環(huán)境中進(jìn)行。骨盆復(fù)位機(jī)器人作為手術(shù)室內(nèi)器械之一，對(duì)骨盆復(fù)位機(jī)器人的消毒復(fù)位是十分有必要的。然而，骨盆復(fù)位機(jī)器人屬于體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)其內(nèi)部還附帶著一些控制電路，因此，由于機(jī)器人不能全部進(jìn)入普通消毒設(shè)備中進(jìn)行醫(yī)療上的高溫消毒或浸入消毒液消毒。為了解決此類問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)該機(jī)器人具有一部分可以拆卸的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是可以用于普通消毒設(shè)備進(jìn)行高溫消毒或浸入消毒液中進(jìn)行消毒，其余部分結(jié)構(gòu)必須在手術(shù)之前用已經(jīng)消毒過(guò)的覆蓋物進(jìn)行覆蓋，使其部分完成與病人隔離開(kāi)，保證骨盆復(fù)位手術(shù)過(guò)程中處于無(wú)菌環(huán)境中。使用機(jī)器人來(lái)進(jìn)行復(fù)位時(shí)，復(fù)位手術(shù)過(guò)程中就不對(duì)患者進(jìn)行X射線照射。在骨盆復(fù)位手術(shù)之前就需要對(duì)骨盆進(jìn)行外固定，只有將患者的骨盆完全固定才能夠獲取患者骨盆骨折過(guò)程中骨盆健側(cè)位和患側(cè)位的相對(duì)位姿關(guān)系。由于CT掃描儀可照射的面積過(guò)小，因此不能將整個(gè)復(fù)位機(jī)器人都進(jìn)行X射線照射。因此需要設(shè)計(jì)的復(fù)位機(jī)器人中有一部是可以用于CT照射的結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)能夠很穩(wěn)定將骨盆的健側(cè)位和患側(cè)位進(jìn)行固定連接。該結(jié)構(gòu)與機(jī)器人有快捷的連接接口，可以在手術(shù)前快速與機(jī)器人對(duì)接。因此復(fù)位機(jī)器人應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件：1.機(jī)器人應(yīng)具有一部分可拆卸式的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)應(yīng)具備快速的接口用于骨盆的固定；2)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)應(yīng)該緊湊，結(jié)構(gòu)緊湊就能保證安全可靠的達(dá)到手術(shù)目標(biāo)的大致位置，又不干涉醫(yī)護(hù)人員的操作和觀察視角；3)機(jī)器人最少應(yīng)該具有六個(gè)自由度，其中X、Y、Z方向平移的最大位移量至少為±50mm，X、Y、Z方向旋轉(zhuǎn)的最大角度至少為±15°；4)機(jī)器人應(yīng)能夠提供較大的牽引力，復(fù)位牽引力最大為200~300N，復(fù)位牽引力矩最大為20~30N?m；5)機(jī)器人機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較高的定位精度，其中位置誤差不大于2mm，旋轉(zhuǎn)誤差不大于2°；6)機(jī)器人應(yīng)具有高強(qiáng)度、高抗腐蝕性。1.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于骨盆骨折復(fù)位需要高精密和高負(fù)載的要求，再加上需要對(duì)骨盆骨折機(jī)器人有一些特殊的設(shè)計(jì)要求。因此，綜合對(duì)現(xiàn)有的骨折復(fù)位機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析，可以看到并聯(lián)和串并聯(lián)結(jié)構(gòu)各自具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，在性能上有重復(fù)，在負(fù)載方面存在著不足。本文最終采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)展技術(shù)比較成熟、控制相對(duì)簡(jiǎn)單和末端負(fù)載較大的特點(diǎn)。由于時(shí)代的發(fā)展，對(duì)于串聯(lián)機(jī)器人的定位精度問(wèn)題也得到了相應(yīng)的解決。盆復(fù)位機(jī)器人的整體構(gòu)型如圖2-2所示，主要是由三部分組成：骨盆外固定架、床體連接架和六自由度串聯(lián)機(jī)器人本體組成。骨盆外固定架是用于固定骨盆，一端通過(guò)床體連接架與手術(shù)床連接，另一端與六自由度串聯(lián)機(jī)器人本體相連。圖2-2骨盆復(fù)位機(jī)器人模型1.3.1機(jī)器人選型由于骨盆骨折的嚴(yán)重性。在復(fù)位過(guò)程中，需要單獨(dú)克服的復(fù)位力和復(fù)位力矩相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大。對(duì)于復(fù)位手術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的末端應(yīng)該具備負(fù)載能力要高等要求?；谏鲜龅囊?，本課題確定了以下幾種機(jī)器人結(jié)構(gòu)來(lái)滿足骨盆復(fù)位的要求。通過(guò)對(duì)比機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，來(lái)確定一種適合骨盆復(fù)位手術(shù)的機(jī)器人。六自由度串聯(lián)機(jī)器人在醫(yī)用手術(shù)機(jī)器人上的應(yīng)用范圍比較廣泛的，具有操作簡(jiǎn)單、控制方便和運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間大，可以在各個(gè)角度和方向上將固定的骨盆復(fù)位至合適的位置。但是，串聯(lián)機(jī)器人的剛度較低，動(dòng)力學(xué)會(huì)隨著尺寸的增加而更加惡化。隨著科技的不斷進(jìn)步，對(duì)于串聯(lián)機(jī)器人末端機(jī)械臂的負(fù)載過(guò)小情況有了很大程度上的解決。定位精度也隨著時(shí)代的發(fā)展也越來(lái)越高。六自由度并聯(lián)機(jī)器人是在Stewart架的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的，具有運(yùn)動(dòng)精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間比較小，不能夠再大范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置是安裝再定平臺(tái)或接近定平臺(tái)的位置，因此它所占據(jù)的空間比較大，不適合手術(shù)室內(nèi)使用。六自由度混聯(lián)機(jī)器人是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展最為迅速的一款機(jī)器人，該型號(hào)的機(jī)器人主要是由串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行混合和連接構(gòu)成的，在一定程度上已經(jīng)具備了傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人這兩個(gè)系列的優(yōu)點(diǎn)。再運(yùn)動(dòng)空間和運(yùn)動(dòng)負(fù)載上都充分融合了兩種機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。但是，該機(jī)器人的控制相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，自由度之間的分配情況直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況。針對(duì)以上三種機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合骨盆骨折復(fù)位手術(shù)過(guò)程中所需的各種要求，串聯(lián)機(jī)器人更加滿足設(shè)計(jì)要求。因此本課題選擇了一款串聯(lián)機(jī)器人。六自由度串聯(lián)機(jī)器人如圖2-3所示，機(jī)器人可以分為三個(gè)部分組成分別是：底盤、機(jī)器人本體和工作端組成。其中，底座是帶有梅花輪和地腳螺栓的支撐平臺(tái)，可以為機(jī)器人提供支撐和移動(dòng)功能；機(jī)器人本體是模仿人的手臂運(yùn)動(dòng)而制成的，與人手的運(yùn)動(dòng)類似。圖2-3機(jī)器人模型其中基座主要是用于將機(jī)器人本體與底座進(jìn)行連接。機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)是由管壁來(lái)進(jìn)行連接的。機(jī)器人可以通過(guò)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人末端的工具件能夠移動(dòng)到空間中不同位置。由于手術(shù)過(guò)程中需要考慮的可能出現(xiàn)的各種因素，因此對(duì)于機(jī)器人的選型上和結(jié)構(gòu)上，本課題應(yīng)該選擇一種安全系數(shù)高，能夠進(jìn)行人機(jī)交互，與醫(yī)生進(jìn)行協(xié)作運(yùn)行的機(jī)器人。手術(shù)過(guò)程中需要克服的工作負(fù)載有200～300N，因此，機(jī)器人的末端負(fù)載能力能夠滿足復(fù)位力矩。選用的是AUBO-i16機(jī)器人是遨博公司最新的研制的人機(jī)交互機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)空間如圖2-4所示。AUBO-i16機(jī)器人是一款人機(jī)交互機(jī)器人，其末端的負(fù)載達(dá)到了16kg。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)半徑達(dá)到了970mm。滿足設(shè)計(jì)要求。圖2-4機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間由于手術(shù)床的高度和進(jìn)行骨盆復(fù)位手術(shù)過(guò)程中需要將患者放入工作空間最富裕的范圍內(nèi)，因此需要對(duì)機(jī)器人加底座。底座的高度可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，機(jī)器人只是快速將末端機(jī)構(gòu)放置在骨盆復(fù)位手術(shù)的一個(gè)工作范圍內(nèi)，再根據(jù)骨盆外固定架是對(duì)骨盆進(jìn)行固定，然后在設(shè)定的復(fù)位路徑下，緩慢的對(duì)骨盆進(jìn)行復(fù)位操作。1.3.2床體連接架設(shè)計(jì)床體連接架一端是用于骨盆骨折患者的健側(cè)位骨盆與骨盆外固定架連接，另一端是與手術(shù)床穩(wěn)固連接。如圖2-5所示，為床體連接架構(gòu)型。該床體連接架是由兩個(gè)直板連接骨盆外固定架和連接架。由于骨科手術(shù)大部分都是采用臥式進(jìn)行手術(shù)，因此需要對(duì)連接架進(jìn)行加高設(shè)計(jì)。由于骨科手術(shù)床的兩側(cè)都會(huì)具有長(zhǎng)條形的支撐架是用于與其他設(shè)備的外部固定，因此床體連接架下端采用兩個(gè)可以用于快接的連接件，上端通過(guò)螺釘與骨盆外固定架連接。圖2-5床體連接架床體固定架是能夠在患者進(jìn)行骨盆復(fù)位手術(shù)過(guò)程中對(duì)患者的健側(cè)位骨盆進(jìn)行固定或在手術(shù)前進(jìn)行X射線進(jìn)行掃描時(shí)對(duì)能夠?qū)?cè)位骨盆進(jìn)行固定，保證了健側(cè)位骨盆與患側(cè)骨盆之間的相對(duì)位姿。減少了醫(yī)生在進(jìn)行外科手術(shù)過(guò)程中，反復(fù)使用X射線照射。減少X射線對(duì)醫(yī)生和患者的傷害。1.3.3骨盆外固定架設(shè)計(jì)骨盆外固定架是用于對(duì)患者骨盆進(jìn)行外固定的的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。如圖2-6所示，整體結(jié)構(gòu)可以分為左右兩個(gè)外固定板和帶鎖緊螺釘?shù)囊苿?dòng)滑軌三個(gè)部分。其中，左右兩個(gè)外固定板是采用相同的構(gòu)型，固定板上分別具有兩根垂直分布的連接桿，連