文獻(xiàn)翻譯 一種骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)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(wú)需輔助外科醫(yī)生。定位支架的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)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(diǎn)周?chē)M(jìn)行球形運(yùn)動(dòng)。已經(jīng)為腕部機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了同心多連桿球形接頭設(shè)計(jì)。進(jìn)行尺寸合成以最小化手腕的整體尺寸并且還使角度移動(dòng)的范圍最大化。定位臂的類(lèi)型合成導(dǎo)致SCARA配置，作為平衡且易于移動(dòng)的臂配置，定量?；诳蛇_(dá)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(guò)優(yōu)化手腕的方向來(lái)實(shí)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(dòng)，腕臂整合
1 介紹
與開(kāi)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(duì)于患者具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如;恢復(fù)時(shí)間更短，感染風(fēng)險(xiǎn)更低，住院/費(fèi)用減少。另一方面，間接視力，有限的手部運(yùn)動(dòng)和缺乏力感測(cè)，以及持有長(zhǎng)工具的疲勞姿勢(shì)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(kāi)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(gè)特定分支，在腹部進(jìn)行，內(nèi)窺鏡工具通過(guò)腹壁上的切口點(diǎn)和套管針，因此可以到達(dá)手術(shù)部位。腹壁作為運(yùn)動(dòng)控制條帶作為樞轉(zhuǎn)點(diǎn)，外科醫(yī)生必須以球形配置移動(dòng)工具（即3自由度切口點(diǎn)周?chē)慕沁\(yùn)動(dòng)和一個(gè)平移DOF）。這種球形的工具運(yùn)動(dòng)是腹腔鏡手術(shù)的固有和主要條件，在進(jìn)行任何工具和系統(tǒng)的分析或設(shè)計(jì)之前應(yīng)該特別注意。在本文中，目標(biāo)是被動(dòng)定位支架的最佳設(shè)計(jì)，可用于定位和鎖定工具/內(nèi)窺鏡（如以下第I項(xiàng)所述），但是設(shè)計(jì)可以進(jìn)行修改和升級(jí)，以滿足更高的要求和機(jī)器人應(yīng)用程序（即項(xiàng)目II）：
I- 機(jī)械被動(dòng)支架：有商用設(shè)備可以簡(jiǎn)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(dòng)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(jī)，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(jì)算機(jī)連接，用于支架的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)或鎖定中具有主要作用。如果手腕被驅(qū)動(dòng)和控制，它可以提供許多新功能，例如將工具自動(dòng)重新定位到先前存儲(chǔ)的位置[Faraz，May 95]（例如，用于將內(nèi)窺鏡視角改變?yōu)橄惹按鎯?chǔ)的方向）[例如AESOP comcial系統(tǒng)由Computer Motion Inc.，Goleta，Ca。，USA.l [也是Taylor 95]，或通過(guò)外科醫(yī)生的簡(jiǎn)單頭部運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)窺鏡視圖[例如英國(guó)Beaconsfield的Armstrong Projects Ltd.的EndoSista商業(yè)系統(tǒng)）[芬利，5月95日）。另一種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)手腕是遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，手腕作為從動(dòng)裝置由主臂控制，該主臂由外科醫(yī)生移動(dòng)[Faraz，June 95]。下一節(jié)將介紹該類(lèi)型/大小的合成定位臺(tái)。腕部機(jī)構(gòu)的類(lèi)型和尺寸在2.1節(jié)中合成，并且在2.2和2.3中針對(duì)臂機(jī)構(gòu)執(zhí)行相同的步驟。
2 支架的運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合
定位支架的功能包括兩個(gè)主要任務(wù)：1）將腕部末端執(zhí)行器和工具定位在切口點(diǎn)上，以及2）使工具穿過(guò)切口點(diǎn)朝向手術(shù)部位。
在制作切口點(diǎn)時(shí)，主要在手術(shù)開(kāi)始時(shí)進(jìn)行定位，同時(shí)在整個(gè)過(guò)程中形成通過(guò)切口點(diǎn)定向工具。這兩項(xiàng)任務(wù)在運(yùn)動(dòng)類(lèi)型方面（即理想地定位平移和定向工具的旋轉(zhuǎn)）以及它們?cè)诔绦蚱陂g的應(yīng)用都是不同的。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅應(yīng)該能夠執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)，而且還能最小化或消除用于運(yùn)動(dòng)的手臂和腕關(guān)節(jié)之間的任何相互依賴性。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，定位機(jī)構(gòu)（手臂）和定向機(jī)構(gòu)（手腕）應(yīng)該在運(yùn)動(dòng)學(xué)上依賴于單獨(dú)的機(jī)構(gòu)。在以下部分中，首先是手腕，然后是手臂機(jī)構(gòu)，其類(lèi)型和尺寸分別合成。
2.1 手腕Endeffector
在laparoscopic手術(shù)切口點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束允許：a）切口點(diǎn)處的兩個(gè)DOF角度運(yùn)動(dòng)，在距離垂直對(duì)稱軸±70°的范圍內(nèi)，b）圍繞工具縱軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)DOF， c）進(jìn)出腹部的一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)DOF。這種球形運(yùn)動(dòng)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(jì)的設(shè)計(jì)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(diǎn)應(yīng)具有與球形關(guān)節(jié)相同的DOF，以及通過(guò)切口點(diǎn)的線性運(yùn)動(dòng)。任何其他運(yùn)動(dòng)配置必須依賴于至少兩個(gè)或更多個(gè)軸的同時(shí)移動(dòng)和控制來(lái)模擬球形配置的任何移動(dòng)[例如，由Motion Motion Inc.，Goleta，Ca.，USA。的AESOP單元]。
2.1.1 手腕的類(lèi)型合成
根據(jù)手腕的要求，類(lèi)型合成僅限于那些可以提供球形運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jì)的球形關(guān)節(jié)，工具穿過(guò)關(guān)節(jié)中心然后穿過(guò)切口點(diǎn)（圖1）。
優(yōu)點(diǎn)：I）這是一款小巧輕便的設(shè)計(jì)，2）移動(dòng)部件數(shù)量最少，3）設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：1）低角度運(yùn)動(dòng)范圍（遠(yuǎn)小于±70°的要求范圍），2）旋轉(zhuǎn)中心不在切口點(diǎn)，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(diǎn)旋轉(zhuǎn)工具的困難，以及
3）在致動(dòng)腕部的情況下，圍繞關(guān)節(jié)的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸致動(dòng)套筒球是不可行的。
II- 球形連桿：在這種設(shè)計(jì)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(guò)切口點(diǎn)所在的中心點(diǎn)。為了提供兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)四桿球形連桿系統(tǒng)（圖2）。
優(yōu)點(diǎn)：1）這提供了切口點(diǎn)處的球形運(yùn)動(dòng)，以及2）足夠的角度運(yùn)動(dòng)范圍（±70°）。
缺點(diǎn)：1）不是剛性的，特別是當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)延伸到極端角度時(shí)，2）容易堵塞并且由于關(guān)節(jié)清晰和鏈接在負(fù)載下的不對(duì)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(jì)由六個(gè)連桿和八個(gè)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(diǎn)O [Hamlin 94]。因此，可以使工具在三個(gè)垂直方向（即X，Y和Z軸，圖3）中圍繞點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，就像球形接頭一樣。通過(guò)比較上述三種類(lèi)型的手腕機(jī)構(gòu)并考慮到每種類(lèi)型的手腕機(jī)械的缺點(diǎn)，同心多連桿球形關(guān)節(jié)作為更好類(lèi)型的手腕末端執(zhí)行器具有多種優(yōu)點(diǎn)，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(jī)構(gòu)的手腕。
2.1.2 手腕的尺寸合成
要確定機(jī)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(jì)[Hamlin 94]功能：tan￠，= t',, L4 = 3
可以看出，尺寸L2在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)功能中不起任何作用。然而，稍后將顯示尺寸L2 在機(jī)理的動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(duì)外部載荷的反作用力，我們可以寫(xiě)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(wàn);。這里，關(guān)節(jié)力的比例
為了不超過(guò)關(guān)節(jié)強(qiáng)度安全系數(shù)，最多2被認(rèn)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(jī)構(gòu)的整體尺寸。
相當(dāng)于這種平面設(shè)計(jì)，Neisius（94）也提出了一種平面臂機(jī)構(gòu)，用于相同的功能，沒(méi)有任何細(xì)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(gè)系統(tǒng)[Taylor 95，Neisius 94]都被設(shè)計(jì)并打算用作單臂支架。因此，這些設(shè)計(jì)（如作者所描述的那樣，作為手臂操縱器）不能被視為類(lèi)似于此處所提出的設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器或腕部機(jī)構(gòu)，其僅被設(shè)計(jì)為腕部機(jī)構(gòu)，其中可以安裝其中的幾個(gè)。在同一個(gè)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(lèi)型合成臂的設(shè)計(jì)的一般要求，作為多臂架的被動(dòng)機(jī)械連桿系統(tǒng)[Faraz，May 95] [Nagy 94]，是：a）作為平衡機(jī)構(gòu)，b ）可以用手輕松移動(dòng)，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(lèi)似手臂。
每種形式的定位任務(wù)都有無(wú)限的機(jī)制可能性。在Funda（94）的HISAR手術(shù)機(jī)器人等定位支架和機(jī)械手中，冗余軸包含在單臂的設(shè)計(jì)中。這可以提供更大的靈活性和更大的自由度來(lái)移動(dòng)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?yàn)槿魏胃郊虞S需要在該軸之前更強(qiáng)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(shí)可以添加冗余軸。
基本上將機(jī)械手/機(jī)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(lèi)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(jī)制可被視為良好的候選者，如No.12,13和No.12和13是三個(gè)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(dòng)（因?yàn)橹亓Γ┝υ谶@些運(yùn)動(dòng)方向上沒(méi)有任何組成部分）。此外，Y軸可以通過(guò)使用彈簧系統(tǒng)（例如重量滑輪/氣動(dòng)重量補(bǔ)償器/電動(dòng)機(jī)平衡系統(tǒng)）或使用自鎖導(dǎo)螺桿來(lái)平衡，因?yàn)檠豗軸的移動(dòng)不經(jīng)常執(zhí)行。12號(hào)和13號(hào)的缺點(diǎn)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(jì)都是架空安裝，從便攜性，易于安裝和維護(hù)的角度來(lái)看，這使得它們的吸引力降低。
另一方面，設(shè)計(jì)No.41是（PRR）SCARA配置，其中兩個(gè)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(tái)表面平行的水平面上移動(dòng)。臂的連桿可以選擇為短而輕，具有旋轉(zhuǎn)接頭，這對(duì)于手動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生低摩擦。所有這些使得SCAR配置對(duì)于這個(gè)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(gè)臂（左和右）的兩個(gè)250×350的區(qū)域。外科醫(yī)生位于手術(shù)臺(tái)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(dá)其整個(gè)工作空間。為了滿足這些要求，在接下來(lái)的兩節(jié)中，研究了臂的可操縱性和可達(dá)性的兩個(gè)主要主題。
2.3.1 可操作性測(cè)量
外科醫(yī)生雙手易于移動(dòng)被動(dòng)臂不僅取決于每個(gè)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(jì)。
文獻(xiàn)中有幾個(gè)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(lái)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(jì)參數(shù)。在本節(jié)中，一個(gè)新的可操縱性測(cè)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?zhuān)约霸陉P(guān)節(jié)處具有恒定摩擦扭矩的被動(dòng)臂的特殊情況。
基本概念是在奇點(diǎn)處，機(jī)制的設(shè)計(jì)至少失去一個(gè)DOF，并且當(dāng)Jacobian的行列式接近零時(shí)發(fā)生這種情況。對(duì)于兩個(gè)鏈接機(jī)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(jī)制的可操縱性度量（m）是雅可比決定因素的絕對(duì)值[Yoshikawa 85，Lee 93]：m = ldet（J）I。因此，在02 = 0和7r時(shí)，可操縱性將為零。當(dāng)我們接近奇點(diǎn)時(shí)，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(gè)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(diǎn)，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(kù)侖摩擦力矩（例如主要是由于接頭氣動(dòng)制動(dòng)器的密封圈），它們的最大極限可以認(rèn)為是Tmax
通過(guò)產(chǎn)生足夠的扭矩（rmax）來(lái)移動(dòng)（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(dòng)手臂的最小和最大力，請(qǐng)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(gè)移動(dòng)的關(guān)節(jié)，因?yàn)樗哂衼?lái)自操縱力的最長(zhǎng)臂（即OA，圖4）。為了找到可以移動(dòng)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￠L(zhǎng)1 + L2，[因?yàn)?1 cos（82 - 01）]
由于L1 sin01 = = L2s in（02 - 01）（=圖4中的BC），因此上述等式簡(jiǎn)化為：
圖4：作用在臂上的操縱力
2.3.2 可達(dá)性優(yōu)化
本節(jié)的目的是最小化臂的尺寸，同時(shí)它仍然可以達(dá)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(duì)于給定的位置和連接變量。臂（ABC）到達(dá)最遠(yuǎn)點(diǎn)（M或N），然后：R（0 2 = 60°）\ 2：MAX（AMorAN），這導(dǎo)致要到達(dá)最近點(diǎn)。
以及，這兩個(gè)不等式約束確保臂可以到達(dá)其工作空間中的所有點(diǎn)而不違反可操縱性約束135°。
圖5：Fmax / Fmin VS.02
此優(yōu)化的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)此目的的一種方式是通過(guò)最小化基點(diǎn)A距工作空間的中心點(diǎn)的距離（即點(diǎn)0，圖6）。
2.3.3 手腕方向
為了最小化手腕機(jī)構(gòu)在手術(shù)區(qū)域內(nèi)的手部運(yùn)動(dòng)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(diǎn)（圖7）。換句話說(shuō)，當(dāng)切口點(diǎn)（C）被認(rèn)為是[Nagy 94]之間的中心點(diǎn)時(shí)，最好使腕機(jī)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(lái)控制角度α，使得手腕W總是指向外科醫(yī)生而C點(diǎn)移動(dòng)。
另一方面，如果工作空間中的整個(gè)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(rèn)為是具有恒定角度α的固定關(guān)節(jié)。這個(gè)
可以通過(guò)找到a，/ 3和的修正值來(lái)驗(yàn)證
L當(dāng)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(méi)有偏離（對(duì)于操作區(qū)域的極點(diǎn)（例如，點(diǎn)M，N，Q和R），最大值為±45°。手腕W也不會(huì)干擾當(dāng)接近Y的對(duì)稱軸時(shí)，另一個(gè)臂的操作區(qū)域。因此對(duì)于被動(dòng)定位臂，在D處以恒定角度α的固定接頭可以被認(rèn)為是最佳的并且也是最簡(jiǎn)單的解決方案。
圖7：手腕朝向點(diǎn)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(dú)任務(wù)，以及使它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)上獨(dú)立/分離，它們被設(shè)計(jì)為單獨(dú)的機(jī)構(gòu)。
手腕：由于球面運(yùn)動(dòng)要求和腹腔鏡手術(shù)中工具運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，手腕必須模擬切口點(diǎn)處的球形運(yùn)動(dòng)。為此，發(fā)現(xiàn)同心多連桿球形接頭是最合適的機(jī)構(gòu)。手腕的尺寸合成是通過(guò)最小化手腕的整體尺寸以及最大化其運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
手臂：為了手動(dòng)將手臂放在手術(shù)點(diǎn)上，它必須平衡，易于移動(dòng)，占據(jù)最小的空間，并且不會(huì)干擾外科醫(yī)生的工作區(qū)域或其他類(lèi)似的手臂。在這種情況下，SCARA配置被選擇為適合于手臂的類(lèi)型，并且開(kāi)發(fā)了用于被動(dòng)操縱器的新操控性（方程11和14）。臂的尺寸合成通過(guò)最小化它們的整體尺寸同時(shí)滿足可制造性測(cè)量并且也達(dá)到所需要來(lái)進(jìn)行
此外，腕部取向被優(yōu)化到這樣的角度，使得它相對(duì)于外科醫(yī)生在切口點(diǎn)的相對(duì)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(gè)集成臂可以并排工作而不會(huì)產(chǎn)生干擾，如SFU-ERL實(shí)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(gè)主臂干涉的任何可能性）可以為諸如用于視覺(jué)系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡之類(lèi)的其他工具提供定位可能性。實(shí)施的系統(tǒng)作為第一個(gè)正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臨床試驗(yàn)的多臂外科定位設(shè)備，顯示了實(shí)用的潛力，并提供了進(jìn)行“單獨(dú)手術(shù)”所需的總體環(huán)境。
所提出的設(shè)計(jì)可以用于完整的機(jī)器人主干/手術(shù)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)[Faraz，May 95]，手腕由外科手臂（在SFU-ERL開(kāi)發(fā)中）移動(dòng)的主臂致動(dòng)/控制。
圖8：被動(dòng)腹腔鏡支架。工作區(qū)
4 致謝
作者要感謝機(jī)器人和智能系統(tǒng)研究所（IRIS）的財(cái)政支持，
A. 聯(lián)邦卓越中心網(wǎng)絡(luò)，以及Nagy博士為促進(jìn)臨床評(píng)估所做的貢獻(xiàn)，以及SFU機(jī)械加工廠的開(kāi)發(fā)。
5 參考
? Faraz，A.，Payandeh，S.，Nagy，A.，1995年6月，“是內(nèi)窺鏡擴(kuò)展器中的起訴和設(shè)計(jì)概念”，Proc。第六屆IFAC Symp。關(guān)于MMS，麻省理工學(xué)院，第109-114頁(yè)。
? Faraz，A.，Payandeh，S.，1995年5月，“機(jī)器人在內(nèi)窺鏡手術(shù)中的應(yīng)用”，Proc。第15屆加拿大
dian應(yīng)用力學(xué)會(huì)議，第1卷，第252-225頁(yè)。
? Finlay，PA，Ornstein，MH，1995年5月/ 6月，“控制外科腹腔鏡運(yùn)動(dòng)”，IEEE Engineering in Medicine and Biology Maga zine，Vol.14，No.3，pp.289-291。
? Funda，J.，Eldridge，B.，Gruben，K.，Gomory，S.，Taylor，R.，1994，“Two of Manipulator Designs for Laparoscopic Surgery”，Telemanipula tor and Telepresence Technologies，SPIE，Vol.2351， pp.172-183。
? Gosselin，C.，Angeles，J.，1991年9月，“用于機(jī)器人操作的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化的全局性能指數(shù)”，ASME的交易，機(jī)械設(shè)計(jì)雜志，第113卷，第220-226頁(yè)。
? Hamlin，GJ，Sanderson，AC，1994，“具有并行機(jī)器人應(yīng)用的新型同心多連桿球形接頭”，IEEE，pp.1267-1272。
? Klein，AK，Miklos，TA，1991，“Spatial Robotic Isotropy”，The International Journal of Robotics Re search，Vol.IO，No.4，pp.426-437。
? Lee，MY，Erdman，AG，Gutman，Y.，1993年9月，“發(fā)展 的 運(yùn)動(dòng)/ “多自由度機(jī)構(gòu)綜合中的Ki網(wǎng)絡(luò)性能工具”，ASME Trans。，J。Mechanical Design，Vol.115，pp 462-472。
? Nagy，A.，不列顛哥倫比亞大學(xué)腹腔鏡手術(shù)，外科手術(shù)室主任，溫哥華總醫(yī)院，1994年，個(gè)人通訊。
? Neisius，B.，P.Dautzenberg，R.Trapp，1994，“Robotic Manipulator for Endoscopic Handling of Surgical Effectors and Cameras”第一屆國(guó)際醫(yī)學(xué)機(jī)器人和計(jì)算機(jī)輔助外科學(xué)研討會(huì)（MRCAS），第1-7頁(yè)。
? Park，F(xiàn)C，Brockett，RW，1994，“機(jī)器人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)”，國(guó)際機(jī)器人研究雜志，Vol.13，No.I，pp.1-15。
? Salisbury，]。K。，Craig，JJ。，1982，'Articulated Hands：Force Control and Kinematic Issues“，Int.J。Robotics Research，Vol.1，No。pp.4-17。
? Taylor，RH，F(xiàn)unda，J.，Eldridge，B.，Gruben，K.，Gomory，LaRose，D.，Talamini，M.，Kavoussi，L.，Anderson，J.，May / June 1995，“A Telerobotic As “腹腔鏡外科學(xué)”，“IEEE工程與醫(yī)學(xué)與生物學(xué)雜志”，第14卷，第3期，第279-288頁(yè)。
? Yoshikawa，T.，1985，Summer，“Manoticulability of Robotic Mechanisms”，The International Journal of Robotics Research，Vol.4，No.2，MIT，pp.3-9。
11