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)1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)21 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(mǎn)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(lài)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(lài)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)，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)3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(chēng)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(lài)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。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)48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(mǎn)足以下等式約束方程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;。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)5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?Y 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)6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(mǎn)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?xún)?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)。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)7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)?81 cos（82 - 01）]由于 L1 sin01 = = L2s in（0 2 - 01） （=圖 4 中的 BC） ，因此上述等式簡(jiǎn)化為：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)8圖 4：作用在臂上的操縱力2.3.2 可達(dá)性?xún)?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)9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，L 1 , 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(chēng)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(mǎn)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)10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? 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