醫用機械手設計構想

毋虎城，郭 偉

（河南工程技術學校，河南 焦作 454002）

機械手是工業生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢部分功能，按照控制程序要求輸送工件或握持工具進行操作的應用設備。它對降低勞動強度，推動工業生產和社會生產的發展有著重要的作用，因而具有強大的生命力，深受人們的重視和歡迎。實踐證明，機械手不僅在工業上可以代替人手勞動，改善勞動條件，提高生產率，而且在醫療領域也得到了發展，可改善醫護人員的工作條件，具有適用性和安全性。醫用機械手具有快速、高效等特點。機械手采用液壓驅動和控制，可實現手臂的伸縮、回旋、上下移動，手腕的旋轉和手部的抓放動作。

醫用機械手對需要手術醫治的患者，可進行X移動、Y移動、Z移動、X轉動、Y轉動、Z轉動6個自由度的組合。

1 醫用機械手的組成

1.1 工作原理

醫用機械手主要由執行機構、傳動機構、驅動機構和操作機構等組成，采用液壓傳動方式來實現執行機構的相應動作。在各個時間段，按預先規定程序進行醫療操作，并達到不同速度和精確動作的要求，同時，利用換向閥對執行機構發出指令，從而使執行機構——機械手夾持各類醫療器械到達指定空間位置。

1.2 結構

醫用機械手的結構如圖1所示。

圖1 醫用機械手結構示意圖

（1）執行機構。醫用機械手執行機構，主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持醫療器械（或工具）的部件，根據被抓持的物件的形狀、尺寸、凈質量、材料和作業要求不同，有多種結構形式，如夾持式，托持式和吸附式。

（2）傳動機構。傳動機構使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動，從而實現編制程序規定的動作，改變被夾持物體的位置和姿態。主要由臂桿、液壓缸、液壓馬達、液壓管件等組成。傳動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活度越大，通用性好，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

（3）驅動機構。醫用機械手采用液壓驅動方式，如圖2所示。使用液壓泵作為動力源，用液壓缸和液壓馬達作為系統動力的執行裝置，同時用換向閥控制液壓缸和液壓馬達的啟停，實現規定的定位目標。由于液壓裝置工作比較平穩，在相同體積下，液壓裝置能比電氣裝置產生出更大的動力。在同等功率下液壓裝置的體積小，質量小，其功率大，結構緊湊。

圖2 液壓系統示意圖

（4）操作機構。操作機構由液壓控制閥來控制。機械手靠液壓閥操作實現動作的速度控制、方向控制，以及手部力度的控制，更容易實現動作速度的無極調速，滿足了同一個醫用機械手可以進行不同醫學診治的多種治療需求。

1.3 機械手的優點

（1）控制和調節簡單、方便、省力，易實現自動化控制和過載保護。

（2）可無間隙傳動，運動平穩，無噪音。

（3）傳動介質是油液，對液壓元件有潤滑作用，使用壽命長。

（4）液壓元件實現標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和推廣使用，價格便宜，成本低。

2 醫用機械手的先進性

醫用機械手的積極作用，日益為人們所認識：

（1）能代替醫護人員的部分操作。

（2）能按照各種醫學治療的不同要求，特別是在常規手術中，遵循一定的程序，在特定時間和位置上，可完成醫療工具的傳遞和收取。

（3）其應用在一定程度上降低了醫護人員的勞動強度，同時，逐步實現醫學治療的機械化、程序化和自動化。因而，很多國家都投入大量的人力物力來研究和應用機械手。

醫用機械手能持久、耐勞，不僅可以把醫療人員從繁重、單調機械的工作中解放出來，而且能擴大和延伸人的作用，提高醫護治療的安全性和可靠性，同時，又可以避免人為受外界影響的操作失誤，具有高精確性和高穩定性。

3 醫用機械手的不足之處

對人體實施手術治療中，可變因素較多并且復雜。醫用機械手不允許出現操作錯誤，否則，會給患者造成心理和身體的傷害：

（1）手術過程中會受到患者體型胖瘦、個子高低、出血量、手術人員經驗等因素影響。

（2）醫用機械手在手術中較為笨拙,施加在機械手上的壓力可使數據發生變化,同時存在固定裝置和制動器的位移誤差。

（3）靈活機動性不強，不能根據手術進展的實際情況，隨時進行處置方案的調整優化，需人工中止并變換程序方可繼續。

4 結束語

為進一步完善柔性功能，對典型常規手術，編制不同控制程序和可變參數，使同一類手術能滿足各種體形和身體素質的不同人群，就擴展了機械手在醫院手術和治療的實際應用范圍，適應對各種典型病癥的需求，實現醫療工作上柔性治療的要求，更體現醫用機械手操作的標準規范、穩定高效的優越性，將會成為發展的方向，有著廣泛的發展前景。

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