智能醫療機械手的分析與設計

摘要：隨著21世紀生物技術高速發展， 隨著人們對生物體認識的深入， 仿生智能機械應用也將有更光明的前景。仿生智能機械手可以在醫生的監控或操作下，按照即定的方案，高精度地、高可靠地實施手術，并在規定的時限內完成。仿生智能機械手的應用可以為醫院病人帶來福音。

關鍵詞：仿生機器人；智能；機械手；醫療；

1.引言

假肢是醫療領域最早使用仿生智能機械手， 隨著技術的發展，出現了可以模仿人手做絕大部分的操作的仿生機器手，使用方便、靈活。在外科手術里，醫生需要長時間地或在有限的時間內完成一系列復雜精確的操作。仿生智能機械手是一種仿人機械，可以在醫生的監控或操作下， 按照即定的方案， 高精度地、高可靠地實施手術，并在規定的時限內完成。仿生智能機械手的應用可以為病人帶來福音。現代社會、科技的高速發展推動著機械產業的發展， 對其自身結構、能量消耗或者運動的可靠性提出了更為嚴苛的要求。在環境優勝劣汰法則的作用下，自然界存在擁有神奇的特性與功能各種各樣的生物。仿生智能機械手就是模仿人手的形態、結構和控制原理而誕生。人手共有27個自由度，可以精確定位并做出復雜精細的動作。仿生智能機械手可以通過模仿人類手部的動作，并依照智能控制系統給定的程序而實現智能化的手部抓取、搬運等復雜動作的自動機械裝置。

在中國，醫療類自動控制機械設備的研究和應用起步較晚，然而近年來隨著國內外自動控制和智能控制技術的快速發展，以及醫院等醫療機構的迫切需求，智能機械手的應用得到了迅速的發展。智能控制技術可以建立柔性程序控制系統，從而實現醫療機械手的高精度控制。

2.結構簡介

2.1.基本結構

本文設計的醫療機械手由執行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。

手部用來抓取刀具，由手指傳力機構和驅動裝置等組成。仿生機械手的手部結構一般以雙指或者多指結構為基礎；如果根據實現的不同任務動作要求，又被分成以下兩種結構形式：外抓和內抓；如果根據仿生機械手的手部的運動形式又可以分為回轉式和平移式，其中回轉型又分為以下幾種形式：單支點式，雙支點式。在以上結構中，我們較多選用回轉式的手部，這種結構能夠方便的用來抓取藥瓶等圓柱形醫療工具，平移型用于抓持方形醫療工具。

對于醫療機械手而言，其手部需滿足的條件：首先，機械手的結構能夠產生強且穩定的夾持力，用來精確安全的夾持醫療器具。由于醫療器具的搬運過程中，往往會存在一定的動載荷，因此在設計校核的過程中，一定要充分考慮動載荷的波動。同時，不同重量、尺寸的醫療器具在被夾持和傳送過程中所要求的基本方向、動作、精度等不相同，因此結構設計必須充分考慮各種器具的使用條件。第三，必須充分考慮醫療器具的高精度定位要求。第四，醫療機械手的尺寸結構必須滿足緊湊、精巧的要求，以利于腕部和臂部的結構設計。

智能仿生醫療器械手的動作機構的作用對象是醫療器具或者患者身體工，因此需要完成的不同動作都必須滿足安全行要求，防止意外的發生；同時，智能仿生醫療器械手的結構、質量、尺寸等對于機械手的整體的運動學、動力學性能以及使用條件和使用范圍等也有著直接、顯著的影響。智能仿生醫療器械手整體動力學和運動學性能的高低，決定了機械手最終能否正常按照控制機構的指令進行工作。因此，智能仿生醫療器械手的結構設計是整體設計的最重要環節。

智能仿生醫療器械手的手腕在于手和手臂之間，用于調整手的方向。要使智能仿生醫療器械手能以不同的旋轉角度和方位進行動作，因此，智能仿生醫療器械手的手腕要能滿足六個自由度的動作要求，即：分別獨立的繞X、Y、Z 軸向實現轉動和平動，這樣，智能仿生醫療器械手的手腕才能實現大范圍角度的伸、縮、轉動、平動、擺動等。

智能仿生醫療器械手的臂部是運動的主要執行部件，需要承載手部抓起器具的整體重力載荷，臂部的運動形式決定了它的基本結構。臂部運動的基本作用是把機械的手部所夾持的器具送到控制機構要求的空間點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。

2.2. 驅動機構與控制系統

驅動機構是智能仿生醫療器械手的動力來源。智能仿生醫療器械手的動力源與常規的動力源相同，主要包括液壓驅動、氣動、電力驅動和機械驅動等幾種主要形式，近年來還發展了其它幾種形式。電動機構驅動由于結構簡單、尺寸緊湊、重量小、控制方便，備受設計人員的青睞。

智能仿生醫療器械手控制方式一般為基于模糊控制理論的點動控制和連續控制。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。智能仿生醫療器械手緩沖干擾源也越來越多樣化，需要在不同的工作環境下，對干擾源進行正確的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。

2.3. 結構布置要求及平穩性與定位精度

智能仿生醫療器械手在工作中運動定位要求較高，在結構布置上應保證運動精確平穩，這樣可提高使用的可靠性，并可延長使用壽命，在結構上要注意以下幾點：

2.3.1.臂部要防止偏重。一般情況下臂部為懸臂，所以在設計臂部、手部結構時，要盡量使其總的重心在支撐中心，防止偏重。假如有偏重，它將會產生附加的彎矩，引起立柱和導向的變形。防止偏重過大可采取的措施如下：一是減輕手部重量，以盡量減少偏心載荷；二是臂部上各部件應合理分布或增加平衡重，使臂部平衡；三是在結構上無法避免偏重時，則應加強導向支撐。

2.3.2.加強臂部剛度。臂部的剛度，決定于臂部的結構和導向形式。選取臂部結構時，各個方向的剛度都有要求。提高臂部剛度，是減少手部顫動的關鍵，也有利于提高定位精度。

2.3.3.改進緩沖裝置和提高配合精度。機械手緩沖干擾源越來越多樣化，需要在不同的工作環境下，對干擾源進行正確的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。

3. 總結

盡管目前仿生智能學在工程機械行業中的研究還有很長的路要走，但伴隨著21世紀生物技術高速發展， 隨著人們對生物體認識的深入， 仿生智能機械設計也將有更光明的前景。仿生智能機械手仿人機械可以在醫生的監控或操作下， 按照即定的方案，高精度地、高可靠地實施手術， 并在規定的時限內完成。仿生智能機械手的應用可以為病人帶來福音。

作者簡介：姓名：張金輝（1979.10-）性別：男，籍貫：云南，最高學歷：本科，目前職稱：助理工程師，主要研究方向：機電