張美玉 臧琛

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)骨科打孔手術(shù)的要求，基于OpenCV視覺定位的，可實(shí)現(xiàn)空間映射、路徑規(guī)劃、路徑定位、定點(diǎn)打孔等4個方面的智能骨科打孔機(jī)器人模型，對其四自由度機(jī)械臂運(yùn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，討論了該機(jī)械臂的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，為機(jī)械臂的運(yùn)動分析、控制及軌跡規(guī)劃的研究提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：骨科機(jī)器人;四自由度;機(jī)械臂

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.25.075

0引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，受社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口老齡化程度的加深的影響，我國醫(yī)療行業(yè)手術(shù)數(shù)量日益增高，需要手術(shù)治療的患者日益增多。由于手術(shù)機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)、精確定位操作等方面的優(yōu)勢以及其對傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)促進(jìn)的作用，手術(shù)機(jī)器人逐漸成為智能化醫(yī)療新技術(shù)的典范，也成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。由手術(shù)機(jī)器人衍生出的骨科機(jī)器人也來逐漸成為骨科手術(shù)發(fā)展的新方向，催生了諸多新的治療理念和方案。

傳統(tǒng)骨科手術(shù)的核心難點(diǎn)在于受醫(yī)生視野和操作的限制，手術(shù)損傷難以避免，且因手術(shù)操作難度較大，使其已不能完全適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求，臨床亟需新的治療理念、手段和設(shè)備來滿足骨科疾病治療的需求。本論文設(shè)計(jì)的四自由度骨科打孔機(jī)器人模型在滿足人們對精準(zhǔn)、微創(chuàng)、智能需求的前提下基于OpenCV視覺定位進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃和定位打孔，能完成包括空間映射、路徑規(guī)劃、路徑定位、定點(diǎn)打孔等4個方面功能，簡化其機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而成本更低、器材耐久性強(qiáng)、操作簡單，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

基于OpenCV的四自由度智能骨科打孔機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大系統(tǒng)構(gòu)成，三大系統(tǒng)又分為六個部分分別為：一是驅(qū)動部分;二是視覺部分;三是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分;四是人機(jī)交互部分;五是手術(shù)計(jì)劃部分;六是控制軟件部分。

其工作原理是骨科打孔機(jī)器人利用空間映射建立三維坐標(biāo)系，在視覺感知系統(tǒng)下自動從術(shù)前圖像獲取定位，建立手術(shù)器械、手術(shù)中圖像和患者空間坐標(biāo)的定位，結(jié)合醫(yī)生拖動的粗定位和機(jī)器人自動的精確定位，實(shí)現(xiàn)安全準(zhǔn)確的手術(shù)打孔定位，再通過路徑規(guī)劃將目標(biāo)規(guī)劃路徑傳遞給機(jī)器人，在醫(yī)生的監(jiān)視下通過從操作方式或者以全自動的方式遙控機(jī)器人完成相應(yīng)手術(shù)的操作。

2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

骨科打孔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。固定底板是整個機(jī)體的基礎(chǔ)，上面設(shè)有框架結(jié)構(gòu)的操作臺、縱向水平支架、橫向水平支架、垂直軸支架以及打孔裝置，其中縱向水平支架、橫向水平支架、垂直軸支架以及打孔裝置共同構(gòu)成了骨科打孔機(jī)器人的機(jī)械臂。

機(jī)器人機(jī)械臂通過固定底板上的縱向水平支架和橫向水平支架進(jìn)行水平方向兩個直線方向的運(yùn)動，機(jī)械臂上打孔裝置的豎直運(yùn)動能過安裝在機(jī)械臂橫向水平支架末端的垂直軸直架完成，每組水平和垂直運(yùn)動構(gòu)成機(jī)器人打孔裝置的一個運(yùn)動面。各運(yùn)動面的移動旋轉(zhuǎn)動力由三個步進(jìn)電動機(jī)和一個舵機(jī)來提供，三個步進(jìn)電動機(jī)可以為機(jī)器人的移動提供足夠的動力，保證移動速度和精度，并且可以通過三個步進(jìn)電動機(jī)的互相配合達(dá)到到達(dá)指定空間坐標(biāo)位置的目的。為了便于醫(yī)生進(jìn)行粗定位，設(shè)計(jì)了框架結(jié)構(gòu)的操作臺以確定手術(shù)中手術(shù)者所處的位置，操作臺上設(shè)有標(biāo)尺，標(biāo)尺共有兩組標(biāo)記點(diǎn)，在患處正、側(cè)位圖像采集時(shí)用于定位患處正、側(cè)位的空間標(biāo)記，以完成精確的空間定位。

2.2機(jī)械臂自由度的選擇

機(jī)械臂支架除是骨科打孔機(jī)器人的整體支撐外，還主要用于調(diào)整骨科機(jī)器人打孔裝置位置和姿態(tài)，使機(jī)器人打孔裝置和患者患部處于同一個合理、精確的空間分布位置。因此，打孔裝置的位置和姿態(tài)是機(jī)械臂末端執(zhí)行的動作，因此骨科打孔機(jī)器人具備以下4個基本自由度：x軸方向的左右滑移、Y軸方向的前后滑移，Z軸方向的上下滑移，打孔裝置（腕部）的轉(zhuǎn)動。運(yùn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組合式為：

這些自由度保證了機(jī)器人足夠的靈活性，可以在空間坐標(biāo)系內(nèi)任意調(diào)整位置和姿態(tài)，便于手術(shù)操作的進(jìn)行。

2.3機(jī)械臂的位置姿態(tài)

為了表示骨科打孔機(jī)器人打孔裝置的相對位置姿態(tài)關(guān)系，可以用坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系來表示。Px、Py、Pz為坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的三個位置分量，坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的位置，可以通過向量P來表示。即圖2中F矩陣中的第四列為位置信息。F矩陣中左上角的3×3矩陣表示了打孔裝置腕部轉(zhuǎn)動的方向。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為兩部分：一部分是機(jī)器人的“大腦”，它主要進(jìn)行后臺處理，負(fù)責(zé)完成圖像采集、手術(shù)路徑的計(jì)算和規(guī)劃，并負(fù)責(zé)完成手術(shù)過程中導(dǎo)針的導(dǎo)航定位。另一部分是機(jī)器人的“手臂”，它是系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是一雙可多維度移動的機(jī)械臂，“手臂”負(fù)責(zé)手術(shù)路徑的最后輸出。手術(shù)過程中“大腦”和“手臂”通過互相配合來輔助醫(yī)生完成手術(shù)，主要結(jié)合了人機(jī)協(xié)同操作的想法，實(shí)現(xiàn)了主-從式操作骨科機(jī)器人的目標(biāo)，即當(dāng)機(jī)器人距離操作目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，由醫(yī)生拖動機(jī)械臂到達(dá)目標(biāo)附近進(jìn)行精定位，再由機(jī)械臂在小范圍內(nèi)進(jìn)行高精度自主定位，顯著提升了機(jī)器人的操作效率。骨科機(jī)器人打孔的內(nèi)部工作流程如圖3所示。

4結(jié)語

本文骨科打孔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作本著降低成本、便于操作、易于控制的目的，對傳統(tǒng)的骨科打孔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與操作模式進(jìn)行了創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了四個自由度的機(jī)械臂，并通過OpenCV技術(shù)實(shí)現(xiàn)視覺精確定位和路徑規(guī)劃，并可以在手術(shù)前模擬仿真手術(shù)過程，具有良好的適應(yīng)性與實(shí)用性，減少傳統(tǒng)骨科手術(shù)醫(yī)生操作安全性差的問題，減少醫(yī)生操作時(shí)的精神壓力，提高手術(shù)精度的問題，為現(xiàn)代化的骨科打孔手術(shù)提供了一個新的嘗試的探索。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡佳成，吳海濤.基于四自由度的鋁錠堆垛機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析[J].機(jī)械制造，2014，52（03）：2932.

[2]劉江南.四自由度機(jī)械手軌跡規(guī)劃算法與應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[3]田偉.骨科機(jī)器人研究進(jìn)展[J].骨科臨床與研究雜志，2016，1（01）：5557.

[4]曾田勇.骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)輔助股骨頸骨折空心螺釘內(nèi)固定術(shù)的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2015，30（08）：111113.