变刚度医疗机械臂的结构设计

变刚度医疗机械臂的结构设计

汝有志

南京舒普思达医疗设备有限公司，江苏省南京市 211500

摘  要： 文章介绍了一种能实现多自由度运动并能有效锁定医用机器人手臂的新结构。结构控制原理的应用表明，刚性是由机械结构决定，而不是由电子设备或材料特性所决定。基于自由度和约束空间允许拓扑结构（FACT）的原理，利用内部柔性铰链轴的旋转，结构刚度可以连续变化，而不是刚性离散变形。该工作可以减轻机械手臂的电子操作上负担，使机器人与人的交互更加安全。

关键词： 变刚度；医疗机械臂；结构设计 

0引言

随着医疗科学技术的快速发展，对医疗机器人和机械设备的要求越来越高。机械臂是一种特殊的器械，它必须在特定的位置，才能固定。因此，其闭锁与铰链设计已成为机器人研究的重要环节。本论文完成的工作是设计了一种新型医用机器人手臂挠性结构，利用拓扑理论进行了柔性自锁铰链的设计，以尽量减少操纵杆数量并在移动与固定间自由转换。该结构需要具备球铰、滚动接触等功能，能降低冲击力、适应性调整无结构位置环境、增加人机安全性。根据上述要求，提出了基于FACT（自由度和约束空间拓扑理论）的变刚度铰链结构设计方法。 变刚度铰链的拓扑结构是一种新型变柔性自锁铰链，它可以提供一种多关节连接方式，用于具有不同操作模式、高度灵活性和自由度的机器人。其柔性自锁铰链由两个刚性弹簧组成，可提供一定变形和刚度。同时可将自由度由刚性变成可变刚度。基于此拓扑结构的变刚度铰链具有很好的性能和较低的成本，可以用于各种应用中，包括医疗器械，甚至是工业设备领域中。  

1医疗机械臂设计需求分析

由于关节之间的摩擦，设计一款医疗机械臂时要考虑到其摩擦系数。这就要求需要采用适当的设计来适应关节之间相互缠绕而产生强烈运动时所产生的较大摩擦。为了保证这些摩擦产生较小的径向运动，还需要设计具有低摩擦系数的设计，以减少摩擦系数在机械臂运动过程中发生磨擦，从而降低它的摩擦系数而减少机械臂变形，从而减少能量消耗而减少能量损失等。另外，还需要优化机械臂结构，以确保在执行某些特定功能时机器人臂能够灵活弯曲到所需角度。这就需要设计出具有多个关节同时运动，且同时具有稳定传感功能，且具有很高抗干扰能力并同时具有较小摩擦系数等多个功能。因此，设计一个能够适应不同用途和形状特征，且具有多个关节同时进行移动并能确保其与机器人系统具有良好兼容性要求较高且具有较大传感功能并提供更高刚度和力矩强度等多个功能。结构设计优化可以降低能量消耗，减少运动和维修时间并降低成本并且能够满足医疗行业在医疗器械创新方面所要求的严苛要求。 从医学角度看，手术器械具有四个关节[1]。这些关节被设计为能够与医生完成操作相同甚至更高性能上。除了手术用外，机器人还可以使用诸如夹具或其它辅助装置来帮助进行治疗。此外，手术机器人还可以使用辅助装置来使机器人实现部分功能，例如为病人提供支撑或引导身体前倾以达到更好效果。根据不同医疗结构中使用的手术器械，其技术参数也有所不同。例如，外科医生通常认为不太可能完成一项特定手术任务，但有时可以将机器人安装在手术台上进行检查。另外，许多医疗机械臂都是独立运行，因此也需要有一个独立系统。对于这种情况，可以通过将每个机械臂单独设置来实现任务。

2结构设计原理分析

三维空间中物体有三个运动自由度和三个自由运动。现将旋转自由度用符合旋转轴的直线来表达，称旋转自由度线。同样，移动的自由度以平行于移动方向的线来表达，称为移动自由度线。对一台机器来说，则将其视为并联，串接或混合在一起的一种或几种中间物。并联可以叠加限制；如果它们是串联的，自由度可以叠加；如果是混联，可以分解得到[1-2]。采用图法设计结构，根据自由度曲线的运动特性及自由度特性，采用对偶方法得到约束图；然后根据支链的数量对束图进行分解。

（1）图1中挠性铰链打算让自己沿Z轴线转动。（2）所述结构由两部分组成，所述两部分可绕Z轴线旋转以改变它们和刚棒的夹角。（3）自由与限制空间结构（FACT）法，提出弹性单元自由与自由约函数模型；（4）1（b）内可转动杆件改变固定杆约束。（5）当1（c）时，可转动杆件改变固定杆约束。由此可以看出，由于额外约束对铰链做功而使这种铰链刚性发生变化。

图 1 变刚度关节示意图

当约束做的功为0时，约束沿约束做的功的方向移动，刚性单元提供的约束幅值理论上是无穷大的，从而限制了约束做的功的方向。然而，如果弹性元件提供有限的力，则可以发生运动。分支链对自由度有约束作用。本来是有约束的，但如果支链中含有弹性元素，就会有约束，使某些自由度受到限制[2]。因此，本文可以通过调整广义约束来控制结构刚度。

3变刚度医疗关节结构设计

对于自由度恒定且分支链约束变化的冗余连杆，可以满足以下条件:(1)在固定约束条件下，分支链可以给定满足自由度要求的约束条件。(2)提供分支链，使约束的某些自由度做功变化(有限量级)或改变功率约束

[2~4]。因此,设计一个可以产生变化的链接就成为了本文研究的主要课题[3]。

由力与自由度做功时的几何条件可看出当约束条件满足以下特点时约束条件对于自由度做功功率变化。就旋转运动而言，有两种情况满足自由度作功功率变化的约束条件：（1）力的方向：如果力矢量随转动副轴由共面向异面发生变化，则使得约束条件由不做功变为作功。此时约束只改变了其中一个物理量；否则约束条件不变，仅改变另一个物理量。若约束方程中包含速度项，那么约束只能增加或减少运动距离。反之，可以忽略速度项对约束的作用。（2）约束力偶：若平面上偶的法线与旋转副上的轴线由垂直方向变为同一方向，约束就不再做功，而从做功转为做功。通过这两个例子说明约束对运动轨迹、关节力矩以及机械效率都会产生影响。最后，利用动力学仿真软件ADAMS/View建立移动机器人模型。该模型是针对某公司生产的机器人开发的。采用模块化建模方式。

在此基础上，本文提出了一种基于有限元分析的方法，即：求解移动平台的约束系。由于机器人铰接仅有一个旋转自由度，因此，运动学平台约束空间（分支约束空间集合）有五个约束力。（3）分支链约束：由于活动平台约束空间由两条分支共同组成。提供固定约束的分支必须有5个约束，并提供一个不会超出这个范围的固定约束。这样分支链才能够保持其稳定性。

4试验及分析

该铰链由两支组成。左侧链条在动力变化过程中起制约作用，而右侧链条起固定作用。因左侧6个移动螺旋汇合于2个点上，故2个点之连线为挠性单位旋转轴线。如此，当左支链主动副驱动后，根据速度方程，将左支链剩余的五个线性无关的运动螺旋参与运动，并使柔性元件绕z轴旋转，改变其与左支链运动副之间的角度。挠性单元旋转角度时，约束作用向左，但由于约束作用和转角角的变化，随着旋转自由度的不同，施加的力分量减小，传动效率降低。外部负载因约束作功不断增加而减小。就弹性结构而言，刚性表现为受到某种外力而发生形变。主动力受约向力做功与形变做功共同作用，随着受力不断增加，致使之形变减小[4]。

图 2 仿真模型示意图

5小结

综上所述，本论文的工作如下：（1）分析结构的变功率约束变化，重点分析结构支链旋转时产生自由度功率变化的两种主要情况——约束矢量和约束力的变化，但不限于以上两种情况。（2）阐述了当今医疗机械臂的主要研究课题之一，以及在机械结构设计上的创新，变刚度关节结构的设计，阐述了主要的设计步骤和原则。（3）通过仿真试验结合实际运行，对设计结构进行功能验证。当柔性支链与刚性支链转动副垂直时，在高刚度下，整个关节的运动自由度受到很大限制，承载能力较强；当柔性支链与刚性支链平行，整体节点刚度较小时，可克服束缚运动功不足、承载能力差等缺点。关节的整体刚度在旋转过程中发生变化。实验表明：本文设计的变刚度结构具有良好的动态性能和稳定性能，并且结构简单，易于加工制造，可作为一种新的研究对象用于医学机器人领域。

参考文献

[1]苏良. 基于空气弹簧的变刚度连续型机械臂设计与实验研究[D].广州大学,2022.

[2]刘一扬,郑香金,王良文.新型变刚度电液串联弹性机械臂振动控制仿真研究[J].机床与液压,2022,50(10):160-165.

[3]余伟杰. 基于表面肌电信号的虚拟假手和机械臂仿人变刚度控制技术研究[D].东南大学,2021.

[4]温涛. 气动软体机械臂的设计、建模与性能分析[D].江西理工大学,2021.

作者简介：

汝有志（1992-），男，汉族，江苏南京，本科学历，助理工程师，研究方向：医疗器械（呼吸机、麻醉机、监护仪、制氧机等）制程工作（结构设计、精艺改进、工装的设计等）。