无框架立体定向神经外科手术机器人--运动学分析与人机工程、质量管理 50页

无框架立体定向神经外科手术机器人技术文件之四南京理工大学毕业设计说明书(论文)作者:学号：学院(系):机械工程学院专业:工业工程题目:无框架立体定向神经外科手术机器人——运动学分析与人机工程、质量管理教授指导者：(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2005年6月\n毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要医疗外科手术机器人为一个多学科交叉研究领域,涉及机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创伤手术等诸多内容。在辅助脑立体定向手术方面,外科手术机器人由于具有精确性高、可重复性好、安全性强等优点,更成为国际医学界研究的热点。本论文主要对以下内容作了详细的论述：首先对医疗外科机器人的国内外发展状况，以及无框架立体定向手术机器人进行了概述性描述，并介绍了其相关的关键技术。其次进行了运动学分析，对手术机器人子系统中SR-1型手术机器人采用D-H方法设计了机器人的连杆参数，建立了关节连杆坐标系。求出关节机器人的运动学正解和反解，通过MARK点注册构造出脑部三维图像坐标系向患者坐标系映射的矩阵以及患者坐标系向机械臂坐标系映射的矩阵。然后，在此基础上得到机器人手术作业任务，并进一步分析了SR-1型手术机器人的手术运动路径，利用三次样条法对机器人的运动路径进行了轨迹规划。最后，根据人机工程学人体测量数据，提出了一些设计要求，阐述了机器人的生产类型及其特点，另外，说明了质量管理在机器人技术要求上的应用。关键词医疗外科机器人D-H方法注册轨迹规划人机工程学质量管理\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleThenoframedirectionalneuro-surgerysurgicalrobot--Kinematicalanalysesandergonomics、qualitymanagementAbstractMedicalsurgeryrobotisamultipledisciplinescrossedfield,involvetorobottelecommunication、imagedealt、actualitysimulate、tinywoundoperationsetc.Inthebrain-assistedsoliddirectionalsurgery,becauseofthesurgeryrobot'shighaccuracy、wellrepeatability、strongsecurity,ithasbecomearesearchfocusintheinternationalmedicalrealm.Inthispaper,themajorworksinvolvedareasfollows:Atfirst,thisarticlegivesapresentationofmedicalsurgeryrobotdevelopmentsandabriefintroductionofnoframesoliddirectionalrobotanditsrelatedcrucialtechnologies.Secondly,thispaperhasconductedkinematicalanalyses,designedtherobot’slinkparametricusingtheD-Hmethod,computedmanipulatordirectkinematicsandmanipulatordirectinversekinematics.BytheMARKpointregistration,constitutedoutthemapmatrixfromthethree-dimensionalcoordinatesystemtothepatientcoordinatesystem,andthemapmatrixfromthepatientcoordinatesystemtothemanipulatorcoordinatesystem.Then,basedonthese,drawingtherobot’stask,analyzingthepathoftherobot,accountingthetrajectoryoftherobotusingthecubicinterpolationsplinefitmethod.Atlast,inthelightofanthropometricaldateofergonomics,raisessomedesignspecifications,givesapresentationoftheclassificationofproductionandfeatureoftherobot,andtheapplicationofqualitymanagementintherobot’sspecification.\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页Keywords:Medicalsurgeryrobot,TheD-Hmethod,Registration,Trajectoryplanning,ergonomics,Qualitymanagement\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页目录1绪论………………………………………………………………………………………………11.1课题背景………………………………………………………………………11.1.1无框架立体定向手术机器人的发展及其现状…………………………21.1.2无框架立体定向手术机器人的研究热点………………………………31.2基于标志点的无框架神经导航手术机器人系统……………………………41.2.1SR-1型手术机器人系统硬件组成……………………………………51.2.2SR-1型手术机器人系统软件结构………………………………………51.3本文的研究内容和组织结构……………………………………………………52机器人连杆参数和连杆变换…………………………………………………………62.1概论………………………………………………………………………………62.2机器人D-H连杆坐标系…………………………………………………………72.3连杆结构参数……………………………………………………………………82.4机器人连杆变换…………………………………………………………………83机器人运动学方程及其求解………………………………………………………103.1机器人运动学正解方程………………………………………………………103.2机器人运动学反解方程………………………………………………………124手术规划与注册……………………………………………………………………174.1手术规划………………………………………………………………………174.2手术校准………………………………………………………………………174.3患者空间到机器人空间的映射原理…………………………………………195机器人轨迹规划……………………………………………………………………235.1概述……………………………………………………………………………235.2分段三次样条函数的轨迹规划法……………………………………………255.2.1三次样条函数的轨迹规划法……………………………………………255.2.2轨迹规划算法的描述……………………………………………………255.2.3算法步骤…………………………………………………………………285.3最优轨迹的确定………………………………………………………………295.3.1动力学性能指标…………………………………………………………295.3.2机器人的雅可比…………………………………………………………316人体测量、生产类型及质量管理…………………………………………………316．1人体测量……………………………………………………………………366．2SR-1型手术机器人的生产类型……………………………………………376．3质量管理……………………………………………………………………41结论…………………………………………………………………………………44致谢…………………………………………………………………………………45参考文献………………………………………………………………………………46\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页1绪论1．1课题背景大脑是人体最复杂最重要的器官，千百年来，各种脑病一直是困扰中外医学界的一大难题。据统计，全世界脑病患者约占总人口的3%，我国脑病患者总数约为5000万至6000万人，而且这些数字仍呈上升趋势。过去，颅内手术是外科手术的禁区。随着医疗影像学技术的发展，神经外科手术这样进行：外科大夫由CT/MRI图片想象出病灶的三维位置，然后离开影像资料，在病人头皮上划出皮肤切口和骨窗位置，外科医生的操作速度必须慢，步步为营，直到暴露出病灶或重要神经血管结构。这样进行手术，外科医生凭经验和判断来指导手术操作，定位存在的极大的误差，皮肤切口常做得很大，在术中如何避开重要的功能区、神经及血管也存在困难[1]。此后出现了框架式立体定向仪，见图1.1(a)，病人被局部麻醉后，把立体定向框架固定在病人头部做CT/MRI扫描，根据影像确定手术穿刺靶点的位置。手术中依靠框架的引导，把手术器械准确地送达指定位置。但缺点是机械框架会给病人和医生的手术造成极大不便，不能实时显示手术器械的空间位置。给病人带来一定痛苦，且有时可影响开颅手术操作及显露，对于颅后凹及颅底手术有其局限性，尤其是不能随时将术中的解剖结构及病变情况反馈给手术医师，限制了其应用范围[2]。(a)有框架式立体定手术(b)无框架立体定向机器人手术图1.1有框架立体定向手术与无框架立体定向手术的比较这就要求提供一种新的技术，使医生能对手术部位各种解剖、功能和血管信息有一个总体、直观、准确的了解，来指导术前计划、术中选择路径和术后治疗，而且要求手术创伤尽可能的小，手术时间短。这就使外科手术导航技术的需求变得日益重要。随着技术的发展，人们越来越希望将计算机、机器人技术应用到手术外科中。现代神经影像诊断技术、立体定向外科和显微外科等技术的发展为开发手术外科机器人提供了必要的技术支持。图1.1(b)是现代无框架立体定向机器人手术图。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页1．1．1无框架立体定向手术机器人的发展及其现状无框架立体定向手术系统又称神经导航系统，是从框架式立体定向系统基础上发展而来[8]。随着CT及MRI的相继问世和计算机技术的发展，1986年美国的Roberts等发明了首台安装在手术显微镜上的运用超声定位的无框架立体定位系统。几乎同时，德国的Schlondorff和日本的Watanabe等发明了关节臂定位系统，Watanabe首次将其命名为“神经导航系统”。据有关报道,1989年日本的MATRON公司生产了商品化的脑外科机器人NeuroMate；1988年加拿大的YIKSANKWOH研究的基于PUMA262的立体定向脑外科机器人系统已用于临床手术；1992年英国的DaviesBL研究了基于PUMA262的脑外科机器人系统；1997年德国的LuethTC研究了基于并联机器人机构的用于头部外科手术的机器人手术系统[9]。然而，我国在机器人医疗外科方面的发展比较晚，国产关节臂式HB外科机器人，是海军总医院和北京航空航天大学根据国家“863”科研项目，于1996年开始联合研制，这是我国首台具有自主知识产权的医疗外科机器人。主要用于深部病变的精确定位。1997年5月，我国开始研究的第一代基于PUMA260的外科手术机器人系统；1998年，第一代脑外科手术机器人CRAS-BH型机器人[10]，进入临床实施手术。在此基础上，于1999年3月推出CAS-R-2型无框架立体定向仪，这种手术方式彻底改变了传统的立体定向框架[11]；2001年7月，我国开始了远程遥控操作机器人系列的研制和应用。但是CRAS-BH和CAS-R-2都属于被动式的机械臂系统。目前国内使用的国产CARS-BH和CAS-R-2系统存在以下问题：(1)这两个系统都是无动力系统，所以操作起来不够灵活，在利用计算机图像引导系统进行空间定位时，需要操作者把持机械臂进行移动，以机械臂实际位置与规划位置对准。(2)在对准过程中，为了有针对性地转动机械臂各关节，要求医生具有一定的三维空间概念，对机器人运动规律具有一定的了解，由于对准过程比较繁杂，需要较长时间，所以对医生的体力消耗较大。(3)由于系统机械臂是无动力系统，所以在离线编程和远程控制等方面存在很大的局限性。1．1．2无框架立体定向手术机器人技术的研究热点无框架立体定向手术机器人系统是机器人技术、现代神经影像学诊断技术、立体定向外科和显微外科通过高性能计算机结合起来的系统[12]。无框架脑立体定向手术代表了这一发展趋势,并已逐渐成为新的研究和应用热点。在无框架立体定向手术中,涉及的核心问题是规划、注册(Registration)和导航(Navigation)[13]。1)影像数字化及三维图像重构技术将CT/MRI扫描后的一系列脑影像，进行数字化处理，重新构造出由带皮膜覆盖的头颅外表、脑组织结构和病灶靶点组成的三维图像模型，供医生在计算机上进行手术规划，达到优化手术参数、确定手术方案的目的。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页2)基于标志点的配准技术有些学者将配准叫做注册，利用CT/MRI技术提取头部影像上的标志点，与真实人脑上的标志点进行比较。实现脑模型所在的影像空间坐标系到机器人手术空间坐标系的转换，从而实现已知几何描述的虚拟物体从其自身坐标系到现实坐标系的转换。3)无框架立体定向手术机器人离线编程系统研究机器人系统是一个可编程的机械装置，其功能的灵活性和智能性很大程度上决定于机器人的编程能力。由于立体定向手术机器人所完成任务有别于其他工业机器人、而且其操作人员是没有工科背景的医护人员，操作对象是人脑。所以其工作任务的编制是一个很重要的课题。4)手术过程模拟仿真的研究利用连接到计算机的虚拟现实设备，为医生创造一个虚拟的机器人手术时的真实场景，对医生进行手术前培训，加快医生掌握人脑的三维结构和立体定向手术的过程。节省手术时间。5)机器人神经外科手术作业专用手术器械为充分发挥智能医用机器人手术有能力，拓宽其在微侵袭外科手术中的用途，要求研发人员与医护人员共同研发机器人进行手术作业时所夹持的专用手术器械。1．2基于标志点的无框架神经导航手术机器人系统本课题研发的基于标志点的无框架神经导航手术机器人系统命名为SR-1型手术机器人，系统结构如图1.3所示。图1.3SR-1型手术机器人系统示意图标志点又称为基准点，是将若干人工标记贴于病人脑皮表面或固定在骨骼上，先行CT/MRI扫描，将CT/MRI影像资料输入机器人工作站(计算机)\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页，进行三维重建形成头颅模型，术中将这些影像虚拟空间上的标记与病人身上的标记进行配准。在影像虚拟空间和手术现实空间之间建立映射关系。从而将机器人工作站生成的虚拟环境和人所处的真实环境有机地结合起来。医生在病人的头颅模型上勾划出病灶靶区和手术入路点，据此可以制定无框架立体定向机器人的手术作业任务。在此基础上，规划出机器人的运动路径。医生通过该系统的硬件和软件，来指导机器人进行导航手术。1．2．1SR-1型手术机器人系统硬件组成监视计算机图形工作站控制计算机VR设备遥操作设备引导机械臂手术器械机器人本体机器人控制器通信系统传感器传感器控制器在线监视计算机SR-1型手术机器人系统主要由机器人工作站、机器人控制柜、机器人本体组成，如图1.4。图1.4SR-1型手术机器人硬件系统示意图1．2．2SR-1型手术机器人系统软件结构无框架立体定向机器人中心主机的主要软件结构如图1.5所示。图像数字化处理及三维重建软件，将CT和MRI扫描后的一系列脑影像，进行数字化处理，重新构造出由带皮膜覆盖的头颅外表、脑组织结构和病灶靶点组成的三维图像模型。三维动画显示及仿真软件，与连接到计算机的虚拟现实设备，为医生创造一个虚拟的机器人手术时的真实场景，对医生进行手术前进行培训，加快医生掌握人脑的三维结构和立体定向手术的过程。机器人的主控软件，负责在脑模型与脑实体之间建立配准关系，对机器人的手术姿态和对机器人的轨迹进行规划，并提供与其他软件的通信功能，达到整体软件的集成化。图1.5SR-1型手术机器人工作站软件系统结构示意图1．3本文的研究内容及其组织结构\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页本文的研究重点在于对基于标志点的无框架立体定向手术机器人进行一些基础的计算，主要有机器人运动学分析计算、空间转换矩阵计算以及轨迹规划计算。另外，本论文还运用工业工程的一些基础理论知识，对机器人的设计及生产加工提出了一些有用的建议。全文的结构组织如下：第2章根据课题开发的无框架立体定向手术机器人的结构参数，建立了机器人的数学模型，采用D-H方法设计了机器人的连杆参数，建立了关节连杆坐标系。第3章计算了机器人运动学正解，分析了机器人手术时的姿态要求，计算了机器人的运动学反解。第4章主要介绍了图像空间到机器人操作空间的空间映射的原理。给出了脑模型和脑实体上标志点自动匹配的方法。第5章阐述了在笛卡尔坐标中以解析函数显式地给定机器人路径的情况下，用三次样条函数法对连续路径进行了轨迹规划的步骤。并且针对机器人运动学逆解多值性的问题，引用动力学性能指标，基于MINMAX思想，对机器人CP运动轨迹规划进行了优化计算。第6章根据人机工程学人体测量数据，提出了一些设计要求，阐述了机器人的生产类型及其特点，另外，说明了质量管理在机器人技术要求上的应用。2机器人连杆结构参数和连杆变换\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页2．1概述无框架立体定向机器人与一般的工业机器人不同，为了符合手术要求，必须要做到不阻挡医生手术视野，操作简便，精度要求高。为了研究操作臂各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上固定一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系，定义第0杆件固定在机器人底座上。在该杆件上建立基坐标系。用一个的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而导出手爪坐标系相对于基坐标系的等价齐次变换矩阵，进而求出机器人的正解方程和反解方程。机器人的结构形式如图2-1。轴6轴5轴4轴3轴2轴1图2-1机器人结构图设连杆是由关节轴线和关节轴线的公法线长度以及两轴线之间的夹角所决定的，称为连杆的长度，称为连杆的扭角。扭角的指向为轴线绕公垂线转至轴线。两轴线平行时，；两轴线相交时，=0，指向不定。相邻两连杆之间具有一条共同的关节轴线，因此每条关节轴线有两条法线与它垂直，这两条法线之间的距离称为两条连杆之间的偏置，记为；而这两条公法线之间的夹角称为两条连杆之间的关节角，记为，和都带正负号。表示与轴线的交点到与轴线的交点之间的距离，沿轴线测量；表示与之间的夹角，绕轴线由到测量，连杆长度恒为正，扭角可正、可负。2．2机器人D-H连杆坐标系\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页为了确定机器人各连杆之间相对运动关系，在各连杆上分别固接一个坐标系。与基座固接的坐标系为，与连杆固接的坐标系记为。D-H法在每一个关节处的连杆坐标系建立齐次变换矩阵，表示它与前一坐标系之间的关系。坐标系的轴与关节轴共线，指向任意。坐标系的轴与连杆的公垂线重合，指向由关节到关节，当=0时，取=，坐标系的轴按右手法则规定，即=。坐标系的原点取在和的交点上，当与相交时，原点取在两轴交点上，当与平行时，原点取在使的地方。坐标系与基座固接，固定不动。基坐标系原则上可以任意规定，为了简单起见，总是规定当第一个关节变量为零时，与重合。末端连杆坐标系的规定与基坐标系相似。对于旋转关节，取使得当=0时，与重合，的原点选在的地方；对于移动关节，的设定使=0，当时，与重合。根据上述要求，将我们自行设计的无框架立体定向机器人进行分析，建立连杆坐标系如下：图2-2\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页2．3连杆结构参数根据所设定的连杆坐标系，相应的连杆参数定义如下：从到沿测量的距离从到绕旋转的角度从到沿测量的距离从到绕旋转的角度代表连杆得长度，因此规定；而，和得可正，可负。因此，我们得到无框架立体定向机器人的连杆坐标系的结构参数如下，并假设手术工具连杆6为一移动副。连杆关节变量100（）2()30()4()500()600表2.1无框架立体定向机器人的结构参数2．4机器人连杆变换连杆坐标系相对于的变换称为连杆变换，与，，，这四个连杆参数有关。因此可以把连杆变换分解为四个基本的子变换问题，其中每个变换只依赖于一个连杆参数，以便直接写出来。连杆变换可以看成是坐标系经以下四个子变换得到：（1）绕轴转；\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页（2）沿轴移动；（3）绕轴转角；（4）沿轴移动；所以=展开可以得到连杆变换的通式：（2－1）连杆变换依赖于四个参数，，和，其中只要一个是变化的。对于转动关节,是的函数；对于移动关节，是的函数。以下用表示第个关节变量，对于转动关节，＝；对于移动关节，＝。将各个连杆变换相乘，得，称为手臂变换矩阵。它是n个关节变量得的函数，表示末端连杆坐标系相对于坐标系的描述，。（2－2）根据各关节位置传感器的输出，得到各关节变量的值，即可以求出。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页3机器人运动学方程及其求解3．1机器人运动学正解方程建立操作臂的实际尺寸及几何关系，利用齐次变换矩阵描述相邻两连杆坐标系之间的相对位姿和运动关系如下：(3－1)将这些矩阵依次相乘得操作臂的变换矩阵，最终得到手爪坐标系相对于基坐标系得齐次变换矩阵，（3－2）它是关节变量的函数。为求解运动方程，需要计算一些中间结果如下：(3－3)\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页其中，；。由此可见，两个旋转关节平行时，利用角度之和的公式，可以得到比较简单的表达式。最后，求出六个连杆变换之积即得出手臂变换矩阵，3．2机器人运动学反解方程求解机械臂的运动学反解有多种方法，如Paul等人提出的反变换法，Lee和Ziegler提出的几何法和Pieper解法等。下面利用反变换法（也称代数法）求解。由机械臂的运动方程可知：\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页（3－4）末端连杆的位姿由CT图像三维重建来获得，即n，o，a和p是已知的，则用未知的连杆逆变换左乘上述方程的两边，把关节变量分离出来，从而求解。具体步骤如下。首先解出，可以利用逆变换左乘上述方程两边得到（3－5）（3－6）式中，由式（3－1）求出，由式（3－3）给出。令矩阵方程（3－6）两端的元素（2，3）,（2，4）相等得（3－7）（3－8）利用三角代换：；（3－9）式中，；。将（3－9）代入（3－8），得到的解：；\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页(3－10)式中，正、号对应于的两个可能解。选定其中之一解以后，再令矩阵方程（3－6）两端的元素（1，4）、（3，3）和（3，4）分别对应相等，得到两方程：整理得：（3－11）令由（3－11）两式平方和为：（3－12）令由于在方程（3－12）中已经消去，并且方程（3－12）与（3－8）具有相同的形式，因此同样可用三角代换求解，\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页式中，正、负号对应的两种可能解。现在来求解，为此在矩阵方程（3－4）两边左乘逆变换，（3－13）逆变换为：式中由（3－3）给出。比较第三列和第四列元素可得：（3－14）（3－15）将（3－14）上两个式子代入（3－15）式的右边，则有（3－16）令则有（3－17）\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页根据和的解的四种可能组合，由式（3－17）可以得到相应的四种可能值，于是得到的四种可能解：式中，取与相对应的值。由（3－7）和（3－14）两式可知，即只要，便可以求出，当时，机械臂处于奇异形位。此时关节轴4和6重合，可任意选取。根据解出的，便可以进一步解出，将式（3－4）两边左乘逆变换，（3－18）方程（3－18）的左边和均已解出，逆变换为：式中由（3－3）给出。再令矩阵方程（3－18）两端的元素（1，3）和（3，3）对应相等，则有：由此得到的封闭解：\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页同样的方法求解，将（3－4）改写为（3－19）令矩阵方程（3－19）两边元素（2，4）对应相等，得到于是，求出的封闭解：。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页4手术规划与注册4．1手术规划对于脑外科立体定向手术来说,在患者头部的穿刺点,穿刺路径和穿刺深度是手术成功的关键。医生在手术时无法观察患者脑组织与手术器械的位置,手术规划的成功与否将直接影响手术的成功。由于脑部重构后的模型反映了患者脑部当前的状态,医生就可以通过这一模型进行手术规划和验证，以确定手术的具体方案。系统三维图像提供三个轴向的任意剖面的显示和对体积,距离的参数自动测量。医生根据各种参数不断地调整方案,并且使穿刺点尽量位于病灶的中心。并且通过从不同角度,不同深度观察调整手术方案,使穿刺路径避开重要的组织和神经,确保手术的成功。在得到病人脑部的病灶和组织的三维模型后，利用三维可视化技术,可以在计算机上绘制出病人脑部以及相关组织和病灶的情况。由于系统使用的病人CT和MRI扫描图像数据通常是在手术前0.5—2小时内扫描获得的。可以说,该数据所反映的患者脑部状况与手术时患者脑部状况基本上是一致的,因此系统生成的三维脑部模型也就是患者实际脑部组织结构的实际情况。通过对计算机模型的多角度观察,医生可以对患者脑部任意位置的状况有一个清楚的了解。4．2　手术配准（注册）虽然医生在三维模型上确定了手术规划,但是这个规划毕竟是建立在计算机生成的模型上,在手术时必须将模型上的手术规划映射到患者头部上的正确位置和方向，从而使实际的穿刺点和穿刺路径与规划方案相一致。要完成正确的映射,必须实现两个条件:1)在患者的头部建立一个参照坐标系.2)可以在这个坐标系中精确地定位.\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页传统的方法是在患者头部安装并固定一个框架结构,该框架可以在CT或MRI中成像,通过框架在每一片CT或MRI中成像的不同,可以计算出该扫描片中任意一点在框架坐标中的位置。一旦医生确定了穿刺靶点,通过计算可以得出靶点在框架坐标中的位置。在手术时,通过附加到框架上的一个定向装置进行手术。这种方法给患者带来很大的痛苦和不便,同时由于框架的存在，往往使手术操作受到限制和障碍。该系统SR-1型手术机器人采用了一种新型的无框架映射方法,通过连接到计算机上的机械臂完成立体定向手术。这种手术抛弃了传统的框架，只是在患者头部固定四个标记点,通过机械臂对标记点的探测,完成多个坐标系的映射和校准,从而实现模型上的手术规划在患者实际脑部的准确实施。在患者实施手术前,在患者头部固定四个标记，然后对患者进行CT或MRI扫描。由于标记点可以在扫描片上成像,医生可以在扫描数据中清楚和准确地辨认出来。为了建立患者头部的参照坐标系(在以下称为患者坐标系),我们首先在四个标记点中(四个标记点不在同一平面内,任意三个标记点不在同一条直线上)选取任意一个标记点作为参照坐标系的原点,同时以与其它三个标记点的连线作为三个坐标轴向。从而在患者头部建立了一个仿射坐标系。在患者头部空间的任意一点的位置都可以一个仿射坐标唯一确定,并且满足以下公式:由于四个标记点的扫描图像可以在扫描数据中识别出来,其在模型中的位置也可以获得,标记点在两个坐标系中的不同坐标比较如表4.1：患者坐标系中坐标脑部三维模型坐标系中坐标（0，0，0）（1，0，0）(0，1，0)（0，0，1）表4.1由于系统中的脑部模型是通过患者的脑部扫描数据重构的,因此可以认为脑部三维模型坐标系与患者坐标系的映射是刚体变换(包括平移、旋转和拉伸),\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页可以用一个变换矩阵完成两个坐标系中的位置的映射。从患者坐标系向模型坐标系的映射矩阵如下:这样,患者头部与系统中的模型建立起一个一一对应关系,在模型上的每个位置都可以唯一而准确地映射到患者的头部上的相应位置,其转换公式为要成功的完成手术,在手术时必须进行患者坐标系和机械臂坐标系的校准。当进行手术前,将患者头部进行固定，这时操纵机械臂使其依次在患者头部接触四个标记点。这样可以得到这四个标记点在机械臂坐标系中的位置坐标。依照术前规划的矩阵生成办法可同样构造出患者坐标系向机械臂坐标系映射的矩阵。4．3患者空间到机器人操作空间的映射原理患者空间和机器人操作空间中定义世界坐标系：和。设空间中点在坐标系中坐标为，在坐标系中的坐标为。则两个空间的匹配关系可以表示为：因此，脑图像三维重建模型与机器人操作空间的映射问题转变为求解空间齐次变换矩阵。为了求解上述方程，设在和空间中存在中间坐标系，即MARK点坐标系和。如果我们让和保持恒等，中间坐标系就成为一个桥梁把患者空间坐标系和机器人操作空间坐标系联系起来。设空间有一点，则有：\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页其中，使患者空间坐标系到中间坐标系的变换，是从中间坐标系到机器人操作空间坐标系的变换。由于所以此时，可以得到从到的空间应设关系：4．3．1求解变换矩阵基于标记点（MARK点）的空间映射的实现时，标记点贴在病人头皮上进行CT/MRI，所以标记点是中三个坐标位置已知的点（标记点个数大于三个时，只取三个），设标记点在中为，和，其位置矢量用，和表示，依据几何方法分五步创建中间坐标系。（1）原点：原点取；（2）轴：与和决定的直线重合，方向由指向，则轴在患者空间坐标系中的单位矢量为（）（3）轴：按右手准则正交于，和决定的平面，则轴在患者空间坐标系中的单位矢量为（）\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页（４）轴：垂直于平面，方向指向所在的一边，则轴在患者空间坐标系中的单位矢量为（）（５）得到4．3．2求解变换矩阵通过机器人手臂对标记点进行坐标位置的测量，设中对应，和的三个坐标位置为，和，其位置矢量用，和表示，依据几何方法分五步创建中间坐标系。（1）原点：原点取；（2）轴：与和决定的直线重合，方向由指向，则轴在患者空间坐标系中的单位矢量为（）（3）轴：按右手准则正交于，和决定的平面，则轴在患者空间坐标系中的单位矢量为（）\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页（４）轴：垂直于平面，方向指向所在的一边，则轴在患者空间坐标系中的单位矢量为（）（５）得到于是得到：将式与式合并起来,就得到了机械臂坐标与脑部三维模型坐标的映射式.这时,三个坐标系完成了相互对准的工作,任何坐标空间的任意位置和方向都可以映射到其它两个坐标系中相应的位置.由于所有的转换都是刚体变换,这种映射是一一对应的.\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页5机器人轨迹规划5．1概述机械臂手部由初始点运动到终止点经过的空间曲线称为路径。机器人运动时，考虑在其路径上有无障碍及它是否沿特定的路径运动等因素，形成四种可能的控制方式。如表5.1所示。由表可见，机械臂的控制问题可以分为两个相关的子问题——轨迹（运动）规划和运动控制。本章将分析无障碍有路径约束的轨迹规划问题。操作机控制方式障碍约束有无路径约束有离线无碰撞路径规划加在线路径跟踪离线路径规划加在线路径跟踪无位置控制加在线障碍检测和避障位置控制表5.1轨迹规划的方法一般是在机械臂初始位置和目标位置之间用多项式函数来“内插”或“逼近”给定路径，并沿时间轴产生一系列的“控制设定点”，供机械臂控制之用。路径端点既可以用关节坐标给定，也可以用笛卡儿坐标给定。由于在笛卡儿坐标中比在关节坐标中更容易正确地观察末端执行器的形态，因而它们一般都是在笛卡儿坐标中给定的。轨迹规划问题的常用处理方法是将轨迹规划器看成“黑箱”，如图5\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页.1所示。轨迹规划器接受表示路径约束的输入变量，输出起点和终点之间按时间排列的机械臂中间形态（位置和姿态，速度，加速度）序列，它们可用关节坐标或笛卡儿坐标表示，有两种常用的方法。第一种方法要求在沿轨迹选定的位置上（插值点）显示地给定广义坐标位置、速度和加速度的一组约束（如连续性和光滑程度等）。然后，轨迹规划器从插值和满足插值点约束的函数中选定参数化轨迹。第二种方法中，使用者以解析函数显示地给定机械臂的必经之路径，如笛卡儿坐标中的直线路径。然后，轨迹规划器在关节坐标或笛卡儿坐标中确定一条与给定路径近似的轨迹。在第一种方法中，约束的给定和机械臂的轨迹规划是在关节坐标中进行的。轨迹规划器路径约束机械臂动力学约束路径设定图5.1轨迹规划器方框图由于对机械臂的手部无约束，使用者难于跟踪机械臂手部运行的路径，因此机械臂手部可能在没有事先警告的情况下与障碍物相碰。第二种方法中，路径约束是在笛卡儿坐标中给定的，而关节驱动器是在关节坐标中受控制的。因此，为求得一条逼近给定路径的轨迹，须用函数近似把笛卡儿坐标中的路径约束变换为关节坐标中的路径约束，再确定满足关节约束的参数化轨迹。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页本文将采用第二种方法。这是由于笛卡儿坐标中的路径规划更符合人们的习惯需要。实现笛卡儿路径规划可以采用下述两个相连的步骤：(1)沿笛卡儿路径，按照某种规则以笛卡儿坐标生成或选择一组结点或插值点；(2)规定一种函数，按照某些准则连接这些结点。对于第二步，所选用的准则常取决于下面的控制算法，以保证跟踪给定的路径。有两种主要的控制方法：(1)面向笛卡儿空间的方法。(2)面向关节空间的方法。由于笛卡儿空间路径规划需要在笛卡儿坐标和关节坐标之间进行实时变换，计算量很大，使得控制间隔时间较长，而且变换不唯一，因而一般不采用面向笛卡儿空间的方法。面向关节空间的方法是把笛卡儿结点变换为相应的关节坐标，并用低次多项式内插这些关节节点。它的优点在于：易于处理机械臂的动力学约束，因而被广泛采用。国内外不少学者在这一方面做了大量的工作。Paul提出了用一系列直线段构成机械臂手部笛卡儿路径的设计方法。把手部在这些直线段中的速度和加速度转到关节坐标，并用二次插值程序平滑之，从而控制了手部的运动。Taylor利用双数字四元数表示法描述手的姿态，并发展改进了Paul的方法。Paul的直线运动轨迹规划用齐次变换矩阵表示目标位置。这种表示法易于理解和使用。可是矩阵法需要较大的存储空间，与其它表示法相比，它所需的计算较多。而且，矩阵法表示转动是高度冗余的，这可能引起数值上的不一致。Taylor法采用四元数表示转动。这种方法简便，而且给出更加均匀的旋转运动。但它需要相当多的实时计算，并易使机械手臂形态退化。Lin等人描述了规划机器人CP运动轨迹的三次样条法。它是用关节变量的低次多项式来逼近直线路径。这种方法的优点是可以得到优化的关节运动规律。本文将利用这种方法来规划轨迹。5．2分段三次样条函数的轨迹规划法5．2．1三次样条函数的轨迹规划法用一组三次多项式插补给定的函数并保证插补点一阶和二阶导数连续的方法，称为三次样条函数法。它所能达到的近似程度和光滑程度是很好的。三次样条函数有以下优点：首先，它是使速度和加速度连续的最低次多项式函数；其次，低次多项式减少了计算量和数值的不稳定性。由于每一关节的驱动器有能力限制，因此在轨迹规划中必须考虑力矩和力的约束。即机械臂的控制因在前后两个相联系的执行阶段中加以考虑：离线优化轨迹规划和在线路径跟踪控制。在规划笛卡儿直线轨迹时，路径被约束在笛卡儿坐标中，而每个关节驱动器力矩和力则被限制在关节坐标中。因此，这是在两个不同的坐标系中具有混合约束的优化问题。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页虽然要涉及到笛卡儿坐标系与关节坐标系间大量的非线性变换，但在关节变量空间解决轨迹规划问题是比较容易的。Lin等人提出了一组关节变量样条函数，用来拟合笛卡儿路径上选定的结点间的各段轨迹。由于在直线路径映射为关节变量空间中的等价路径的变换是未知的，因此须用曲线拟合法逼近笛卡儿路径。由于三次样条函数具有上述优点，因此用它来拟合两相邻接结点间的路径。n-2个选定结点的关节位移是用分段三次多项式来插值的。为了满足关节位移、速度和加速度在笛卡儿路径整个轨迹上的连续条件，须增加两个未定关节位移的附加结点，以便在连续条件下求解三次多项式时有足够的自由度。这样，结点总数变成n，而每一关节轨迹有n-1个分段三次多项式。利用连续条件，把两个附加结点表示成未知变量和已知常数的组合。因此，仅有n-2个方程需要求解。所得到的矩阵方程具有便于计算的带状结构。解出矩阵方程后，所得到的样条函数用相邻结点间的时间间隔表示。5．2．2轨迹规划算法的描述连续路径用直角坐标下的参数方程来表示。具体形式如下：（5－1）（5－2）（5－3）其中，x,y,z是连续轨迹的直角坐标分量。由于机器人做CP运动时，其手部姿态往往也随着变化。因此要准确地描述机器人的运动，除了应知道机器人手部位置变化外，还应知道手部姿态的变化。设在连续轨迹地始点和终点手部的姿态角为。假定姿态角随时间作线性变化，则在时刻手部姿态角为：（5－4）（5－5）（5－6）分别表示手部与基座参照坐标系X、Y、Z轴的夹角或欧拉角。假定机器人完成CP运动所需的时间为T。令H(t)为以齐次变换矩阵表示的手部坐标系。要求手按序通过n个笛卡儿点，。先由式（4－1）－（4－6）求出，再据此计算出变换矩阵。再用运动学逆问题求解程序求出与n个笛卡儿点相应的关节位置矢量（N=自由度数）和。其中是第j关节在相应于第i个结点的角位移。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页在初始时刻和终止时刻，速度和加速度分别给定为和。对每个关节j我们将求出一个三次多项式轨迹，它能拟合该关节位移其中是有序时间列，用来表示手部通过那些结点的时间。不过将不给定和。这是为解三次多项式提供自由度的两个附加结点。令为关节j在结点和之间的分段三次多项式函数，定义在时间间隔上。由于多项式是三次的，它的二阶时间导数必定是时间的线性函数。4－7其中，是通过第i段轨迹所需要的时间。把积分两次，并使之满足边界条件和，可求得如下插值函数：5－8因此，对于,如果和已知，则就确定了。这将得出一组个线性方程，其中的未知量是，，已知量是，5－9其中\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页矩阵A的带状结构使易于求解，把它代入（4－8）式后，就得到所求的解。得到的解是用时间间隔为正的情况下，方程（4－9）中的带状矩阵A将总是非奇异的。因此。三次多项式关节轨迹总是有唯一解。5．2．3算法步骤综上所述，可得机器人CP运动轨迹算法如下：(1)输入连续轨迹方程（直线、圆或椭圆）：；(2)\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页输入始终点的各关节速度和加速度，并给定机器人沿给定连续轨迹运动时手部姿态变化规律：；(1)输入运动时间T，根据要求分成m-1个子区间；(2)置=1；(3)根据连续轨迹方程和手部姿态变化规律求出时刻时，手部坐标系相对于基座坐标系的变换矩阵；(4)由进行运动学逆解计算，求出相对应的关节变量值；(5)利用（4－9）式计算矩阵A、b，再求出；(6)=+1，若则返回步骤5，否则继续；(7)输出各关节的运动规律。算法程序框图见图5.2。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页是否开始姿态角变化规律输入轨迹方程、时间间隔m时间Ti=i+1计算位姿矩阵逆解计算求出计算A、b，由求出输出各关节运动规律结束图5.2算法程序框图5．3最优轨迹的确定5．3．1机械人的雅可比矩阵求解5．3．1．1雅可比矩阵雅可比矩阵（简称雅可比）是操作空间速度与关节空间速度之间的线性映射关系，可以看成是从关节空间向操作空间运动速度的传动比，同时也可以用来表示两个空间之间力的传递关系。操作臂的运动方程\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页代表操作空间与关节空间之间的位移关系。将上式两边对时间求导，即得出与之间的微分关系式中，称为末端在操作空间的广义速度，简称操作速度，为关节速度；是的偏导数矩阵，称为操作臂的雅可比矩阵。它的第行第列元素为；。从上式可以看出，对于给定的，雅可比是从关节空间速度向操作空间速度映射的线性变换。5．3．1．2用微分变换法求解对于转动关节，连杆相对连杆绕坐标系的轴作微分转动，相当于微分运动矢量，则手部相应的微分运动矢量为若关节是移动关节，连杆沿轴相对于连杆作微分移动，相当于微分运动矢量\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页手部相应的微分运动矢量为由此可以得出雅可比矩阵的第列为（转动关节），（移动关节）；（转动关节），（移动关节）式中n，o，a，和p是的四个列向量。因此只要知道各连杆变换，就可以求出雅可比。求解步骤为：（1）计算各连杆变换。（2）计算各连杆至末端连杆的变换：，。（3）计算各列元素，第列由\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页所决定。根据上述公式可以计算和。由此可以得出机械臂的雅可比矩阵如下：的第一列对应的变换矩阵是（由（3－3）可得），即可得，式中，同理，利用变换矩阵得出的第二列：，式中，\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页同理得；；；。5．3．2动力学性能指标在Lin等人和徐向荣等人\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页提出的机器人CP运动轨迹规划的算法中，没有具体涉及到解决机器人运动学逆解多值性的问题。而这是正确进行机器人CP运动轨迹规划的首要前提。因而他们的算法都有缺陷，不具备通用性。这里将具体讨论如何解决逆解多值性的问题。由此得到的轨迹规划算法具有实用性、通用性。机器人的轨迹规划是已知机械臂的广义坐标轨迹，计算出相应的关节坐标的位移、速度和加速度，并在关节空间进行插值得到各关节的运动轨迹。由于机器人从工作空间到关节空间的变换不是单值的，即手部的一种状态对应于一组状态。（m是可行解的数目），（n是机器人的自由度数）。这就存在着择优的问题。因此有必要提出一个合理的性能标准，以使得轨迹按此准则是最优的。机械臂终端的一种状态对应于关节坐标系的一组可行解，如PUMA560机器人的可行解数目m=8，STANFORD机器人的可行解数目m=4。考虑到关节坐标必须满足对其变化范围的约束，即（5－10）以及驱动器的饱和约束：（5－11）运动学反解多值性问题的决定，实际上是在某一性能指标下满足式（5－10）和（5－11）的最优解。这里我们引用动力学性能指标，首先对关节广义力进行归一化处理，这主要是考虑到机器人在运动过程中，各关节受力情况差别是很大。其次，基于MINMAX思想，在可行解中求出受力情况最坏的关节，并在这些值中找出一个最小值。机器人在与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力和力矩，统称为末端广义（操作）力矢量。记为。在静止状态下，广义操作力矢量应与各关节的驱动力（或力矩）相平衡。个关节的驱动力（或力矩）组成的n维矢量（5－12）称为关节力矢量。利用虚功原理，可以导出关节力矢量与相应的广义操作力矢量之间的关系。令各关节的虚位移为，末端执行器相应的虚位移为。所谓虚位移，是满足机械系统几何约束的无限小位移。各关节所作的虚功之和\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页与末端执行器所作的虚功应该相等（总虚功为零），即（5－13）又，其中为机械臂的雅可比矩阵，在前一小节已经求得，代入上式可得出（5－14）式中，称为机械臂的力雅可比。它表示在静态平衡状态下，操作力向关节力映射的线性关系。假定是第个关节的额定驱动力矩，则关节广义力可以归一化为：；；（5－15）上式中的M为采样点的个数。归一化后，表示第关节的驱动电机有富余力矩，则为临界状态，表示第关节的电机过载。对应于规划的某一阶段，我们定义动力学性能指标如下：（5－16）据此性能指标，可以决定出轨迹规划的唯一最优解。这样规划的结果可以使机械臂获得较小的关节力，以及较小的力波动。用这一性能指标，较好地解决了运动学逆解的多值性问题，由此确定的轨迹使最优的。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页6人体测量、生产类型及质量管理6．1人体测量为了使各种与人体尺度有关的设计对象（包括医用机器人）能符合人的生理特点，让人在使用的时候处于舒适的状态和适宜的环境中，在产品设计时必须考虑人体的各种尺度。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸的测量数据。人体构造上的尺寸是指静态尺寸；人体的功能尺寸是指动态尺寸，包括人在工作姿态下或在某种操作活动状态下测量的尺寸。各种机械、设备、设施和工具等设计对象在适合于人的实用方面，首先涉及的问题是如何适合于认得形态和功能范围的限度。目的在于提高设计对象的宜人性，让使用者能够安全、健康、舒适地工作，从而有利于减少人体疲劳和提高人机系统的效率。在设计中所有涉及人体尺度参数的确定都需要应用大量的人体构造和功能尺寸的测量数据。无框架立体定向导航机器人的设计应该考虑到我国不同地区的人体测量数据的差别，使得所有对机器人的操作都应设在认得肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部分的高低位置相适应，其布置应尽可能设在人操作方便、反应最灵活的范围之内。因为无框架立体定向导航机器人是应用于脑外科手术这一特殊的行业，不仅要考虑医生的人体测量数据，而且，患者的人体测量数据也是同样要考虑的重要方面。这些因素决定了无框架立体定向导航机器人的生产类型。6．2SR-1型手术机器人的生产类型6．2．1按产品或服务的专业化程度划分生产类型产品或服务的专业化程度可以通过产品或品种数多少，同一品种的产量大小和生产的重复程度来衡量。显然，产品或品种数越多，每一品种的产量越少，生产的重复笥越低，则产品或服务的专业化程度就越低；反之，产品或服务的专业化程度则越高。产品或服务专业化程度的高低，可以将生产划分为大量生产、成批生产和单件生产三种生产类型。大量生产\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页大量生产品种单一，产量大，生产重复程度高。美国福特汽车公司曾长达19年始终坚持生产T型车一个车种，是大量生产的典型例子。单件生产单件生产与大量生产相对立，是另一个极端。单件生产品种繁多，每种仅生产一台，生产的重复程度低。无框架立体定向导航机器人的生产就属于单件生产。成批生产成批生产介于大量生产与单件生产之间，即品种不单一，每种都有一定的批量，生产有一定的重复性。在当今世界上，单纯的大量生产和单纯的单件生产都比较少，一般都是成批生产。由于成批生产的范围很广，通常将它划分成“大批生产”、“中批生产”和“小批生产”三种。由于大批生产与大量生产的特点相近，所以，习惯上合称“大量大批生产”。同样，小批生产的特点单件生产相近，习惯上合称“单件小批生产”。有的企业，生产的产品品种繁多，批量大小的差别也很大，习惯上称之为“多品种中小批量生产”。单件生产成批生产大量生产大批大量生产中批生产单件小批生产图6.1生产类型的划分6．2．2按工作地专业化程度划分生产类型工作地是工人运用机器设备和工具对物料进行加工制作或为客户服务的场所。工作地的专业化程度是指工人从事同样的操作的重复程度，它可以通过工作地所执行的工序数（m）或工序大量系数（）来表示，。按产品或服务专业化程度划分生产类型与按工作地专业化程度划分生产类型，其结果基本一致。工作地生产类型m大量生产1－20．5以上大批生产2－100．1－0．5中批生产10－200．05－0．1小批生产20－400．025－0．05单件生产40以上0．025以下\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页表6.1划分工作地生产类型的参考数据因为无框架立体定向手术机器人是一个用来辅助脑外科医生进行手术的大型系统，使用的对象只可能是掌握这种技术的大型的医院，基本上每家医院只需一个系统就已经足够，因此SR-1型手术机器人的需求量不可能很大，只适合于单件小批量生产。另外，SR-1型手术机器人所采用的材料都是不锈钢或是铝合金等一些比较轻，不容易被腐蚀、生锈，容易清洁、消毒的材料做成，因为其对材料的要求较高，而且用途的特殊性，对加工的精度要求也很高，因而成本较高，这些都从一方面决定了SR-1型手术机器人的生产方式只能是单件小批生产。单件小批生产虽然不像大量大批生产一样，品种数少，产量大，生产的重复程度高，容易实现高效率、低成本与高质量，但是也有一些大量大批生产所不具备的优势。比如，单件小批生产时，能根据客户的各种不同的需求做出相应的调整，可以充分考虑到每一个顾客（医院）的要求，做到个性化、差异化服务。特别是对于SR-1型手术机器人这种大型的设备，价格昂贵，需求的数量不大，但是，可能每个客户都会有一些不同的需求，因此这种商品最适合的生产类型就是单件小批生产。为了能使单件小批生产实现较高的效率，同时在保证高质量的前提下尽可能地降低成本，可以从下面几个方面考虑。1）.减少零件的变化可以通过三种途径减少零件的变化：推行三化（产品系列化、零部件标准化、通用化），推行组成技术和推行变化减少方法（Varietyreductionprogram，VRP）。2）.提高生产系统的柔性系统柔性（Systemflexibility）是指系统处理外界变化的能力。生产系统柔性包括两方面的含义，一是能适应不同的产品或零件的加工要求。从这个意义上讲，能加工的产品或零件的种类越多，柔性就越好；二是指转换时间。加工不同零件之间的转换时间越短，则柔性越好。要提高生产系统的柔性，可以采用两种办法：硬办法和软办法。硬办法指提高机床的柔性，软办法是采用成组技术。3）.将零件实行外包外包是指而是根据机器人设计的要求把各种零配件发包给几十家甚至上百家企业做，而它自己只是起生产关键零部件及组装的作用，而不是把\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页机器人的所有零件都有自己生产。如果把机器人的所有零件都有自己生产的话，必需投资建立自己的生产线，这样一来就会提高生产成本，甚至会造成供过于求，影响产品的价格和销售，可能会对公司的销售业绩造成不好的影响。在市场经济条件下，该种机器人只适合于进行小批生产，这是由该产品的市场需求决定的，因此，完全没有必要建立生产线，进行大批量的生产。因此将零件外包是一种比较理想的提高效率，降低成本的方案。6．3质量管理无框架的手术机器人是用来辅助外科医生进行手术的，由于开颅手术的风险性，很多患者害怕接受手术，导致错过了治疗的最佳时机。因此要减少病人的这种恐惧心理，只有在质量及精度要求上下功夫。在脑部外科手术时，CT/MRI扫描的精度都在1mm以下，因此对手术器械和机械臂的精度和公差要求比较高，所以必须在生产过程中进行质量管理，对每一个环节的质量都进行严格控制。6．3．1质量和生产系统产品质量是由整个生产系统来保证的，它包括产品设计、试生产、批量生产、检查、试验以及产品的运输、销售，最后在现场安装和使用。保证产品质量涉及多方面的工作，绝不仅仅局限于对产品进行检查，不仅仅取决于由管理人员使用统计公式，或是由检查人员抽查产品。保证质量是企业中每个人员的职责。质量管理产品质量管理包括生产系统中相互联系的两项工作：其一，制订产品的一般要求和技术要求；其二，保证产品符合技术要求。图6.2表示了这种关系。技术要求用户需要产品设计工序能力工序管理检查质量一般要求产品符合要求的程度图6.2技术要求和质量\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页产品的一般要求主要根据用户的需要和愿望确定。例如，市场表明有些用户愿意要爬坡能力大、转向稳定的前轴驱动汽车，为了满足这些用户的需求，设计汽车时就要重新设计前轴、万向连轴节和前支承。这些装置的技术要求取决于使用要求，也部分地取决于材料、售价及生产成本。6．3．2质量要素产品质量是许多质量特性的综合。质量特性是用来确定产品本身的性能（例如尺寸、温度、压力等）。对“质量”这两个字，不同的人有不同的理解，特别是当价格不同时，对质量的理解更不一样。但对于生产系统来说，必须区别设计质量和符合质量。设计质量是指同样用途的产品在技术要求上的差别。假设有两个相同的零件和。的尺寸要求为英寸，得相应尺寸要求为英寸，就认为具有的设计质量。总的说来，对于一个产品的用途、式样、使用寿命和互换性的要求越高，设计质量就越高。符合质量是指制造出来的出品符合技术要求的程度。某一零件的尺寸要求是英寸，测得产品的尺寸是英寸，而的尺寸是英寸，就有较高的复合质量。6．3．3技术要求技术要求是质量管理的核心。产品质量管理应围绕两项主要工作来进行：（1）制订产品的技术要求；（2）保证产品符合技术要求。即一要抓设计质量，二要抓符合质量。技术要求包含两个要素：基本尺寸和公差。基本尺寸是一般识别用的说法，控制质量特性主要是控制公差。产品设计的主要目标是规定与工序中可能发生的偏差相一致的公差。在设计时应该考虑的问题很多。选用适当的制造公差，实质上就是妥善处理互换性、质量等要求和费用的关系。小的公差会增加制造费用，但为产品互换性装配及其质量控制、性能和使用寿命所必需。而大的公差可以避免对产量的限制及其在材料上和人工上的浪费，降低制造成本。现代公差制度和方法认为，出品的四项基本条件可以用公差加以控制：尺寸、形状、位置、装配操作或功能条件。有许多实际因素会影响公差的决定，由于不存在理想的几何形状和理想的刚体，使控制尺寸、形状和位置特性的公差难以规定。同样地，有许多测量因素和经济因素也会影响公差的决定。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页结论本文针对基于标志点的无框架神经导航手术机器人系统，围绕以下关键问题进行阐述：(1)根据课题开发的无框架立体定向导航机器人的结构参数，建立了机器人的数学模型。(2)对机器人进行运动学分析，计算了机器人运动学正解，分析了机器人手术时的姿态要求，求出了机器人的运动学反解。(3)介绍了图像空间到机器人操作空间的空间映射的原理。给出了脑模型和脑实体上标志点自动匹配的方法。(4)阐述了在笛卡尔坐标中以解析函数显式地给定机器人路径的情况下，用三次样条函数法对连续路径进行了轨迹规划，引用动力学性能指标，基于MINMAX思想，对机器人CP运动轨迹规划进行了优化计算。(5)根据人机工程学人体测量数据，提出了一些设计要求，阐述了机器人的生产类型及其特点，另外，说明了质量管理在机器人技术要求上的应用。通过这半年多毕业设计的学习与设计，我对机器人的基础理论有了比较系统的掌握，同时对医疗外科的一些知识也有了初步的了解。这也激发了我对机器人这一方向的兴趣，在今后的学习中，我将会进一步地深入研究。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页后记由于我本科所学专业为工业工程，在平时的学习中很少学到有关机器人的知识，机器人对我来说是一个全新的领域。因此，我主要的工作是学习新的知识，尽可能多地把我的所学知识运用到这一新领域中。机器人学是一门迅速发展的综合性前沿学科，无框架立体定向手术机器人这一课题所涉及的内容有：机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创伤手术等等。通过这一段时间的学习，在机器人学方面，对机器人的发展应用、刚体的空间描述和齐次变换、操作臂运动学及其正反解、关节空间的轨迹规划方法及机器人的控制等一些内容有了基本的掌握；在图像处理及虚拟现实方面，对通过CT/MRI等技术来进行三维重构，对患者脑部和病灶部位进行重现，在计算机上进行模拟手术等一些关键的技术有了一定的了解。另外，我将一些工业工程的基本理论运用到机器人的设计和生产加工中，提出了一些建议。将所学运用到现实生产中，理论联系实际，这才是学习的真正目的。从这些技术上来看，国内的技术水平还比不上国际上的先进水平，作为跨世纪的本科生，面临21世纪的挑战，面临高新技术和自动化技术的冲击，面临国际市场经济和科技迅猛发展的激烈竞争，在以后的学习和工作中，我将会更加努力，以迎接挑战。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页致谢本论文是在施祖康教授、陈国志博士兼总经理以及黄德耕老师的悉心指导下完成的，论文期间的每一步进展都凝结着他们辛勤的汗水，在此表示忠心的感谢！施祖康老师治学严谨、知识渊博、注重实践、为人宽厚，他们是科研战线上的先进工作者。此次项目设计历时半年多，在此期间，他们给予我悉心的指导和热心的关怀，使我的论文得以顺利完成。从老师们的身上我学到了许多，他们平易近人的做人态度、严谨科学的工作作风，必将对我以后的学习和工作带来极大的帮助，会使我受益终生。同时我要感谢南京麦迪科科技有限公司为我们提供的良好环境和大量的研究资料，陈国志博士的谆谆教导也是我一生中最宝贵的财富，同时也激励我在今后的学习和工作中锐意进取、不断创新。再次由衷地感谢施教授、陈总和黄老师对我的指导！感谢关心和支持本科毕业设计的各位领导和老师！在这里我还要感谢陈文广、滕大伟、熊艳辉、诸敏、蔡如君等同学，他们不仅在学习研究期间给予我热心的帮助，而且是我生活中真诚的朋友。向审阅和阅读我论文的老师和同学表示忠心的感谢。\n本科毕业设计说明书（论文）第50页共50页参考文献1蔡自兴.机器人学.第1版.北京：清华大学出版社，20002熊有伦.机器人技术基础.第1版.武汉：华中理工大学出版社，19963田增民.现代立体定向神经外科学.中国科学技术出版社.19974陈梦东,李伟,王田苗,田增民.立体定向脑外科机器人系统中的定位和空间映射变换.中国生物医学工程学报.2001(5):385-3935丑武胜,王田苗.面向脑外科微创手术的医疗机器人系统.机器人技术与应用.2003(4):19-216徐锡林,金杰,鲁庆华.脑外科手术机器人的机构分析与研究.上海交通大学学报,1997.1(31):90-937田增民,王田苗,刘宗惠等.机器人系统辅助脑立体定向手术.军医进修学院学报,1998,19(1)：4-68RhodesML.Computergraphicsandmedicine:acomplexpartnership.IEEECompAppl.1997,17:229KondziolkaD，LunsfordLD.GuidedneurosurgeryusingtheISGViewingWand.ContempNeurosurg.1995，17:110　陈梦东,王田苗,张启先.医疗外科机器人系统的研究和发展．国外医学生物医学工程分册．1998.4(21):193-20211　徐向荣,马香峰.机器人运动轨迹规划分析与算法.机器人,1988,2(6):18-2412　恽为民,席裕庚.基于遗传算法的机器人关节空间最优运动规划.机器人,1995,17(4):206-21613[美]E.G.寇克帕特里克著,薄国华，吴国熙译.质量管理教程.北京：中国标准出版社.1986.14陈荣秋，马士华.生产与运作管理.武汉：高等教育出版社.1999.15丁玉兰.人机工程学.北京.北京理工大学出版社.2000.