本站原创摘 要：随着21世纪生物技术高速发展,随着人们对生物体认识的深入,仿生智能机械应用也将有更光明的前景.仿生智能机械手可以在医生的监控或操作下,按照即定的方案,高精度地、高可靠地实施手术,并在规定的时限内完成.仿生智能机械手的应用可以为医院病人带来福音.
关 键 词：仿生机器人；智能；机械手；医疗；
1.引言
检测肢是医疗领域最早使用仿生智能机械手,随着技术的发展,出现了可以模仿人手做绝大部分的操作的仿生机器手,使用方便、灵活.在外科手术里,医生需要长时间地或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作.仿生智能机械手是一种仿人机械,可以在医生的监控或操作下,按照即定的方案,高精度地、高可靠地实施手术,并在规定的时限内完成.仿生智能机械手的应用可以为病人带来福音.现代社会、科技的高速发展推动着机械产业的发展,对其自身结构、能量消耗或者运动的可靠性提出了更为严苛的要求.在环境优胜劣汰法则的作用下,自然界存在拥有神奇的特性与功能各种各样的生物.仿生智能机械手就是模仿人手的形态、结构和控制原理而诞生.人手共有27个自由度,可以精确定位并做出复杂精细的动作.仿生智能机械手可以通过模仿人类手部的动作,并依照智能控制系统给定的程序而实现智能化的手部抓取、搬运等复杂动作的自动机械装置.
在中国,医疗类自动控制机械设备的研究和应用起步较晚,然而近年来随着国内外自动控制和智能控制技术的快速发展,以及医院等医疗机构的迫切需求,智能机械手的应用得到了迅速的发展.智能控制技术可以建立柔性程序控制系统,从而实现医疗机械手的高精度控制.
2.结构简介
2.1.基本结构
本文设计的医疗机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成.
手部用来抓取刀具,由手指传力机构和驱动装置等组成.仿生机械手的手部结构一般以双指或者多指结构为基础；如果根据实现的不同任务动作要求,又被分成以下两种结构形式：外抓和内抓；如果根据仿生机械手的手部的运动形式又可以分为回转式和平移式,其中回转型又分为以下几种形式：单支点式,双支点式.在以上结构中,我们较多选用回转式的手部,这种结构能够方便的用来抓取药瓶等圆柱形医疗工具,平移型用于抓持方形医疗工具.
对于医疗机械手而言,其手部需满足的条件：首先,机械手的结构能够产生强且稳定的夹持力,用来精确安全的夹持医疗器具.由于医疗器具的搬运过程中,往往会存在一定的动载荷,因此在设计校核的过程中,一定要充分考虑动载荷的波动.同时,不同重量、尺寸的医疗器具在被夹持和传送过程中所要求的基本方向、动作、精度等不相同,因此结构设计必须充分考虑各种器具的使用条件.第三,必须充分考虑医疗器具的高精度定位要求.第四,医疗机械手的尺寸结构必须满足紧凑、精巧的要求,以利于腕部和臂部的结构设计.
智能仿生医疗器械手的动作机构的作用对象是医疗器具或者患者身体工,因此需要完成的不同动作都必须满足安全行要求,防止意外的发生；同时,智能仿生医疗器械手的结构、质量、尺寸等对于机械手的整体的运动学、动力学性能以及使用条件和使用范围等也有着直接、显著的影响.智能仿生医疗器械手整体动力学和运动学性能的高低,决定了机械手最终能否正常按照控制机构的指令进行工作.因此,智能仿生医疗器械手的结构设计是整体设计的最重要环节.
智能仿生医疗器械手的手腕在于手和手臂之间,用于调整手的方向.要使智能仿生医疗器械手能以不同的旋转角度和方位进行动作,因此,智能仿生医疗器械手的手腕要能满足六个自由度的动作要求,即：分别独立的绕X、Y、Z轴向实现转动和平动,这样,智能仿生医疗器械手的手腕才能实现大范围角度的伸、缩、转动、平动、摆动等.
智能仿生医疗器械手的臂部是运动的主要执行部件,需要承载手部抓起器具的整体重力载荷,臂部的运动形式决定了它的基本结构.臂部运动的基本作用是把机械的手部所夹持的器具送到控制机构要求的空间点.如果改变手部的姿态（方位）,则用腕部的自由度加以实现.
2.2.驱动机构与控制系统
驱动机构是智能仿生医疗器械手的动力来源.智能仿生医疗器械手的动力源与常规的动力源相同,主要包括液压驱动、气动、电力驱动和机械驱动等几种主要形式,近年来还发展了其它几种形式.电动机构驱动由于结构简单、尺寸紧凑、重量小、控制方便,备受设计人员的青睐.
智能仿生医疗器械手控制方式一般为基于模糊控制理论的点动控制和连续控制.主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性.智能仿生医疗器械手缓冲干扰源也越来越多样化,需要在不同的工作环境下,对干扰源进行正确的分析,并找出其抑制措施,是非常有必要的.
2.3.结构布置要求及平稳性与定位精度
智能仿生医疗器械手在工作中运动定位要求较高,在结构布置上应保证运动精确平稳,这样可提高使用的可靠性,并可延长使用寿命,在结构上要注意以下几点：
2.3.1.臂部要防止偏重.一般情况下臂部为悬臂,所以在设计臂部、手部结构时,要尽量使其总的重心在支撑中心,防止偏重.检测如有偏重,它将会产生附加的弯矩,引起立柱和导向的变形.防止偏重过大可采取的措施如下：一是减轻手部重量,以尽量减少偏心载荷；二是臂部上各部件应合理分布或增加平衡重,使臂部平衡；三是在结构上无法避免偏重时,则应加强导向支撑.
2.3.2.加强臂部刚度.臂部的刚度,决定于臂部的结构和导向形式.选取臂部结构时,各个方向的刚度都有要求.提高臂部刚度,是减少手部颤动的关键,也有利于提高定位精度.
2.3.3.改进缓冲装置和提高配合精度.机械手缓冲干扰源越来越多样化,需要在不同的工作环境下,对干扰源进行正确的分析,并找出其抑制措施,是非常有必要的.
3.总结
尽管目前仿生智能学在工程机械行业中的研究还有很长的路要走,但伴随着21世纪生物技术高速发展,随着人们对生物体认识的深入,仿生智能机械设计也将有更光明的前景.仿生智能机械手仿人机械可以在医生的监控或操作下,按照即定的方案,高精度地、高可靠地实施手术,并在规定的时限内完成.仿生智能机械手的应用可以为病人带来福音.
作者简介：姓名：张金辉（1979.10-）性别：男,籍贯：云南,最高学历：本科,目前职称：助理工程师,主要研究方向：机电