角膜移植显微手术机器人末端执行器的设计

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1、第uy卷第v期∂²¯quyo²qv机器人×ussw年x月¤¼oussw文章编号}tssu2swwykusswlsv2suxy2svΞ角膜移植显微手术机器人末端执行器的设计于永初o毕树生o李大寨o宗光华k北京航空航天大学机器人研究所o北京tsss{vl摘要}设计了一种用于角膜移植显微手术机器人系统的末端执行器q末端执行器集成了微力传感器!位移传感器!微型直流电机和环钻o具有体积小!功能完善的特点q它用于系统末端o直接对角膜进行操作q关键词}角膜移植~机器人~末端执行器~传感器中图分类号}×°uw文献标识码}ΔεσιγνοφανΕνδΕφφεχτο

2、ρΥσεδονΧορνεαΓραφτινγΜιχροσυργερψΡοβοτ≠≠²±ª2¦«∏o≥«∏2¶«¨±ªo¤2½«¤¬o∏¤±ª2«∏¤(ΡοβοτΡεσεαρχηΙνστιτυτε,ΒειϕινγΥνιϖερσιτψοφΑεροναυτιχσανδΑστροναυτιχσ,Βειϕινγtsss{v,Χηινα)Αβστραχτ:±¨±§¨©©¨¦·²µ∏¶¨§²±¦²µ±¨¤ªµ¤©·¬±ª°¬¦µ²¶∏µª¨µ¼µ²¥²·¬¶§¨¶¬ª±¨§q¬¦µ²2©²µ¦¨¶¨±¶²µo§¬¶³¯¤¦¨°¨±·¶¨±2¶²µo°¬¦µ²2

3、≤°²·²µ¤±§·µ¨³«¬±¨¬¶¬±·¨ªµ¤·¨§q≥°¤¯¯¶¬½¨¤±§³¨µ©¨¦·³¨µ©²µ°¤±¦¨¬¶¬·¶®¨¼©¨¤·∏µ¨¶q׫¨¨©©¨¦·²µ¬¶©¬¬¨§²±·«¨¨±§²©µ²¥²·²³¨µ¤·¬±ª²±·«¨¦²µ±¨¤§¬µ¨¦·¯¼qΚεψωορδσ:¦²µ±¨¤ªµ¤©·¬±ª~µ²¥²·~¨±§¨©©¨¦·¨µ~¶¨±¶²µ1引言(Ιντροδυχτιον)2末端执行器在手术中的地位(Στατυσοφτηε角膜移植与其他器官移植一样o是医生把他人ενδεφφεχτεριντηεσυργερψ)k供

4、体l健康透明的角膜通过手术移植到需要角膜的机器人手术流程如图t所示q病人k受体l眼睛上o以提高视力和治疗某种角膜疾病或改善外貌q角膜移植手术过程中会出现供片和植床切面不垂直!光滑度不好!钻切深度难以精确控制等现象q医生希望以机械代替人工!以自动代替手动o使角膜移植手术能够简单化!自动化!智能化!精确化q显微手术机器人定位精确!运动平稳!自动化程度高的特点正好迎合了这种要求q≈t ≈u ≈vow 国际上oר¬°¤!¤±ª!¤±ª¨±¥∏¦«¨µ!≈x ¤·¤¯¬¨≥°¬·«等学者相继研制出不同结构形式的角膜移植显微手术机器人o但都没有用于实际手

5、术中q主要原因之一是末端执行器设计存在问题o影响了角膜的切割效果q在角膜移植手术机器人系统中o末端执行器是直接对角膜进行操作的部分o其功能图t角膜移植手术流程图和运动等性能的优劣直接关系到手术的成功与否qƒ¬ªqt׫¨©¯²º¦«¤µ·²©¦²µ±¨¤ªµ¤©·¬±ª²³¨µ¤·¬²±Ξ基金项目}国家{yv计划资助项目kussuwustts2wlq收稿日期}ussvpttpsy第uy卷第v期于永初等}角膜移植显微手术机器人末端执行器的设计uxz在供体植片制备!病体植床制备等关节o若末端kwl钻切的速度控制包括钻切进给和环钻旋执行器设计不完美o

6、有可能出现}ktl植片和植床不转速度的控制o两者的结合决定了钻切角膜边缘质能紧密贴合o引起术后散光~kul植片和植床的边缘量的好坏o也就影响着手术的成功与否k散光等lq不光滑o术后不能很好地愈合~kvl钻切深度不能准4末端执行器设计(Δεσιγνοφτηεενδεφφεχτορ)确控制o植片厚度和植床深度差距过大o导致手术失败q角膜移植手术机器人本体是一个五自由度机械臂q在环钻与角膜接触力大小的判断上o通过试验得3末端执行器设计应考虑的问题(Προβλεμσ知o当接触力在ts°时o对角膜没有伤害o变形不ιντηεδεσιγνοφενδεφφεχ

7、τορ)明显o对切割精度没有影响q纵观人工手术中导致手术失败的原因可以看在板层角膜移植手术中o要求板层的厚度在出o用于角膜移植机器人的末端执行器应解决以下vss∗wssΛ°之间o因此取这个范围的十分之一o几个问题}tsΛ°的精度误差不会影响最后的手术效果qktl末端执行器的小型化实际的手术环境如末端执行器的原理示意如图v所示q图u所示q图u实际手术环境图v原理示意图ƒ¬ªqu¦·∏¤¯¶∏µª¨µ¼¦²±§¬·¬²±¶ƒ¬ªqv≥®¨·¦«°¤³²©·«¨·«¨²µ¼显微镜物镜与人眼的垂直距离不超过txs°°o末端执行器主要由驱动机构!触力传感

8、器!位移当机器人手臂运动到显微镜下方的时候o给末端执传感器!位移传递装置和环钻等组成q模拟人手的正行器留下的空间只有约ys°°o在高度上对末端执反旋转