骨科手术机器人课件

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1985年，美国采用Puma560工业机器人完成了脑组织活检中探 针的导向定位。 1989年，英国的利用改进的6自由度Puma机器人，开展了前列 腺切除手术，大大缩短了手术操作时间。 1996年德国KuhnC研究了用于微损伤外科的基于虚拟现实的手 术训练系统。 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； 2005美国的计算机辅助整形外科手术研究所、西宾西法尼亚医 院和卡内基·梅隆大学机器人研究所研制了用于关节整形手术 的微型六自由度并联机器人。
小;
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为了达到空间一定范围内的任意位置，机器人手臂 至少要求有三个自由度。并且根据上述要求我们选择 串联机构。
机器人典型手臂结构及性能
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Typical arm structure and capability
根据计算、实验及实践可得，其中的圆柱坐标、 SCARA型、直角坐标被认为是较好的结构形式，目前 大多数医疗外科机器人采用这三种结构。如瑞士一种 用于神经外科立体定向手术的机器人属于直角坐标结 构；美国Zeus和Aesop机器人手术系统应用SCARA型 ；而ROBODOC辅助手术系统就属于圆柱坐标结构。
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并联机构 1965 年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并
作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚著 名机构学教授Hunt提出将并联机构用于机器人手臂。 1994年在芝加哥国际机床博览会上首次展出了称为“ 六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床 与加工中心并引起了轰动。
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先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤 精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治 疗方法等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传统 医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展。
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手术机器人构型
计算机辅助骨科手术系统的关键技术包括：手术机 器人、医学三维图像建模技术、虚拟手术仿真技术， 远程操作网络技术等。
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国内也开展了医疗机器人方面的研究工作。哈尔滨工业大 学成功研制了基于遥操作技术的辅助正骨机器人系统。北京航 空航天大学研制出了国内首台用于医疗接骨的机器人样机。
哈工大辅助正骨机器人系统
北航 机器人牵引装置 13
计算机辅助骨科手术系统均具有以下的优势优势： （1）定位更精准 （2）缩短X光照射时间，保护医护人员和病人 （3）把握部位更稳 （4）改进手术方式，医生们配合更默契 （5）解决临床教学和手术培训问题
拉压力）
弯矩、扭矩）
大（通常工件和工作台 小（通常工件和工作台不
移动）
移动）
差，随着尺寸增加更加 恶化
只有少量耦合
误差累积而放大
相对简单，已有不少成 果可借鉴
一般不需要
好，甚至在尺寸增加时人 能保持
紧密耦合且非线性 误差平均二变小
复杂，研究成果极少
需要
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串联机构与并联机构的对比
骨科手术机器人
20世纪80年代，机器人等自动化设备已经在工业领 域获得了广泛应用，在操作灵活性、稳定性及准确性 方面显示出了明显优势。为了解决外科手术中存在的 精度不足，辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题， 人们开始探讨如何在外科手术中引入机器人技术，改 善手术效果。
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手腕 当被操作物体或工具有姿态要求时，就需要在机器
人手臂末端联接实现姿态要求的手腕。为便于控制， 减小姿态参数之间的干扰，根据所需要实现的操作来 确定手腕关节的构型是非常重要的。
根据并联机构具有刚度大，结构稳定，运动惯性小 ，精度高等特点，可以采用并联机构作手腕关节。
二自由度手腕——串联机构
三自由度——并联机构
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基本特征 设计思想
刚度
移动部件质量 动力学特性
运动耦合 误差传播 精度检定与校正 坐标变换运算
串联机构
并联机构
沿笛卡尔坐标系的XYZ 不沿任何坐标布置构件，
轴布置构件，串联连接， 并联连接，切削等负载大
切削等负载不分摊承担
致均匀分摊
低（弹性变形累积、构 高（刚度累积，构件之手
件除承受拉压力外还受
对于手术机器人，其结构由手腕和手臂两部分组成 ，在手术中的作用是：①将手腕末端和手术器械定位 到切点;②对手术器械定向，使其穿过切点到达手术部 位。
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针对上述要一般要求是:
1)易于实现高的定位精度; 2)运动直观性强，易于医生进行人机交互; 3)在相同结构尺寸下，工作空间尽量大; 4)在达到相同工作空间的条件下，手臂本体占据空间
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该公司还开发了ORTHODOC图像处理系统，根据 CT图片进行3D建模和手术规划，为手术提供所有需要 的数据，帮助医生完成手术仿真和监控。ROBODOC 首先使用术前CT图片规划手术路径，在术中将病体位 置与术前CT进行校准，同时在手术过程中机器人和病 体通过刚性夹具连接固定。截止1997年1月robodoc系 统已完成了850例骨科手术，术后反应良好。
目录
1.引言 2.手术机器人构型 3.骨科手术机器人 4.CAOS系统 5.总结
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引言
随着交通事故的频发和人们运动损伤的增多，创伤 已经成为全球的第二大死因。所以，新的骨科手术技 术发展就显得更加有益。
医疗机器人，是近十几年来发展比较迅速的一个新 的应用领域，大部分是应用计算机，把患者的影像资 料如X光片、CT、核磁等进行叠加的分析处理，然后 根据分析结果，控制机器臂完成一些医生不能完成或 完成得没有机器好的动作和步骤。
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Robodoc手术系统
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德国CASPAR手术系统
半主动型系统
半主动型CAOS中机器人的动 作过程由医生参与控制，而医 生的动作又会被机器人系统根 据规划的路径加以限制。
骨科手术机器人按医生与机器人之间的关系可以分 三类：主动型、半主动型和被动型。
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主动型系统 主动型CAOS，即使用机器人自主完成手术过程。世
界上第一台临床应用的主动型CAOS是1992年美国 Integrated Surgical System公司推出了ROBODOC机器 人系统。ROBODOC是在传统工业机器人基础上开 发而成的，可以完成全髋关节置换，骸骨替换，髓 骨置换及修复和膝关节置换等手术。