《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程綜合訓(xùn)練項目報告模板2

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程綜合訓(xùn)練項目報告綜合訓(xùn)練項目 機械手設(shè)計研究 指 導(dǎo) 教 師 徐廣明 院（系、部） 機械學(xué)院 專 業(yè) 班 級 機電12-3 學(xué) 號 1207060325 姓 名 周正啟 日 期 2015.12.19 一、綜合訓(xùn)練項目任務(wù)書綜合訓(xùn)練項目 機械手設(shè)計研究目的和要求：鍛煉學(xué)生實際設(shè)計計算能力及對機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的掌握。要求設(shè)計具有一定功能的機械手，完成其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括支撐機構(gòu)、工作機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計計算，并完成傳動機構(gòu)及各組成結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性分析及優(yōu)化。成果形式：設(shè)計計算說明書（不少于5000字）及圖紙（裝配圖、零件圖）。相關(guān)參數(shù)：參看工業(yè)機械手設(shè)計

2、手冊（4-6自由度機械手設(shè)計）。詳細設(shè)計要求：（1）試設(shè)計一機械手，具有一定的功能及應(yīng)用價值；（2）完成機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對關(guān)鍵尺寸等要有一定的計算公式及說明；（3）對機械手的控制要求及功能進行一定的陳述。二、指導(dǎo)教師評閱意見 指導(dǎo)教師簽字：三、綜合訓(xùn)練項目設(shè)計內(nèi)容*機械手設(shè)計研究智能醫(yī)療機器手設(shè)計研究一.引言：智能化是醫(yī)療硬件設(shè)備行業(yè)發(fā)展的新方向。我們提出“智能醫(yī)療硬件”投資主題，并認為該主題將會是繼“個性化醫(yī)療/精準醫(yī)療”后國內(nèi)一二級市場在醫(yī)藥領(lǐng)域的未來三到五年重要投資機會。我們定義“智能醫(yī)療硬件”為，以先進軟件技術(shù)和大數(shù)據(jù)配合新一代硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備進行創(chuàng)新或升級的新一代醫(yī)療

3、應(yīng)用設(shè)備。 假肢是醫(yī)療領(lǐng)域最早使用仿生智能機械手， 隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以模仿人手做絕大部分的操作的仿生機器手，使用方便、靈活。在外科手術(shù)里，醫(yī)生需要長時間地或在有限的時間內(nèi)完成一系列復(fù)雜精確的操作。仿生智能機械手是一種仿人機械，可以在醫(yī)生的監(jiān)控或操作下， 按照即定的方案， 高精度地、高可靠地實施手術(shù)，并在規(guī)定的時限內(nèi)完成。仿生智能機械手的應(yīng)用可以為病人帶來福音?，F(xiàn)代社會、科技的高速發(fā)展推動著機械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 對其自身結(jié)構(gòu)、能量消耗或者運動的可靠性提出了更為嚴苛的要求。在環(huán)境優(yōu)勝劣汰法則的作用下，自然界存在擁有神奇的特性與功能各種各樣的生物。仿生智能機械手就是模仿人手的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理

4、而誕生。人手共有27個自由度，可以精確定位并做出復(fù)雜精細的動作。仿生智能機械手可以通過模仿人類手部的動作，并依照智能控制系統(tǒng)給定的程序而實現(xiàn)智能化的手部抓取、搬運等復(fù)雜動作的自動機械裝置。 二、目前國內(nèi)醫(yī)療機器人公司2.1上市公司A、機器人（300024）1）公司簡介沈陽新松機器人自動化股份有限公司成立于2000年，上市于2009年，由中科院沈陽自動化所作為主發(fā)起人。該公司是一家擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人與自動化成套裝備供應(yīng)商，主要產(chǎn)品包括工業(yè)機器人、物流與倉儲自動化成套裝備、自動化裝配與檢測生產(chǎn)線、交通自動化系統(tǒng)等。公司產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電

5、力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等行業(yè)。2）醫(yī)療機器人布局沈陽新松機器人公司利用自己在機器人技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，已在陪護機器人，骨科手術(shù)機器人和鏡診斷治療輔助機器人方面布局。陪護機器人沈陽新松機器人公司的陪護機器人目前主要面向養(yǎng)老院及社區(qū)服務(wù)。其功能有生理信號檢測、語音交互、遠程醫(yī)療、智能聊天、自主避障漫游等。可全方位地照顧用戶在生活護理，遠程交流和醫(yī)療監(jiān)護方面的需求。機器人具有智能聊天功能，可以輔助老人心理康復(fù)。配合相關(guān)檢測設(shè)備，機器人具有血壓、心跳、血氧等生理信號檢測與監(jiān)控功能，可無線連接社區(qū)網(wǎng)絡(luò)并傳輸?shù)缴鐓^(qū)醫(yī)療中心，緊急情況下可及時報警或通知親人。陪護機器人為人口老齡化帶

6、來的重大社會問題提供解決方案。該機器人突破了機器人語音識別與交互算法、網(wǎng)絡(luò)傳感與多傳感器的數(shù)據(jù)融合、機器人輔助老人心理康復(fù)、無線網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控與控制等多項關(guān)鍵技術(shù)。并在2012年申請了遠程醫(yī)療功能技術(shù)的專利。目前尚屬于示范應(yīng)用階段。骨科牽引輔助機械手新松機器人公司與2013年研發(fā)出了首創(chuàng)的骨科牽引機器人并以制出試驗機。骨科牽引機器人是利用機器人系統(tǒng)的牽引支架將患者受傷部位固定牽引，提高了牽引的穩(wěn)定性。再利用一條機械臂在手術(shù)和牽引中實時反饋手術(shù)部位全息圖像，讓醫(yī)生對手術(shù)全程有更好的規(guī)劃，加強了醫(yī)生對骨折牽引的判斷。最后機器人系統(tǒng)幫助醫(yī)生完成骨折部位的精確牽引，幫助患者骨折部復(fù)位。目前公司擁有7項骨

7、科機器人專利，并在申請醫(yī)療器械產(chǎn)品生產(chǎn)許可證。胃鏡診斷治療輔助機器人系統(tǒng)胃鏡診斷治療輔助機器人系統(tǒng)是十二五“國家科技支撐計劃”課題之一。是針對我國8000萬的胃腸道疾病患者對胃鏡診斷和治療的巨大需求，而訓(xùn)練有素的醫(yī)生嚴重不足導(dǎo)致的供需求關(guān)系而開展的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國際首創(chuàng)胃鏡診斷治療輔助機器人系統(tǒng)的研發(fā)。目前，課題突破了胃鏡輸送技術(shù)、腫瘤病變識別算法、高性能多功率一體化的高頻功率系統(tǒng)構(gòu)建3項關(guān)鍵技術(shù)；研制了柔性內(nèi)鏡鏡體輸送單元、腫瘤病變識別模塊，多功率一體化的高頻功率系統(tǒng)等核心部件；完成了胃鏡輔助機器人系統(tǒng)原理樣機、腫瘤輔助診斷軟件系統(tǒng)及鏡下氬離子凝血設(shè)備原理樣機的開發(fā)。B、博實股份（002

8、698)1）公司簡介哈爾濱博實自動化股份有限公司成立于1997年，上市于2012年。由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究院為主發(fā)起人，目前哈工大投資仍為博實自動化的第一大股東。該公司是以石化化工后處理成套設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，并為客戶提供相關(guān)產(chǎn)品服務(wù)的自動化集成解決方案提供商。因為現(xiàn)有石化產(chǎn)業(yè)前景下行的壓力，公司積極制訂了未來戰(zhàn)略方向與目標，推動以機器人技術(shù)為代表的高端醫(yī)療裝備領(lǐng)域的研發(fā)和投資。2015年5月11日，公司決定設(shè)立全資子公司博實高端醫(yī)療裝備有限公司投資1億人民幣并，以2000萬現(xiàn)金認購思哲睿醫(yī)療股權(quán)。計劃通過醫(yī)療裝備公司投資“微創(chuàng)外科手術(shù)機器人及智能器械項目”。2）醫(yī)療機器人布局博實自動

9、化將目標放在高端的醫(yī)療機器人上，并以哈工大和關(guān)聯(lián)企業(yè)思哲睿醫(yī)療研發(fā)微創(chuàng)外科手術(shù)機器人，目標打破達芬奇機器人在國內(nèi)的壟斷。微創(chuàng)外科手術(shù)機器人國家“863”計劃資助項目“微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機器人系統(tǒng)”，已在2013 年由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所研制成功，并通過國家“863”計劃專家組的驗收。該機器人由哈工大與思哲睿醫(yī)療共同研制。該機器人系統(tǒng)與達芬奇機器人系統(tǒng)類似，由機械臂，三維成像系統(tǒng)和醫(yī)生控制臺組成。使醫(yī)生可以在操作臺內(nèi)通過高清三維成像系統(tǒng)和力覺反饋遙控對患者進行微創(chuàng)手術(shù)。目前該機器人可以可現(xiàn)微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)常用的分離、切割、止血、縫合等基本動作。一代產(chǎn)品已完成多批次動物實驗。而二代產(chǎn)品已完成產(chǎn)

10、品定型，在進行樣板機的組裝。預(yù)計2015年年底可以準備申請產(chǎn)品形式檢驗，并在2017年底申請產(chǎn)品注冊。C、楚天科技（300358)1）公司簡介楚天科技股份有限公司成立于2002年，于2014年在深交所創(chuàng)業(yè)板上市。該公司以水劑類制藥裝備的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為主營業(yè)務(wù)。水劑類制藥裝備是制藥企業(yè)生產(chǎn)針劑的關(guān)鍵制劑。未來公司布局醫(yī)藥機器人和醫(yī)療機器人。利用智能機器人的市場規(guī)模將迅速放大，來完成公司的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。2）醫(yī)療機器人布局楚天科技利用自身在水劑類制藥裝備的經(jīng)驗，加以改進，計劃2015年底推出藥用無菌分裝機器人。在醫(yī)療機器人方面，楚天科技與國防科技大學(xué)，中南大學(xué)和華中科技大學(xué)合作。將把

11、外骨骼機器人研究作為切入點，主要用于殘疾人和老年人生活自理，起到輔助性的作用，同時該類機器人可以用于軍隊負重等領(lǐng)域，由國防科技大學(xué)負責(zé)進行列裝申報。D、迪馬股份(600565)迪馬股份于2015年4月1日與成都電子科技大學(xué)簽訂產(chǎn)學(xué)研協(xié)議，共同合作開發(fā)外骨骼機器人。E、海思科（002653）海思科于2015年6月25日公告，參股公司Haisight將使用 1,050 萬美元認購 MST 優(yōu)先股 174,993 股，占其完全稀釋基礎(chǔ)上 26.66%的股權(quán)。MST 是一家位于以色列的領(lǐng)先的醫(yī)療器械研發(fā)公司，其主要產(chǎn)品為“AutoLap”，一種腹腔鏡手術(shù)用圖像引導(dǎo)腹腔鏡智能定位裝置，可以成為醫(yī)生“自己

12、的第三只手”。 AutoLap技術(shù)全球領(lǐng)先，擁有醫(yī)療領(lǐng)域全球唯一的實時圖像引導(dǎo)定位系統(tǒng)，產(chǎn)品已獲美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）及 CE 認證。MST計劃在近期申請中國食品藥品監(jiān)督管理局（CFDA）的認證。Autolap全球市場機會超過30億美元，預(yù)計2018年將超過50億美元。根據(jù)相關(guān)協(xié)議，海思科將獲得“AutoLap”在中國的 15 年獨家銷售代理權(quán)，有望為公司未來業(yè)績帶來顯著提升。 三國外智能醫(yī)療機器人現(xiàn)狀3.1 ImperialCollege London最近研究了一種新型機器人探針針對神經(jīng)外科的顱骨穿孔手術(shù)。由IBM研究中心和University of California研究團隊開

13、發(fā)的ROBODOC機器人系統(tǒng)針對骨科的全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)在2008年通過了FDA認證，并不斷更新完善中。然而，以上提到的手術(shù)機器人的專攻市場小、設(shè)備昂貴和技術(shù)缺陷明顯使他們未能在市場上受到特別關(guān)注。3.2 加拿大的TitanMedical公司正在研發(fā)的SPORT系統(tǒng)試圖以其設(shè)備小、價格低和自主研發(fā)專利等優(yōu)勢挑戰(zhàn)達芬系統(tǒng)的霸主地位。SPORT系統(tǒng)瞄準了普通外科、婦科和泌尿科領(lǐng)域，擁有單孔設(shè)備的設(shè)計專利，采用平臺靈活、占地小和成本低（低于100萬美元）的策略進入市場。Titan Medical公司計劃在2017年獲得FDA認證并在美國銷售。然后經(jīng)費不足和研發(fā)耗時等因素使其沒有余地應(yīng)對延遲設(shè)備審批或其

14、它緊急情況，前景有待觀察。其股價已從2014年9月30日的2.19美金跌至1.34美金（2015年6月23日）。 如圖：四.結(jié)構(gòu)簡介 4.1.基本結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計的醫(yī)療機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。 手部用來抓取刀具，由手指傳力機構(gòu)和驅(qū)動裝置等組成。仿生機械手的手部結(jié)構(gòu)一般以雙指或者多指結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)；如果根據(jù)實現(xiàn)的不同任務(wù)動作要求，又被分成以下兩種結(jié)構(gòu)形式：外抓和內(nèi)抓；如果根據(jù)仿生機械手的手部的運動形式又可以分為回轉(zhuǎn)式和平移式，其中回轉(zhuǎn)型又分為以下幾種形式：單支點式，雙支點式。在以上結(jié)構(gòu)中，我們較多選用回轉(zhuǎn)式的手部，這種結(jié)構(gòu)能夠方便的用來抓取藥瓶等圓柱形醫(yī)療工具，平移型用于抓持方

15、形醫(yī)療工具。 對于醫(yī)療機械手而言，其手部需滿足的條件：首先，機械手的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生強且穩(wěn)定的夾持力，用來精確安全的夾持醫(yī)療器具。由于醫(yī)療器具的搬運過程中，往往會存在一定的動載荷，因此在設(shè)計校核的過程中，一定要充分考慮動載荷的波動。同時，不同重量、尺寸的醫(yī)療器具在被夾持和傳送過程中所要求的基本方向、動作、精度等不相同，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計必須充分考慮各種器具的使用條件。第三，必須充分考慮醫(yī)療器具的高精度定位要求。第四，醫(yī)療機械手的尺寸結(jié)構(gòu)必須滿足緊湊、精巧的要求，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 智能仿生醫(yī)療器械手的動作機構(gòu)的作用對象是醫(yī)療器具或者患者身體工，因此需要完成的不同動作都必須滿足安全行要求，防止意

16、外的發(fā)生；同時，智能仿生醫(yī)療器械手的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、尺寸等對于機械手的整體的運動學(xué)、動力學(xué)性能以及使用條件和使用范圍等也有著直接、顯著的影響。智能仿生醫(yī)療器械手整體動力學(xué)和運動學(xué)性能的高低，決定了機械手最終能否正常按照控制機構(gòu)的指令進行工作。因此，智能仿生醫(yī)療器械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計是整體設(shè)計的最重要環(huán)節(jié)。 智能仿生醫(yī)療器械手的手腕在于手和手臂之間，用于調(diào)整手的方向。要使智能仿生醫(yī)療器械手能以不同的旋轉(zhuǎn)角度和方位進行動作，因此，智能仿生醫(yī)療器械手的手腕要能滿足六個自由度的動作要求，即：分別獨立的繞X、Y、Z 軸向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動和平動，這樣，智能仿生醫(yī)療器械手的手腕才能實現(xiàn)大范圍角度的伸、縮、轉(zhuǎn)動、平動、擺動等。

17、 智能仿生醫(yī)療器械手的臂部是運動的主要執(zhí)行部件，形式?jīng)Q定了需要承載手部抓起器具的整體重力載荷，臂部的運動它的基本結(jié)構(gòu)。臂部運動的基本作用是把機械的手部所夾持的器具送到控制機構(gòu)要求的空間點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。 4.2. 驅(qū)動機構(gòu)與控制系統(tǒng) 驅(qū)動機構(gòu)是智能仿生醫(yī)療器械手的動力來源。智能仿生醫(yī)療器械手的動力源與常規(guī)的動力源相同，主要包括液壓驅(qū)動、氣動、電力驅(qū)動和機械驅(qū)動等幾種主要形式，近年來還發(fā)展了其它幾種形式。電動機構(gòu)驅(qū)動由于結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量小、控制方便，備受設(shè)計人員的青睞。 智能仿生醫(yī)療器械手控制方式一般為基于模糊控制理論的點動控制和連續(xù)控制。主要控制

18、的是坐標位置，并注意其加速度特性。智能仿生醫(yī)療器械手緩沖干擾源也越來越多樣化，需要在不同的工作環(huán)境下，對干擾源進行正確的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。 4.3. 結(jié)構(gòu)布置要求及平穩(wěn)性與定位精度 智能仿生醫(yī)療器械手在工作中運動定位要求較高，在結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)保證運動精確平穩(wěn)，這樣可提高使用的可靠性，并可延長使用壽命，在結(jié)構(gòu)上要注意以下幾點： 4.3.1.臂部要防止偏重。一般情況下臂部為懸臂，所以在設(shè)計臂部、手部結(jié)構(gòu)時，要盡量使其總的重心在支撐中心，防止偏重。假如有偏重，它將會產(chǎn)生附加的彎矩，引起立柱和導(dǎo)向的變形。防止偏重過大可采取的措施如下：一是減輕手部重量，以盡量減少偏心載荷；二是臂部上各部件應(yīng)合理分布或增加平衡重，使臂部平衡；三是在結(jié)構(gòu)上無法避免偏重時，則應(yīng)加強導(dǎo)向支撐。 4.3.2.加強臂部剛度。臂部的剛度，決定于臂部的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向形式。選取臂部結(jié)構(gòu)時，各個方向的剛度都有要求。提高臂部剛度，是減少手部顫動的關(guān)鍵，也有利于提高定位精度。 4.3.3.改進緩沖裝置和提高配合精度。機械手緩沖干擾