立体定向手术导航机械臂注油方式研究

目前，机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微创定位操作、无损伤诊疗、新型手术治疗方法等方面得到了广泛的应用，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，并形成了新的高技术产业口1。作为医疗外科手术的重要分支，微创外科手术对降组织的创伤小，术后恢复时间短，住院费用低，因此，受到医生和患者的普遍欢迎，特别是伴随着数字成像技术的发展，在图像设备(CT/MRI)I导下的微创手术已经广泛医用于胸、腹等外科领域翻。机器人在空间保持指定的位置和姿态，必须使其关节能在给定的位姿下稳定锁紧，因此机器人的关节锁紧成为机器人研究不可或缺的部分。

北京某大学机器人研究所从 20世纪 90年代开始了医疗机器人的研究 ，目前开发的医疗机器人关节锁紧方式主要采用了 3种机构：(1)电磁离合器锁紧机构，即各关节上安装电磁离合器，利用通断电后电磁离合器的开合实现关节的锁放；(2)弹簧锁紧机构，是-种机械适应式锁紧机构，利用弹簧拉紧关节外圈，使外圈与摩擦片抱紧实现锁紧功能；(3)液压锁紧机构，利用活塞往复运动压缩液压油，传递的压力使关节与摩擦环抱紧与松脱，从而实现关节锁紧日。电磁离合器机构体积大、成本高、安装复杂，使得整个系统体积过大、成本随之增加；弹簧锁紧机构中弹簧容易变形失效，使得弹力越来越小，而且摩擦片与关节轴摩擦导致摩擦片及关节轴端面损耗，使锁紧状态不稳定，自主生差。液压锁紧机构主要依靠摩擦环与关节端面的摩擦力 ，摩擦片不容易磨损失效，锁紧力矩大，同时，关节锁紧靠液体压力，操作方便 ，使机器人系统结构紧凑，提高了机器人灵活性。然而，采用液压锁紧的机器人在使用过程中发现存在漏油的不足，-旦液压系统发生泄漏，将影响机械臂的负载能力，而这将直接影响机械臂的使用安全。

综合上述考虑，提出和设计了-种基于机械臂液压系统的新型注油机构，分析了机械臂液压系统漏油原因，阐述了新型注油机构的工作原理，并对新型注油机构的性能进行了实验验证 ，确定了所提出了注油机构的可行性。

2导航系统工作原理基于北京航空航天大学机器人研究所医疗机器人组研制的便携式脑立体定向仪来说明。该机械臂主要用于脑外科立体定向来稿日期 ：2012-03-09基金项目：国家 863计划资助项目(2007AA04Z246)作者简介：熊永钊(1988-)，男，硕士生，研究领域：医疗外科机器人；刘达(1972-)，男，教授，研究领域：医疗机器人技术90 熊永钊等：立体定向手术导舷机械臂注油方式研究 第1期手术，导航机械臂的结构拓扑图，如图1所示。由5个连杆通过旋转关图 1导航机械臂结构图Fig.1 Structure of Navigation Robot节串联组成，末端固连-导向针架。根据机器人运动学理论阴，当各关节旋转适当角度时，穿刺针就能以指定位姿到达预定病灶点，然后，以导航机械臂末端导向针架为手术平台，完成手术。

在手术过程中，作为建立图像信息与手术目标之间映射关系的工具，从虚拟到现实的桥梁，作为手术平台，导航机械臂的性能将直接决定手术的成败。

3导航机械臂漏油分析负载是导航机械臂的重要性能之-，根据临床应用要求，导航机械臂应具有可靠的末端负载能力，这就需要稳定的关节锁紧能力。导航机械臂采用的是液压集中锁紧方式，关节液压锁紧结构图，如图2所示。弹簧在压缩状态下产生推力，推动顶摩擦座 壳体 液压油 关节轴 活塞图2关节液压锁紧结构模型Fig.2 Model of Hydraulic Locking Structure of Joint杆和活塞运动，从而压缩液压油，对关节接合面处的摩擦环施加正压力，使关节抱紧，产生较大的静摩擦力，对关节轴产生摩擦力矩，锁紧关节。而当外力迫使弹簧压缩变短时，活塞后退，液压油体积恢复，正压力撤销，关节松脱。

图2中活塞在导航机械臂使用过程中，通过往复运动压缩和释放液压油，传递的压力使关节与摩擦环抱紧与松脱，从而实现关节的锁紧与松脱。由于相对运动零件之间存在间隙，间隙两端又存在压力差，势必会导致液压油的泄露。因此，必须采取有效的密封措施减少泄露，以提高容积效率，保证稳定的锁紧。

密封圈密封是使用广泛的-种密封方法，常用的密封圈按其断面形状可分为O型、Y型、V型及组合密封圈等数种。活塞处采用的是 O型密封圈密封，如图 2所示。O型密封圈的特点是结构简单，单圈即可对两个方向起密封作用，动摩擦阻力较小，对油液种类、压力和温度的适应性好。其不足是当用作动密封时，启动摩擦阻力较大，磨损后不能自动补偿，存在泄漏，使用寿命短日。

O型圈作用于往复运动滑移面的接触情况，如图3(a)所示。

基于油液的粘度及运动速度等因素的作用，沿金属滑移面和密封件间，构成-层粘附力极强的油膜，当轴向外运动时，油膜与轴-起探出，如图2(b)所示。而当轴回程时，油膜被残留于密封件的外侧。随着轴的频繁往复运动次数增加，残留于密封件外侧的油膜日益增厚。最后形成油滴从轴面滴下，如图3(c)所示。由此形成了O型圈往复运动密封装置的泄露。

(a) (b) (c)图3 O型圈动密封油膜形成及泄露Fig.3 The Formation of 0il Film and Leakage inDynamic Seal with O-Rings4导航机械臂传统注油方式导航机械臂在经过长时间的使用之后，根据前述漏油分析，就会形成液压油路系统的泄露，于是就导致机械臂末端负载不足，继而就需要对机械臂液压系统进行注油。传统的注油方式，如图4所示～机械臂底部拆开，释放系统压力，使注油口位于油路最高位，拔出活塞，将液压油滴人油路中实现注油。显然，这种注油过程繁琐，需要拆装机械臂底部。而且，在拆装的过程中很可能会影响到机械臂的关节参数，-旦机械臂的关节参数发生微小变化，就会使导航机械臂的定位精度降低，这样就需要重新标定机械臂的关节参数，而这又是-个复杂的过程。同时，采用此注油方式时注油量不能量化控制，只能凭借技术人员的经验，-旦注油过多或过少，得不到理想的末端负载，就得再次注油，这样频繁的注油就会影响到机械臂的使用寿命。导航机械臂注油方式的不足，是影响其推广及实用化的主要原因之-。

图4导航机械臂传统注油方式Fig.4 Traditional Oiling Method of the Navigation Robot5导航机械臂新型注油方式5.1新型注油机构设计目的是要设计-种能从外部对液压系统油路进行快速注油的实用新型机构，为了达到这-目标，设计的新型注油机构由液压源部分、注油拈和隔断拈组成，其总体结构，如图5(a)所示。注油机构的详细装配图，如图 5(b)、图5(c)所示。

-No.1Jan.2013 机械设计与制造 91A(a)注油机构三维样机16(b)注油机构主视图(c)注油机构 A-A剖面图1.液压源壳体 2.关节轴 3.注油延长套 4.注油活塞 5、9、12、14.密封圈6、10、13、15.挡圈 7.隔断延长套 8.隔断活塞 11.主油路连接孔l6.液压系统油路 17.液压源活塞图5导航机械臂新型注油机构Fig.5 New Oiling Structure of Navigation Robot5.2新型注油机构工作原理在正常工作状态下，隔断活塞向外旋出，使隔断活塞脱离底部较小直径的密封孔，此时主锁紧油路通过连接孔与外部注油腔相通，凭借上部较大直径密封孔的密封，共享压力。此时逐步旋进注油活塞，根据液体的可压缩性和液体体积模量呵 知：。

。 (1)式中： 、△P、AV、V ·液体体积模量、压强变化、活塞移动前后液体体积变化和初始体积。

6实验及分析注油实验验证及分析：由于新型注油机构的注油活塞行程有限，为 10mm，最多只能旋进 20个半圈。经过较长的时间的使用及微调之后，将不能再次旋进注油活塞，此时就需要对液压系统进行注油。根据前述的新型注油机构注油方法进行注油之后 ，再进行几组末端承重测试实验，验证注油效果。详细实验数据，如表 1所示。

表 1注油后测试实验数据Tab.1 Experiments Data of Loading Test after Oiling由表 1可知，导航机械臂在经过注油之后，再经过适当的微调，均可达到理想的末端承重，而且都还有足够的微调行程，由此可看出新型注油机构的注油效果显著。

7结论(1)分析了导航机械臂液压系统的漏油原因，主要是由于 O型圈应用于动密封时会产生累积的泄露，但不仅仅限于该原因。

(2)阐述了导航机械臂传统注油方式的不足，并设计了新型注油机构，简述其工作原理，指明了它的两大功能：快速注油与压力微调。

(3)通过实验对导航机械臂新型注油机构的两大功能进行了验证，在快速注油之后，经过适当微调，可达到理想末端负载(2.6～2.8)kg，而且此时还有足够的行程可供压力微调，在微调中，每旋进注油活塞半圈均可得到明显的承重提升的效果。然而二者不是简单的线性关系，根据液体体积模量公式，当液压油被压缩至-定程度后，再进行相同程度的压缩，将产生较上次更大的末端承重增加。

通过实验分析，导航机械臂的新型注油机构很好地实现了预期的两大目标，是-种非常有效的外部快速注油方法。