新型骨科机器人设计结构设计(附件)
随着时代的变迁科学技术也在飞速发展，用计算机控制机器人来帮助外科手术的进行已经成为了当今的热门话题之一。为了减少手术中的偏差，具有高精度的医疗机器人辅助手术系统应运而生。本文就骨科机器人的产生和发展对此展开了一系列的讨论。从当今国内外对于骨科机器人研究的现状来看，本文不仅对机器人的总体构造进行了设计还对机器人所需要的材料、结构、电机、电路等方面进行了全面的分析，经过比较最终选择出了一套最有价值的方案。在我看来，骨科机器人的发展具有十分深远的意义，如果在未来的日子里，能够将它设计的更加完善并广泛的投入到医疗事业中，不仅可以降低医者的工作量，许多骨科患者也会因此获得更好的治疗效果。关键词 机器人，计算机，医疗，控制目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外骨科机器人技术研究现状 1
1.2.1 国外骨科机器人研究现状 2
1.2.2 国内骨科机器人的研究现状 4
1.3 研究内容 4
2 骨科机器人总体方案的设计 5
2.1 骨科机器人的总体分析 5
2.2 骨科机器人硬件设计 5
2.2.1 电机的选择 5
2.2.2 移动机构的确定 9
2.2.3 旋转机构的确定 10
2.2.4 打孔机构的确定 12
2.2.5 材料的确定 14
3 骨科机器人电控系统的布局及其功能 15
3.1 骨科机器人电控系统的组成 15
3.1.1 主控板 15
3.1.2 驱动板 16
3.1.3 电源和稳压 17
3.2 骨科机器人的布局以及电路的规划 18
3.2.1 骨科机器人布局 18
3.2.2 骨科机器人电路规划 18
实验结论与总结 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
在当今社会，随着科学技术的不断提升，越来越多的人开始逐渐关注智能机器人技术，机器人技术也将成为近几十年来重点发展的一项综合性学科，其中医疗机器人则是机器人研究
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3.2.1 骨科机器人布局 18
3.2.2 骨科机器人电路规划 18
实验结论与总结 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
在当今社会，随着科学技术的不断提升，越来越多的人开始逐渐关注智能机器人技术，机器人技术也将成为近几十年来重点发展的一项综合性学科，其中医疗机器人则是机器人研究范畴的热门之一[1]。我们知道要想制造出一个较为简单机器人，我们就就必须熟悉机械、电子和计算机方面的专业知识。但如果我们想要更加深入的了解机器人，我们就还必须要学会运用人工智能、信息论以及仿生方面的专业知识，在研究机器人的同时，通过查阅各种资料还能对我们其他专业知识的提升起到一个推动作用。
1.1 研究背景
在骨科手术中，由于操作者本身的内部因素和外部原因的影响，医生不可能每次手术都能百分之百的的保证不出现偏差，为了降低人为失误并且充分发挥导航手术系统的优势，具有高精确度及稳定性的医用机器人辅助手术系统应运而生。
21世纪的科学技术可谓发展飞速，现在的社会已经逐渐由当初的单一发展转变为由生物信息学、物理学互相贯通的智能时代,其中外科学的发展逐渐趋于智能化、微创化。此外，微创外科的变化也不可小觑，抛弃了之前传统的内镜、腔镜技术，继而采用了由影像学、信息科学、机器人技术、遥控技术等高新技术组合的计算机辅助系统导航术简称CANS，CANS在骨科手术中的辅助功能十分强大，因此被称为计算机辅助导航骨科术（computer assisted orthopaedics surgery,CAOS）。自1995年起， 自1995以来，CAOS技术已被用来协助在骨科创伤治疗，之前世界闻名的第一例在赫尔辛基开展的腰椎椎弓根螺钉内固定术就是由Nolte运用CAOS系统协助完成的。从那时起，CAOS在骨科手术中的优越性逐渐凸显出来，并获得了大多数医疗人员的好评。
1.2 国内外骨科机器人技术研究现状
近几年，为了能够提高对医用机器人进行研究的积极性，西方许多先进国家都对此专门设立了投资。像美国国防部为了能进行战场模拟，手术培训和解剖教学，就斥资开展了TelepersreneeSrugery(虚拟手术)方面的技术研究，美国国家航空航天局一直在美国、加利福尼亚和意大利、米兰之间进行试验，并取得了一定程度的成功。mauirce，作为欧洲高级的技术专家，他曾经在ieeespectrum杂志上表明:在术前将手术过程在电脑上进行模拟和在外科手术中用机器人辅助医生保证手术的顺利进行将成为未来的热门医疗方向之一。此外，近阶段日本也在计划开展高技术医疗器械方面的研究，希望研究过后能够获得有用的成果。在外科手术中是否应该运用医疗机器人进行辅助不仅在国内一直饱受争议，而且在国际范围内大家也各执一词，为此，在很多闻名的国际会议上都特意将此单独列为一个专题进行讨论。在日本甚至许多欧美国家召开的会议上也对此进行了研究讨论，并得到了不同的结果。1W.Barger和H.Paul博士被机器人工业协会的Egnel-begrer授予了最高荣誉奖，协会希望能通过此奖项来赞誉他们两个人把机器人应用到临床上并取得的意料之外的成果，也将此作为他们所做出的巨大贡献的回报[2]。
1.2.1 国外骨科机器人研究现状
1993年10月，在美国加利福尼亚州萨克拉门托市萨特总医院内，世界上第一个由机器人医生（ROBODOC）[3]在人身体上完成的外科手术完美落幕，这个赫赫有名的手术是由博士巴格和他的机器人伙伴携手进行的髋骨置换手术。从从外观上看，这一高约210cm伙伴有一个单一的臂，臂上设有打孔设备，这个设备能够在博士巴格的指挥下，在病人的股骨上精准无差地钻出小孔，以达到让医生为患者植入人工髋骨的目的，有了这个打孔精确无误的机器人之后可以大大避免人工用锤子、凿子打孔而产生的误差。如今，该系统已经广泛运用于手术的各个领域如髋关节外科手术，创伤外科手术[4~5]。
最先在1992年，就已经出现了将机器人技术得到的研究成果投入到骨科手术中，在那个时候其主要目的是为了完成髋关节置换手术过程中的手术规划和定位[6]。在有了那次成功的经历之后，机器人在骨科方面手术的应用范围渐渐的得到了大力扩张。
由美国 的Curexo 公司制造的Robodoc机器人的作用是置换膝关节和髋关节手术，其模型最先起源于1998年国际商业机器公司和美国的一所大学合作一个课题[7]。 Robodoc的构成主要分为两个部分：手术计划软件和辅助手术，手术计划软件主要负责完成3D可视化的术前手术的模拟，而手术助手责主要负责完成高精度的手术辅助操作[8]。
美国的马克公司研发的RIO后，它在2013 年被美国的另外一家医疗器械制造商收购，结合了这家制造公司在关节重构、手术导航和手术器械方面的经验，对RIO进行了进一步的研究改造，使其的功能得到了进一步的拓展。iBlock是一款可以完全不需要认为的去切削病人的膝关节并进行更换的外科机器人，它可以很方便的固定于病人的腿骨上，从而能进一步保证手术运算精度，减轻患者的痛苦，并且大大提高手术的成功率。
2013年Sculptor RGA得到了美国食品药品监督管理局的认可，并且获得了其可以用于部分关节植入手术的许可证。Sculptor RGA是可以方便使医生用它的机械臂来切除关节的机器人，辅助功能基本就是建立一个安全区域以达到保护该区域不被切的目的，而被植入
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外骨科机器人技术研究现状 1
1.2.1 国外骨科机器人研究现状 2
1.2.2 国内骨科机器人的研究现状 4
1.3 研究内容 4
2 骨科机器人总体方案的设计 5
2.1 骨科机器人的总体分析 5
2.2 骨科机器人硬件设计 5
2.2.1 电机的选择 5
2.2.2 移动机构的确定 9
2.2.3 旋转机构的确定 10
2.2.4 打孔机构的确定 12
2.2.5 材料的确定 14
3 骨科机器人电控系统的布局及其功能 15
3.1 骨科机器人电控系统的组成 15
3.1.1 主控板 15
3.1.2 驱动板 16
3.1.3 电源和稳压 17
3.2 骨科机器人的布局以及电路的规划 18
3.2.1 骨科机器人布局 18
3.2.2 骨科机器人电路规划 18
实验结论与总结 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
在当今社会，随着科学技术的不断提升，越来越多的人开始逐渐关注智能机器人技术，机器人技术也将成为近几十年来重点发展的一项综合性学科，其中医疗机器人则是机器人研究
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
8
3.2.1 骨科机器人布局 18
3.2.2 骨科机器人电路规划 18
实验结论与总结 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
在当今社会，随着科学技术的不断提升，越来越多的人开始逐渐关注智能机器人技术，机器人技术也将成为近几十年来重点发展的一项综合性学科，其中医疗机器人则是机器人研究范畴的热门之一[1]。我们知道要想制造出一个较为简单机器人，我们就就必须熟悉机械、电子和计算机方面的专业知识。但如果我们想要更加深入的了解机器人，我们就还必须要学会运用人工智能、信息论以及仿生方面的专业知识，在研究机器人的同时，通过查阅各种资料还能对我们其他专业知识的提升起到一个推动作用。
1.1 研究背景
在骨科手术中，由于操作者本身的内部因素和外部原因的影响，医生不可能每次手术都能百分之百的的保证不出现偏差，为了降低人为失误并且充分发挥导航手术系统的优势，具有高精确度及稳定性的医用机器人辅助手术系统应运而生。
21世纪的科学技术可谓发展飞速，现在的社会已经逐渐由当初的单一发展转变为由生物信息学、物理学互相贯通的智能时代,其中外科学的发展逐渐趋于智能化、微创化。此外，微创外科的变化也不可小觑，抛弃了之前传统的内镜、腔镜技术，继而采用了由影像学、信息科学、机器人技术、遥控技术等高新技术组合的计算机辅助系统导航术简称CANS，CANS在骨科手术中的辅助功能十分强大，因此被称为计算机辅助导航骨科术（computer assisted orthopaedics surgery,CAOS）。自1995年起， 自1995以来，CAOS技术已被用来协助在骨科创伤治疗，之前世界闻名的第一例在赫尔辛基开展的腰椎椎弓根螺钉内固定术就是由Nolte运用CAOS系统协助完成的。从那时起，CAOS在骨科手术中的优越性逐渐凸显出来，并获得了大多数医疗人员的好评。
1.2 国内外骨科机器人技术研究现状
近几年，为了能够提高对医用机器人进行研究的积极性，西方许多先进国家都对此专门设立了投资。像美国国防部为了能进行战场模拟，手术培训和解剖教学，就斥资开展了TelepersreneeSrugery(虚拟手术)方面的技术研究，美国国家航空航天局一直在美国、加利福尼亚和意大利、米兰之间进行试验，并取得了一定程度的成功。mauirce，作为欧洲高级的技术专家，他曾经在ieeespectrum杂志上表明:在术前将手术过程在电脑上进行模拟和在外科手术中用机器人辅助医生保证手术的顺利进行将成为未来的热门医疗方向之一。此外，近阶段日本也在计划开展高技术医疗器械方面的研究，希望研究过后能够获得有用的成果。在外科手术中是否应该运用医疗机器人进行辅助不仅在国内一直饱受争议，而且在国际范围内大家也各执一词，为此，在很多闻名的国际会议上都特意将此单独列为一个专题进行讨论。在日本甚至许多欧美国家召开的会议上也对此进行了研究讨论，并得到了不同的结果。1W.Barger和H.Paul博士被机器人工业协会的Egnel-begrer授予了最高荣誉奖，协会希望能通过此奖项来赞誉他们两个人把机器人应用到临床上并取得的意料之外的成果，也将此作为他们所做出的巨大贡献的回报[2]。
1.2.1 国外骨科机器人研究现状
1993年10月，在美国加利福尼亚州萨克拉门托市萨特总医院内，世界上第一个由机器人医生（ROBODOC）[3]在人身体上完成的外科手术完美落幕，这个赫赫有名的手术是由博士巴格和他的机器人伙伴携手进行的髋骨置换手术。从从外观上看，这一高约210cm伙伴有一个单一的臂，臂上设有打孔设备，这个设备能够在博士巴格的指挥下，在病人的股骨上精准无差地钻出小孔，以达到让医生为患者植入人工髋骨的目的，有了这个打孔精确无误的机器人之后可以大大避免人工用锤子、凿子打孔而产生的误差。如今，该系统已经广泛运用于手术的各个领域如髋关节外科手术，创伤外科手术[4~5]。
最先在1992年，就已经出现了将机器人技术得到的研究成果投入到骨科手术中，在那个时候其主要目的是为了完成髋关节置换手术过程中的手术规划和定位[6]。在有了那次成功的经历之后，机器人在骨科方面手术的应用范围渐渐的得到了大力扩张。
由美国 的Curexo 公司制造的Robodoc机器人的作用是置换膝关节和髋关节手术，其模型最先起源于1998年国际商业机器公司和美国的一所大学合作一个课题[7]。 Robodoc的构成主要分为两个部分：手术计划软件和辅助手术，手术计划软件主要负责完成3D可视化的术前手术的模拟，而手术助手责主要负责完成高精度的手术辅助操作[8]。
美国的马克公司研发的RIO后，它在2013 年被美国的另外一家医疗器械制造商收购，结合了这家制造公司在关节重构、手术导航和手术器械方面的经验，对RIO进行了进一步的研究改造，使其的功能得到了进一步的拓展。iBlock是一款可以完全不需要认为的去切削病人的膝关节并进行更换的外科机器人，它可以很方便的固定于病人的腿骨上，从而能进一步保证手术运算精度，减轻患者的痛苦，并且大大提高手术的成功率。
2013年Sculptor RGA得到了美国食品药品监督管理局的认可，并且获得了其可以用于部分关节植入手术的许可证。Sculptor RGA是可以方便使医生用它的机械臂来切除关节的机器人，辅助功能基本就是建立一个安全区域以达到保护该区域不被切的目的，而被植入
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