醫(yī)用機(jī)械手設(shè)計構(gòu)想

毋虎城，郭 偉

（河南工程技術(shù)學(xué)校，河南 焦作 454002）

機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢部分功能，按照控制程序要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的應(yīng)用設(shè)備。它對降低勞動強(qiáng)度，推動工業(yè)生產(chǎn)和社會生產(chǎn)的發(fā)展有著重要的作用，因而具有強(qiáng)大的生命力，深受人們的重視和歡迎。實(shí)踐證明，機(jī)械手不僅在工業(yè)上可以代替人手勞動，改善勞動條件，提高生產(chǎn)率，而且在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了發(fā)展，可改善醫(yī)護(hù)人員的工作條件，具有適用性和安全性。醫(yī)用機(jī)械手具有快速、高效等特點(diǎn)。機(jī)械手采用液壓驅(qū)動和控制，可實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮、回旋、上下移動，手腕的旋轉(zhuǎn)和手部的抓放動作。

醫(yī)用機(jī)械手對需要手術(shù)醫(yī)治的患者，可進(jìn)行X移動、Y移動、Z移動、X轉(zhuǎn)動、Y轉(zhuǎn)動、Z轉(zhuǎn)動6個自由度的組合。

1 醫(yī)用機(jī)械手的組成

1.1 工作原理

醫(yī)用機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和操作機(jī)構(gòu)等組成，采用液壓傳動方式來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)動作。在各個時間段，按預(yù)先規(guī)定程序進(jìn)行醫(yī)療操作，并達(dá)到不同速度和精確動作的要求，同時，利用換向閥對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)——機(jī)械手夾持各類醫(yī)療器械到達(dá)指定空間位置。

1.2 結(jié)構(gòu)

醫(yī)用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 醫(yī)用機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。醫(yī)用機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持醫(yī)療器械（或工具）的部件，根據(jù)被抓持的物件的形狀、尺寸、凈質(zhì)量、材料和作業(yè)要求不同，有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持式，托持式和吸附式。

（2）傳動機(jī)構(gòu)。傳動機(jī)構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)編制程序規(guī)定的動作，改變被夾持物體的位置和姿態(tài)。主要由臂桿、液壓缸、液壓馬達(dá)、液壓管件等組成。傳動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活度越大，通用性好，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個自由度。

（3）驅(qū)動機(jī)構(gòu)。醫(yī)用機(jī)械手采用液壓驅(qū)動方式，如圖2所示。使用液壓泵作為動力源，用液壓缸和液壓馬達(dá)作為系統(tǒng)動力的執(zhí)行裝置，同時用換向閥控制液壓缸和液壓馬達(dá)的啟停，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的定位目標(biāo)。由于液壓裝置工作比較平穩(wěn)，在相同體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更大的動力。在同等功率下液壓裝置的體積小，質(zhì)量小，其功率大，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖2 液壓系統(tǒng)示意圖

（4）操作機(jī)構(gòu)。操作機(jī)構(gòu)由液壓控制閥來控制。機(jī)械手靠液壓閥操作實(shí)現(xiàn)動作的速度控制、方向控制，以及手部力度的控制，更容易實(shí)現(xiàn)動作速度的無極調(diào)速，滿足了同一個醫(yī)用機(jī)械手可以進(jìn)行不同醫(yī)學(xué)診治的多種治療需求。

1.3 機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)

（1）控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力，易實(shí)現(xiàn)自動化控制和過載保護(hù)。

（2）可無間隙傳動，運(yùn)動平穩(wěn)，無噪音。

（3）傳動介質(zhì)是油液，對液壓元件有潤滑作用，使用壽命長。

（4）液壓元件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，便于設(shè)計、制造和推廣使用，價格便宜，成本低。

2 醫(yī)用機(jī)械手的先進(jìn)性

醫(yī)用機(jī)械手的積極作用，日益為人們所認(rèn)識：

（1）能代替醫(yī)護(hù)人員的部分操作。

（2）能按照各種醫(yī)學(xué)治療的不同要求，特別是在常規(guī)手術(shù)中，遵循一定的程序，在特定時間和位置上，可完成醫(yī)療工具的傳遞和收取。

（3）其應(yīng)用在一定程度上降低了醫(yī)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，同時，逐步實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)治療的機(jī)械化、程序化和自動化。因而，很多國家都投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用機(jī)械手。

醫(yī)用機(jī)械手能持久、耐勞，不僅可以把醫(yī)療人員從繁重、單調(diào)機(jī)械的工作中解放出來，而且能擴(kuò)大和延伸人的作用，提高醫(yī)護(hù)治療的安全性和可靠性，同時，又可以避免人為受外界影響的操作失誤，具有高精確性和高穩(wěn)定性。

3 醫(yī)用機(jī)械手的不足之處

對人體實(shí)施手術(shù)治療中，可變因素較多并且復(fù)雜。醫(yī)用機(jī)械手不允許出現(xiàn)操作錯誤，否則，會給患者造成心理和身體的傷害：

（1）手術(shù)過程中會受到患者體型胖瘦、個子高低、出血量、手術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)等因素影響。

（2）醫(yī)用機(jī)械手在手術(shù)中較為笨拙,施加在機(jī)械手上的壓力可使數(shù)據(jù)發(fā)生變化,同時存在固定裝置和制動器的位移誤差。

（3）靈活機(jī)動性不強(qiáng)，不能根據(jù)手術(shù)進(jìn)展的實(shí)際情況，隨時進(jìn)行處置方案的調(diào)整優(yōu)化，需人工中止并變換程序方可繼續(xù)。

4 結(jié)束語

為進(jìn)一步完善柔性功能，對典型常規(guī)手術(shù)，編制不同控制程序和可變參數(shù)，使同一類手術(shù)能滿足各種體形和身體素質(zhì)的不同人群，就擴(kuò)展了機(jī)械手在醫(yī)院手術(shù)和治療的實(shí)際應(yīng)用范圍，適應(yīng)對各種典型病癥的需求，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療工作上柔性治療的要求，更體現(xiàn)醫(yī)用機(jī)械手操作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、穩(wěn)定高效的優(yōu)越性，將會成為發(fā)展的方向，有著廣泛的發(fā)展前景。

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