基于SolidWorks與3DMax的醫(yī)療機(jī)器人仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)

馬江濤 王亞剛

摘 要：以設(shè)計(jì)醫(yī)療機(jī)器人的仿真動(dòng)畫為主要研究內(nèi)容，借助SolidWorks自主設(shè)計(jì)醫(yī)療機(jī)器人實(shí)物模型，研究將SolidWorks模型導(dǎo)入3DMax的方法，模擬醫(yī)療機(jī)器人實(shí)際工作時(shí)的動(dòng)作，用3DMax完成醫(yī)療機(jī)器人模型各個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作的制作，并進(jìn)一步按每一幀渲染成高像素的序列圖，再用Adobe Premiere將序列圖生成視頻仿真動(dòng)畫。通過仿真動(dòng)畫的設(shè)計(jì)，可達(dá)到非常好的宣傳效果，從而促進(jìn)國內(nèi)對(duì)醫(yī)療機(jī)器人的研究，推動(dòng)機(jī)器人醫(yī)療產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療機(jī)器人；SolidWorks；3DMax；仿真動(dòng)畫

DOI：10.11907/rjdk.172885

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）006-0032-03

Abstract：In order to improve the cognition of medical robots in China， the paper aims to research the simulation animation design of medical robots. SolidWorks is employed to design the mock-up of the medical robots. We propos to import the SolidWorks models into 3DMax， complete the animation of joints of medical robots with 3DMax by simulating the actual work of medical robots， and render the sequence diagram high in pixels in further according to each frame， and then use Adobe Premiere to generate the video simulation animation. Through simulation animation， we achieve very good publicity effect， which can promote the domestic study of medical robots so as to promote the rapid development of domestic medical industry.

Key Words：medical robots； SolidWorks； 3DMax； simulation animation

0 引言

如今隨著醫(yī)療技術(shù)的迅速發(fā)展，人們渴望通過外科手術(shù)治療更多疾病。由于相應(yīng)的外科手術(shù)越來越復(fù)雜，對(duì)于精度和穩(wěn)定性的要求也不斷提高，傳統(tǒng)的人工手術(shù)已經(jīng)顯得越來越吃力[1]。醫(yī)療機(jī)器人具有響應(yīng)速度快、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外科手術(shù)的精確控制，在一系列復(fù)雜的外科手術(shù)，特別是微創(chuàng)外科手術(shù)中應(yīng)用效果較好[2]，具有廣闊的市場(chǎng)前景。但相對(duì)于國外，國內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展較為落后，宣傳效果也不太理想。為了促進(jìn)國內(nèi)對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人的研究，首先要讓更多人了解醫(yī)療機(jī)器人，所以加大醫(yī)療機(jī)器人在國內(nèi)的宣傳力度具有重要意義。相對(duì)于傳統(tǒng)文字、圖片等宣傳方式，本文設(shè)計(jì)的醫(yī)療機(jī)器人仿真動(dòng)畫具有形象、直觀、逼真等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常好的宣傳手段。

1 醫(yī)療機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

醫(yī)療機(jī)器人是近年來發(fā)展迅速的一種新興技術(shù)，具體應(yīng)用涉及多個(gè)領(lǐng)域[3]。在國外，許多研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人的研究和開發(fā)起步較早。1985年，美國加州醫(yī)學(xué)中心即借用一臺(tái)具有輔助定位功能的PUMA560工業(yè)機(jī)器人完成了腦組織采樣實(shí)驗(yàn)，該手術(shù)標(biāo)志著醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用的開端；1991年，ISS機(jī)構(gòu)研制的用于膝關(guān)節(jié)外科置換的新型主動(dòng)式機(jī)器人，改變了傳統(tǒng)的機(jī)器人外科手術(shù)方式，并使用計(jì)算機(jī)編程操作機(jī)器人平臺(tái)完成手術(shù)；1994年，由美國Computer Motion公司研制的AESOP手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已達(dá)到實(shí)際臨床應(yīng)用要求，是首個(gè)獲得FDA認(rèn)證的手術(shù)機(jī)器人，使手術(shù)機(jī)器人開始商業(yè)化；1999年，美國的Intuitive Surgical公司研制出新一代微創(chuàng)外科機(jī)器人系統(tǒng)Da Vinci，該系統(tǒng)經(jīng)過幾代的改進(jìn)，技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，該系統(tǒng)作為最先進(jìn)的臨床外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，成為世界上第一個(gè)可以在醫(yī)院進(jìn)行手術(shù)操作的手術(shù)機(jī)器人[4]。

國內(nèi)的醫(yī)療機(jī)器人研究起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，但在國家的大力支持下，近年來取得了一些不錯(cuò)的成果，如2000年由海軍醫(yī)院針對(duì)神經(jīng)外科手術(shù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助定位手術(shù)系統(tǒng)，以及2001年天津大學(xué)、南開大學(xué)和天津醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的“妙手”系列外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。此外，上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)均在從事醫(yī)療機(jī)器人及其系統(tǒng)的研究和開發(fā)。然而，由于國內(nèi)研發(fā)的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)尚未完全達(dá)到臨床要求，醫(yī)療機(jī)器人主要通過進(jìn)口購買，價(jià)格昂貴，手術(shù)耗材及日常維護(hù)費(fèi)用也非常高，我國只有少數(shù)大型醫(yī)院有能力購置，而且對(duì)于醫(yī)生的培訓(xùn)需要到國外進(jìn)行，使國內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人的研究和推廣受到了很大限制[4-5]。因此，需要研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)療機(jī)器人及系統(tǒng)，打破國外的技術(shù)和價(jià)格壟斷。

2 醫(yī)療機(jī)器人模型設(shè)計(jì)

本文醫(yī)療機(jī)器人的建模和裝配采用SolidWorks軟件。SolidWorks軟件是由美國SolidWorks公司開發(fā)的三維CAD軟件，自1995年問世以來， SolidWorks以其功能強(qiáng)大、易學(xué)易用的特點(diǎn)，已成為主流的三維CAD解決方案。隨著SolidWorks版本的不斷提高、性能的不斷增強(qiáng)、模塊的不斷豐富及功能的不斷完善，SolidWorks已完全能滿足現(xiàn)代企業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造各領(lǐng)域[6]。其主要包括以下模塊：機(jī)械零件設(shè)計(jì)、裝配體設(shè)計(jì)、動(dòng)畫設(shè)計(jì)和渲染、有限元高級(jí)分析技術(shù)，功能齊全，完全可滿足對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求。

SolidWorks軟件具有專門的機(jī)械零件設(shè)計(jì)模塊，可根據(jù)不同零件特點(diǎn)選擇不同的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易學(xué)[5]。SolidWorks軟件還提供裝配設(shè)計(jì)所用的各種標(biāo)準(zhǔn)零件設(shè)計(jì)庫，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)裝配模型時(shí)，可直接從設(shè)計(jì)庫中調(diào)用所需的標(biāo)準(zhǔn)零件，并可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行尺寸和形狀修改，從而節(jié)省重新設(shè)計(jì)時(shí)間[7-8]。本文設(shè)計(jì)的6自由度醫(yī)療機(jī)器人裝配體共包括109個(gè)零件，而且為了方便日后的醫(yī)療機(jī)器人在LabView中的控制和仿真，通過調(diào)整每個(gè)關(guān)節(jié)零件的原點(diǎn)和坐標(biāo)軸，將關(guān)節(jié)處每個(gè)零部件的坐標(biāo)軸都設(shè)計(jì)在其旋轉(zhuǎn)軸的位置。以右上方的一個(gè)肩關(guān)節(jié)零件為例，如圖1所示。

SolidWorks軟件具有專門的裝配設(shè)計(jì)模塊，模塊主要包括自底向上和自上向下的裝配方法。本文采用自底向上的裝配方法，主要由自己設(shè)計(jì)好各個(gè)零件，并按零件在裝配模型中的位置及配合要求直接裝配成符合設(shè)計(jì)意圖的設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)者可將設(shè)計(jì)好的零件運(yùn)用“插入/零部件/現(xiàn)有零件/裝配體”命令，將零件插入到裝配模塊中，并添加相關(guān)配合，使零件在裝配模型中處于一個(gè)正確位置[7-9]，而且可以繞旋轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。醫(yī)療機(jī)器人前視圖如圖2所示。

3 醫(yī)療機(jī)器人模型導(dǎo)入3DMax的方法

醫(yī)療機(jī)器人模型構(gòu)建好以后，需要將模型導(dǎo)入3DMax中，為仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。SolidWorks和3DMax兩款軟件有一個(gè)共同優(yōu)點(diǎn)，即支持多種文件格式，所以將SolidWorks模型導(dǎo)入3DMax中也有多種方法，經(jīng)研究總結(jié)出以下幾種常用方法：

（1）將SolidWorks文件另存為.igs文件，該文件較小，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)個(gè)別側(cè)面無法轉(zhuǎn)換，或?qū)牒笤黾踊騺G失圖像現(xiàn)象，特別針對(duì)復(fù)雜曲面造型，轉(zhuǎn)換誤差更大。

（2）將SolidWorks文件另存為.stl文件，該方法導(dǎo)入單體零件較為方便，但如果導(dǎo)入裝配體，則需要將零件一一導(dǎo)入，過程比較繁瑣。

（3）將SolidWorks文件另存為.wrl文件，應(yīng)用該方式需要注意在另存為文件時(shí)修改輸出版本與單位，并在單一文件中保存裝配體所有零件，從而可將裝配體中的多個(gè)零件同時(shí)導(dǎo)入3DMax中，非常方便快捷。

（4）使用插件Powe NURBS R2.71， 3DMax安裝該插件后即可直接導(dǎo)入SolidWorks文件，但有時(shí)零件會(huì)出現(xiàn)破面現(xiàn)象（此時(shí)需將出現(xiàn)破面的零件單個(gè)導(dǎo)入），而且導(dǎo)入時(shí)間通常較長[10-11]。

綜上所述，本文最終采用方法（3）。

4 醫(yī)療機(jī)器人仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)

醫(yī)療機(jī)器人仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)采用在動(dòng)畫制作領(lǐng)域比較流行的3DMax軟件。3DMax是Autodesk公司在20世紀(jì)90年代推出的一款三維動(dòng)畫創(chuàng)作工具，是目前應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫、渲染軟件，其功能強(qiáng)大，可支持多種相關(guān)軟件不同類型文件的導(dǎo)入、導(dǎo)出，并且渲染速度快，畫面質(zhì)量高，近年來逐漸在影視動(dòng)畫、建筑設(shè)計(jì)、游戲設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12]。

采用方法（3）將模型導(dǎo)入3DMax后，不用對(duì)零件的位置、角度作任何修改，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)零件之間的裝配體位置依然保持不變，與在SolidWorks中確定的相同，無需重新定位。雖然裝配體在3DMax中的位置與SolidWorks中保持一致，裝配關(guān)系卻不復(fù)存在，即零件之間可以任意移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。因此，需要將零件之間設(shè)立父子關(guān)系，使零件之間產(chǎn)生聯(lián)系，并且父零件在進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放變化時(shí)可帶動(dòng)子零件作相應(yīng)變化，而子零件在進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放時(shí)不會(huì)影響父零件。根據(jù)需要將各個(gè)零件建立合適的父子關(guān)系，才不會(huì)因某一零件的位置變化影響整體。本次動(dòng)畫設(shè)計(jì)將所有零件的最終父零件都設(shè)置在醫(yī)療機(jī)器人外殼上，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)需要移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放整個(gè)醫(yī)療機(jī)器人時(shí)，只要為外殼添加相應(yīng)動(dòng)作即可，非常方便。零件之間的父子關(guān)系，可以點(diǎn)擊3DMax右上方的“圖解視圖”進(jìn)行查看或修改[13]。

當(dāng)模型導(dǎo)入3DMax中后，在SolidWorks中給機(jī)械臂零件關(guān)節(jié)設(shè)定的坐標(biāo)軸都已失效。為了使各個(gè)關(guān)節(jié)零件依然按照自身軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)，需要對(duì)設(shè)計(jì)動(dòng)畫機(jī)械臂零件的坐標(biāo)軸重新進(jìn)行設(shè)定。具體操作如下：首先修改零件的參考坐標(biāo)系，因?yàn)橄到y(tǒng)默認(rèn)的是導(dǎo)入模型時(shí)新建的坐標(biāo)軸；然后對(duì)每個(gè)零件的坐標(biāo)軸進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，在移動(dòng)坐標(biāo)軸之前，需要對(duì)零件屬性進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，從而在不影響對(duì)象的情況下修改其參考坐標(biāo)軸[11-13]，為醫(yī)療機(jī)器人的仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。為了讓仿真動(dòng)畫效果更加逼真，將醫(yī)療機(jī)器人的機(jī)械手臂進(jìn)行貼圖，顏色改為與金屬材質(zhì)一樣的銀色，并在場(chǎng)景中加入了逼真的手術(shù)病人與病床模型。在3DMax中的呈現(xiàn)效果如圖3、圖4所示，視圖中的虛線為部分軌跡線。

本文的仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)用到了3DMax“曲線編輯器”當(dāng)中的“攝影表”，通過給每一個(gè)計(jì)劃設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)添加關(guān)鍵幀為其添加所需動(dòng)作。規(guī)定在3DMax中30幀相當(dāng)于1s的時(shí)間，需注意關(guān)鍵幀的添加時(shí)間，務(wù)必實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的連貫性。本次仿真動(dòng)畫共設(shè)計(jì)2 700多幀，約1.5min。當(dāng)所有仿真動(dòng)作設(shè)計(jì)完成后，接下來需要進(jìn)行動(dòng)畫渲染，也可以直接渲染生成仿真動(dòng)畫，但為了保證動(dòng)畫質(zhì)量，將所有動(dòng)作按每幀渲染成像素最高的帶有序列號(hào)的圖片，并用第三方軟件Adobe Premiere進(jìn)一步生成.mp4或.avi格式的仿真動(dòng)畫。這里有一個(gè)小技巧，因?yàn)?DMax在渲染時(shí)，不管是直接渲染成動(dòng)畫，還是渲染成一張張序列圖，四周都會(huì)帶有黑色區(qū)域，影響美觀。為解決該問題，可在渲染設(shè)置里將要渲染的區(qū)域改成裁剪，然后自己裁剪出所需區(qū)域，可使渲染出的效果更好。為了更好地使用設(shè)計(jì)的仿真動(dòng)畫，采用第三方軟件Adobe Premiere將動(dòng)畫生成GIF動(dòng)圖，如圖5所示，可在宣傳時(shí)非常方便地插入PPT中，動(dòng)態(tài)地向他人展示，起到了很好的宣傳效果。

5 結(jié)語

通過充分發(fā)揮SolidWorks和3DMax兩個(gè)軟件在各自領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)，采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)出具有國產(chǎn)特色的醫(yī)療機(jī)器人實(shí)物模型，并采用3DMax軟件對(duì)醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行渲染及仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)，為醫(yī)療機(jī)器人的宣傳提供了一種新方法。通過仿真動(dòng)畫這種直觀、動(dòng)態(tài)的宣傳方式，可幫助更多人更好地了解醫(yī)療機(jī)器人的功能，從而促進(jìn)國內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人的研究和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王偉，王偉東，閆志遠(yuǎn)，等.腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人發(fā)展概況綜述[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2014，29（8）：5-10.

[2] 徐兆紅，宋成利，閆士舉.機(jī)器人在微創(chuàng)外科手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國組織研究與臨床康復(fù)，2011，15（35）：6598-6601.

[3] 李兵.胸外科輔助醫(yī)療機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[4] 黃祖良.手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[5] 杜志江，孫立寧，富歷新.醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展概況綜述[J].機(jī)器人，2003，25（2）：182-187.

[6] 葉鵬，金國華，江思敏.SolidWorks2014機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[7] 朱金權(quán).SolidWorks軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究[J].數(shù)字技術(shù)與機(jī)械加工工藝裝備，2009（2）：41-44.

[8] 金敏，吳光宇，德雪紅.SolidWorks在機(jī)床夾具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（1）：233-237.

[9] 方芳.基于SolidWorks的平面凸輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[10] 王明，孔垂雨.結(jié)合SolidWorks和3DS Max實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的仿真動(dòng)畫[J].華北水利水電學(xué)院報(bào)，2011，32（5）：99-101.

[11] 康燦.利用3DMAX為SolidWorks制作產(chǎn)品動(dòng)畫[J].機(jī)械工程師，2002（2）：17.

[12] 張令鎖.淺談三維動(dòng)畫制作軟件[J].藝術(shù)科技，2013（5）：23.

[13] 王亞平.3DMAX軟件動(dòng)畫制作探析[J].大眾科技，2008（3）：36-37.

（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>