三維布線在醫(yī)療機器人研發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用

董榮剛 徐家賀

（1.新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.蘇州匯川技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和醫(yī)療水平的提高，人均壽命也在不斷增長，隨之而來的人口老齡化問題日益突出，因此需要大量的勞動人員從事照顧、護理工作，增加了社會和家庭的負擔。近年來，機器人技術(shù)突飛猛進，醫(yī)療類機器人也得到了充分發(fā)展，這對于緩解未來的醫(yī)療及護理壓力有著重要意義。考慮到醫(yī)療康復產(chǎn)品的可靠性和安全性十分重要，對相關(guān)新產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計要求也越來越高。

三維布線技術(shù)作為一種成熟的線束設(shè)計開發(fā)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、航天、家用電器等行業(yè)[1-4]。在傳統(tǒng)的布線設(shè)計與裝配流程中，布線設(shè)計是在樣機試制階段才開始的工作，布線路徑更多的是依靠工程師的裝配經(jīng)驗，而在產(chǎn)品研發(fā)前期的方案和預研以及設(shè)計過程中，機械設(shè)計與電氣設(shè)計是彼此孤立的，因為沒有相應(yīng)的三維布線設(shè)計參與到前期設(shè)計中，就不可避免地帶來了一些問題：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中更多的只是考慮電器件的固定與安裝，沒有考慮到電器件的布局和電氣插接件的安裝空間是否合理、安裝拆卸是否與結(jié)構(gòu)件干涉等問題。

（2）有些產(chǎn)品的外觀設(shè)計比如外殼的設(shè)計，沒有考慮到給線纜預留出接口或電氣設(shè)備安裝與維護的可拆卸結(jié)構(gòu)，導致產(chǎn)品的人機工程學設(shè)計不夠合理。

（3）線纜在劃分線束時可能會存在布局上的一些問題，線束固定位置的定位孔、布線路徑上的工藝孔可能會存在設(shè)計紕漏。

（4）線束與機械結(jié)構(gòu)在安裝的工序上如果存在并行情況，線束分斷點插接結(jié)構(gòu)的設(shè)置可能會沒有在樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮到，導致現(xiàn)場機械裝配與電裝的工藝性存在問題。

（5）線纜的長度沒有在樣機裝配前精確估算出來，導致小批量生產(chǎn)時線纜的預留長度過長，存在浪費現(xiàn)象。

（6）樣機生產(chǎn)沒有三維布線的虛擬樣機輔助，生產(chǎn)裝配效率會大大降低，工藝文件編制的及時性也得不到保證，導致產(chǎn)品開發(fā)到量產(chǎn)的周期變長。

本文基于Solidworks的電氣布線模塊[5]，以站立下肢康復訓練器與智能上下肢康復訓練器為布線設(shè)計對象，分析了其布線特點與流程，研究了三維布線在產(chǎn)品前期開發(fā)設(shè)計過程中機電配合時的關(guān)鍵點與注意事項，希望能為后續(xù)其他同類型產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)帶來幫助。

1 三維布線與醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)中的機電配合

1.1 醫(yī)療類機器人的特點

醫(yī)療類機器人種類很多，根據(jù)用途的不同通?？煞譃檫\送類機器人、護理類機器人、康復類機器人、臨床醫(yī)療機器人、殘疾人輔助類機器人，一般具有如下特點：

（1）使用電機或電缸對本體進行驅(qū)動，由相應(yīng)的驅(qū)動板卡進行控制。

（2）移動運送類有單獨的電池供電系統(tǒng)、底盤導航系統(tǒng)。

（3）床椅、康復類機器人一般具有多姿態(tài)，比如可以進行伸縮、角度調(diào)整、高度調(diào)整等，一般由定位銷、軸套、滑軌、連桿結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)。

（4）多數(shù)機器人都有人機交互界面，方便功能的使用和狀態(tài)檢測及數(shù)據(jù)收集。

（5）需要有符合醫(yī)院風格的外觀設(shè)計，對于金屬結(jié)構(gòu)件要有一定包裹及防漏電處理。

1.2 醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)中的三維布線環(huán)節(jié)

醫(yī)療產(chǎn)品在立項后，研發(fā)設(shè)計的流程如圖1所示。產(chǎn)品的方案評審階段主要是對產(chǎn)品的參數(shù)與功能進行初步分析，需要機械、電氣、軟件、硬件研發(fā)人員達成共識。方案評審后進入到產(chǎn)品設(shè)計階段，包括產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計、電氣選型與圖紙設(shè)計、產(chǎn)品硬件板卡的開發(fā)或修改、軟件開發(fā)，同時電氣三維布線設(shè)計也需要與機械設(shè)計、電氣設(shè)計同步進行，并隨著設(shè)計的調(diào)整而修改。在完成機械圖紙與電氣圖紙后，三維布線模型設(shè)計工作也基本完成，在結(jié)構(gòu)件加工的周期里，線束的預制工作也在進行中，當產(chǎn)品零件齊備后即可直接進入到整機裝配流程中，同時電裝可以參照三維布線模型進行第一臺樣機的裝配任務(wù)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。

圖1 醫(yī)療機器人產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計流程

因此在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計時，機電配合尤其重要，因為機械結(jié)構(gòu)的安裝及功能實現(xiàn)都與電氣布線密不可分，在虛擬樣機預研及設(shè)計階段通過三維布線可以更好地將機械裝配和電氣裝配聯(lián)系起來，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性和合理性，并對后續(xù)的樣機裝配進行有效指導。

1.3 三維布線的設(shè)計流程

如今的三維設(shè)計軟件大多提供有電氣三維布線功能模塊，比如Creo、UG、CATIA、Eplan，還有本文實例中所應(yīng)用的Solidworks軟件。雖然軟件的功能略有差異，不過基本的三維布線流程大體相同，其基本設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 醫(yī)療機器人三維布線流程

Solidworks提供了電氣布線模塊，在布線環(huán)境下可以直接調(diào)用預先建好的庫文件，包括零部件庫和線纜庫。零部件庫保存了設(shè)計庫中多種類型的標準零部件，可以將它們簡單快捷地插入到裝配體中。軟件提供了一些基本的零件，而根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品不同和零部件廠家與型號的不同，用戶需要自己添加一些常用的零部件，包括端子、插接件、連接器等。線纜庫則定義了使用的線纜的各種規(guī)格，比如芯線數(shù)、顏色、電線直徑、最小彎折半徑等。

根據(jù)醫(yī)療機器人的產(chǎn)品特點，線束大致可以按照功能性、強弱電區(qū)域分布情況分為四類，分別為板卡供電線束、電缸電機線束、通信線束、傳感器及開關(guān)線束。

在圖1中可以看到，當機械三維模型和電氣原理圖初步完成后，三維布線工作即可開始，首先需要按照設(shè)計的要求劃分線束種類與布線路徑，然后進行相應(yīng)的三維布線設(shè)計。在三維布線設(shè)計的同時要考慮機械與電氣的配合問題，需對機械與電氣反饋布線固定點、電器件布局、接口的預留位置，共同解決設(shè)計與工藝的問題，對設(shè)計過程進行優(yōu)化，完成最終的產(chǎn)品設(shè)計。在三維布線完成以后，根據(jù)三維模型可以編制相應(yīng)的電氣裝配工藝文件、線束預制的圖紙以及線纜預制加工所需要的數(shù)據(jù)清單。

1.4 虛擬樣機中的機電配合與三維布線注意事項

三維布線設(shè)計在樣機虛擬裝配過程中有效加強了機械與電氣的配合，提高了產(chǎn)品設(shè)計時的可靠性與效率，通過多個產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計，本文總結(jié)了三維布線在機電配合中的主要關(guān)注點與設(shè)計時的注意事項：

（1）干涉問題：干涉問題一般可分為兩種情況，一種是靜態(tài)干涉，另一種是動態(tài)干涉。靜態(tài)干涉包括插接件的安裝空間不夠、線纜的布線空間不夠、安裝工具沒有足夠操作空間等；動態(tài)干涉主要是在運動機構(gòu)的周圍線纜的布線路徑會與結(jié)構(gòu)件在運動過程中存在干涉。

（2）布線路徑不合理：在布線空間充足的情況下會出現(xiàn)一些布線路徑設(shè)計不合理的情況，比如布線線纜經(jīng)過熱源、風扇的出風口、結(jié)構(gòu)件的棱角銳利處。

（3）電磁兼容問題：布線設(shè)計中還要考慮到電磁干擾問題，強弱電盡量分別進行布線和捆扎，容易受到干擾的信號可以選用雙絞線和帶屏蔽電纜，有效防止串擾的發(fā)生。

（4）裝配工序問題：不同于機柜等標準布線結(jié)構(gòu)，機器人因為種類繁多、功能復雜，在裝配結(jié)構(gòu)上會存在機械裝配與電裝工序并行的情況，比如線纜需要穿過運動的聯(lián)管或軸套時需要考慮到過孔的問題，應(yīng)盡量通過前期的設(shè)計優(yōu)化避免機電裝配工序上的沖突。

（5）維護問題：醫(yī)療類機器人大多需要設(shè)計外觀，以滿足使用場合的視覺需求，因此在外觀件裝配時需要考慮后續(xù)內(nèi)部電氣部件及線纜維護的便利性，盡量達到外觀美觀與維護方便上的平衡。

2 醫(yī)療康復機器人三維布線實例

2.1 站立下肢康復訓練器的三維布線

站立下肢康復訓練器是應(yīng)用于下肢障礙患者進行康復鍛煉的醫(yī)療康復類產(chǎn)品，能夠輔助患者進行站立和踏步動作，進行下肢力量康復治療訓練。根據(jù)上文總結(jié)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和線束設(shè)計原則，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時進行電氣三維布線設(shè)計，由于產(chǎn)品為床型結(jié)構(gòu)，床體具有翻折和高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，因此線束主干需要同時滿足這兩種運動需求，線束主干布線路徑如圖3所示，即基于床體下方固定底架的方鋼結(jié)構(gòu)，通過中空管進行布線，其余分支線束同樣需要避開運動機構(gòu)。通過本例可以看出三維布線設(shè)計參與到有運動機構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計前期的重要性。

圖3 站立下肢康復訓練器三維布線效果圖

2.2 智能上下肢康復訓練器的三維布線

智能上下肢康復訓練器是一種協(xié)助患者中后期康復訓練的醫(yī)用設(shè)備，能夠?qū)颊呦轮M行系統(tǒng)性的主動、被動訓練，恢復腿部關(guān)節(jié)、肌肉，緩解痙攣。本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點也如同前文所述，有可調(diào)節(jié)姿態(tài)與運動的結(jié)構(gòu)，通過滑軌調(diào)節(jié)設(shè)備高度，通過軸套調(diào)節(jié)設(shè)備與病床的角度。如圖4所示，機械結(jié)構(gòu)為分段式結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)件安裝時需要電裝同步進行，因此需要三維布線在虛擬樣機階段對線束的插接位置和裝配順序進行模擬，以便更加合理地規(guī)劃裝配順序。

圖4 床邊款下肢康復訓練器三維布線效果圖

3 結(jié)束語

本文分析了醫(yī)療類機器人的產(chǎn)品特點，闡述了在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計流程中三維布線是如何將機械設(shè)計、電氣設(shè)計緊密地融合到一起，實現(xiàn)并行設(shè)計的。另外，通過實例對醫(yī)療類機器人的三維布線設(shè)計流程及注意事項進行了介紹與分析，有效論證了三維布線對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計可靠性及輔助樣機生產(chǎn)裝配的優(yōu)勢，因此對于同類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計具有一定參考價值與意義。