连续体仿生医疗机械臂设计研究

何智韧 周畅

1 北京术锐机器人股份有限公司上海分公司 （上海 200240）

2 上海交通大学 （上海 200240）

内容提要： 连续体机械臂在仿生医疗领域应用越来越广泛深入，是未来重要的发展方向，如何更好地开展连续体仿生医疗机械臂设计很值得探讨。文章简述研究背景与动机，概述连续体仿生医疗机械臂的设计理念与活动原理，分析连续体仿生医疗机械臂的结构设计，探讨连续体仿生医疗机械臂的程序设计，并进行相应总结，以求为连续体仿生医疗机械臂优化设计提供借鉴与启示。

当前自动化技术发展迅速，在产业应用上除了工业外也不断延伸到其他领域，如医疗、食品业、农业和渔业等。机器人领域也正努力突破传统式的结构，通过仿生研究来优化结构设计，增加多元的视觉、触觉辨识等功能。本研究聚焦于机器人技术在医疗领域的应用，结合多种计算机程序，探讨连续体仿生医疗机械手臂的设计。

1.研究背景与动机

1.1 研究背景

传统六轴机械臂因整体的结构设计导致活动的幅度有限，相较之下连续体机械臂的最大特性在于可任意弯曲、体积小和重量轻巧，适用于广泛的产业领域上，也因具有高灵活度的操作空间，在医疗及仿生产业中发展快速。在仿生机器人中也经常应用到其特性，观察生物特性所模仿出具有柔软性及可弯曲的架构，如象鼻、章鱼的触手、蛇身，而连续体机器人也是具备刚性低、轻巧、柔软的条件，借助多个小单节组件的连续性串接，能够结合成长条状如脊椎的机器人[1]。

结合这些已有技术，在仿生医疗领域，可通过连续体机械臂使末端的致动器更加灵活应用，利用其柔软、轻巧的特性，在狭小、弯曲的空间环境内开展医疗作业。总体而言，连续体仿生医疗机械臂所具有的操作自由度与柔软的结构条件，使其在当今医疗科技层面上具有较大发展性和潜在使用性。

1.2 研究动机

由于传统连续体机械臂刚性低且容易受到外力干扰，从而产生改变预设摆动轨迹的状况，导致精度控制的不稳定性，因此理论与实践界均倾向于借助增加刚性的方式，减少外力干扰连续体机械臂的活动，如：利用抽真空的方式使连续体结构获得刚性。据此，本研究也将通过这项概念进行连续体仿生医疗机械臂设计。

2.连续体仿生医疗机械臂的设计理念与活动原理

2.1 设计理念

连续体仿生医疗机械臂设计灵感来源自人体手臂结构，其包含骨骼、肌肉、肌腱及皮肤[2]。由骨骼作为主干、皮肤作为外围保护层，并以肌肉施力带动肌腱，进而控制手掌位置。从仿生的角度来看，电机取代肌肉、线绳取代肌腱、热塑管取代皮肤。皮肤可以有效地保护肌肉及固定器官位置，因而应用热缩管遇热而收缩的特性可以有效增加刚性。

连续体机械臂的驱动方式与人体手臂活动的方式极为相似，如：二头肌出力时二头肌肌腱便会收缩；三头肌放松时手臂前臂便会向上抬起。

2.2 活动原理

将连续体机械臂用来组合支撑的线绳绑至卷线器的轮轴上，接着在步进电机传递动能后，使卷线器转动来拉线绳，进而改变机械臂的摆动角度。在绑线绳的部分则需要刻意区别方向性，目的是为了在卷线轮旋转时达到一边放线一边收线的效果。这种设计除了传递能量外，主要是方便校正线的张力与手臂的控制参数。当拉紧连续体机械臂的左边线绳时，球骨躯干之间会开始弯曲，而右边线绳呈放松状态；当拉动右边线绳时，左边线绳则形成放松状态。

3.连续体仿生医疗机械臂的结构设计

在连续体机械臂的结构设计上，目前已经历了第一代至第四代的改良过程。四代结构设计节点零件图如图1所示。

图1.四代结构设计的节点零件图

3.1 第一代

第一代连续体机械臂由四条弹簧作为柔性支柱构成，其中方盘的设计用途为固定四条弹簧，且使弹簧可分成每段单节进行弯曲活动，其衔接方式是通过曲柄游戏杆的两个端点连接上下方盘，以及在曲柄游戏杆的中间处结合滚珠轴承方便伸缩。这项设计除了可以在X、Y轴上活动且不会使手臂独自扭转，更能提升手臂控制的精准度。但因为方盘直径超出30mm2的范畴，而手臂在摆动时则需要至少三个方盘才能达成两个自由度，故不宜在狭小空间操作手臂。

3.2 第二代

第二代为了可放至更细微的极限空间，将机械臂的截面积缩小化，且外观设计为圆管状，并以塑料管取代弹簧来减少外径长度，使其可在最小极限空间25mm2范围内进行作业。另外，在圆管中心新增10mm的摄影机置线孔，方便摄影机记录机械臂在极限空间内探勘的运作过程，而圆管衔接处的设计则参考万向接头以及结合滚珠轴承，减少因运作时摩擦产生的阻力。这项设计的缺点除了加工费时外，当机械臂摆动时会呈现折线型，且摆动角度过大时，容易造成万向接头中心的圆环撑裂导致零件损毁，因此改良至第三代。

3.3 第三代

第三代是延续上一代以摄影机贯穿机械臂中心的设计，且为了提升摆动角度将圆管状改变至球状（称之为球骨），外观的构想则是将面或线接触转变为点接触，让球骨接管壁减少摩擦力，以及使用球骨侧壁抓取物品时能增加摩擦力。第三代设计开始加入热缩管这项新的元素，并以此元素当作皮肤，除了可以保护手臂外还能定位及锁定圆盘等功能。然而，在设计上忽略了弹簧系数而导致电机驱动的困难之外，也容易在操作机械臂时末端或基座在弹簧中脱落，因此变更设计至第四代。

3.4 第四代

第四代连续体机械臂再度变更弹簧的规格，使球骨更加缩小化，进而达成在极限空间20mm2的范围内进行穿梭，且为了有效地将末端与基座衔接在弹簧上，将球骨设计延伸至末端与基座的零件中，这种做法可避免在操作机械臂时末端或基座直接脱落。第四代连续体机械臂结构可分成5个区块，分别为基座、球骨躯干、末端驱动器、中驱控制端以及电路整合机构。

以学生为中心的教育理念，强调学生身上都有可挖掘的宝贵资源。在面对一个问题时学生从不同的角度都有自己的发现和想法，因此用合作探究的模式，可以更好地发挥学生各自的优势，提高学生合作学习的效果。所以在学生具备一定的基础的前提下，教师要充分相信学生，把一定的问题解决任务交给学生，让学生在各自的小组中能够通过合理的分工，高效完成问题解决的任务。

3.5 硬件配置

硬件组装部分，先将连续体机械臂底基座固定在移动平台上，再将内窥镜安装至手臂内后，其通用串行总线接头与Arduino驱动板连接至计算机主机，而电机驱动器与步进电机则连接至Arduino驱动板的脚位上，最后将24V电源供应器接上电机驱动器，即可开始执行LabVIEW的仪表板。本研究的连续体仿生医疗机械臂主要使用的六款硬件，分别为Arduino开发板、步进电机驱动器、步进电机、内视镜、网络摄影机和电源供应器。

4.连续体仿生医疗机械臂的程序设计

在软件衔接硬件方面，本研究利用LabVIEW虚拟控制接口向Arduino开发板传递信号后，步进电机驱动各零部件使连续体机械臂到达期望的位置。也即，通过LabVIEW图控软件进行人机接口制作，下文将介绍应用软件、Arduino图块功能以及撰写程序方法，并且说明其架构及内容。

4.1 应用程序

LabVIEW图控软件起源自1986年，由美商国家仪器股份有限公司所研发的一款的程序语言，这套软件撰写程序的方式有别于传统的文字输入法，而是一种使用图形型化的语言架构，不仅能让使用者方便上手，且可因应各种需求制作弹性化的虚拟仪表设计（俗称：人机接口），达成仿真、数据摘取、仪器控制与量测分析等功能[3]。

当开启LabVIEW软件时会显示两个基本窗口，其分别为左方的人机接口以及右方的程序接口，人机接口能制作按钮、开关及仪表板，而程序接口可使用图块编写程序语言。其中，本研究的机械臂步进电机结合内窥镜的程序包含：步数、角度换算步数、移动速度、方向位移、摄影机及齿轮误差校正等架构内容。设计的主程序如图2所示。

图2.连续体仿生医疗机械臂设计程序

4.2 Arduino图块

Arduino所设计的LabVIEW扩充模块，可由LabVIEW的操作接口向Arduino开发板传递信号，并将Arduino所取得的数据反馈至LabVIEW中，再通过LabVIEW内建函数库进行数据分析。

4.3 单节式连续体仿生医疗机械臂程序设计

4.3.1 基本架构

单节连续体仿生医疗机械臂连接步进电机与摄影机，进行手臂活动以及影像数据搜集，其程序架构由多种硬件设备与运算程序所组成。

步进电机的操控接口是使用LabVIEW中的Arduino图块进行设计，利用事件循环制作四个按钮来控制两颗步进电机的正反方向，再借助其图块来预设电机的活动。程序定义中0为手臂Y轴的步进电机、1为手臂X轴的步进电机以及Arduino脚位功能，通过程序中Knob设定步进电机所需的步数，以及利用正负号控制步进电机的正转与反转。

为了详加记录影像数据采用两种摄影机，并通过USB接收器传输至PC-Based，需由LabVIEW中的Vision图块进行数据摘取。系统中WhileLoop循环内的图块为影像摘取程序，可以将摘取到的数据传输到Image的图块中，且在人机接口的窗口同步显示该影像数据。循环外的图块则为执行开启与关闭摄影机的程序。

上述提到的程序设计仅能存取图片文件，但为了更加完整呈现影像记录，可改版为摘取影像数据后可储存影片文件，其程序架构以原本的影像摘取程序作为基底，能够进行延伸设计且强化外部摄影机的程序功能。相同地循环内的图块是影像录制程序，并在开启单节式连续体机械臂程序前确认影片文件存取位置，可将档案存放在PC指定的数据夹中。循环外的图块则是执行开启与关闭摄影机的程序。

4.3.2 齿轮校正

在初步测试手臂活动的过程中，齿轮可能会因间隙而产生电机步数的误差值，此时就需要借助校正程序来补足其缺少的步数。当输入角度至90°且在未校正的情况，将少走齿轮间隙的步数反馈到系统，以此概念设计出闭回路系统，用以校正齿轮间隙的误差。

在LabVIEW中加入齿轮间隙校正的参数，可将原本步数加上齿轮误差的比例乘上原来步数，并整合所有的误差值至图表中。据此，可得知在未校正的条件下输入90°的步数实际上可能只行走至约60°，以此校正后即可校正至90°位置。

4.3.3 步数转换角度

连续体机械臂作为水平面的中心原点，在框架上通常可以每2cm的间距画出直线刻度，并以原点向外展开定义X轴。而在定义Z轴时则以三爪夹头作为中心原点，并以实际距离2cm向上展开。这种做法可以先抓取手臂移动的角度，转换为所需的电机步数，紧接着开启LabVIEW人机界面后，将X轴与Z轴直线延伸交合出格纹线，并以此作为量测的基准坐标。

完成基本的校正流程后，启动步进电机使手臂向X轴正向移动，并以三爪夹头的水平中心线为基准，交迭X轴线至垂直为止。此角度定义为90°，而X与Z的坐标分别落在8和5.5，再将总和步数分成90等份，即可求得每个角度所需的步数。例如，手臂从原点移动至90°时总共走510步，由此得知每个角度平均需要走5.66步。

与X轴相似定义的Y轴，均以Z轴为基准，并将Y轴移动至与X轴等高的坐标上且定义出90°，而抓取角度所需步数的做法也与X轴相同。例如，手臂从原点移动至90°时总共走710步，由此得知每个角度平均需要走7.88步。

4.3.4 单向执行自动归位

以自动化概念设计单向执行自动回归的程序，从原点移动至90°后回归原点，再通过事件循环的用法于LabVIEW制作出执行指令系统，总共有四层循环及四个方向。

第一层循环的用途为初始化，将设定移动的方向衔接到第二层循环。第二层循环为执行电机步数，将步数直接输入系统中，并加入齿轮背隙校正的参数，使手臂执行至设定的角度方向后衔接到第三层循环。第三层循环为等待执行时间，此用途是让电机确实完成执行，若未等待结束则直接执行下一步指令循环，会导致不符合期望的活动。在等待时间结束后衔接第四层循环，第四层循环的用途为使手臂回归至原点位置。将第二层循环执行的步数反数直接输入系统中，因而使手臂回归至原点，此循环结束后则跳回至第一层初始化循环。

4.3.5 坐标9分位移动

以单向执行自动归位的循环设计为概念，将路径自动化并规划以原点展开。第一步从原点O朝Y轴正向移动至B点，第二步由B点朝X轴负向移动至A，第三与第四步由A点朝Y轴负向移动至D点与F点，第五与第六步由F点正向移动至G点与H点，第七与第八步由H点朝Y轴正向移动经过E点与C点，第九步由C点朝X轴负向移动至B点，最后的第十步由B点朝Y轴负向回归移动至原点O（图3）。

图3.9 分位坐标路径

以X轴与Y轴坐标分成9点分位，将角度设定为30°，并且定义原点O为(0，0)、A为(-30，30)、B为(0，30)、C(30，30)、D(-30，0)、E(30，0)、F(-30，-30)、G(0，-30)与H(30，-30)。在LabVIEW中以事件循环架构设计执行系统，通过新值减旧值的方式由原点移动至B点（图4）。

图4.9 点分位移动角度坐标

4.4 两节式连续体仿生医疗机械臂程序架构

以单节式连续体机械臂程序架构为基底，可在钢索移动平台程序中加入两节式连续体机械臂的控制程序。执行时共使用两台计算机操作完整系统，一台主要是控制钢索移动平台，另一台则是操作显示摄影机视角接口，而在钢索移动平台的操作接口中包含步进电机与伺服电机的控制图块。

本研究共探索使用了四组步进电机，其中的两组步进电机图块主要控制上半段手臂、另外两组则是控制下半段手臂，在操作接口中以旋转按钮来控制步进电机移动的步数，并通过方向键可以调整手臂摆动的方向。平台数值输入和单轴输入两大版面中，在空格处填入预设到达位置的数值后按START键，即可控制钢索移动平台中的伺服电机，使平台开始上下平行或偏摆单边方向位移，而调整接口中的旋钮即可改变伺服电机的转动速度，再按归Home点即可回归平台最高点。摄影的程序架构与单节式连续体机械臂相同，而多增加的摄影视角是为了方便观测平台的Z轴方位。

5.小结

本研究结构设计灵感来自于人体手臂结构，其中，转换皮肤概念的热缩管元素在传统的连续体仿生医疗机械臂外侧进行包覆，该材质的特性不仅能固定机械组件的位置，还能增强连续体机械臂的整体刚性。在连续体仿生医疗机械臂的结构设计上共分为四个阶段，由第一代节点的方盘改善至第四代节点的球骨，在球骨部分针对截面积进行缩小化设计，进而达成在极限空间20mm2的范围中活动，也将球骨设计延伸至末端与基座的零件中，可避免在操作机械臂时末端或基座直接脱落。控制端部分则利用小齿轮20的齿数与大齿轮55的齿数，配合出7.5625的齿轮比，再使用加工机具制作出各零部件。

在零件制作部分，传统齿轮材质应用为聚甲基丙烯酸甲酯（又称，有机玻璃），但该材质较软无法承受压力产生齿轮炸裂，为了避免大小齿轮再度损毁，可考虑转为金属镭射切割机制作的不锈钢齿轮，其可承受高压力和高应力，改善齿轮组的强度使卷线轮运作顺畅。

在程序设计中，利用闭路系统概念使齿轮背隙完成校正。在步数转换角度的测试中，将总和步数分成90等份，求得每个角度所需的平均步数，以此得知X轴每个角度平均走5.66步，Y轴每个角度平均走7.88步。

在手臂的路径轨迹中，LabVIEW的影像摘取接口含括X、Z轴窗口与Y、Z轴窗口，可了解手臂末端的轨迹变化，再将定点输入到矩阵实验室进行绘制，即可得出手臂移动轨迹图，能确保连续体仿生医疗机械臂活动可有效达到精确控制。

通过两节式手臂操作，可摆动出较复杂的S型曲线等复杂活动，在特殊医疗作业环境下执行任务的情境时，机械臂需要穿越障碍物并拍摄到目标物，可以更加凸显出S型曲线等复杂活动，也可在各类不稳定状态的环境下操作机械臂。