医用机械手设计构想

毋虎城，郭 伟

（河南工程技术学校，河南 焦作 454002）

机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢部分功能，按照控制程序要求输送工件或握持工具进行操作的应用设备。它对降低劳动强度，推动工业生产和社会生产的发展有着重要的作用，因而具有强大的生命力，深受人们的重视和欢迎。实践证明，机械手不仅在工业上可以代替人手劳动，改善劳动条件，提高生产率，而且在医疗领域也得到了发展，可改善医护人员的工作条件，具有适用性和安全性。医用机械手具有快速、高效等特点。机械手采用液压驱动和控制，可实现手臂的伸缩、回旋、上下移动，手腕的旋转和手部的抓放动作。

医用机械手对需要手术医治的患者，可进行X移动、Y移动、Z移动、X转动、Y转动、Z转动6个自由度的组合。

1 医用机械手的组成

1.1 工作原理

医用机械手主要由执行机构、传动机构、驱动机构和操作机构等组成，采用液压传动方式来实现执行机构的相应动作。在各个时间段，按预先规定程序进行医疗操作，并达到不同速度和精确动作的要求，同时，利用换向阀对执行机构发出指令，从而使执行机构——机械手夹持各类医疗器械到达指定空间位置。

1.2 结构

医用机械手的结构如图1所示。

图1 医用机械手结构示意图

（1）执行机构。医用机械手执行机构，主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持医疗器械（或工具）的部件，根据被抓持的物件的形状、尺寸、净质量、材料和作业要求不同，有多种结构形式，如夹持式，托持式和吸附式。

（2）传动机构。传动机构使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动，从而实现编制程序规定的动作，改变被夹持物体的位置和姿态。主要由臂杆、液压缸、液压马达、液压管件等组成。传动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活度越大，通用性好，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

（3）驱动机构。医用机械手采用液压驱动方式，如图2所示。使用液压泵作为动力源，用液压缸和液压马达作为系统动力的执行装置，同时用换向阀控制液压缸和液压马达的启停，实现规定的定位目标。由于液压装置工作比较平稳，在相同体积下，液压装置能比电气装置产生出更大的动力。在同等功率下液压装置的体积小，质量小，其功率大，结构紧凑。

图2 液压系统示意图

（4）操作机构。操作机构由液压控制阀来控制。机械手靠液压阀操作实现动作的速度控制、方向控制，以及手部力度的控制，更容易实现动作速度的无极调速，满足了同一个医用机械手可以进行不同医学诊治的多种治疗需求。

1.3 机械手的优点

（1）控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。

（2）可无间隙传动，运动平稳，无噪音。

（3）传动介质是油液，对液压元件有润滑作用，使用寿命长。

（4）液压元件实现标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和推广使用，价格便宜，成本低。

2 医用机械手的先进性

医用机械手的积极作用，日益为人们所认识：

（1）能代替医护人员的部分操作。

（2）能按照各种医学治疗的不同要求，特别是在常规手术中，遵循一定的程序，在特定时间和位置上，可完成医疗工具的传递和收取。

（3）其应用在一定程度上降低了医护人员的劳动强度，同时，逐步实现医学治疗的机械化、程序化和自动化。因而，很多国家都投入大量的人力物力来研究和应用机械手。

医用机械手能持久、耐劳，不仅可以把医疗人员从繁重、单调机械的工作中解放出来，而且能扩大和延伸人的作用，提高医护治疗的安全性和可靠性，同时，又可以避免人为受外界影响的操作失误，具有高精确性和高稳定性。

3 医用机械手的不足之处

对人体实施手术治疗中，可变因素较多并且复杂。医用机械手不允许出现操作错误，否则，会给患者造成心理和身体的伤害：

（1）手术过程中会受到患者体型胖瘦、个子高低、出血量、手术人员经验等因素影响。

（2）医用机械手在手术中较为笨拙,施加在机械手上的压力可使数据发生变化,同时存在固定装置和制动器的位移误差。

（3）灵活机动性不强，不能根据手术进展的实际情况，随时进行处置方案的调整优化，需人工中止并变换程序方可继续。

4 结束语

为进一步完善柔性功能，对典型常规手术，编制不同控制程序和可变参数，使同一类手术能满足各种体形和身体素质的不同人群，就扩展了机械手在医院手术和治疗的实际应用范围，适应对各种典型病症的需求，实现医疗工作上柔性治疗的要求，更体现医用机械手操作的标准规范、稳定高效的优越性，将会成为发展的方向，有着广泛的发展前景。

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