基于SolidWorks与3DMax的医疗机器人仿真动画设计

2018-09-04马江涛王亚刚

软件导刊 2018年6期

马江涛王亚刚

摘要：以设计医疗机器人的仿真动画为主要研究内容，借助SolidWorks自主设计医疗机器人实物模型，研究将SolidWorks模型导入3DMax的方法，模拟医疗机器人实际工作时的动作，用3DMax完成医疗机器人模型各个关节动作的制作，并进一步按每一帧渲染成高像素的序列图，再用Adobe Premiere将序列图生成视频仿真动画。通过仿真动画的设计，可达到非常好的宣传效果，从而促进国内对医疗机器人的研究，推动机器人医疗产业快速发展。

关键词：医疗机器人；SolidWorks；3DMax；仿真动画

DOI：10.11907/rjdk.172885

中图分类号：TP301

文献标识码：A 文章编号：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

如今随着医疗技术的迅速发展，人们渴望通过外科手术治疗更多疾病。由于相应的外科手术越来越复杂，对于精度和稳定性的要求也不断提高，传统的人工手术已经显得越来越吃力[1]。医疗机器人具有响应速度快、灵活性强等优点，而且可以实现对外科手术的精确控制，在一系列复杂的外科手术，特别是微创外科手术中应用效果较好[2]，具有广阔的市场前景。但相对于国外，国内医疗机器人的发展较为落后，宣传效果也不太理想。为了促进国内对于医疗机器人的研究，首先要让更多人了解医疗机器人，所以加大医疗机器人在国内的宣传力度具有重要意义。相对于传统文字、图片等宣传方式，本文设计的医疗机器人仿真动画具有形象、直观、逼真等优点，是一种非常好的宣传手段。

1 医疗机器人国内外发展现状

医疗机器人是近年来发展迅速的一种新兴技术，具体应用涉及多个领域[3]。在国外，许多研究机构及企业对于医疗机器人的研究和开发起步较早。1985年，美国加州医学中心即借用一台具有辅助定位功能的PUMA560工业机器人完成了脑组织采样实验，该手术标志着医疗机器人应用的开端；1991年，ISS机构研制的用于膝关节外科置换的新型主动式机器人，改变了传统的机器人外科手术方式，并使用计算机编程操作机器人平台完成手术；1994年，由美国Computer Motion公司研制的AESOP手术机器人系统已达到实际临床应用要求，是首个获得FDA认证的手术机器人，使手术机器人开始商业化；1999年，美国的Intuitive Surgical公司研制出新一代微创外科机器人系统Da Vinci，该系统经过几代的改进，技术上取得了突破性进展，该系统作为最先进的临床外科手术机器人系统，成为世界上第一个可以在醫院进行手术操作的手术机器人[4]。

国内的医疗机器人研究起步较晚，技术相对落后，但在国家的大力支持下，近年来取得了一些不错的成果，如2000年由海军医院针对神经外科手术设计的计算机辅助定位手术系统，以及2001年天津大学、南开大学和天津医学院联合研发的“妙手”系列外科手术机器人系统。此外，上海交通大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等科研机构均在从事医疗机器人及其系统的研究和开发。然而，由于国内研发的医疗机器人系统尚未完全达到临床要求，医疗机器人主要通过进口购买，价格昂贵，手术耗材及日常维护费用也非常高，我国只有少数大型医院有能力购置，而且对于医生的培训需要到国外进行，使国内医疗机器人的研究和推广受到了很大限制[4-5]。因此，需要研制具有自主知识产权的医疗机器人及系统，打破国外的技术和价格垄断。

2 医疗机器人模型设计

本文医疗机器人的建模和装配采用SolidWorks软件。SolidWorks软件是由美国SolidWorks公司开发的三维CAD软件，自1995年问世以来， SolidWorks以其功能强大、易学易用的特点，已成为主流的三维CAD解决方案。随着SolidWorks版本的不断提高、性能的不断增强、模块的不断丰富及功能的不断完善，SolidWorks已完全能满足现代企业机械设计的要求，并广泛应用于机械设计制造各领域[6]。其主要包括以下模块：机械零件设计、装配体设计、动画设计和渲染、有限元高级分析技术，功能齐全，完全可满足对于医疗机器人的设计需求。

SolidWorks软件具有专门的机械零件设计模块，可根据不同零件特点选择不同的设计方法，设计方法简单易学[5]。SolidWorks软件还提供装配设计所用的各种标准零件设计库，设计者在设计装配模型时，可直接从设计库中调用所需的标准零件，并可在其基础上进行尺寸和形状修改，从而节省重新设计时间[7-8]。本文设计的6自由度医疗机器人装配体共包括109个零件，而且为了方便日后的医疗机器人在LabView中的控制和仿真，通过调整每个关节零件的原点和坐标轴，将关节处每个零部件的坐标轴都设计在其旋转轴的位置。以右上方的一个肩关节零件为例，如图1所示。

SolidWorks软件具有专门的装配设计模块，模块主要包括自底向上和自上向下的装配方法。本文采用自底向上的装配方法，主要由自己设计好各个零件，并按零件在装配模型中的位置及配合要求直接装配成符合设计意图的设计模型。设计者可将设计好的零件运用“插入/零部件/现有零件/装配体”命令，将零件插入到装配模块中，并添加相关配合，使零件在装配模型中处于一个正确位置[7-9]，而且可以绕旋转轴自由转动。医疗机器人前视图如图2所示。

3 医疗机器人模型导入3DMax的方法

医疗机器人模型构建好以后，需要将模型导入3DMax中，为仿真动画设计作准备。SolidWorks和3DMax两款软件有一个共同优点，即支持多种文件格式，所以将SolidWorks模型导入3DMax中也有多种方法，经研究总结出以下几种常用方法：

（1）将SolidWorks文件另存为.igs文件，该文件较小，但有时会出现个别侧面无法转换，或导入后增加或丢失图像现象，特别针对复杂曲面造型，转换误差更大。

（2）将SolidWorks文件另存为.stl文件，该方法导入单体零件较为方便，但如果导入装配体，则需要将零件一一导入，过程比较繁琐。

（3）将SolidWorks文件另存为.wrl文件，应用该方式需要注意在另存为文件时修改输出版本与单位，并在单一文件中保存装配体所有零件，从而可将装配体中的多个零件同时导入3DMax中，非常方便快捷。

（4）使用插件Powe NURBS R2.71， 3DMax安装该插件后即可直接导入SolidWorks文件，但有时零件会出现破面现象（此时需将出现破面的零件单个导入），而且导入时间通常较长[10-11]。

综上所述，本文最终采用方法（3）。

4 医疗机器人仿真动画设计

医疗机器人仿真动画设计采用在动画制作领域比较流行的3DMax软件。3DMax是Autodesk公司在20世纪90年代推出的一款三维动画创作工具，是目前应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，其功能强大，可支持多种相关软件不同类型文件的导入、导出，并且渲染速度快，画面质量高，近年来逐渐在影视动画、建筑设计、游戏设计等领域得到广泛应用[12]。

采用方法（3）将模型导入3DMax后，不用对零件的位置、角度作任何修改，因为发现零件之间的装配体位置依然保持不变，与在SolidWorks中确定的相同，无需重新定位。虽然装配体在3DMax中的位置与SolidWorks中保持一致，装配关系却不复存在，即零件之间可以任意移动或旋转。因此，需要将零件之间设立父子关系，使零件之间产生联系，并且父零件在进行移动、旋转、缩放变化时可带动子零件作相应变化，而子零件在进行移动、旋转、缩放时不会影响父零件。根据需要将各个零件建立合适的父子关系，才不会因某一零件的位置变化影响整体。本次动画设计将所有零件的最终父零件都设置在医疗机器人外壳上，优点是当需要移动、旋转、缩放整个医疗机器人时，只要为外壳添加相应动作即可，非常方便。零件之间的父子关系，可以点击3DMax右上方的“图解视图”进行查看或修改[13]。

当模型导入3DMax中后，在SolidWorks中给机械臂零件关节设定的坐标轴都已失效。为了使各个关节零件依然按照自身轴线进行旋转或摆动，需要对设计动画机械臂零件的坐标轴重新进行设定。具体操作如下：首先修改零件的参考坐标系，因为系统默认的是导入模型时新建的坐标轴；然后对每个零件的坐标轴进行相对移动和旋转，在移动坐标轴之前，需要对零件属性进行相关设置，从而在不影响对象的情况下修改其参考坐标轴[11-13]，为医疗机器人的仿真动画设计作准备。为了让仿真动画效果更加逼真，将医疗机器人的机械手臂进行贴图，颜色改为与金属材质一样的银色，并在场景中加入了逼真的手术病人与病床模型。在3DMax中的呈现效果如图3、图4所示，视图中的虚线为部分轨迹线。

本文的仿真动画设计用到了3DMax“曲线编辑器”当中的“摄影表”，通过给每一个计划设计的关节添加关键帧为其添加所需动作。规定在3DMax中30帧相当于1s的时间，需注意关键帧的添加时间，务必实现动作的连贯性。本次仿真动画共设计2 700多帧，约1.5min。当所有仿真动作设计完成后，接下来需要进行动画渲染，也可以直接渲染生成仿真动画，但为了保证动画质量，将所有动作按每帧渲染成像素最高的带有序列号的图片，并用第三方软件Adobe Premiere进一步生成.mp4或.avi格式的仿真动画。这里有一个小技巧，因为3DMax在渲染时，不管是直接渲染成动画，还是渲染成一张张序列图，四周都会带有黑色区域，影响美观。为解决该问题，可在渲染设置里将要渲染的区域改成裁剪，然后自己裁剪出所需区域，可使渲染出的效果更好。为了更好地使用设计的仿真动画，采用第三方软件Adobe Premiere将动画生成GIF动图，如图5所示，可在宣传时非常方便地插入PPT中，动态地向他人展示，起到了很好的宣传效果。

5 结语

通过充分发挥SolidWorks和3DMax两个软件在各自领域的优点，采用SolidWorks软件设计出具有国产特色的医疗机器人实物模型，并采用3DMax软件对医疗机器人进行渲染及仿真动画设计，为医疗机器人的宣传提供了一种新方法。通过仿真动画这种直观、动态的宣传方式，可帮助更多人更好地了解医疗机器人的功能，從而促进国内医疗机器人的研究和发展。

参考文献：

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[2] 徐兆红，宋成利，闫士举.机器人在微创外科手术中的应用[J].中国组织研究与临床康复，2011，15（35）：6598-6601.

[3] 李兵.胸外科辅助医疗机械手的设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[4] 黄祖良.手术机械臂系统优化与轨迹跟踪控制研究[D].上海：上海工程技术大学，2016.

[5] 杜志江，孙立宁，富历新.医疗机器人发展概况综述[J].机器人，2003，25（2）：182-187.

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[10] 王明，孔垂雨.结合SolidWorks和3DS Max实现机械产品的仿真动画[J].华北水利水电学院报，2011，32（5）：99-101.

[11] 康灿.利用3DMAX为SolidWorks制作产品动画[J].机械工程师，2002（2）：17.