三维布线在医疗机器人研发设计中的应用

董荣刚 徐家贺

（1.新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.苏州汇川技术有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

随着我国经济发展和医疗水平的提高，人均寿命也在不断增长，随之而来的人口老龄化问题日益突出，因此需要大量的劳动人员从事照顾、护理工作，增加了社会和家庭的负担。近年来，机器人技术突飞猛进，医疗类机器人也得到了充分发展，这对于缓解未来的医疗及护理压力有着重要意义。考虑到医疗康复产品的可靠性和安全性十分重要，对相关新产品的研发和设计要求也越来越高。

三维布线技术作为一种成熟的线束设计开发方法已经广泛应用于汽车、航天、家用电器等行业[1-4]。在传统的布线设计与装配流程中，布线设计是在样机试制阶段才开始的工作，布线路径更多的是依靠工程师的装配经验，而在产品研发前期的方案和预研以及设计过程中，机械设计与电气设计是彼此孤立的，因为没有相应的三维布线设计参与到前期设计中，就不可避免地带来了一些问题：

（1）结构设计过程中更多的只是考虑电器件的固定与安装，没有考虑到电器件的布局和电气插接件的安装空间是否合理、安装拆卸是否与结构件干涉等问题。

（2）有些产品的外观设计比如外壳的设计，没有考虑到给线缆预留出接口或电气设备安装与维护的可拆卸结构，导致产品的人机工程学设计不够合理。

（3）线缆在划分线束时可能会存在布局上的一些问题，线束固定位置的定位孔、布线路径上的工艺孔可能会存在设计纰漏。

（4）线束与机械结构在安装的工序上如果存在并行情况，线束分断点插接结构的设置可能会没有在样机结构设计时考虑到，导致现场机械装配与电装的工艺性存在问题。

（5）线缆的长度没有在样机装配前精确估算出来，导致小批量生产时线缆的预留长度过长，存在浪费现象。

（6）样机生产没有三维布线的虚拟样机辅助，生产装配效率会大大降低，工艺文件编制的及时性也得不到保证，导致产品开发到量产的周期变长。

本文基于Solidworks的电气布线模块[5]，以站立下肢康复训练器与智能上下肢康复训练器为布线设计对象，分析了其布线特点与流程，研究了三维布线在产品前期开发设计过程中机电配合时的关键点与注意事项，希望能为后续其他同类型产品的开发与生产带来帮助。

1 三维布线与医疗产品研发中的机电配合

1.1 医疗类机器人的特点

医疗类机器人种类很多，根据用途的不同通常可分为运送类机器人、护理类机器人、康复类机器人、临床医疗机器人、残疾人辅助类机器人，一般具有如下特点：

（1）使用电机或电缸对本体进行驱动，由相应的驱动板卡进行控制。

（2）移动运送类有单独的电池供电系统、底盘导航系统。

（3）床椅、康复类机器人一般具有多姿态，比如可以进行伸缩、角度调整、高度调整等，一般由定位销、轴套、滑轨、连杆结构等实现。

（4）多数机器人都有人机交互界面，方便功能的使用和状态检测及数据收集。

（5）需要有符合医院风格的外观设计，对于金属结构件要有一定包裹及防漏电处理。

1.2 医疗产品研发中的三维布线环节

医疗产品在立项后，研发设计的流程如图1所示。产品的方案评审阶段主要是对产品的参数与功能进行初步分析，需要机械、电气、软件、硬件研发人员达成共识。方案评审后进入到产品设计阶段，包括产品机械结构、外形设计、电气选型与图纸设计、产品硬件板卡的开发或修改、软件开发，同时电气三维布线设计也需要与机械设计、电气设计同步进行，并随着设计的调整而修改。在完成机械图纸与电气图纸后，三维布线模型设计工作也基本完成，在结构件加工的周期里，线束的预制工作也在进行中，当产品零件齐备后即可直接进入到整机装配流程中，同时电装可以参照三维布线模型进行第一台样机的装配任务，缩短了产品开发的周期。

图1 医疗机器人产品研发设计流程

因此在产品研发设计时，机电配合尤其重要，因为机械结构的安装及功能实现都与电气布线密不可分，在虚拟样机预研及设计阶段通过三维布线可以更好地将机械装配和电气装配联系起来，提高产品设计的可靠性和合理性，并对后续的样机装配进行有效指导。

1.3 三维布线的设计流程

如今的三维设计软件大多提供有电气三维布线功能模块，比如Creo、UG、CATIA、Eplan，还有本文实例中所应用的Solidworks软件。虽然软件的功能略有差异，不过基本的三维布线流程大体相同，其基本设计流程如图2所示。

图2 医疗机器人三维布线流程

Solidworks提供了电气布线模块，在布线环境下可以直接调用预先建好的库文件，包括零部件库和线缆库。零部件库保存了设计库中多种类型的标准零部件，可以将它们简单快捷地插入到装配体中。软件提供了一些基本的零件，而根据企业的产品不同和零部件厂家与型号的不同，用户需要自己添加一些常用的零部件，包括端子、插接件、连接器等。线缆库则定义了使用的线缆的各种规格，比如芯线数、颜色、电线直径、最小弯折半径等。

根据医疗机器人的产品特点，线束大致可以按照功能性、强弱电区域分布情况分为四类，分别为板卡供电线束、电缸电机线束、通信线束、传感器及开关线束。

在图1中可以看到，当机械三维模型和电气原理图初步完成后，三维布线工作即可开始，首先需要按照设计的要求划分线束种类与布线路径，然后进行相应的三维布线设计。在三维布线设计的同时要考虑机械与电气的配合问题，需对机械与电气反馈布线固定点、电器件布局、接口的预留位置，共同解决设计与工艺的问题，对设计过程进行优化，完成最终的产品设计。在三维布线完成以后，根据三维模型可以编制相应的电气装配工艺文件、线束预制的图纸以及线缆预制加工所需要的数据清单。

1.4 虚拟样机中的机电配合与三维布线注意事项

三维布线设计在样机虚拟装配过程中有效加强了机械与电气的配合，提高了产品设计时的可靠性与效率，通过多个产品的研发与设计，本文总结了三维布线在机电配合中的主要关注点与设计时的注意事项：

（1）干涉问题：干涉问题一般可分为两种情况，一种是静态干涉，另一种是动态干涉。静态干涉包括插接件的安装空间不够、线缆的布线空间不够、安装工具没有足够操作空间等；动态干涉主要是在运动机构的周围线缆的布线路径会与结构件在运动过程中存在干涉。

（2）布线路径不合理：在布线空间充足的情况下会出现一些布线路径设计不合理的情况，比如布线线缆经过热源、风扇的出风口、结构件的棱角锐利处。

（3）电磁兼容问题：布线设计中还要考虑到电磁干扰问题，强弱电尽量分别进行布线和捆扎，容易受到干扰的信号可以选用双绞线和带屏蔽电缆，有效防止串扰的发生。

（4）装配工序问题：不同于机柜等标准布线结构，机器人因为种类繁多、功能复杂，在装配结构上会存在机械装配与电装工序并行的情况，比如线缆需要穿过运动的联管或轴套时需要考虑到过孔的问题，应尽量通过前期的设计优化避免机电装配工序上的冲突。

（5）维护问题：医疗类机器人大多需要设计外观，以满足使用场合的视觉需求，因此在外观件装配时需要考虑后续内部电气部件及线缆维护的便利性，尽量达到外观美观与维护方便上的平衡。

2 医疗康复机器人三维布线实例

2.1 站立下肢康复训练器的三维布线

站立下肢康复训练器是应用于下肢障碍患者进行康复锻炼的医疗康复类产品，能够辅助患者进行站立和踏步动作，进行下肢力量康复治疗训练。根据上文总结的产品结构特点和线束设计原则，在机械结构设计的同时进行电气三维布线设计，由于产品为床型结构，床体具有翻折和高度调节机构，因此线束主干需要同时满足这两种运动需求，线束主干布线路径如图3所示，即基于床体下方固定底架的方钢结构，通过中空管进行布线，其余分支线束同样需要避开运动机构。通过本例可以看出三维布线设计参与到有运动机构的产品设计前期的重要性。

图3 站立下肢康复训练器三维布线效果图

2.2 智能上下肢康复训练器的三维布线

智能上下肢康复训练器是一种协助患者中后期康复训练的医用设备，能够对患者下肢进行系统性的主动、被动训练，恢复腿部关节、肌肉，缓解痉挛。本产品的结构特点也如同前文所述，有可调节姿态与运动的结构，通过滑轨调节设备高度，通过轴套调节设备与病床的角度。如图4所示，机械结构为分段式结构，在结构件安装时需要电装同步进行，因此需要三维布线在虚拟样机阶段对线束的插接位置和装配顺序进行模拟，以便更加合理地规划装配顺序。

图4 床边款下肢康复训练器三维布线效果图

3 结束语

本文分析了医疗类机器人的产品特点，阐述了在产品研发设计流程中三维布线是如何将机械设计、电气设计紧密地融合到一起，实现并行设计的。另外，通过实例对医疗类机器人的三维布线设计流程及注意事项进行了介绍与分析，有效论证了三维布线对于缩短产品开发周期、提高产品设计可靠性及辅助样机生产装配的优势，因此对于同类产品的开发设计具有一定参考价值与意义。