《机电一体化系统设计》课程综合训练项目报告模板2

辽宁工程技术大学《机电一体化系统设计》课程综合训练项目报告综合训练项目机械手设计研究指导教师徐广明院（系、部）机械学院专业班级机电12-3学号1207060325姓名周正啟日期2015.12.19一、综合训练项目任务书二、指导教师评阅意见指导教师签字：综合训练项目机械手设计研究目的和要求：锻炼学生实际设计计算能力及对机械系统结构的掌握。要求设计具有一定功能的机械手，完成其机械结构设计，包括支撑机构、工作机构、传动机构、执行机构的设计计算，并完成传动机构及各组成结构的动力学特性分析及优化。成果形式：设计计算说明书（不少于5000字）及图纸（装配图、零件图）。相关参数：参看《工业机械手设计手册（4-6自由度机械手设计）》。详细设计要求：（1）试设计一机械手，具有一定的功能及应用价值；（2）完成机械手的结构设计，对关键尺寸等要有一定的计算公式及说明；（3）对机械手的控制要求及功能进行一定的陈述。三、综合训练项目设计内容***机械手设计研究智能医疗机器手设计研究一.引言：智能化是医疗硬件设备行业发展的新方向。我们提出“智能医疗硬件”投资主题，并认为该主题将会是继“个性化医疗/精准医疗”后国内一二级市场在医药领域的未来三到五年重要投资机会。我们定义“智能医疗硬件”为，以先进软件技术和大数据配合新一代硬件技术为基础，对传统医疗设备进行创新或升级的新一代医疗应用设备。假肢是医疗领域最早使用仿生智能机械手，随着技术的发展，出现了可以模仿人手做绝大部分的操作的仿生机器手，使用方便、灵活。在外科手术里，医生需要长时间地或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作。仿生智能机械手是一种仿人机械，可以在医生的监控或操作下，按照即定的方案，高精度地、高可靠地实施手术，并在规定的时限内完成。仿生智能机械手的应用可以为病人带来福音。现代社会、科技的高速发展推动着机械产业的发展，对其自身结构、能量消耗或者运动的可靠性提出了更为严苛的要求。在环境优胜劣汰法则的作用下，自然界存在拥有神奇的特性与功能各种各样的生物。仿生智能机械手就是模仿人手的形态、结构和控制原理而诞生。人手共有27个自由度，可以精确定位并做出复杂精细的动作。仿生智能机械手可以通过模仿人类手部的动作，并依照智能控制系统给定的程序而实现智能化的手部抓取、搬运等复杂动作的自动机械装置。二、目前国内医疗机器人公司2.1上市公司A、机器人（300024）1）公司简介沈阳新松机器人自动化股份有限公司成立于2000年，上市于2009年，由中科院沈阳自动化所作为主发起人。该公司是一家拥有自主知识产权的工业机器人与自动化成套装备供应商，主要产品包括工业机器人、物流与仓储自动化成套装备、自动化装配与检测生产线、交通自动化系统等。公司产品可广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等行业。2）医疗机器人布局沈阳新松机器人公司利用自己在机器人技术领域的优势，已在陪护机器人，骨科手术机器人和镜诊断治疗辅助机器人方面布局。陪护机器人沈阳新松机器人公司的陪护机器人目前主要面向养老院及社区服务。其功能有生理信号检测、语音交互、远程医疗、智能聊天、自主避障漫游等。可全方位地照顾用户在生活护理，远程交流和医疗监护方面的需求。机器人具有智能聊天功能，可以辅助老人心理康复。配合相关检测设备，机器人具有血压、心跳、血氧等生理信号检测与监控功能，可无线连接社区网络并传输到社区医疗中心，紧急情况下可及时报警或通知亲人。陪护机器人为人口老龄化带来的重大社会问题提供解决方案。该机器人突破了机器人语音识别与交互算法、网络传感与多传感器的数据融合、机器人辅助老人心理康复、无线网络远程监控与控制等多项关键技术。并在2012年申请了远程医疗功能技术的专利。目前尚属于示范应用阶段。骨科牵引辅助机械手新松机器人公司与2013年研发出了首创的骨科牵引机器人并以制出试验机。骨科牵引机器人是利用机器人系统的牵引支架将患者受伤部位固定牵引，提高了牵引的稳定性。再利用一条机械臂在手术和牵引中实时反馈手术部位全息图像，让医生对手术全程有更好的规划，加强了医生对骨折牵引的判断。最后机器人系统帮助医生完成骨折部位的精确牵引，帮助患者骨折部复位。目前公司拥有7项骨科机器人专利，并在申请医疗器械产品生产许可证。胃镜诊断治疗辅助机器人系统胃镜诊断治疗辅助机器人系统是十二五“国家科技支撑计划”课题之一。是针对我国8000万的胃肠道疾病患者对胃镜诊断和治疗的巨大需求，而训练有素的医生严重不足导致的供需求关系而开展的具有自主知识产权的国际首创胃镜诊断治疗辅助机器人系统的研发。目前，课题突破了胃镜输送技术、肿瘤病变识别算法、高性能多功率一体化的高频功率系统构建3项关键技术；研制了柔性内镜镜体输送单元、肿瘤病变识别模块，多功率一体化的高频功率系统等核心部件；完成了胃镜辅助机器人系统原理样机、肿瘤辅助诊断软件系统及镜下氩离子凝血设备原理样机的开发。B、博实股份（002698)1）公司简介哈尔滨博实自动化股份有限公司成立于1997年，上市于2012年。由哈尔滨工业大学机器人研究院为主发起人，目前哈工大投资仍为博实自动化的第一大股东。该公司是以石化化工后处理成套设备的研发、生产和销售，并为客户提供相关产品服务的自动化集成解决方案提供商。因为现有石化产业前景下行的压力，公司积极制订了未来战略方向与目标，推动以机器人技术为代表的高端医疗装备领域的研发和投资。2015年5月11日，公司决定设立全资子公司博实高端医疗装备有限公司投资1亿人民币并，以2000万现金认购思哲睿医疗股权。计划通过医疗装备公司投资“微创外科手术机器人及智能器械项目”。2）医疗机器人布局博实自动化将目标放在高端的医疗机器人上，并以哈工大和关联企业思哲睿医疗研发微创外科手术机器人，目标打破达芬奇机器人在国内的垄断。微创外科手术机器人国家“863”计划资助项目——“微创腹腔外科手术机器人系统”，已在2013年由哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功，并通过国家“863”计划专家组的验收。该机器人由哈工大与思哲睿医疗共同研制。该机器人系统与达芬奇机器人系统类似，由机械臂，三维成像系统和医生控制台组成。使医生可以在操作台内通过高清三维成像系统和力觉反馈遥控对患者进行微创手术。目前该机器人可以可现微创腹腔外科手术常用的分离、切割、止血、缝合等基本动作。一代产品已完成多批次动物实验。而二代产品已完成产品定型，在进行样板机的组装。预计2015年年底可以准备申请产品形式检验，并在2017年底申请产品注册。C、楚天科技（300358)1）公司简介楚天科技股份有限公司成立于2002年，于2014年在深交所创业板上市。该公司以水剂类制药装备的研发、设计、生产、销售和服务为主营业务。水剂类制药装备是制药企业生产针剂的关键制剂。未来公司布局医药机器人和医疗机器人。利用智能机器人的市场规模将迅速放大，来完成公司的产业转型升级。2）医疗机器人布局楚天科技利用自身在水剂类制药装备的经验，加以改进，计划2015年底推出药用无菌分装机器人。在医疗机器人方面，楚天科技与国防科技大学，中南大学和华中科技大学合作。将把外骨骼机器人研究作为切入点，主要用于残疾人和老年人生活自理，起到辅助性的作用，同时该类机器人可以用于军队负重等领域，由国防科技大学负责进行列装申报。D、迪马股份(600565)迪马股份于2015年4月1日与成都电子科技大学签订产学研协议，共同合作开发外骨骼机器人。E、海思科（002653）海思科于2015年6月25日公告，参股公司Haisight将使用1,050万美元认购MST优先股174,993股，占其完全稀释基础上26.66%的股权。MST是一家位于以色列的领先的医疗器械研发公司，其主要产品为“AutoLap”，一种腹腔镜手术用图像引导腹腔镜智能定位装置，可以成为医生“自己的第三只手”。AutoLap技术全球领先，拥有医疗领域全球唯一的实时图像引导定位系统，产品已获美国食品药品监督管理局（FDA）及CE认证。MST计划在近期申请中国食品药品监督管理局（CFDA）的认证。Autolap全球市场机会超过30亿美元，预计2018年将超过50亿美元。根据相关协议，海思科将获得“AutoLap”在中国的15年独家销售代理权，有望为公司未来业绩带来显著提升。三．国外智能医疗机器人现状3.1ImperialCollegeLondon最近研究了一种新型机器人探针针对神经外科的颅骨穿孔手术。由IBM研究中心和UniversityofCalifornia研究团队开发的ROBODOC机器人系统针对骨科的全髋关节置换手术在2008年通过了FDA认证，并不断更新完善中。然而，以上提到的手术机器人的专攻市场小、设备昂贵和技术缺陷明显使他们未能在市场上受到特别关注。3.2加拿大的TitanMedical公司正在研发的SPORT系统试图以其设备小、价格低和自主研发专利等优势挑战达芬系统的霸主地位。SPORT系统瞄准了普通外科、妇科和泌尿科领域，拥有单孔设备的设计专利，采用平台灵活、占地小和成本低（低于100万美元）的策略进入市场。TitanMedical公司计划在2017年获得FDA认证并在美国销售。然后经费不足和研发耗时等因素使其没有余地应对延迟设备审批或其它紧急情况，前景有待观察。其股价已从2014年9月30日的2.19美金跌至1.34美金（2015年6月23日）。如图：四.结构简介4.1.基本结构本文设计的医疗机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。手部用来抓取刀具，由手指传力机构和驱动装置等组成。仿生机械手的手部结构一般以双指或者多指结构为基础；如果根据实现的不同任务动作要求，又被分成以下两种结构形式：外抓和内抓；如果根据仿生机械手的手部的运动形式又可以分为回转式和平移式，其中回转型又分为以下几种形式：单支点式，双支点式。在以上结构中，我们较多选用回转式的手部，这种结构能够方便的用来抓取药瓶等圆柱形医疗工具，平移型用于抓持方形医疗工具。对于医疗机械手而言，其手部需满足的条件：首先，机械手的结构能够产生强且稳定的夹持力，用来精确安全的夹持医疗器具。由于医疗器具的搬运过程中，往往会存在一定的动载荷，因此在设计校核的过程中，一定要充分考虑动载荷的波动。同时，不同重量、尺寸的医疗器具在被夹持和传送过程中所要求的基本方向、动作、精度等不相同，因此结构设计必须充分考虑各种器具的使用条件。第三，必须充分考虑医疗器具的高精度定位要求。第四，医疗机械手的尺寸结构必须满足紧凑、精巧的要求，以利于腕部和臂部的结构设计。智能仿生医疗器械手的动作机构的作用对象是医疗器具或者患者身体工，因此需要完成的不同动作都必须满足安全行要求，防止意外的发生；同时，智能仿生医疗器械手的结构、质量、尺寸等对于机械手的整体的运动学、动力学性能以及使用条件和使用范围等也有着直接、显著的影响。智能仿生医疗器械手整体动力学和运动学性能的高低，决定了机械手最终能否正常按照控制机构的指令进行工作。因此，智能仿生医疗器械手的结构设计是整体设计的最重要环节。智能仿生医疗器械手的手腕在于手和手臂之间，用于调整手的方向。要使智能仿生医疗器械手能以不同的旋转角度和方位进行动作，因此，智能仿生医疗器械手的手腕要能满足六个自由度的动作要求，即：分别独立的绕X、Y、Z轴向实现转动和平动，这样，智能仿生医疗器械手的手腕才能实现大范围角度的伸、缩、转动、平动、摆动等。智能仿生医疗器械手的臂部是运动的主要执行部件，形式决定了需要承载手部抓起器具的整体重力载荷，臂部的运动它的基本结构。臂部运动的基本作用是把机械的手部所夹持的器具送到控制机构要求的空间点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。4.2.驱动机构与控制系统驱动机构是智能仿生医疗器械手的动力来源。智能仿生医疗器械手的动力源与常规的动力源相同，主要包括液压驱动、气动、电力驱动和机械驱动等几种主要形式，近年来还发展了其它几种形式。电动机构驱动由于结构简单、尺寸紧凑、重量小、控制方便，备受设计人