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并联机器人在医疗领域中的应用

浏览：发表时间：2024-07-11 17:00:00

并联机器人因其高精度、高刚度、优良的动态性能和快速响应特性，在医疗领域中的应用日益广泛，多种并联机器人系统已经被开发并投入使用。这些机器人系统涵盖从手术辅助到康复治疗的广泛应用。

手术机器人：并联机器人在手术操作中的应用是其最显著的用途之一。它们可以进行极其精细的操作，如植入、切割或缝合，尤其在需要极高精度的微创手术中表现突出。例如，眼科微创手术、脊柱手术、关节置换手术和心脏手术等领域，机器人能够在医生的控制下进行精确操作，减少手术创伤和恢复时间。

就拿眼科微创手术来说，需要机器人驱动手术器械执行以绕虹膜刺入点为中心的三个转动自由度和通过虹膜刺入点的一个移动自由度，该中心应远离机器人本体以避免干涉。这种围绕一个远离机器人本体的固定点运动被称为远中心运动(Remote center of motion，RCM)，如图1所示，为一种分支中包含4R平行四边形闭环子链的新型RCM并联机构，分支内的闭环子链使得该机构具有很好的刚度。除此之外，KUO等提出一种四自由度运动解耦的并联RCM机构，并进行了运动学与工作空间分析。ZOPPI等提出一类四分支的并联RCM机构，并对微创手术工作空间进行了分析。YE等提出一种由固定移动副驱动的RCM机构。

图1 远中心并联机构三维简图

康复机器人：并联机器人也被广泛用于康复医疗，帮助患者进行身体功能恢复训练。比较常见的是一类踝关节康复机器人，踝关节康复机器人对于治疗患者存在的足拍地、脚趾拖地、足下垂和步态稳定性差等病理现象，降低致残率起到重要作用。康复治疗是一个漫长的过程，往往需要大量重复性的训练，这需要在康复治疗师的帮助下，以一对一的方式徒手或者使用辅助器具指导患者完成，踝关节康复机器人可以弥补传统康复治疗方法的不足，减轻了康复治疗师的压力。燕山大学研究的并联自对齐踝关节康复机器人解决了并联踝关节康复机器人存在一个共性问题，即康复机器人转动中心与人体踝关节转动中心难以实时对齐，进而出现人机运动不相容问题，导致对患者的二次伤害。他们引入“解耦”和“少分支”的条件，提出并联踝关节康复机器人的自对齐原则，共得到93种并联自对齐踝关节康复机器人机构分支运动链结构，如图2所示。

图2 并联自对齐踝关节康复机器人

远程医疗：并联机器人的高精度和良好的控制性能使其成为远程医疗的理想选择，尤其是在偏远地区或疫情隔离期间。医生可以通过远程操作并联机器人进行诊断和手术操作，从而跨越地理限制，为病人提供及时的医疗服务。并且通过遥操作的机构，一定程度可以放大直线驱动器的运动控制，从而让人手在操作机器人时候变得更加容易。

图3. 并联机器人运动的遥操作示意图

实验室自动化：在实验室自动化领域，例如药物研发和临床检验中，需要进行大量重复且精确的实验操作。并联机器人能够自动化执行诸如样本分析、液体处理等任务，提高实验效率和准确度。比如在药包自动分拣中，药包由前道工序经过输送皮带输出，进入视觉检测范围内拍照定位，并联机器人根据视觉系统检测的数据调整吸盘方向，并对药包进行抓取，并联机器人将抓取的产品再放入装盒机产品链料仓内，输送至包装线，完成一整套药包自动分拣流程。

图4.delta并联机器人用于药包自动分拣

并联机器人在医疗领域的应用正变得越来越多样化，其独特的机械结构和控制系统使其在需要高精度和高可靠性的医疗任务中显示出巨大的潜力。未来，随着技术的进一步发展，这些机器人的应用范围将会进一步扩大，对提高医疗服务质量、降低医疗成本和提升患者安全都有积极影响。

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