张文露 王宏 雷超 王琳琳 沙洪

中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津300192

0 引 言

机器人技术不仅广泛应用于工业，而且逐步在医疗领域中崭露头角。目前，医疗机器人包括外科手术机器人、康复治疗机器人、假体和残障人士辅助机器人等[1]。其中，穿刺机器人是医疗外科机器人的分支之一，是用于微创外科手术的医疗机器人。机器人辅助穿刺手术系统主要由机械臂控制系统、成像系统、空间定位系统、工作站等组成[2]。机械臂在穿刺手术中的应用可以减少对医生经验的依赖，提高手术的精准度[3]。因为机械臂控制系统是穿刺机器人系统的重要组成部分，对其关键技术开展研究具有重要的理论与应用意义。

奇异位置是机械臂重要的运动学特性点，当处于奇异位置时，机械臂末端的运动会受到限制，导致机械臂运动失控或不能实现预定动作。为了使机械臂可以更加高效、快速地完成指定操作任务，本研究中利用D-H（Denavit-Hartenberg）法对机械臂建模，进行正、逆运动学分析和奇异位置分析，为后续的机械臂轨迹规划和控制系统设计提供理论依据。此外，设计了简易的穿刺末端执行器，编写了安装执行器后穿刺针到达目标靶点时机械臂末端位姿的计算程序及机械臂规避奇异点的程序，以实现对机械臂的自动控制，为设计机械臂辅助穿刺手术系统奠定基础。

1 仪器与方法

1.1 主要仪器

1.1.1 UR3机械臂

UR3是一种6自由度串联式机械臂，包括腰部、肩部、肘部及3个自由度的腕关节，质量为11 kg，最大负载为3 kg，工作半径为500 mm。……