概述 | 医疗机器人关键技术（一）

医疗机器人关键技术（一）-机器人基础技术

医疗机器人关键技术（二）-控制与驱动

医疗机器人关键技术（三）-人机工效学

医疗机器人关键技术（四）-遥操作

医疗机器人关键技术（五）-空间定位技术

医疗机器人关键技术（六）-多模影像处理

医疗机器人关键技术（七）-人工智能技术

医疗机器人关键技术（八）-医疗与互联网大数据

医疗机器人关键技术（九）-VR/AR技术

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机器人已经是制造业和其它重复劳动中的标准配置。并且机器人市场的需求正在转向，从过去的工业领域转向民生领域。特别是医疗、养老和教育行业，对于智能服务机器人的需求非常迫切，服务机器人在这些行业的应用将会很有市场前景。

随着我国进入老龄化，医疗、护理和康复的需求不断增加，同时由于人们对生活品质追求的提高，使得医疗不管在质上还是量上都要满足更高水准的要求。另一方面，医护人力相对缺乏，医疗及健康服务机器人具有巨大的发展潜力。而在医疗应用环境中，机器人的出色表现是需要过硬的技术来支撑的。

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医疗机器人既然叫机器人，那就离不开机器人的基础理论和关键技术，包括机器人构型设计优化技术、机器人运动学、机器人动力学、机器人驱动技术、机器人自动控制、传感器等等。

一、机器人构型优化技术

在机器人结构优化方面主要技术手段主要有以下三类:

(1) 尺寸优化。尺寸优化不是对结构形式、材料属性等做改变，而是以结构的长度、截面积等作为优化变量;

(2) 形状优化。形状优化主要是对结构的内部、外部形状进行优化设计，改变整体结构形式;

(3) 拓扑优化。拓扑优化作为一种迅速发展的新型结构优化技术，在结构的概念设计阶段就可以将结构所需要的性能作为约束变量，结合数学中的最优化理论，得到最优化的结构设计。

前两种发展较早，目前已比较成熟。拓扑优化是目前连续体结构优化的研究热点之一，是建立在力学、拓扑学和计算机技术等基础上的结构优化理论。连续体的结构拓扑优化方法包括均匀化方法、密度法、变厚度法、拓扑函数描述方法等。

二、机器人运动学

机器人运动学包括正向运动学和逆向运动学，正向运动学即给定机器人各关节变量，计算机器人末端的位置姿态；逆向运动学即已知机器人末端的位置姿态，计算机器人对应位置的全部关节变量。一般正向运动学的解是唯一和容易获得的，而逆向运动学往往有多个解而且分析更为复杂。机器人逆运动分析是运动规划控制中的重要问题，但由于机器人逆运动问题的复杂性和多样性，无法建立通用的解析算法。逆运动学问题实际上是一个非线性超越方程组的求解问题，其中包括解的存在性、唯一性及求解的方法等一系复杂问题。

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三、机器人动力学

机器人动力学是对机器人机构的力和运动之间关系与平衡进行研究的学科。机器人动力学是复杂的动力学系统，对处理物体的动态响应取决于机器人动力学模型和控制算，主要研究动力学正问题和动力学逆问题两个方面。

机器人动力学的研究是所有类型机器人发展过程中不可逾越的环节，也是形成机器人终极产品性能评价指标与重要的科学依据。以往机器人的发展已经表明，多体系统动力学是机器人研发中不可或缺的基础力学理论。随着新型传动与驱动机构以及智能与软物质材料的出现，可以预计柔性化、软性化、可变化、微型化将成为未来机器人发展的重要方向，使机器人的各种作动更接近生物体的仿生体，因此，以仿生为主要特征的刚柔耦合、柔软体和变形机器人对任务和环境的适应性强，其快速发展在一定程度上将促进机器人研究的步伐，同时，这种趋势和需求也将会使得机器人动力学和控制研究面临重大挑战。

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四、机器人传感器

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

随着智能化的程度提高，机器人传感器应用越来越多。机器人传感器有多种，从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，早已进入实用阶段，听觉也有较大进展，其它还有嗅觉、味觉、滑觉等，对应有多种传感器，所以机器人传感器也逐渐形成了一种产业化的技术。具体有以下几种：

（1）物理传感器

物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等。传感器的发展方向是多功能、有图像的、有智能的传感器。传感器测量作为数据获得的重要手段，是工业生产乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理传感器又是最普通的传感器家族，灵活运用物理传感器必然能够创造出更多的产品，更好的效益。

（2）光纤传感器

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。光纤在传感器家族中是后期之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。

（3）仿生传感器

仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。这种传感器的特点是机能高、寿命长。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。

（4）红外传感器

红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

（5）电磁传感器

电磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用。但是作为现代的传感器，为了便于信号处理，需要磁传感器能将磁信号转化成为电信号输出。应用最早的是根据电磁感应原理制造的磁电式的传感器。这种磁电式传感器曾在工业控制领域作出了杰出的贡献，但是到今天已经被以高性能磁敏感材料为主的新型磁传感器所替代。

（6）压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别压电传感器的外形是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。　压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用非常广泛。

总结

在机器人基础技术领域方面医疗机器人和传统机器人没有太大差别。但医疗机器人最大的特点是其工作过程中需要与人（医生、患者）进行大量的协同交互，因此需要依据其自身使用特性对其进行设计上的优化，如手术机器人需要考虑非结构化的手术室环境对机器人工作空间的约束，假肢外骨骼机器人需要足够灵敏度和尽量小的重量，输尿管镜机器人产生对新型软体机器人技术发展的需要，腔镜手术机器人需要尽量减小其工作范围以降低其对手术者的伤害，因此设计时要摆脱传统工业机器人的“影子”，实现轻量化、新型、精密、灵巧机器人机构构型创新设计。