定制化体外超声机器人操作臂的设计与实现

我们开发了一种轮辐式机器人操纵器体外超声系统，旨在实现临床应用。使用机器人系统进行超声诊断，有望提升医学诊断水平。该操纵器由配重装置组成，采用可打印部件，避免使用塑料材质，并具备机械离合功能。

离合器与电气系统和控制逻辑相互独立。机器人超声波操作装置可供速记员使用，以降低重复性劳损的风险。该系统也可用于超声诊断。

该操纵器为超声预调节提供了充分的灵活性，可在狭小空间内实现便捷且安全的操作。该装置还可能用于操控其他医疗设备。首先，使用本文补充材料中提供的STL文件，打印出所有连杆和末端执行器，如图所示。

使用您自己的3D打印机或3D打印服务，采用ABS PLA或尼龙进行打印。同时使用尼龙打印此处所示的所有其他必要组件。根据需要清除3D打印后残留的任何支撑材料，并使用抛光工具对所有打印出的塑料部件进行抛光处理。

将20齿直齿轮安装到四个小型带齿轮步进电机上，然后将步进电机放入零号连杆的山形凹槽中，并用螺钉固定。接着，将两个外径为37毫米的轴承装入零号连杆的轴承座内。

然后将120齿A型直齿轮固定在连杆一的六角键上。接着将连杆一上的轴插入连杆零的轴孔中，确保四个小型驱动直齿轮与大型从动直齿轮啮合。然后安装轴套，以固定并限位该轴。

将20齿直齿轮安装到另外四个小型带齿轮的步进电机上。然后将步进电机放入一号连杆的安装孔中，并用螺丝固定。接着，将两个120齿B型直齿轮安装到外径为237毫米的轴承上。

将它们放入连杆一的齿轮空腔中，同时使120齿B型直齿轮与安装在电机上的20齿直齿轮啮合。如有必要，可拧下并重新拧紧电机，以便于安装两个120齿B型直齿轮。将齿轮就位后，对齐连杆一和连杆二，并将轴承和球形弹簧组件插入连杆二的离合器孔中。

将两个圆形离合器盖对齐，并推动弹簧进入离合器机构以实现预加载，然后将一个M6螺栓插入连杆一和连杆二的孔中。最后将组件旋转至另一侧，并对该侧重复步骤4.3。通过在M6螺栓上安装螺母来固定组件。

将20齿直齿轮安装到另外两个小型带齿轮的步进电机上，然后将步进电机放入二号连杆的安装腔内，并用螺钉固定。接着，将一个外径为37毫米的轴承装入120齿C型直齿轮的轴承座内。同时，将一个外径为32毫米的轴承装入三号连杆的轴承座内。

使用额外的螺钉（如有必要）将大直齿轮固定到第三连杆的六角孔中。然后，在小直齿轮与大直齿轮啮合的状态下，将第二连杆的轴插入大直齿轮和第三连杆的轴承座（Boers）中。将两个小型齿轮步进电机放入第三连杆的安装腔内，并用螺钉将其固定。

然后将外径为8毫米的轴承装入四号连杆的轴承座内。将20齿的长直齿轮安装到两个小型步进电机上。将140齿的从动锥齿轮安装到四号连杆的伸出轴上。

将18齿锥齿轮安装到两个小型带齿轮步进电机上。然后将步进电机放入四号连杆的安装孔中，并用螺钉固定。最后，在三号连杆与四号连杆对齐后，将M5轴插入三号连杆和四号连杆的轴孔中。

确保四号连杆上内置的驱动啤酒结构与具有20个齿的直齿轮相匹配。最后将末端执行器插入大锥齿轮的键槽中，然后将末端执行器垂直定位，并将末端执行器颜色标记旋紧固定。此处组装的机器人操作器具有五个特殊形状的连杆和五个旋转关节，用于移动、夹持以及对超声探头进行局部倾斜。

探头可沿轴向旋转至任意角度，可倾斜以沿任意方向跟随与水平面成0至110度之间的表面角度，并可在直径为360毫米的圆形范围内进行定位。

使用所提出的机器人超声操纵器时，仅需对剩余的全局定位机构进行微小移动，即可到达大量探头位置。此处的仿真显示了机器人在腹部模型周围的各个位置，证明其能够到达腹部两侧及顶部的多个位置。执行这些步骤时，需注意驱动装置和驱动齿轮必须正确啮合，机构才能正常工作。

通过该方案，我们可以组装一种机器人操作臂的原始设计，该设计有可能被转化为一种灵活的装置，用于握持和定位其他腹部外科设备。利用所提出的手臂装置，研究人员现在拥有一种轻量化的设备，可用于探索机器人超声技术在临床应用中的潜力，并尝试不同的自主操作模式以提高诊断效果。