馬江濤 王亞剛

摘 要：以設(shè)計醫(yī)療機器人的仿真動畫為主要研究內(nèi)容，借助SolidWorks自主設(shè)計醫(yī)療機器人實物模型，研究將SolidWorks模型導(dǎo)入3DMax的方法，模擬醫(yī)療機器人實際工作時的動作，用3DMax完成醫(yī)療機器人模型各個關(guān)節(jié)動作的制作，并進(jìn)一步按每一幀渲染成高像素的序列圖，再用Adobe Premiere將序列圖生成視頻仿真動畫。通過仿真動畫的設(shè)計，可達(dá)到非常好的宣傳效果，從而促進(jìn)國內(nèi)對醫(yī)療機器人的研究，推動機器人醫(yī)療產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療機器人；SolidWorks；3DMax；仿真動畫

DOI：10.11907/rjdk.172885

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）006-0032-03

Abstract：In order to improve the cognition of medical robots in China， the paper aims to research the simulation animation design of medical robots. SolidWorks is employed to design the mock-up of the medical robots. We propos to import the SolidWorks models into 3DMax， complete the animation of joints of medical robots with 3DMax by simulating the actual work of medical robots， and render the sequence diagram high in pixels in further according to each frame， and then use Adobe Premiere to generate the video simulation animation. Through simulation animation， we achieve very good publicity effect， which can promote the domestic study of medical robots so as to promote the rapid development of domestic medical industry.

Key Words：medical robots； SolidWorks； 3DMax； simulation animation

0 引言

如今隨著醫(yī)療技術(shù)的迅速發(fā)展，人們渴望通過外科手術(shù)治療更多疾病。由于相應(yīng)的外科手術(shù)越來越復(fù)雜，對于精度和穩(wěn)定性的要求也不斷提高，傳統(tǒng)的人工手術(shù)已經(jīng)顯得越來越吃力[1]。醫(yī)療機器人具有響應(yīng)速度快、靈活性強等優(yōu)點，而且可以實現(xiàn)對外科手術(shù)的精確控制，在一系列復(fù)雜的外科手術(shù)，特別是微創(chuàng)外科手術(shù)中應(yīng)用效果較好[2]，具有廣闊的市場前景。但相對于國外，國內(nèi)醫(yī)療機器人的發(fā)展較為落后，宣傳效果也不太理想。為了促進(jìn)國內(nèi)對于醫(yī)療機器人的研究，首先要讓更多人了解醫(yī)療機器人，所以加大醫(yī)療機器人在國內(nèi)的宣傳力度具有重要意義。相對于傳統(tǒng)文字、圖片等宣傳方式，本文設(shè)計的醫(yī)療機器人仿真動畫具有形象、直觀、逼真等優(yōu)點，是一種非常好的宣傳手段。

1 醫(yī)療機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

醫(yī)療機器人是近年來發(fā)展迅速的一種新興技術(shù)，具體應(yīng)用涉及多個領(lǐng)域[3]。在國外，許多研究機構(gòu)及企業(yè)對于醫(yī)療機器人的研究和開發(fā)起步較早。1985年，美國加州醫(yī)學(xué)中心即借用一臺具有輔助定位功能的PUMA560工業(yè)機器人完成了腦組織采樣實驗，該手術(shù)標(biāo)志著醫(yī)療機器人應(yīng)用的開端；1991年，ISS機構(gòu)研制的用于膝關(guān)節(jié)外科置換的新型主動式機器人，改變了傳統(tǒng)的機器人外科手術(shù)方式，并使用計算機編程操作機器人平臺完成手術(shù)；1994年，由美國Computer Motion公司研制的AESOP手術(shù)機器人系統(tǒng)已達(dá)到實際臨床應(yīng)用要求，是首個獲得FDA認(rèn)證的手術(shù)機器人，使手術(shù)機器人開始商業(yè)化；1999年，美國的Intuitive Surgical公司研制出新一代微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)Da Vinci，該系統(tǒng)經(jīng)過幾代的改進(jìn)，技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，該系統(tǒng)作為最先進(jìn)的臨床外科手術(shù)機器人系統(tǒng)，成為世界上第一個可以在醫(yī)院進(jìn)行手術(shù)操作的手術(shù)機器人[4]。

國內(nèi)的醫(yī)療機器人研究起步較晚，技術(shù)相對落后，但在國家的大力支持下，近年來取得了一些不錯的成果，如2000年由海軍醫(yī)院針對神經(jīng)外科手術(shù)設(shè)計的計算機輔助定位手術(shù)系統(tǒng)，以及2001年天津大學(xué)、南開大學(xué)和天津醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的“妙手”系列外科手術(shù)機器人系統(tǒng)。此外，上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研機構(gòu)均在從事醫(yī)療機器人及其系統(tǒng)的研究和開發(fā)。然而，由于國內(nèi)研發(fā)的醫(yī)療機器人系統(tǒng)尚未完全達(dá)到臨床要求，醫(yī)療機器人主要通過進(jìn)口購買，價格昂貴，手術(shù)耗材及日常維護(hù)費用也非常高，我國只有少數(shù)大型醫(yī)院有能力購置，而且對于醫(yī)生的培訓(xùn)需要到國外進(jìn)行，使國內(nèi)醫(yī)療機器人的研究和推廣受到了很大限制[4-5]。因此，需要研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)療機器人及系統(tǒng)，打破國外的技術(shù)和價格壟斷。

2 醫(yī)療機器人模型設(shè)計

本文醫(yī)療機器人的建模和裝配采用SolidWorks軟件。SolidWorks軟件是由美國SolidWorks公司開發(fā)的三維CAD軟件，自1995年問世以來， SolidWorks以其功能強大、易學(xué)易用的特點，已成為主流的三維CAD解決方案。隨著SolidWorks版本的不斷提高、性能的不斷增強、模塊的不斷豐富及功能的不斷完善，SolidWorks已完全能滿足現(xiàn)代企業(yè)機械設(shè)計的要求，并廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計制造各領(lǐng)域[6]。其主要包括以下模塊：機械零件設(shè)計、裝配體設(shè)計、動畫設(shè)計和渲染、有限元高級分析技術(shù)，功能齊全，完全可滿足對于醫(yī)療機器人的設(shè)計需求。

SolidWorks軟件具有專門的機械零件設(shè)計模塊，可根據(jù)不同零件特點選擇不同的設(shè)計方法，設(shè)計方法簡單易學(xué)[5]。SolidWorks軟件還提供裝配設(shè)計所用的各種標(biāo)準(zhǔn)零件設(shè)計庫，設(shè)計者在設(shè)計裝配模型時，可直接從設(shè)計庫中調(diào)用所需的標(biāo)準(zhǔn)零件，并可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行尺寸和形狀修改，從而節(jié)省重新設(shè)計時間[7-8]。本文設(shè)計的6自由度醫(yī)療機器人裝配體共包括109個零件，而且為了方便日后的醫(yī)療機器人在LabView中的控制和仿真，通過調(diào)整每個關(guān)節(jié)零件的原點和坐標(biāo)軸，將關(guān)節(jié)處每個零部件的坐標(biāo)軸都設(shè)計在其旋轉(zhuǎn)軸的位置。以右上方的一個肩關(guān)節(jié)零件為例，如圖1所示。

SolidWorks軟件具有專門的裝配設(shè)計模塊，模塊主要包括自底向上和自上向下的裝配方法。本文采用自底向上的裝配方法，主要由自己設(shè)計好各個零件，并按零件在裝配模型中的位置及配合要求直接裝配成符合設(shè)計意圖的設(shè)計模型。設(shè)計者可將設(shè)計好的零件運用“插入/零部件/現(xiàn)有零件/裝配體”命令，將零件插入到裝配模塊中，并添加相關(guān)配合，使零件在裝配模型中處于一個正確位置[7-9]，而且可以繞旋轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動。醫(yī)療機器人前視圖如圖2所示。

3 醫(yī)療機器人模型導(dǎo)入3DMax的方法

醫(yī)療機器人模型構(gòu)建好以后，需要將模型導(dǎo)入3DMax中，為仿真動畫設(shè)計作準(zhǔn)備。SolidWorks和3DMax兩款軟件有一個共同優(yōu)點，即支持多種文件格式，所以將SolidWorks模型導(dǎo)入3DMax中也有多種方法，經(jīng)研究總結(jié)出以下幾種常用方法：

（1）將SolidWorks文件另存為.igs文件，該文件較小，但有時會出現(xiàn)個別側(cè)面無法轉(zhuǎn)換，或?qū)牒笤黾踊騺G失圖像現(xiàn)象，特別針對復(fù)雜曲面造型，轉(zhuǎn)換誤差更大。

（2）將SolidWorks文件另存為.stl文件，該方法導(dǎo)入單體零件較為方便，但如果導(dǎo)入裝配體，則需要將零件一一導(dǎo)入，過程比較繁瑣。

（3）將SolidWorks文件另存為.wrl文件，應(yīng)用該方式需要注意在另存為文件時修改輸出版本與單位，并在單一文件中保存裝配體所有零件，從而可將裝配體中的多個零件同時導(dǎo)入3DMax中，非常方便快捷。

（4）使用插件Powe NURBS R2.71， 3DMax安裝該插件后即可直接導(dǎo)入SolidWorks文件，但有時零件會出現(xiàn)破面現(xiàn)象（此時需將出現(xiàn)破面的零件單個導(dǎo)入），而且導(dǎo)入時間通常較長[10-11]。

綜上所述，本文最終采用方法（3）。

4 醫(yī)療機器人仿真動畫設(shè)計

醫(yī)療機器人仿真動畫設(shè)計采用在動畫制作領(lǐng)域比較流行的3DMax軟件。3DMax是Autodesk公司在20世紀(jì)90年代推出的一款三維動畫創(chuàng)作工具，是目前應(yīng)用最廣泛的三維建模、動畫、渲染軟件，其功能強大，可支持多種相關(guān)軟件不同類型文件的導(dǎo)入、導(dǎo)出，并且渲染速度快，畫面質(zhì)量高，近年來逐漸在影視動畫、建筑設(shè)計、游戲設(shè)計等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12]。

采用方法（3）將模型導(dǎo)入3DMax后，不用對零件的位置、角度作任何修改，因為發(fā)現(xiàn)零件之間的裝配體位置依然保持不變，與在SolidWorks中確定的相同，無需重新定位。雖然裝配體在3DMax中的位置與SolidWorks中保持一致，裝配關(guān)系卻不復(fù)存在，即零件之間可以任意移動或旋轉(zhuǎn)。因此，需要將零件之間設(shè)立父子關(guān)系，使零件之間產(chǎn)生聯(lián)系，并且父零件在進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)、縮放變化時可帶動子零件作相應(yīng)變化，而子零件在進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)、縮放時不會影響父零件。根據(jù)需要將各個零件建立合適的父子關(guān)系，才不會因某一零件的位置變化影響整體。本次動畫設(shè)計將所有零件的最終父零件都設(shè)置在醫(yī)療機器人外殼上，優(yōu)點是當(dāng)需要移動、旋轉(zhuǎn)、縮放整個醫(yī)療機器人時，只要為外殼添加相應(yīng)動作即可，非常方便。零件之間的父子關(guān)系，可以點擊3DMax右上方的“圖解視圖”進(jìn)行查看或修改[13]。

當(dāng)模型導(dǎo)入3DMax中后，在SolidWorks中給機械臂零件關(guān)節(jié)設(shè)定的坐標(biāo)軸都已失效。為了使各個關(guān)節(jié)零件依然按照自身軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或擺動，需要對設(shè)計動畫機械臂零件的坐標(biāo)軸重新進(jìn)行設(shè)定。具體操作如下：首先修改零件的參考坐標(biāo)系，因為系統(tǒng)默認(rèn)的是導(dǎo)入模型時新建的坐標(biāo)軸；然后對每個零件的坐標(biāo)軸進(jìn)行相對移動和旋轉(zhuǎn)，在移動坐標(biāo)軸之前，需要對零件屬性進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，從而在不影響對象的情況下修改其參考坐標(biāo)軸[11-13]，為醫(yī)療機器人的仿真動畫設(shè)計作準(zhǔn)備。為了讓仿真動畫效果更加逼真，將醫(yī)療機器人的機械手臂進(jìn)行貼圖，顏色改為與金屬材質(zhì)一樣的銀色，并在場景中加入了逼真的手術(shù)病人與病床模型。在3DMax中的呈現(xiàn)效果如圖3、圖4所示，視圖中的虛線為部分軌跡線。

本文的仿真動畫設(shè)計用到了3DMax“曲線編輯器”當(dāng)中的“攝影表”，通過給每一個計劃設(shè)計的關(guān)節(jié)添加關(guān)鍵幀為其添加所需動作。規(guī)定在3DMax中30幀相當(dāng)于1s的時間，需注意關(guān)鍵幀的添加時間，務(wù)必實現(xiàn)動作的連貫性。本次仿真動畫共設(shè)計2 700多幀，約1.5min。當(dāng)所有仿真動作設(shè)計完成后，接下來需要進(jìn)行動畫渲染，也可以直接渲染生成仿真動畫，但為了保證動畫質(zhì)量，將所有動作按每幀渲染成像素最高的帶有序列號的圖片，并用第三方軟件Adobe Premiere進(jìn)一步生成.mp4或.avi格式的仿真動畫。這里有一個小技巧，因為3DMax在渲染時，不管是直接渲染成動畫，還是渲染成一張張序列圖，四周都會帶有黑色區(qū)域，影響美觀。為解決該問題，可在渲染設(shè)置里將要渲染的區(qū)域改成裁剪，然后自己裁剪出所需區(qū)域，可使渲染出的效果更好。為了更好地使用設(shè)計的仿真動畫，采用第三方軟件Adobe Premiere將動畫生成GIF動圖，如圖5所示，可在宣傳時非常方便地插入PPT中，動態(tài)地向他人展示，起到了很好的宣傳效果。

5 結(jié)語

通過充分發(fā)揮SolidWorks和3DMax兩個軟件在各自領(lǐng)域的優(yōu)點，采用SolidWorks軟件設(shè)計出具有國產(chǎn)特色的醫(yī)療機器人實物模型，并采用3DMax軟件對醫(yī)療機器人進(jìn)行渲染及仿真動畫設(shè)計，為醫(yī)療機器人的宣傳提供了一種新方法。通過仿真動畫這種直觀、動態(tài)的宣傳方式，可幫助更多人更好地了解醫(yī)療機器人的功能，從而促進(jìn)國內(nèi)醫(yī)療機器人的研究和發(fā)展。

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