烧伤创面多自由度精密激光切痂系统

工程科学学报，第41卷，第6期：809-816,2019年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.6:809-816,June 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.013:http://journals.ustb.edu.cn 烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 王光建2)四，黄剑2》，任品旭》，何亮亮)，唐瑞欢) 1)重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆4000442)重庆大学汽车工程学院，重庆400044 3)卡内基梅隆大学梅隆科学院，匹兹堡152174)重庆大学机械工程学院，重庆400044 5)中国石油川庆钻探有限公司井下作业公司，成都610000 ☒通信作者，E-mail:jwang@cqu.cdu.cm 摘要针对复杂空间创面法向自动聚焦和切痂的关键技术问题，提出了一套由5自由度运动平台和2自由度激光光路控制 机构组成的激光切痂控制系统.对激光切痂并联机构进行运动学逆解分析，推导了运动平台和激光光路控制机构的位置对应 关系.结合所推导的位置对应关系和复杂创面轮廓三维扫描结果，该系统可实现激光轨迹的自动规划，从而完成激光自动切 痂。基于所提出的激光切痂系统，进行了激光切痂实验研究，实验测试结果表明：该激光切痂系统能很好完成人体手部区域的 三维轮廓扫描与重建，并自动规划激光焦点光斑运动轨迹并切痂 关键词烧伤创面：激光切痂：三维扫描：串并联机构：运动学分析 分类号TH132.4 Precision multi-degree-of-freedom laser therapy system for excision of eschar over burn wound WANG Guangjian,HUANG Jian),REN Pin-u,HE Liang-iang,TANG Rui-huan 1)State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing 400044,China 2)School of Automotive Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China 3)Mellon College of Science,Carnegie Mellon University,Pittsburgh 15217,America 4)College of Mechanical Engineering,Chongging University,Chongqing 400044,China 5)Downhole Operation Company,China Petroleum Chuanqing Drilling Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China Corresponding auther,E-mail:giwang@cqu.edu.cn ABSTRACT Early escharotomy in cases of severely burned patients can reduce infection and shorten the course of treatment.From the treatment effect,the quality of escharotomy operation is critical to the postoperative recovery of bum patients.However,the tradi- tional burn wound escharotomy surgery easily causes bleeding as well as other related complications.Applying high-energy laser cutting can effectively reduce bleeding.Moreover,its treatment cycle is short,and it is highly precise,less prone to related complications, and leads to fast postoperative recovery.Considering that the mechatronics of medical equipment can greatly improve the treatment effect and combining the multi-degree-of-freedom motion platform with laser cutting is more convenient,accurate,and effective,this paper focuses on the key technical issues of normal automatic focusing and cutting in complex space wounds.Considering the advanta- ges of multi-degree-of-freedom motion platform,a set of laser escharotomy control system composed of five-degrees-of -freedom motion platform and two-degrees-of-freedom laser optical path control mechanism was proposed.The degree of freedom of the parallel mecha- nism was analyzed and coordinate system of the whole mechanism was established.Second,inverse kinematic analysis of the laser es- char cutting parallel mechanism was carried out.Last,the position correspondence between the motion platform and the laser light path control mechanism was derived.The system could realize automatic planning of the laser trajectory and complete the automatic laser cutting by combining the derived corresponding position and the 3D scanning result of the complex wound contour.Based on the pro- 收稿日期：201804-19 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275538)

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期: 809--816，2019 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 6: 809--816，June 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 06． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 王光建1，2) ，黄 剑1，2) ，任品旭3) ，何亮亮1，4) ，唐瑞欢5) 1) 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044 2) 重庆大学汽车工程学院，重庆 400044 3) 卡内基梅隆大学梅隆科学院，匹兹堡 15217 4) 重庆大学机械工程学院，重庆 400044 5) 中国石油川庆钻探有限公司井下作业公司，成都 610000 通信作者，E-mail: gjwang@ cqu． edu． cn 摘 要 针对复杂空间创面法向自动聚焦和切痂的关键技术问题，提出了一套由 5 自由度运动平台和 2 自由度激光光路控制 机构组成的激光切痂控制系统． 对激光切痂并联机构进行运动学逆解分析，推导了运动平台和激光光路控制机构的位置对应 关系． 结合所推导的位置对应关系和复杂创面轮廓三维扫描结果，该系统可实现激光轨迹的自动规划，从而完成激光自动切 痂． 基于所提出的激光切痂系统，进行了激光切痂实验研究，实验测试结果表明: 该激光切痂系统能很好完成人体手部区域的 三维轮廓扫描与重建，并自动规划激光焦点光斑运动轨迹并切痂． 关键词 烧伤创面; 激光切痂; 三维扫描; 串并联机构; 运动学分析 分类号 TH132. 4 收稿日期: 2018--04--19 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51275538) Precision multi-degree-of-freedom laser therapy system for excision of eschar over burn wound WANG Guang-jian1，2)  ，HUANG Jian1，2) ，ＲEN Pin-xu3) ，HE Liang-liang1，4) ，TANG Ｒui-huan5) 1) State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，China 2) School of Automotive Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China 3) Mellon College of Science，Carnegie Mellon University，Pittsburgh 15217，America 4) College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China 5) Downhole Operation Company，China Petroleum Chuanqing Drilling Co． ，Ltd． ，Chengdu 610000，China Corresponding auther，E-mail: gjwang@ cqu． edu． cn ABSTＲACT Early escharotomy in cases of severely burned patients can reduce infection and shorten the course of treatment． From the treatment effect，the quality of escharotomy operation is critical to the postoperative recovery of burn patients． However，the tradi￾tional burn wound escharotomy surgery easily causes bleeding as well as other related complications． Applying high-energy laser cutting can effectively reduce bleeding． Moreover，its treatment cycle is short，and it is highly precise，less prone to related complications， and leads to fast postoperative recovery． Considering that the mechatronics of medical equipment can greatly improve the treatment effect and combining the multi-degree-of-freedom motion platform with laser cutting is more convenient，accurate，and effective，this paper focuses on the key technical issues of normal automatic focusing and cutting in complex space wounds． Considering the advanta￾ges of multi-degree-of-freedom motion platform，a set of laser escharotomy control system composed of five-degrees-of-freedom motion platform and two-degrees-of-freedom laser optical path control mechanism was proposed． The degree of freedom of the parallel mecha￾nism was analyzed and coordinate system of the whole mechanism was established． Second，inverse kinematic analysis of the laser es￾char cutting parallel mechanism was carried out． Last，the position correspondence between the motion platform and the laser light path control mechanism was derived． The system could realize automatic planning of the laser trajectory and complete the automatic laser cutting by combining the derived corresponding position and the 3D scanning result of the complex wound contour． Based on the pro-

·810 工程科学学报，第41卷，第6期 posed laser cutting system,an eschar cutting experiment was carried out,and the experimental test results show that the laser escharot- omy system can complete the 3D contour scanning and reconstruction of the human hand region well,and it can also automatically plan the laser focus spot motion track and complete the escharotomy. KEY WORDS burn wound;excision of eschar by laser:3D scanning:serial-parallel mechanism:kinematics analysis 对于严重烧伤的病人，早期进行切痴治疗，能够 1系统工作原理 很大程度减少感染，缩短疗程.传统切痂治疗通常 以手术方式进行，易导致较大出血量和相关并发症. 该系统分为三维扫描机构、光路控制机构和5 通过高能量激光进行切痂治疗可有效减少出血量， 自由度运动平台三个部分，总体结构方案如图1所示. 具有治疗周期短、精度高、并发症少和术后易恢复等 光路控制机构 优点，改善了对烧伤病人的治疗效果·-习 激光器 激光切割技术兴起于20世纪70年代，1960 光谱相机 年，美国休斯研究所的Maiman博士研制出世界上 第一台激光器同；1961年，眼科手术上首次将红宝 三维扫描组件 石激光器用于视网膜凝固术面.此后，激光技术逐 5自由度平台 步应用于医学各领域.1971年，Stella首次将C02激 光刀应用于猪的烧伤焦痂切除，开始了激光在烧伤 外科上的应用田.1973年，激光被用于烧伤病人的 切痂，收到良好效果.1977年，上海瑞金医院烧伤科 图1激光切痂系统总体方案设计模型图 开始将激光应用于临床，证实了用C02激光能很好 Fig.1 Overall design model of laser escharotomy system 切除烧伤焦痂.近年来，由于激光的诸多优点，临床 其工作原理如图2所示，三维扫描机构对烧伤 医生也越来越重视激光在烧伤外科上面的应用 创面轮廓进行扫描，经数据处理后重建三维轮廓 多自由度运动系统是近年研究的热点，国内外 在此基础上，实现激光焦点移动轨迹的自动规划和 专家、学者在该方面进行了许多研究6匀.胡桐 坐标信息输出.光路控制机构实现光路的聚焦和光 等@在2维直角坐标数控工作台的基础上，设计了 路偏角的调整，5自由度运动平台可实现平台沿X 一种5自由度组合式机器人平台，并进行了空心汉 轴、Y轴和Z轴的移动和绕X轴、绕Y轴的转动.光 字书写和物体三维轮廓扫描实验，为开放式多轴机 路控制机构和5自由度运动平台之间通过激光测距 器人平台设计提供了重要参考.陈修龙等研究 仪连接，共同完成切痂功能，并保证激光焦点始终处于 分析了5自由度空间并联机构的定平台和动平台上 烧伤创面切痂治疗区域且激光垂直照射于烧伤创面. 铰链点分布对平方平均灵巧度系数的影响规律，并 激光器一→发出激光 对此进行优化设计，运动学性能得到较大改善。刘 文红等☒通过三维软件进行5自由度混联机器人 三维扫描组件+创面三维扫描与重建 的样机模型设计并对机器人的逆运动学进行了详细 分析，为串并联的研究提供了参考.侯超圆采用牛 光路控制机构门 自动切 激光法向垂直于 顿一欧拉法推导出5自由度机器人模型的逆动力学 创面：激光自动聚焦 5自由度运动平台一 方程，并借助MATLAB软件进行了动力学仿真. 本文结合复杂空间创面切痂实际需求，提出了 PC+运动控制卡一·多轴运动控制 一种7自由度激光切痂系统，分别对5自由度运动 图2激光治疗系统工作原理框图 平台和2自由度激光光路控制机构进行总体方案设 Fig.2 Block diagram of laser treatment system working principle 计，完成了相关运动和控制部件选型.运用运动学 逆向求解法，建立了烧伤创面三维扫描虚拟坐标与 2 运动平台设计与运动学分析 激光光路和治疗运动平台绝对参考坐标之间的对应 关系.基于该对应关系，完成了激光光路控制机构 2.15自由度运动平台设计 和治疗平台的运动轨迹规划和运动控制程序的编 为保证激光切痂治疗效果，在切痂过程中，要使 制，实现了复杂烧伤创面的激光切痂功能 激光始终垂直照射于人体烧伤创面，以提高其功率

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 posed laser cutting system，an eschar cutting experiment was carried out，and the experimental test results show that the laser escharot￾omy system can complete the 3D contour scanning and reconstruction of the human hand region well，and it can also automatically plan the laser focus spot motion track and complete the escharotomy． KEY WOＲDS burn wound; excision of eschar by laser; 3D scanning; serial-parallel mechanism; kinematics analysis 对于严重烧伤的病人，早期进行切痂治疗，能够 很大程度减少感染，缩短疗程． 传统切痂治疗通常 以手术方式进行，易导致较大出血量和相关并发症． 通过高能量激光进行切痂治疗可有效减少出血量， 具有治疗周期短、精度高、并发症少和术后易恢复等 优点，改善了对烧伤病人的治疗效果［1--2］． 激光切割技术兴起于 20 世 纪 70 年 代，1960 年，美国休斯研究所的 Maiman 博士研制出世界上 第一台激光器［3］; 1961 年，眼科手术上首次将红宝 石激光器用于视网膜凝固术［4］． 此后，激光技术逐 步应用于医学各领域． 1971 年，Stella 首次将 CO2激 光刀应用于猪的烧伤焦痂切除，开始了激光在烧伤 外科上的应用［5］． 1973 年，激光被用于烧伤病人的 切痂，收到良好效果． 1977 年，上海瑞金医院烧伤科 开始将激光应用于临床，证实了用 CO2激光能很好 切除烧伤焦痂． 近年来，由于激光的诸多优点，临床 医生也越来越重视激光在烧伤外科上面的应用． 多自由度运动系统是近年研究的热点，国内外 专家、学者在该方面进行了许多研究［6--9］． 胡 桐 等［10］在 2 维直角坐标数控工作台的基础上，设计了 一种 5 自由度组合式机器人平台，并进行了空心汉 字书写和物体三维轮廓扫描实验，为开放式多轴机 器人平台设计提供了重要参考． 陈修龙等［11］研究 分析了 5 自由度空间并联机构的定平台和动平台上 铰链点分布对平方平均灵巧度系数的影响规律，并 对此进行优化设计，运动学性能得到较大改善． 刘 文红等［12］通过三维软件进行 5 自由度混联机器人 的样机模型设计并对机器人的逆运动学进行了详细 分析，为串并联的研究提供了参考． 侯超［13］采用牛 顿--欧拉法推导出 5 自由度机器人模型的逆动力学 方程，并借助 MATLAB 软件进行了动力学仿真． 本文结合复杂空间创面切痂实际需求，提出了 一种 7 自由度激光切痂系统，分别对 5 自由度运动 平台和 2 自由度激光光路控制机构进行总体方案设 计，完成了相关运动和控制部件选型． 运用运动学 逆向求解法，建立了烧伤创面三维扫描虚拟坐标与 激光光路和治疗运动平台绝对参考坐标之间的对应 关系． 基于该对应关系，完成了激光光路控制机构 和治疗平台的运动轨迹规划和运动控制程序的编 制，实现了复杂烧伤创面的激光切痂功能． 1 系统工作原理 该系统分为三维扫描机构、光路控制机构和 5 自由度运动平台三个部分，总体结构方案如图1 所示． 图 1 激光切痂系统总体方案设计模型图 Fig． 1 Overall design model of laser escharotomy system 其工作原理如图 2 所示，三维扫描机构对烧伤 创面轮廓进行扫描，经数据处理后重建三维轮廓． 在此基础上，实现激光焦点移动轨迹的自动规划和 坐标信息输出． 光路控制机构实现光路的聚焦和光 路偏角的调整，5 自由度运动平台可实现平台沿 X 轴、Y 轴和 Z 轴的移动和绕 X 轴、绕 Y 轴的转动． 光 路控制机构和 5 自由度运动平台之间通过激光测距 仪连接，共同完成切痂功能，并保证激光焦点始终处于 烧伤创面切痂治疗区域且激光垂直照射于烧伤创面． 图 2 激光治疗系统工作原理框图 Fig． 2 Block diagram of laser treatment system working principle 2 运动平台设计与运动学分析 2. 1 5 自由度运动平台设计 为保证激光切痂治疗效果，在切痂过程中，要使 激光始终垂直照射于人体烧伤创面，以提高其功率 · 018 ·

王光建等：烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 811· 密度.由于人体烧伤创面凹凸不平，所以在切痂时 行研究的前提的.裴鑫浩和徐志鹏运用3-RPS 需要随时调整人体创面的位置及姿态，保证激光能 并联机构正解几何算法对串并联混合5自由度运动 垂直照射烧伤创面区域 平台进行了位置分析，并进行了测试.本文通过运 本激光切痂系统通过5自由度运动平台对切痂 动学逆向解法，对并联机构进行位置解析，最终通过 过程中人体烧伤创面的位置和姿态进行控制.根据 MATLAB绘制其位置关系曲线图. 激光切痂系统总体设计要求，确定5自由度运动平 选取绝对坐标系和动坐标系进行坐标系建立， 台的设计指标如表1所示. 如图4所示. 表15自由度运动平台设计指标 21 Table 1 Design indexes of five-degrees-of-freedom-motion platform 参数 指标值 运动平台承载能力/kg 500 动平台 虎克铰 X轴最大位移/mm ±250 Y轴最大位移/mm ±250 Z轴最大位移/mm ±210 中饺链副 俯仰角：±30： 最大角度/() 侧翻角：±20 山移动副 运行线速度/(mm"sl) 0.1-20 F 最大角加速度/(ads2) ±T/6 最大线加速度/(mms2) ±30 0 定平台 根据5自由度运动平台设计指标，该激光切痂 D 系统中的多自由度运动平台最终选择了2自由度串 图4并联机构坐标系 Fig.4 Coordinate system of parallel mechanism 联机构和3自由度并联机构方案，组成了5自由度 混联机构.由空间机构学理论，整个运动平台共 为方便计算与坐标变换，绝对坐标系以系统初 5个自由度，包括沿X轴、Y轴、Z轴的移动和绕X 始状态时，与动平台相连的三个虎克铰转动中心所 轴、Y轴的转动，与激光光路控制机构共同完成7自 在平面为坐标系的OY平面，Z轴为支撑立柱轴 由度运动控制. 线，铰链中心点A位于X轴线上，铰链中心B点、C 根据运动平台的设计指标与设计方案，对5自 点连线与Y轴平行，动坐标系与动平台固定在一 由度运动平台进行了结构设计与三维建模，其结构 起。初始状态时，绝对坐标系与动坐标系重合.与 示意图如图3所示 定平台相连的4个虎克铰转动中心分别定义为D、 动平台 E、F.并联机构的初始状态与尺寸参数如图5所示 ,虎克饺 各点初始状态坐标值分别为：A(L1,0,0,1)、B 串联 (-1,-2,0,1)、C(-1,2,0,1)、D(l1,0,-H, 3自由度平台 电动缸 动平台 电动缸1 支撑立柱 电动缸 电动缸2 串联 2自由度平台 电动缸3 铰链副 导轨滑块 一支撑立柱 X轴电机联轴器丝杆摞母轴电机 图35自由度运动平台示意图 Fig.3 Schematic diagram of five-degrees-of-freedom-motion platform 2.2运动平台运动学分析 E F -定平台 D 0 机构位置分析是运动平台运动学分析的基础， 图5并联机构初始状态图 是后面对机构运动空间、速度、加速度和动力学等进 Fig.5 Initial state diagram of parallel mechanism

王光建等: 烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 密度． 由于人体烧伤创面凹凸不平，所以在切痂时 需要随时调整人体创面的位置及姿态，保证激光能 垂直照射烧伤创面区域． 本激光切痂系统通过 5 自由度运动平台对切痂 过程中人体烧伤创面的位置和姿态进行控制． 根据 激光切痂系统总体设计要求，确定 5 自由度运动平 台的设计指标如表 1 所示． 表 1 5 自由度运动平台设计指标 Table 1 Design indexes of five-degrees-of-freedom-motion platform 参数 指标值 运动平台承载能力/ kg 500 X 轴最大位移/mm ± 250 Y 轴最大位移/mm ± 250 Z 轴最大位移/mm ± 210 最大角度/( °) 俯仰角: ± 30; 侧翻角: ± 20 运行线速度/( mm·s － 1 ) 0. 1 ～ 20 最大角加速度/( rad·s － 2 ) ± π/6 最大线加速度/( mm·s － 2 ) ± 30 根据 5 自由度运动平台设计指标，该激光切痂 系统中的多自由度运动平台最终选择了 2 自由度串 联机构和 3 自由度并联机构方案，组成了 5 自由度 混联机构． 由空间机构学理论［14］，整个运动平台共 5 个自由度，包括沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的移动和绕 X 轴、Y 轴的转动，与激光光路控制机构共同完成 7 自 由度运动控制． 根据运动平台的设计指标与设计方案，对 5 自 由度运动平台进行了结构设计与三维建模，其结构 示意图如图 3 所示． 图 3 5 自由度运动平台示意图 Fig． 3 Schematic diagram of five-degrees-of-freedom-motion platform 2. 2 运动平台运动学分析 机构位置分析是运动平台运动学分析的基础， 是后面对机构运动空间、速度、加速度和动力学等进 行研究的前提［15］． 裴鑫浩和徐志鹏［16］运用 3--ＲPS 并联机构正解几何算法对串并联混合 5 自由度运动 平台进行了位置分析，并进行了测试． 本文通过运 动学逆向解法，对并联机构进行位置解析，最终通过 MATLAB 绘制其位置关系曲线图． 选取绝对坐标系和动坐标系进行坐标系建立， 如图 4 所示． 图 4 并联机构坐标系 Fig． 4 Coordinate system of parallel mechanism 图 5 并联机构初始状态图 Fig． 5 Initial state diagram of parallel mechanism 为方便计算与坐标变换，绝对坐标系以系统初 始状态时，与动平台相连的三个虎克铰转动中心所 在平面为坐标系的 OXY 平面，Z 轴为支撑立柱轴 线，铰链中心点 A 位于 X 轴线上，铰链中心 B 点、C 点连线与 Y 轴平行，动坐标系与动平台固定在一 起． 初始状态时，绝对坐标系与动坐标系重合． 与 定平台相连的 4 个虎克铰转动中心分别定义为 D、 E、F． 并联机构的初始状态与尺寸参数如图 5 所示． 各点初始状态坐标值分别为: A( l1，0，0，1) 、B ( － l1，－ l2，0，1) 、C( － l1，l2，0，1) 、D( l1，0，－ H， · 118 ·

·812 工程科学学报，第41卷，第6期 1)、E(-l,-2,-H,1)、F(-41,2,-H,1)、0 态.经坐标变换后，各点坐标变为：A‘=A·M、B‘= (0,0,0,1)、01(0,0,-H,1).对任意输出状态，均 B-M、C'=C·M. 可分解为绕X轴、Y轴的转动和沿Z轴移动3个过 经计算，各点坐标值分别为： 程，以下对3个过程分别进行分析. A(L,R4,0,-l1R3+m,1): 设输出机构先绕X轴旋转一定角度α（逆时针 B(-l1R4-2R1R3,-2R2,l1R3-2RR4+m,1); 为正，顺时针为负)，α的范围为±30°：然后绕Y轴 C(-l1R4+l2R1R3,l2R2,l1R3+l2R1R4+m,1). 旋转一定角度B(逆时针为正，顺时针为负)，B的范 其中，R1=sina,R2=cosa,R3=sinB,R4=cosB. 围为±20°.最后，沿Z轴移动一定距离达到最终状 求得三个电动缸的位移变量分别为： r△L=Ai-1Ai1=√/，R-)2+(-4,R+m+)-H △L2=B它1-1B1=√(-4R,-R,R3+l)2+（-2R+2)2+(4,R-,R,R+m+HD-H(1) AL =ICFI-ICFI=(-hR,+hR R3+h)+(R2 -1)+(hR;+hR,R+m+-H 通过计算得到各点的坐标值，进而求到3个电 个电动缸的速度反解关系曲线如下： 动缸的位置变量，最终对位移结果进行微分求得3 ,0-d(AL2_d(R-4)+(-4K+m+m-Hm dt dt 2(t)= d(AL)d(√(-R-2RR,+4)2+(-l2R2+l2)2+(1R3-l2R,R4+m+HD)2-H) (2) d dt 5(0=d〔）_(/-4R+4R民+)产+GR=)+R+4R,R+m+m-m dt 式中，△L:为电动缸i输出位移，m为沿Z轴移动距 组输出位移与之对应.将实际平台尺寸参数H= 离，t为电动缸移动运行时间. 847,L1=322.5,l2=129代入3个电动缸的位移公式 由以上公式知，当该机构输出位置和结构参数 中，令m=0,用MATLAB求解得到输出转角与电动 确定时，机构输入参数也是确定的，并且有且只有一 缸输入位移间的关系曲线，如图6所示 (a) (b) 300 200 200 100 100 0 30 100 100 30 绕X轴转动角度，ce 200 0 20 10 -1 -300 240 010-20 绕y轴转动角度.趴 2 -303 00.0n” 绕轴转动角度，B 绕X轴转动角度，a) 300 200 100 -100 -200 40 -30 3020100-1020 020 绕轴转动角度.) -20 -30-4 绕X轴转动角度，a) 图6电动缸位移反解关系图.(a)电动缸1；(b)电动缸2：(c)电动缸3 Fig.6 Inverse solution diagram of electric cylinder displacement:(a)electric cylinder 1;(b)electric cylinder 2:(c)electric cylinder 3

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 1) 、E( － l1， － l2，－ H，1) 、F( － l1，l2，－ H，1) 、O ( 0，0，0，1) 、O1 ( 0，0，－ H，1) ． 对任意输出状态，均 可分解为绕 X 轴、Y 轴的转动和沿 Z 轴移动 3 个过 程，以下对 3 个过程分别进行分析． 设输出机构先绕 X 轴旋转一定角度 α( 逆时针 为正，顺时针为负) ，α 的范围为 ± 30°; 然后绕 Y 轴 旋转一定角度 β( 逆时针为正，顺时针为负) ，β 的范 围为 ± 20°． 最后，沿 Z 轴移动一定距离达到最终状 态． 经坐标变换后，各点坐标变为: A' = A·M、B' = B·M、C' = C·M． 经计算，各点坐标值分别为: A'( l1Ｒ4，0，－ l1Ｒ3 + m，1) ; B'( － l1Ｒ4 － l2Ｒ1Ｒ3，－ l2Ｒ2，l1Ｒ3 － l2Ｒ1Ｒ4 + m，1) ; C'( － l1Ｒ4 + l2Ｒ1Ｒ3，l2Ｒ2，l1Ｒ3 + l2Ｒ1Ｒ4 + m，1) ． 其中，Ｒ1 = sinα，Ｒ2 = cosα，Ｒ3 = sinβ，Ｒ4 = cosβ． 求得三个电动缸的位移变量分别为: ΔL1 = | →A'D| － | →AD| = ( l1Ｒ4 － l1 ) 2 + ( － l 槡 1Ｒ3 + m + H) 2 － H ΔL2 = | →B'E | － | →BE | = ( － l1Ｒ4 － l2Ｒ1Ｒ3 + l1 ) 2 + ( － l2Ｒ2 + l2 ) 2 + ( l1Ｒ3 － l 槡 2Ｒ1Ｒ4 + m + H) 2 － H ΔL3 = | →C'F | － | →CF | = ( － l1Ｒ4 + l2Ｒ1Ｒ3 + l1 ) 2 + ( l2Ｒ2 － l2 ) 2 + ( l1Ｒ3 + l 槡 2Ｒ1Ｒ4 + m + H) 2 － { H ( 1) 通过计算得到各点的坐标值，进而求到 3 个电 动缸的位置变量，最终对位移结果进行微分求得 3 个电动缸的速度反解关系曲线如下: v1 ( t) = d( ΔL1 ) dt = d( ( l1Ｒ4 － l1 ) 2 + ( － l 槡 1Ｒ3 + m + H) 2 － H) dt v2 ( t) = d( ΔL2 ) dt = d( ( － l1Ｒ4 － l2Ｒ1Ｒ3 + l1 ) 2 + ( － l2Ｒ2 + l2 ) 2 + ( l1Ｒ3 － l 槡 2Ｒ1Ｒ4 + m + H) 2 － H) dt v3 ( t) = d( ΔL3 ) dt = d( ( － l1Ｒ4 + l2Ｒ1Ｒ3 + l1 ) 2 + ( l2Ｒ2 － l2 ) 2 + ( l1Ｒ3 + l 槡 2Ｒ1Ｒ4 + m + H) 2 － H) d          t ( 2) 图 6 电动缸位移反解关系图． ( a) 电动缸 1; ( b) 电动缸 2; ( c) 电动缸 3 Fig． 6 Inverse solution diagram of electric cylinder displacement: ( a) electric cylinder 1; ( b) electric cylinder 2; ( c) electric cylinder 3 式中，ΔLi 为电动缸 i 输出位移，m 为沿 Z 轴移动距 离，t 为电动缸移动运行时间． 由以上公式知，当该机构输出位置和结构参数 确定时，机构输入参数也是确定的，并且有且只有一 组输出位移与之对应． 将实际平台尺寸参数 H = 847，l1 = 322. 5，l2 = 129 代入 3 个电动缸的位移公式 中，令 m = 0，用 MATLAB 求解得到输出转角与电动 缸输入位移间的关系曲线，如图 6 所示． · 218 ·

王光建等：烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 ·813· 2.3激光切痂控制系统设计 心连线为X轴.光路坐标系原点为透镜电机轴与光 采用DMC5800运动控制卡提供的位置一速度一 路轴交点，电机轴为Y轴，Z轴竖直向上 时间(position-velocity-time,PVT)运动函数对运动平 在动平台的上表面取一标定点R,激光位移传 台进行控制，完成激光切痂系统的治疗工作过程. 感器测距零点定义为点S,激光光路焦点定义为T, 因此，系统工作时，需确定各点的坐标、速度及时间， ST间相对位置关系固定 并换算成相应的脉冲值 设R点的初始绝对坐标为(X,Yo,Z。),沿X 光路控制机构的结构模型图如图7所示.激光 轴、Y轴、Z轴移动.用激光位移传感器测得S间 器固定在台架上，通过调节激光反射镜的角度来控 距离，移动距离记为(X,YR,ZoR),测得距离即为 制激光焦点的位置，从而实现光路的角度调整，即对 Zs,则S点的绝对坐标值为(X。+Xk,Y。+YR, 于光路来说存在一个旋转的自由度.经三维扫描重 Z。+ZoR+ZoRs）. 建模型后，由医生根据实际情况判断切痂区域，用鼠 S点和T点在光路坐标系中相对位置关系为： 标在模型中沿边缘圈出切区域，实现对切痂区域 ST=(XsT,Yst,Zs)=(X,Y,Z)-(Xs,Ys,Zs) 的定位.激光路径的规划为：将切痂区域切出后，程 (3) 序将自动生成一组间距较小的平行平面，平面组与 光路坐标系和绝对坐标系的三个坐标轴分别平 该切痂区域相交形成一组平行交线，在这些交线上 行，可求得T点的坐标为： 每隔一段距离取一个点，组成激光焦点的运动轨迹 (X。+Xas+Xr,Y。+Yas+Ysr,Zo+Zas+Zs) 点，这些点的连线形成切痂的路径 (4) 激光通光孔激光仪 激光反射镜 设激光的方向向量坐标为：(u1,心，0）=(0， 反射镜电机 0,1) 透镜电机 2.3.2轮廓表面点坐标转换及法向量转换 聚焦凸透镜 为实现烧伤创面在坐标系中的重构，需要对烧 激光测距仪 伤创面进行三维轮廓扫描，得到曲面数据点坐标 为得到精确的扫描结果，在扫描前要对三维扫描仪 进行标定.通过标定，三维扫描仪产生一个虚拟坐 标系，扫描重建的点集坐标都是虚拟坐标系中的坐 图7光路控制机构模型图 标.因此，要将虚拟坐标系中的点集坐标转换为绝 Fig.7 Optical path control mechanism model diagram 对坐标系中的坐标. 虚拟坐标系与绝对坐标系的转换关系如图9所 2.3.1光路焦点及激光方向向量坐标推导 示，图中任意一点(a,b,c)通过一次平移变换和一 如图8所示，定义动平台初始状态时的旋转中 次旋转变换使虚拟坐标系与绝对坐标系重合 心为绝对坐标系原点，OY面为动平台四个铰链中 ▲Z.Z 心所在平面，中心较链与单个电动缸一侧的铰链中 Y.Y 图9虚拟坐标系与绝对坐标系转换示意图 Fig.9 Schematic diagram of virtual coordinate system and absolute coordinate system 虚拟坐标系与绝对坐标系的旋转矩阵为： 0 0 sin 45 M= sin 45 0 0 (5) 图8激光治疗仪坐标系 0 -1 0 Fig.8 Coordinate system of laser therapeutic instrument 设虚拟坐标系中的坐标原点为(a,b,c),因此：

王光建等: 烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 2. 3 激光切痂控制系统设计 采用 DMC5800 运动控制卡提供的位置--速度-- 时间( position-velocity-time，PVT) 运动函数对运动平 台进行控制，完成激光切痂系统的治疗工作过程． 因此，系统工作时，需确定各点的坐标、速度及时间， 并换算成相应的脉冲值． 光路控制机构的结构模型图如图 7 所示． 激光 器固定在台架上，通过调节激光反射镜的角度来控 制激光焦点的位置，从而实现光路的角度调整，即对 于光路来说存在一个旋转的自由度． 经三维扫描重 建模型后，由医生根据实际情况判断切痂区域，用鼠 标在模型中沿边缘圈出切痂区域，实现对切痂区域 的定位． 激光路径的规划为: 将切痂区域切出后，程 序将自动生成一组间距较小的平行平面，平面组与 该切痂区域相交形成一组平行交线，在这些交线上 每隔一段距离取一个点，组成激光焦点的运动轨迹 点，这些点的连线形成切痂的路径． 图 7 光路控制机构模型图 Fig． 7 Optical path control mechanism model diagram 图 8 激光治疗仪坐标系 Fig． 8 Coordinate system of laser therapeutic instrument 2. 3. 1 光路焦点及激光方向向量坐标推导 如图 8 所示，定义动平台初始状态时的旋转中 心为绝对坐标系原点，OXY 面为动平台四个铰链中 心所在平面，中心铰链与单个电动缸一侧的铰链中 心连线为 X 轴． 光路坐标系原点为透镜电机轴与光 路轴交点，电机轴为 Y 轴，Z 轴竖直向上． 在动平台的上表面取一标定点 Ｒ，激光位移传 感器测距零点定义为点 S，激光光路焦点定义为 T， ST 间相对位置关系固定． 设 Ｒ 点的初始绝对坐标为( X0，Y0，Z0 ) ，沿 X 轴、Y 轴、Z 轴移动． 用激光位移传感器测得 ＲS 间 距离，移动距离记为( X0Ｒ，Y0Ｒ，Z0Ｒ ) ，测得距离即为 ZＲS，则 S 点的绝对坐标值为( X0 + X0Ｒ，Y0 + Y0Ｒ， Z0 + Z0Ｒ + Z0ＲS ) ． S 点和 T 点在光路坐标系中相对位置关系为: →ST = ( XST，YST，ZST ) = ( XT，YT，ZT ) － ( XS，YS，ZS ) ( 3) 光路坐标系和绝对坐标系的三个坐标轴分别平 行，可求得 T 点的坐标为: ( X0 + X0S + XST，Y0 + Y0S + YST，Z0 + Z0S + ZST ) ( 4) 设激光的方向向量坐标为: ( uL，vL，wL ) = ( 0， 0，1) ． 2. 3. 2 轮廓表面点坐标转换及法向量转换 为实现烧伤创面在坐标系中的重构，需要对烧 伤创面进行三维轮廓扫描，得到曲面数据点坐标． 为得到精确的扫描结果，在扫描前要对三维扫描仪 进行标定． 通过标定，三维扫描仪产生一个虚拟坐 标系，扫描重建的点集坐标都是虚拟坐标系中的坐 标． 因此，要将虚拟坐标系中的点集坐标转换为绝 对坐标系中的坐标． 虚拟坐标系与绝对坐标系的转换关系如图 9 所 示，图中任意一点( a，b，c) 通过一次平移变换和一 次旋转变换使虚拟坐标系与绝对坐标系重合． 图 9 虚拟坐标系与绝对坐标系转换示意图 Fig． 9 Schematic diagram of virtual coordinate system and absolute coordinate system 虚拟坐标系与绝对坐标系的旋转矩阵为: M = 0 0 sin 45 sin 45 0 0        0 － 1 0  ( 5) 设虚拟坐标系中的坐标原点为( a，b，c) ，因此: · 318 ·

·814 工程科学学报，第41卷，第6期 X'=X"+a 3烧伤创面三维重建与切痂系统调试 Y=Y"+b Z=Z"+c 3.1烧伤创面治疗区域三维重建 (X=Y".sin45 基于实际设计需求，选择结构光扫描法对烧伤 Y=-Z" 创面待治疗区域进行三维扫描和轮廓重建，即将一 Z=X"·sin45 维或二维图像（结构光）投射到物体表面，根据图像 联立得： 形变情况来推测物体表面，重建被测物体的三维轮 rX=(Y-b)·sin45 廓-8.目前，市场上已有较成熟的结构光扫描 Y=-(Z-c) (6) 仪，该激光切痂系统选用德国DAVI公司的DAVID Z=(X'-a)·sin45 SLS-3结构光3D扫描仪作为三维扫描组件.该结 设虚拟坐标系中任意一点对应的法向量为（山， 构光扫描仪的技术规格如表2所示，该扫描仪的图 ,w),则其在绝对坐标系中的法向量为：(u,,o)· 像显示精度为0.05mm,扫描精度较高. M.通过坐标变换，三维扫描仪扫描点集坐标与其 表2三维扫描仪技术参数表 法向量坐标都可以转换到绝对坐标系中去 Table 2 Technical parameter table of 3D scanner 2.3.3工作坐标变换 项目 参数 该激光切痂系统可以通过控制5自由度运动平 扫描尺寸范围 60~500mm 台绕X轴旋转和绕Y轴旋转一定角度和平移使激 图像显示精度 约为物体实际尺寸的0.05%（高至0.05mm) 光垂直照射于烧伤创面轮廓.设轮廓上任意一点 单幅扫描2s(或最高到105，取决于设置和 扫描时长 A(X4,Y,Z4,1)的法向量为(U,V,W,1),激光光 电脑运行速度) 路方向向量为(0,0,1,1).当运动平台绕X轴旋 网格密度 每幅扫描顶点2300000 转角度α后再绕Y轴旋转角度B,可以使两向量重 输出文档格式 OBJ.STL,PLY 合，即： 实验初步使用人体手部进行扫描测试，最终能 (0,0,1,1)=(U,V,W,1)M (7) 良好地扫描并重建人体手部三维模型，结果如图10 其中： 所示. cosB 0 -sinB 01 sinasinβ coso sinacosβ 0 M,= sinBcoso sina cosacosB 0 0 0 0 1 任意，B与一组电动缸的位移值对应，在己知 法向量(U,V,W,1)的情况下，可以求解出α，B,进而 求得旋转后的点A的坐标为： (X,Y,Z,1)=(X4,YA,ZA,1)M1 (8) 旋转后的A再经过沿X轴、Y轴、Z轴平移一定 图10三维扫描结果 Fig.10 Three-dimensional scanning results 距离即可与激光焦点重合，即有： (Xo +XoR +Xsr:Yo YoR +YsT:Zo Zog +ZsT,1)= 3.2激光切痂系统调试与实验 「10007 3.2.1基本性能检测与精度校准 0 1 0 0 (X,Y,Z,1)· 采用激光位移传感器和倾角测量仪等仪器进行 (9) 0 01 0 测量，通过倾角仪测得旋转角度行程，通过上位机调 L△X△Y△Z 1 整光路控制机构角度位置到正负极限位置，检测结 式中，△X,△Y,△Z分别为沿X轴、Y轴、Z轴的位移. 果符合设计指标. 通过以上过程，便可实现激光垂直聚焦于烧伤 如果运动平台的平动位移与预设位移相差太 创面，并将点坐标值转化为各轴电机位移值.通过 大，会使烧伤切痂的治疗区域变化，影响治疗效果； 运动控制卡的位置一速度-时间模式，将位移值换算 同时，如果运动平台的转动角度与预设转动角度相 为对应的脉冲坐标，即可实现烧伤创面的自动激光 差过大，会使激光无法垂直照射与烧伤创面轮廓表 切痂治疗. 面，从而使激光功率密度降低，影响切痂治疗效果

工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 X' = X″ + a Y' = Y″ + b Z' = Z″ + { c X = Y″·sin45 Y = － Z″ Z = X″· { sin45 联立得: X = ( Y' － b)·sin45 Y = － ( Z' － c) Z = ( X' － a)· { sin45 ( 6) 设虚拟坐标系中任意一点对应的法向量为( u， v，w) ，则其在绝对坐标系中的法向量为: ( u，v，w)· M． 通过坐标变换，三维扫描仪扫描点集坐标与其 法向量坐标都可以转换到绝对坐标系中去． 2. 3. 3 工作坐标变换 该激光切痂系统可以通过控制 5 自由度运动平 台绕 X 轴旋转和绕 Y 轴旋转一定角度和平移使激 光垂直照射于烧伤创面轮廓． 设轮廓上任意一点 A( XA，YA，ZA，1) 的法向量为( U，V，W，1) ，激光光 路方向向量为( 0，0，1，1) ． 当运动平台绕 X 轴旋 转角度 α 后再绕 Y 轴旋转角度 β，可以使两向量重 合，即: ( 0，0，1，1) = ( U，V，W，1)·M1 ( 7) 其中: M1 = cosβ 0 － sinβ 0 sinαsinβ cosα sinαcosβ 0 sinβcosα － sinα cosαcosβ 0            0 0 0 1 任意 α，β 与一组电动缸的位移值对应，在已知 法向量( U，V，W，1) 的情况下，可以求解出 α，β，进而 求得旋转后的点 A'的坐标为: ( X，Y，Z，1) = ( XA，YA，ZA，1)·M1 ( 8) 旋转后的 A'再经过沿 X 轴、Y 轴、Z 轴平移一定 距离即可与激光焦点重合，即有: ( X0 + X0Ｒ + XST，Y0 + Y0Ｒ + YST，Z0 + Z0Ｒ + ZST，1) = ( X，Y，Z，1)· 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 ΔX ΔY ΔZ            1 ( 9) 式中，ΔX，ΔY，ΔZ 分别为沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的位移． 通过以上过程，便可实现激光垂直聚焦于烧伤 创面，并将点坐标值转化为各轴电机位移值． 通过 运动控制卡的位置--速度--时间模式，将位移值换算 为对应的脉冲坐标，即可实现烧伤创面的自动激光 切痂治疗． 3 烧伤创面三维重建与切痂系统调试 3. 1 烧伤创面治疗区域三维重建 基于实际设计需求，选择结构光扫描法对烧伤 创面待治疗区域进行三维扫描和轮廓重建，即将一 维或二维图像( 结构光) 投射到物体表面，根据图像 形变情况来推测物体表面，重建被测物体的三维轮 廓［17--18］． 目前，市场上已有较成熟的结构光扫描 仪，该激光切痂系统选用德国 DAVI 公司的 DAVID SLS--3 结构光 3D 扫描仪作为三维扫描组件． 该结 构光扫描仪的技术规格如表 2 所示，该扫描仪的图 像显示精度为 0. 05 mm，扫描精度较高． 表 2 三维扫描仪技术参数表 Table 2 Technical parameter table of 3D scanner 项目 参数 扫描尺寸范围 60 ～ 500 mm 图像显示精度 约为物体实际尺寸的 0. 05% ( 高至 0. 05 mm) 扫描时长 单幅扫描 2 s( 或最高到 10 s，取决于设置和 电脑运行速度) 网格密度 每幅扫描顶点 2300000 输出文档格式 OBJ，STL，PLY 实验初步使用人体手部进行扫描测试，最终能 良好地扫描并重建人体手部三维模型，结果如图 10 所示． 图 10 三维扫描结果 Fig． 10 Three-dimensional scanning results 3. 2 激光切痂系统调试与实验 3. 2. 1 基本性能检测与精度校准 采用激光位移传感器和倾角测量仪等仪器进行 测量，通过倾角仪测得旋转角度行程，通过上位机调 整光路控制机构角度位置到正负极限位置，检测结 果符合设计指标． 如果运动平台的平动位移与预设位移相差太 大，会使烧伤切痂的治疗区域变化，影响治疗效果; 同时，如果运动平台的转动角度与预设转动角度相 差过大，会使激光无法垂直照射与烧伤创面轮廓表 面，从而使激光功率密度降低，影响切痂治疗效果． · 418 ·

王光建等：烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 ·815· 对于运动平台的平动精度，通过差值计算，检测 结果符合设计指标.对于转动，用倾角测量仪测量 绕被测轴的实际旋转角度，检测结果符合设计指标. 对于光路控制机构旋转精度，通过上位机指令脉冲 指示透镜电机旋转，用倾角测量仪测量旋转的角度， 通过差值计算得到光路控制机构绕Y轴旋转精度 符合设计指标 图12优化后实验结果 3.2.2实际运行结果 Fig.12 Experimental results after optimization 由于运动平台存在系统误差，坐标转换后的理 论坐标与实际坐标存在误差，因此需要对转换后的 由图12可以看出，激光焦点实际扫掠区域与预 坐标进行修正，使激光焦点扫掠区域与目标区域重 设区域（标签纸内框区域）重合，实验结果满足 合，确保激光焦点准确扫掠目标区域.通过调试对 要求. 扫描出的区域的坐标点转换到外面绝对坐标系后的 4结论 坐标点进行补偿. 为模拟皮肤创面，将标签纸贴于人体手部上，利 (1)提出了一种由5自由度运动平台和2自由 用该激光切痂系统进行测试，检验其是否完成预定 度激光光路控制机构组成的激光切痂控制系统，并 的功能和精度.操作流程为：在进行调试前确认各 对激光切痂并联机构进行了运动学逆解分析，得到 组件正常运转，然后将标签纸贴在手上，手水平放置 了运动平台和光路控制机构位置的对应关系 于工作台面，调节投影仪投射到手部区域，同时调整 (2)利用推导的位置关系实现了激光轨迹的自 激光反射镜的角度使激光垂直照射于标签纸表面， 动规划，同时完成自动切痂. 然后启动程序进行三维扫描，电脑通过扫描仪得到 (3)通过实验验证，该激光切痂系统能有效完 轮廓信息后用鼠标选择治疗的区域，由预先调试好 成对人体手部区域的三维扫描与轮廓重建，工作效 的程序选择相应的路径规划，激光沿着规划的路径 果良好，满足设计要求 进行扫描.经扫描得到的标签纸结果如图11所示. 参考文献 [1]Williams J.Analog Circuit Design.Ist Ed.Oxford:Newnes, 2011 Li H.Design and Implementation of A Laser Treatment Control System [Dissertation].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2011 (吕航.激光治疗仪控制系统的设计与实现[学位论文].武 汉：华中科技大学，2011) 图11优化前实验结果 B]Pu L.Research on Key Technologies of Phase-Shift Laser Radar Fig.11 Experimental results before optimization ith Angle Measurement [Dissertation].Beijing:Chinese Acade- my of Sciences (Institute of Optics and Electronics),2015 由图11可以看出，激光焦点最终扫掠轨迹与设 (蒲磊.测角相位式激光雷达若干关键技术研究[学位论文] 定区域有所偏离，因此，系统存在误差，需要对系统 北京：中国科学院研究生院（光电技术研究所），2015) 进行程序优化和误差修正.对于激光切痂系统，其 4 Li Y X.Current development and application of of laser therapy 系统累积误差的最终结果表现为光路焦点的实际位 equipment.Int J Biomed Eng,2009,32(5):257 (李迎新.激光治疗设备的发展现状与应用前景.国际生物医 置与理论位置的偏差及5自由度运动平台实际位姿 学工程杂志，2009,32(5)：257) 和理论位姿的偏差.对单独各个部分进行误差补偿 5]Wu D M.The application of laser in the surgery of burn.Med 不仅繁琐，而且很复杂.因此本文根据实验测试结 West China,2004,16(1):80 果，针对激光焦点位置和5自由度运动平台进行程 (吴冬梅.激光在烧伤外科中的应用.西部医学，2004,16 序补偿，对焦点位置和运动平台转动角度关系进行 (1):80) Cai ZX,Guo F.Some problems in the development of industrial 修正，使系统运行结果符合要求. robots in China.Robot Tech Appl,2013(3):9 对系统控制程序优化后，用标签纸再次进行实 (蔡自兴，郭瑶。中国工业机器人发展的若干问题.机器人技 验，得到实验结果如图12所示. 术与应用，2013(3)：9)

王光建等: 烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 对于运动平台的平动精度，通过差值计算，检测 结果符合设计指标． 对于转动，用倾角测量仪测量 绕被测轴的实际旋转角度，检测结果符合设计指标． 对于光路控制机构旋转精度，通过上位机指令脉冲 指示透镜电机旋转，用倾角测量仪测量旋转的角度， 通过差值计算得到光路控制机构绕 Y 轴旋转精度 符合设计指标． 3. 2. 2 实际运行结果 由于运动平台存在系统误差，坐标转换后的理 论坐标与实际坐标存在误差，因此需要对转换后的 坐标进行修正，使激光焦点扫掠区域与目标区域重 合，确保激光焦点准确扫掠目标区域． 通过调试对 扫描出的区域的坐标点转换到外面绝对坐标系后的 坐标点进行补偿． 为模拟皮肤创面，将标签纸贴于人体手部上，利 用该激光切痂系统进行测试，检验其是否完成预定 的功能和精度． 操作流程为: 在进行调试前确认各 组件正常运转，然后将标签纸贴在手上，手水平放置 于工作台面，调节投影仪投射到手部区域，同时调整 激光反射镜的角度使激光垂直照射于标签纸表面， 然后启动程序进行三维扫描，电脑通过扫描仪得到 轮廓信息后用鼠标选择治疗的区域，由预先调试好 的程序选择相应的路径规划，激光沿着规划的路径 进行扫描． 经扫描得到的标签纸结果如图 11 所示． 图 11 优化前实验结果 Fig． 11 Experimental results before optimization 由图 11 可以看出，激光焦点最终扫掠轨迹与设 定区域有所偏离，因此，系统存在误差，需要对系统 进行程序优化和误差修正． 对于激光切痂系统，其 系统累积误差的最终结果表现为光路焦点的实际位 置与理论位置的偏差及 5 自由度运动平台实际位姿 和理论位姿的偏差． 对单独各个部分进行误差补偿 不仅繁琐，而且很复杂． 因此本文根据实验测试结 果，针对激光焦点位置和 5 自由度运动平台进行程 序补偿，对焦点位置和运动平台转动角度关系进行 修正，使系统运行结果符合要求． 对系统控制程序优化后，用标签纸再次进行实 验，得到实验结果如图 12 所示． 图 12 优化后实验结果 Fig． 12 Experimental results after optimization 由图 12 可以看出，激光焦点实际扫掠区域与预 设区域 ( 标签纸内框区域) 重 合，实 验 结 果 满 足 要求． 4 结论 ( 1) 提出了一种由 5 自由度运动平台和 2 自由 度激光光路控制机构组成的激光切痂控制系统，并 对激光切痂并联机构进行了运动学逆解分析，得到 了运动平台和光路控制机构位置的对应关系． ( 2) 利用推导的位置关系实现了激光轨迹的自 动规划，同时完成自动切痂． ( 3) 通过实验验证，该激光切痂系统能有效完 成对人体手部区域的三维扫描与轮廓重建，工作效 果良好，满足设计要求． 参 考 文 献 ［1］ Williams J． Analog Circuit Design． 1st Ed． Oxford: Newnes， 2011 ［2］ Lü H． Design and Implementation of A Laser Treatment Control System ［Dissertation］． Wuhan: Huazhong University of Science and Technology，2011 ( 吕航． 激光治疗仪控制系统的设计与实现［学位论文］． 武 汉: 华中科技大学，2011) ［3］ Pu L． Ｒesearch on Key Technologies of Phase-Shift Laser Ｒadar with Angle Measurement ［Dissertation］． Beijing: Chinese Acade￾my of Sciences ( Institute of Optics and Electronics) ，2015 ( 蒲磊． 测角相位式激光雷达若干关键技术研究［学位论文］． 北京: 中国科学院研究生院( 光电技术研究所) ，2015) ［4］ Li Y X． Current development and application of of laser therapy equipment． Int J Biomed Eng，2009，32( 5) : 257 ( 李迎新． 激光治疗设备的发展现状与应用前景． 国际生物医 学工程杂志，2009，32( 5) : 257) ［5］ Wu D M． The application of laser in the surgery of burn． Med J West China，2004，16( 1) : 80 ( 吴冬梅． 激光在烧伤外科中的应用． 西部医学，2004，16 ( 1) : 80) ［6］ Cai Z X，Guo F． Some problems in the development of industrial robots in China． Ｒobot Tech Appl，2013( 3) : 9 ( 蔡自兴，郭璠． 中国工业机器人发展的若干问题． 机器人技 术与应用，2013( 3) : 9) · 518 ·

·816 工程科学学报，第41卷，第6期 Pan G X,Jia G Z,Bian Y C,et al.Design of the 6-DOF parallel [13]Hou C.Dynamics analysis of a five-DOF serial-parallel manipula- platform driven by stepping motor.J Mech Electr Eng.2017,34 tor.Chem Defence Ships,2014(2)36 (10):1117 (侯超.一种新型五自由度混联机器人的动力学研究.舰船 (潘光绪，贾光政，边颖聪，等。步进电机驱动六自由度并联 防化，2014(2)：36) 运动平台设计.机电工程，2017,34(10)：1117) [14]Sun H,Chen Z M,Ge W J.Theory of Machines and Mecha- [8]Yavuz S,Malgaca L,Karagille H.Analysis of active vibration nisms.8th Ed.Beijing:Higher Education Press,2013 control of multi-egree-of-freedom flexible systems by Newmark (孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.8版北京：高等教育 method.Simul Modell Pract Theory,2016,69:136 出版社，2013) Chaudhury A N.Chosal A.Optimum design of multi-egreeof- [15]Wu W F.Performance Analysis and Design of A Five DOF Hybrid freedom closed-oop mechanisms and parallel manipulators for a Manipulator [Dissertation].Hangzhou:Zhejiang Sci-Tech Uni- prescribed workspace using Monte Carlo method.Mech Mach The- versity,2015 omy,2017,118,115 (吴伟峰.一种5自由度混联机构的性能分析与设计[学位 [10]Hu T,Qian J.Lii C,et al.The design of mechanical and control 论文].杭州：浙江理工大学，2015) system for fiveOF combined robot platform [/OL].Science [16]Pei X H,Xu Z P.Research of 5-OF motion platform based on Paper Online (2014-08-02)2018-04-17].http://www.do- series-parallel hybrid.Mach Tool Hydrau,2017,45(17):63 cin.com/p-880135242.html (裴鑫浩，徐志鹏.串并联混合五自由度运动平台研究.机 (胡桐，钱钧，吕川，等.五自由度组合式机器人平台的机械 床与液压，2017,45(17)：63) 和控制系统设计0/0L].中国科技论文在线(20140802) [17]Xi L.Research and Applying on Measurement Method for the [2018-04-17].hp:/1wwmw.docin.coml/p880135242.html） Three-Dimensional Shape of Object Surface with Projection Bars [11]Chen X L.Sun X Y,Deng Y.Kinematics optimum design of a Phase [Dissertation].Nanjing:Nanjing University of Aeronau- 5-OF spatial parallel mechanism.Trans Chin Soc Agric Mach, tics and Astronautics,2009 2014,45(6):303 (席棱.投影栅相位法在三维形貌测量上的研究与应用[学 (陈修龙，孙先洋，邓昱。5自由度空间并联机构运动学优化 位论文].南京：南京航空航天大学，2009) 设计.农业机械学报，2014,45(6)：303) [18]Wang L J,Zheng Y,Lii W,et al.Simultancous measurement of [2]Liu W H,Xue M F,Wu Y,et al.Kinematic analysis of 5-OF five-degree-of-freedom motion errors of high-precision motion serial-parallel robot.Mechatronics,2015 (2):8 platforms.Cent South Unin Sci Technol,2017,48(10):2628 (刘文红，薛美风，吴优，等。五自由度混联机器人运动学分 (王丽军，郑煜，吕文，等.精密运动平台的五自由度误差同时 析.机电一体化，2015(2)：8) 测量方法.中南大学学报（自然科学版），2017,48(10)：2628)

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