·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 ·