基于SolidWorks與3DMax的醫療機器人仿真動畫設計

馬江濤 王亞剛

摘 要：以設計醫療機器人的仿真動畫為主要研究內容，借助SolidWorks自主設計醫療機器人實物模型，研究將SolidWorks模型導入3DMax的方法，模擬醫療機器人實際工作時的動作，用3DMax完成醫療機器人模型各個關節動作的制作，并進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。通過仿真動畫的設計，可達到非常好的宣傳效果，從而促進國內對醫療機器人的研究，推動機器人醫療產業快速發展。

關鍵詞：醫療機器人；SolidWorks；3DMax；仿真動畫

DOI：10.11907/rjdk.172885

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：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

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

1 醫療機器人國內外發展現狀

醫療機器人是近年來發展迅速的一種新興技術，具體應用涉及多個領域[3]。在國外，許多研究機構及企業對于醫療機器人的研究和開發起步較早。1985年，美國加州醫學中心即借用一臺具有輔助定位功能的PUMA560工業機器人完成了腦組織采樣實驗，該手術標志著醫療機器人應用的開端；1991年，ISS機構研制的用于膝關節外科置換的新型主動式機器人，改變了傳統的機器人外科手術方式，并使用計算機編程操作機器人平臺完成手術；1994年，由美國Computer Motion公司研制的AESOP手術機器人系統已達到實際臨床應用要求，是首個獲得FDA認證的手術機器人，使手術機器人開始商業化；1999年，美國的Intuitive Surgical公司研制出新一代微創外科機器人系統Da Vinci，該系統經過幾代的改進，技術上取得了突破性進展，該系統作為最先進的臨床外科手術機器人系統，成為世界上第一個可以在醫院進行手術操作的手術機器人[4]。

國內的醫療機器人研究起步較晚，技術相對落后，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年由海軍醫院針對神經外科手術設計的計算機輔助定位手術系統，以及2001年天津大學、南開大學和天津醫學院聯合研發的“妙手”系列外科手術機器人系統。此外，上海交通大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學等科研機構均在從事醫療機器人及其系統的研究和開發。然而，由于國內研發的醫療機器人系統尚未完全達到臨床要求，醫療機器人主要通過進口購買，價格昂貴，手術耗材及日常維護費用也非常高，我國只有少數大型醫院有能力購置，而且對于醫生的培訓需要到國外進行，使國內醫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權的醫療機器人及系統，打破國外的技術和價格壟斷。

2 醫療機器人模型設計

本文醫療機器人的建模和裝配采用SolidWorks軟件。SolidWorks軟件是由美國SolidWorks公司開發的三維CAD軟件，自1995年問世以來， SolidWorks以其功能強大、易學易用的特點，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已完全能滿足現代企業機械設計的要求，并廣泛應用于機械設計制造各領域[6]。其主要包括以下模塊：機械零件設計、裝配體設計、動畫設計和渲染、有限元高級分析技術，功能齊全，完全可滿足對于醫療機器人的設計需求。

SolidWorks軟件具有專門的機械零件設計模塊，可根據不同零件特點選擇不同的設計方法，設計方法簡單易學[5]。SolidWorks軟件還提供裝配設計所用的各種標準零件設計庫，設計者在設計裝配模型時，可直接從設計庫中調用所需的標準零件，并可在其基礎上進行尺寸和形狀修改，從而節省重新設計時間[7-8]。本文設計的6自由度醫療機器人裝配體共包括109個零件，而且為了方便日后的醫療機器人在LabView中的控制和仿真，通過調整每個關節零件的原點和坐標軸，將關節處每個零部件的坐標軸都設計在其旋轉軸的位置。以右上方的一個肩關節零件為例，如圖1所示。

SolidWorks軟件具有專門的裝配設計模塊，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計意圖的設計模型。設計者可將設計好的零件運用“插入/零部件/現有零件/裝配體”命令，將零件插入到裝配模塊中，并添加相關配合，使零件在裝配模型中處于一個正確位置[7-9]，而且可以繞旋轉軸自由轉動。醫療機器人前視圖如圖2所示。

3 醫療機器人模型導入3DMax的方法

醫療機器人模型構建好以后，需要將模型導入3DMax中，為仿真動畫設計作準備。SolidWorks和3DMax兩款軟件有一個共同優點，即支持多種文件格式，所以將SolidWorks模型導入3DMax中也有多種方法，經研究總結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，但有時會出現個別側面無法轉換，或導入后增加或丟失圖像現象，特別針對復雜曲面造型，轉換誤差更大。

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

（3）將SolidWorks文件另存為.wrl文件，應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入SolidWorks文件，但有時零件會出現破面現象（此時需將出現破面的零件單個導入），而且導入時間通常較長[10-11]。

綜上所述，本文最終采用方法（3）。

4 醫療機器人仿真動畫設計

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

采用方法（3）將模型導入3DMax后，不用對零件的位置、角度作任何修改，因為發現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，裝配關系卻不復存在，即零件之間可以任意移動或旋轉。因此，需要將零件之間設立父子關系，使零件之間產生聯系，并且父零件在進行移動、旋轉、縮放變化時可帶動子零件作相應變化，而子零件在進行移動、旋轉、縮放時不會影響父零件。根據需要將各個零件建立合適的父子關系，才不會因某一零件的位置變化影響整體。本次動畫設計將所有零件的最終父零件都設置在醫療機器人外殼上，優點是當需要移動、旋轉、縮放整個醫療機器人時，只要為外殼添加相應動作即可，非常方便。零件之間的父子關系，可以點擊3DMax右上方的“圖解視圖”進行查看或修改[13]。

當模型導入3DMax中后，在SolidWorks中給機械臂零件關節設定的坐標軸都已失效。為了使各個關節零件依然按照自身軸線進行旋轉或擺動，需要對設計動畫機械臂零件的坐標軸重新進行設定。具體操作如下：首先修改零件的參考坐標系，因為系統默認的是導入模型時新建的坐標軸；然后對每個零件的坐標軸進行相對移動和旋轉，在移動坐標軸之前，需要對零件屬性進行相關設置，從而在不影響對象的情況下修改其參考坐標軸[11-13]，為醫療機器人的仿真動畫設計作準備。為了讓仿真動畫效果更加逼真，將醫療機器人的機械手臂進行貼圖，顏色改為與金屬材質一樣的銀色，并在場景中加入了逼真的手術病人與病床模型。在3DMax中的呈現效果如圖3、圖4所示，視圖中的虛線為部分軌跡線。

本文的仿真動畫設計用到了3DMax“曲線編輯器”當中的“攝影表”，通過給每一個計劃設計的關節添加關鍵幀為其添加所需動作。規定在3DMax中30幀相當于1s的時間，需注意關鍵幀的添加時間，務必實現動作的連貫性。本次仿真動畫共設計2 700多幀，約1.5min。當所有仿真動作設計完成后，接下來需要進行動畫渲染，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域，影響美觀。為解決該問題，可在渲染設置里將要渲染的區域改成裁剪，然后自己裁剪出所需區域，可使渲染出的效果更好。為了更好地使用設計的仿真動畫，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，動態地向他人展示，起到了很好的宣傳效果。

5 結語

通過充分發揮SolidWorks和3DMax兩個軟件在各自領域的優點，采用SolidWorks軟件設計出具有國產特色的醫療機器人實物模型，并采用3DMax軟件對醫療機器人進行渲染及仿真動畫設計，為醫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、動態的宣傳方式，可幫助更多人更好地了解醫療機器人的功能，從而促進國內醫療機器人的研究和發展。

參考文獻：

[1] 王偉，王偉東，閆志遠，等.腹腔鏡外科手術機器人發展概況綜述[J].中國醫療設備，2014，29（8）：5-10.

[2] 徐兆紅，宋成利，閆士舉.機器人在微創外科手術中的應用[J].中國組織研究與臨床康復，2011，15（35）：6598-6601.

[3] 李兵.胸外科輔助醫療機械手的設計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[4] 黃祖良.手術機械臂系統優化與軌跡跟蹤控制研究[D].上海：上海工程技術大學，2016.

[5] 杜志江，孫立寧，富歷新.醫療機器人發展概況綜述[J].機器人，2003，25（2）：182-187.

[6] 葉鵬，金國華，江思敏.SolidWorks2014機械設計基礎與實例教程[M].北京：機械工業出版社，2016.

[7] 朱金權.SolidWorks軟件在機械設計中的應用與研究[J].數字技術與機械加工工藝裝備，2009（2）：41-44.

[8] 金敏，吳光宇，德雪紅.SolidWorks在機床夾具設計中的應用[J].內蒙古農業大學學報，2009，30（1）：233-237.

[9] 方芳.基于SolidWorks的平面凸輪設計系統研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[10] 王明，孔垂雨.結合SolidWorks和3DS Max實現機械產品的仿真動畫[J].華北水利水電學院報，2011，32（5）：99-101.

[11] 康燦.利用3DMAX為SolidWorks制作產品動畫[J].機械工程師，2002（2）：17.

[12] 張令鎖.淺談三維動畫制作軟件[J].藝術科技，2013（5）：23.

[13] 王亞平.3DMAX軟件動畫制作探析[J].大眾科技，2008（3）：36-37.

（責任編輯：黃 ?。?/p>