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機器人已經(jīng)是制造業(yè)和其它重復勞動中的標準配置。并且機器人市場的需求正在轉(zhuǎn)向，從過去的工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民生領(lǐng)域。特別是醫(yī)療、養(yǎng)老和教育行業(yè)，對于智能服務機器人的需求非常迫切，服務機器人在這些行業(yè)的應用將會很有市場前景。

隨著我國進入老齡化，醫(yī)療、護理和康復的需求不斷增加，同時由于人們對生活品質(zhì)追求的提高，使得醫(yī)療不管在質(zhì)上還是量上都要滿足更高水準的要求。另一方面，醫(yī)護人力相對缺乏，醫(yī)療及健康服務機器人具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。而在醫(yī)療應用環(huán)境中，機器人的出色表現(xiàn)是需要過硬的技術(shù)來支撐的。

醫(yī)療機器人既然叫機器人，那就離不開機器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，包括機器人構(gòu)型設計優(yōu)化技術(shù)、機器人運動學、機器人動力學、機器人驅(qū)動技術(shù)、機器人自動控制、傳感器等等。

一、機器人構(gòu)型優(yōu)化技術(shù)

在機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面主要技術(shù)手段主要有以下三類:

(1) 尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化不是對結(jié)構(gòu)形式、材料屬性等做改變，而是以結(jié)構(gòu)的長度、截面積等作為優(yōu)化變量;

(2) 形狀優(yōu)化。形狀優(yōu)化主要是對結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、外部形狀進行優(yōu)化設計，改變整體結(jié)構(gòu)形式;

(3) 拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化作為一種迅速發(fā)展的新型結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，在結(jié)構(gòu)的概念設計階段就可以將結(jié)構(gòu)所需要的性能作為約束變量，結(jié)合數(shù)學中的最優(yōu)化理論，得到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計。

前兩種發(fā)展較早，目前已比較成熟。拓撲優(yōu)化是目前連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究熱點之一，是建立在力學、拓撲學和計算機技術(shù)等基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論。連續(xù)體的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法包括均勻化方法、密度法、變厚度法、拓撲函數(shù)描述方法等。

二、機器人運動學

機器人運動學包括正向運動學和逆向運動學，正向運動學即給定機器人各關(guān)節(jié)變量，計算機器人末端的位置姿態(tài)；逆向運動學即已知機器人末端的位置姿態(tài)，計算機器人對應位置的全部關(guān)節(jié)變量。一般正向運動學的解是唯一和容易獲得的，而逆向運動學往往有多個解而且分析更為復雜。機器人逆運動分析是運動規(guī)劃控制中的重要問題，但由于機器人逆運動問題的復雜性和多樣性，無法建立通用的解析算法。逆運動學問題實際上是一個非線性超越方程組的求解問題，其中包括解的存在性、唯一性及求解的方法等一系復雜問題。

三、機器人動力學

機器人動力學是對機器人機構(gòu)的力和運動之間關(guān)系與平衡進行研究的學科。機器人動力學是復雜的動力學系統(tǒng)，對處理物體的動態(tài)響應取決于機器人動力學模型和控制算，主要研究動力學正問題和動力學逆問題兩個方面。

機器人動力學的研究是所有類型機器人發(fā)展過程中不可逾越的環(huán)節(jié)，也是形成機器人終極產(chǎn)品性能評價指標與重要的科學依據(jù)。以往機器人的發(fā)展已經(jīng)表明，多體系統(tǒng)動力學是機器人研發(fā)中不可或缺的基礎(chǔ)力學理論。隨著新型傳動與驅(qū)動機構(gòu)以及智能與軟物質(zhì)材料的出現(xiàn)，可以預計柔性化、軟性化、可變化、微型化將成為未來機器人發(fā)展的重要方向，使機器人的各種作動更接近生物體的仿生體，因此，以仿生為主要特征的剛?cè)狁詈?、柔軟體和變形機器人對任務和環(huán)境的適應性強，其快速發(fā)展在一定程度上將促進機器人研究的步伐，同時，這種趨勢和需求也將會使得機器人動力學和控制研究面臨重大挑戰(zhàn)。

四、機器人傳感器

機器人是由計算機控制的復雜機器，它具有類似人的肢體及感官功能；動作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時可以不依賴人的操縱。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應能力。

隨著智能化的程度提高，機器人傳感器應用越來越多。機器人傳感器有多種，從擬人功能出發(fā)，視覺、力覺、觸覺最為重要，早已進入實用階段，聽覺也有較大進展，其它還有嗅覺、味覺、滑覺等，對應有多種傳感器，所以機器人傳感器也逐漸形成了一種產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。具體有以下幾種：

（1）物理傳感器

物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應，把被測量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和輸入的信號有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測量作為數(shù)據(jù)獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。

（2）光纖傳感器

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。光纖在傳感器家族中是后期之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應用，是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。

（3）仿生傳感器

仿生傳感器，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學和電子學、工程學相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術(shù)。這種傳感器的特點是機能高、壽命長。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。

（4）紅外傳感器

紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。

（5）電磁傳感器

電磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應用。但是作為現(xiàn)代的傳感器，為了便于信號處理，需要磁傳感器能將磁信號轉(zhuǎn)化成為電信號輸出。應用最早的是根據(jù)電磁感應原理制造的磁電式的傳感器。這種磁電式傳感器曾在工業(yè)控制領(lǐng)域作出了杰出的貢獻，但是到今天已經(jīng)被以高性能磁敏感材料為主的新型磁傳感器所替代。

（6）壓力傳感器

壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，特別壓電傳感器的外形是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。　壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用非常廣泛。

總結(jié)

在機器人基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域方面醫(yī)療機器人和傳統(tǒng)機器人沒有太大差別。但醫(yī)療機器人最大的特點是其工作過程中需要與人（醫(yī)生、患者）進行大量的協(xié)同交互，因此需要依據(jù)其自身使用特性對其進行設計上的優(yōu)化，如手術(shù)機器人需要考慮非結(jié)構(gòu)化的手術(shù)室環(huán)境對機器人工作空間的約束，假肢外骨骼機器人需要足夠靈敏度和盡量小的重量，輸尿管鏡機器人產(chǎn)生對新型軟體機器人技術(shù)發(fā)展的需要，腔鏡手術(shù)機器人需要盡量減小其工作范圍以降低其對手術(shù)者的傷害，因此設計時要擺脫傳統(tǒng)工業(yè)機器人的“影子”，實現(xiàn)輕量化、新型、精密、靈巧機器人機構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設計。