腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)(Minimally Invasive Surgery, MIS)以其創(chuàng)傷小、可減輕患者痛苦、術(shù)后恢復(fù)快、醫(yī)療成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)在傳統(tǒng)外科手術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用并迅速發(fā)展。而將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到微創(chuàng)外科手術(shù)中能夠有效地提高手術(shù)質(zhì)量，降低醫(yī)生勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，在微創(chuàng)外科手術(shù)領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用得到了極大的重視，并已成為醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　結(jié)合國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目“腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研究”，本文對(duì)腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)

2、器人從手系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析；在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際手術(shù)過程的需要，對(duì)機(jī)器人臂形設(shè)置情況進(jìn)行相關(guān)理論研究；最后，利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人臂形設(shè)置情況以及典型運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行模擬仿真，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。
　　本文首先對(duì)腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在對(duì)腹腔微創(chuàng)手術(shù)作業(yè)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定機(jī)器人的最終構(gòu)型方案，并進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)合手術(shù)需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行臂長(zhǎng)優(yōu)化；根據(jù)手術(shù)過程中機(jī)器人各關(guān)節(jié)的受力情況，對(duì)

3、其關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)分析，并最終選擇伺服電機(jī)。
　　其次，對(duì)腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。采用D-H法，求出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解；運(yùn)用幾何法給出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的解析解；采用矢量積法給出機(jī)器人的雅可比矩陣；并采用拉格朗日-歐拉法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲得機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩曲線，驗(yàn)證所選電機(jī)的合理性。
　　再次，對(duì)腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行術(shù)前臂形設(shè)置研究。在對(duì)冗余自由度機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的基礎(chǔ)上，給出用于冗余自由度機(jī)

4、器人運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化的改進(jìn)的梯度投影算法；結(jié)合實(shí)際手術(shù)需要，分別給出手術(shù)器械操作臂臂形設(shè)置的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)以及多臂協(xié)調(diào)操作臂形設(shè)置的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并利用改進(jìn)的梯度投影算法，采用Matlab軟件對(duì)機(jī)器人臂形設(shè)置情況進(jìn)行仿真研究。
　　最后，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)器人臂形設(shè)置情況及典型運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行模擬仿真，觀察機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行效果，并繪制關(guān)節(jié)角曲線，驗(yàn)證機(jī)器人臂形設(shè)置算法及平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；之后，針對(duì)已加工出的機(jī)器人本體進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研