微創(chuàng)手術(shù)機器人主動臂機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化.pdf

1、微創(chuàng)手術(shù)機器人主動臂主要包括遠程運動中心機構(gòu)和手術(shù)器械，是微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，其機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)劣直接影響了微創(chuàng)手術(shù)機器人的性能，也制約著系統(tǒng)中其他部件的研發(fā)與設(shè)計。在國家自然科學基金項目資助下，本文對微創(chuàng)手術(shù)機器人主動臂進行了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學分析、性能優(yōu)化以及仿真與實驗驗證。
　　首先，進行了微創(chuàng)手術(shù)機器人主動臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計。遠程運動中心機構(gòu)采用折彎雙平行四邊形構(gòu)型，為手術(shù)器械與電機安裝提供了空間。移動關(guān)節(jié)

2、利用鋼絲繩傳動系統(tǒng)實現(xiàn)電機動力的傳遞。手術(shù)器械也通過鋼絲繩傳動實現(xiàn)自轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)以及開合四個自由度，動力源可以布置在遠離關(guān)節(jié)處，合適預緊力下無回差，使電機動力的傳遞更加平穩(wěn)精確。
　　其次，建立了完整的運動學映射關(guān)系模型。針對2N條絲驅(qū)動N個自由度的鋼絲繩傳動系統(tǒng)，提出了回路分析法，通過觀察鋼絲繩的布局列寫出回路矩陣與電機驅(qū)動空間等效半徑矩陣，結(jié)合傳統(tǒng)機器人運動學，建立起機器人主動臂電機驅(qū)動空間到笛卡爾空間之間完整的運動學映射關(guān)

3、系，簡化了鋼絲繩傳動機器人運動學建模與分析的過程。此外，分別計算了遠程運動中心機構(gòu)與手術(shù)器械的雅克比矩陣，為后續(xù)性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　再次，開展了機器人主動臂的優(yōu)化分析。在遠程運動中心機構(gòu)運動學分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了基于機構(gòu)全域可操作度指標與性能一致性指標的綜合評價指標函數(shù)，根據(jù)工作空間的極限位置以及桿件橫截面尺寸參數(shù)建立幾何約束條件，采用遺傳算法并結(jié)合有限元分析，對其桿件尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化。同時也采用遺傳算法以及上述綜合評價指

4、標函數(shù)對手術(shù)器械進行性能優(yōu)化，與優(yōu)化前相比，遠程運動中心機構(gòu)和手術(shù)器械的操作性能整體有所改善，達到了優(yōu)化的目的。
　　最后，完成了運動學映射關(guān)系模型仿真以及物理操作實驗。通過運動學仿真分析，驗證了電機驅(qū)動空間到笛卡爾空間的運動學正逆解映射關(guān)系模型，證明了回路分析法的正確性。在物理操作實驗中，針對遠程運動中心機構(gòu)，進行了可達工作空間與遠程運動中心的驗證;對于手術(shù)器械，完成了自由度運動、管路與組織夾持以及縫合模擬操作實驗;通過實驗說明