微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操作主手設(shè)計(jì)與仿真研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)外科手術(shù)具有創(chuàng)傷小、患者痛苦小、恢復(fù)周期短等特點(diǎn),機(jī)器人技術(shù)在微創(chuàng)外科手術(shù)中的成功應(yīng)用,大大降低了醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度,并且提高了手術(shù)質(zhì)量。目前的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)多為主從式結(jié)構(gòu),主手的設(shè)計(jì)以及性能的優(yōu)劣對(duì)于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有的研究比較成功的主手多為通用型主手,在有些方面并不滿足微創(chuàng)外科手術(shù)的使用需求,因此,迫切需要針對(duì)滿足微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)要求的主手進(jìn)行研究。
　　本文針對(duì)國(guó)家8

2、63項(xiàng)目“腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人共性關(guān)鍵技術(shù)與示范應(yīng)用”課題,在論述了國(guó)內(nèi)外微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人以及力反饋型主手研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一款滿足腹腔外科手術(shù)需求的具有力覺(jué)反饋的六自由度主手,并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模以及基于虛擬樣機(jī)的仿真研究,具體工作如下:
　　首先,進(jìn)行了主手總體方案和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)?；跈C(jī)器人技術(shù)的理論基礎(chǔ),針對(duì)腹腔微創(chuàng)手術(shù)需求,確定機(jī)器人采用六自由度串聯(lián)構(gòu)型,單個(gè)主手工作空間覆蓋Φ200×250mm3的圓柱

3、體的工作空間指標(biāo),使用電機(jī)法和絲傳動(dòng)減速裝置實(shí)現(xiàn)主手力反饋,并對(duì)主手的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),使主手具有零點(diǎn)定位、限位安全和重力補(bǔ)償功能。
　　其次,針對(duì)主手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模與分析。運(yùn)用改進(jìn)的D-H法建立了主手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,通過(guò)計(jì)算得到主手正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、以及速度模型,在此基礎(chǔ)上,針對(duì)工作空間指標(biāo)完成了主手的尺度綜合,確定了主手的最佳尺寸參數(shù),做出了主手的舒適工作空間,并以雅克比矩陣條件數(shù)的倒數(shù)為指標(biāo)完成

4、了主手靈活度的分析,證明主手的設(shè)計(jì)滿足工作空間指標(biāo)和人機(jī)工程學(xué)要求;使用Lagrange方法建立了主手的動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)機(jī)構(gòu)劃分和分塊求解的方式得到了主手的Lagrange方程,完成了主手的動(dòng)力學(xué)建模;通過(guò)建立力雅克比矩陣,得到了將從手端的反饋力映射為主手的關(guān)節(jié)電機(jī)力矩的方法,并通過(guò)具體計(jì)算得到了主手關(guān)節(jié)電機(jī)的最大力矩,完成了主手力感覺(jué)實(shí)現(xiàn)的分析和計(jì)算任務(wù)。
　　最后,建立主手的虛擬樣機(jī)進(jìn)行主手性能的仿真驗(yàn)證。通過(guò)在ADAMS環(huán)境