微創(chuàng)手術(shù)機器人手術(shù)工具絲傳動設(shè)計方法研究.pdf

1、DesignMethodologyoftheTendondrivenConfigurationfMinimallyInvasiveSurgicalRoboticInstruments一級學(xué)科：機械工程學(xué)科專業(yè)：機械工程作者姓名：何超指導(dǎo)教師：王樹新教授天津大學(xué)機械工程學(xué)院二〇一三年五月微創(chuàng)手術(shù)機器人手術(shù)工具絲傳動微創(chuàng)手術(shù)機器人手術(shù)工具絲傳動設(shè)計方法研究設(shè)計方法研究I中文摘要中文摘要微創(chuàng)手術(shù)機器人多自由度手術(shù)工具是機器人系統(tǒng)中唯一接觸病人

2、組織、執(zhí)行手術(shù)操作的部件。手術(shù)工具的設(shè)計優(yōu)劣直接決定了微創(chuàng)手術(shù)機器人的性能，也影響機器人系統(tǒng)其他部件的開發(fā)與設(shè)計。絲傳動構(gòu)型是微創(chuàng)手術(shù)工具有效的結(jié)構(gòu)方式，而鋼絲傳動在工具運動學(xué)分析、力感覺、剛度特性等方面帶來了諸多理論難題。本文針對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人絲傳動手術(shù)工具的開發(fā)與設(shè)計，研究絲傳動設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計方法。論文工作主要包括以下幾個方面：1.提出絲傳動手術(shù)工具設(shè)計基本方法。首先根據(jù)腹腔微創(chuàng)手術(shù)特性與手術(shù)機器人運動特性，分析手術(shù)工具設(shè)計

3、任務(wù)；依據(jù)現(xiàn)有絲傳動構(gòu)型的特征，開展絲傳動手術(shù)工具構(gòu)型設(shè)計；依據(jù)微創(chuàng)手術(shù)工具系列設(shè)計要求，分析形成“拉拉”閉環(huán)構(gòu)型絲傳動系統(tǒng)的設(shè)計準則。2.拓展手術(shù)機器人與手術(shù)工具的絲傳動通用運動學(xué)基本理論。運用指數(shù)積公式，針對耦合絲傳動，推導(dǎo)其運動學(xué)理論；其次，以‘MicroHA’微創(chuàng)手術(shù)機器人為典型對象，詳細闡述耦合絲傳動運動學(xué)模型的分析方法、計算規(guī)則與流程；仿真與實驗結(jié)果驗證了該運動學(xué)分析方法的有效性和可行性。3.開展基于絲測力的微創(chuàng)手術(shù)機器人手

4、術(shù)工具力感覺分析研究。針對多自由度手術(shù)工具絲傳動結(jié)構(gòu)布局，構(gòu)建了力感覺數(shù)學(xué)模型；其次設(shè)計了多自由度手術(shù)工具力感覺系統(tǒng)實驗樣機，并進行了實驗標定；通過系統(tǒng)性能測試實驗驗證了該力感覺系統(tǒng)的功能與性能。4.研究多自由度絲傳動手術(shù)工具剛度分析方法。應(yīng)用剛度矩陣法建立了‘MicroHA’絲傳動手術(shù)工具剛度研究模型，并在關(guān)節(jié)空間內(nèi)對手術(shù)工具進行剛度度量；通過研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對整體剛度的影響，實現(xiàn)多自由度絲傳動手術(shù)工具面向剛度的優(yōu)化設(shè)計。動物實驗驗證了