腹胸腔微創(chuàng)手術機器人遠心機構設計分析與阻力補償研究.pdf

1、近年來,人民對醫(yī)療衛(wèi)生水平的需求急劇的提高,科學技術的不斷發(fā)展使得機器人輔助微創(chuàng)外科手術漸漸地走進人們的生活,其在普通微創(chuàng)外科手術的基礎之上,又呈現了諸多特有的優(yōu)勢,國內外諸多高校以及科研機構對機器人輔助外科手術系統(tǒng)產生了濃厚的興趣,開展了相關的研究并取得了不少成果。本文在國家“863”計劃項目“腹胸腔微創(chuàng)手術機器人共性關鍵技術與示范應用”支持下,設計了一種能夠用于腹胸腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)的從手操作臂的遠心機構,實現了遠心機構內部中空走

2、線,機電一體化設計;該遠心機構可以實現在沒有電磁離合器存在的情況下達到主被動自由切換的目的。
　　本文基于輕型化、小型化、一體化和高剛度的設計理念,設計用于腹胸腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)從手操作臂的遠心機構,包括機械結構、驅動、傳感和控制系統(tǒng)。通過分析微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)手術工況和性能的需求,得到遠心機構的設計要求,并根據設計要求設計了該遠心機構的機械結構本體,并進行了遠心機構內部主要構件的ANSYS有限元分析,校核遠心機構的剛度和強度。

3、
　　對設計好的遠心機構,利用機器人運動學的D-H法對該遠心機構進行運動學分析,得到遠心機構末端的正運動學的解和逆運動學的解以及雅克比矩陣;利用拉格朗日方程法,進行遠心機構的動力學分析,求解出來其動力學方程,并通過Matlab初步計算出各個關節(jié)需要的最大驅動轉矩。
　　利用三維設計軟件Pro/E對遠心機構進行了運動學仿真,包括遠心運動仿真和平移直線運動仿真,給出手術器械末端的運動曲線;利用機械動力學分析軟件ADAMS對遠心機

4、構進行了動力學仿真,在特定運動函數作用下得到關節(jié)的轉矩曲線;將理論分析結果和仿真分析結果進行比較,以確定分析的正確性。
　　針對遠心機構主被動切換的要求,在被動模式時,利用反向驅動時電機補償阻力的方法,以用來提高關節(jié)的反向驅動性能,使得醫(yī)生能夠很輕松的進行遠心機構術前的調整;在主動模式時,針對摩擦的存在對信號跟蹤有影響的問題,進行了摩擦參數的辨識仿真研究,并在PD控制的基礎上添加了摩擦補償部分;并進行了Matlab/Simulin