微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力反饋主手設(shè)計(jì)與仿真.pdf

1、利用主從式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人來(lái)輔助微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可,不僅減少了病人的痛苦和術(shù)后恢復(fù)時(shí)間,也將醫(yī)生從傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)中解放出來(lái),提升了手術(shù)完成質(zhì)量,醫(yī)患雙方都從這一新技術(shù)得到受益。主手是主從式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分,也是醫(yī)生與從手之間傳遞信息,進(jìn)行人機(jī)交互的載體,其性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)性能的發(fā)揮。目前市面上的主手多是通用型,不能很好地滿(mǎn)足機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)的具體要求,因此設(shè)計(jì)一款面向微創(chuàng)

2、手術(shù)機(jī)器人的主手是十分有必要的。
　　本文在分析微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人對(duì)主手實(shí)際要求的基礎(chǔ)上,開(kāi)展主手的構(gòu)型綜合,確定主手為6+1個(gè)自由度,即獲取位置信息的3自由度平動(dòng)機(jī)構(gòu)、獲取轉(zhuǎn)角信息的3自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制手術(shù)器械末端開(kāi)合操作的1自由度夾持機(jī)構(gòu)。平動(dòng)機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)上能實(shí)現(xiàn)力反饋,反饋力由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩加鋼絲傳動(dòng)傳遞給人手。接著,根據(jù)所選取的機(jī)構(gòu)構(gòu)型和力反饋原理,進(jìn)行了主手機(jī)構(gòu)的詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出的主手具有零點(diǎn)定位、限位安全、力反饋及重

3、力補(bǔ)償?shù)裙δ堋?br>　　基于完成的主手機(jī)構(gòu),開(kāi)展了平動(dòng)機(jī)構(gòu)的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,通過(guò)關(guān)節(jié)空間速度到操作空間速度的映射推導(dǎo)出它們的雅克比矩陣。根據(jù)機(jī)構(gòu)靈巧度指標(biāo)完成了平動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化,分析了機(jī)構(gòu)的靈巧度和優(yōu)化尺寸后的工作空間。最后在有限元分析軟件中對(duì)主手模型進(jìn)行了靜剛度分析。
　　進(jìn)行主手的動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)機(jī)構(gòu)模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化,根據(jù)虛功原理建立了主手的動(dòng)力學(xué)方程。定義了力雅克比矩陣,建立關(guān)節(jié)電機(jī)輸出力矩與主手末端

4、所感受到力之間的映射關(guān)系,確定了實(shí)現(xiàn)力反饋的理論基礎(chǔ)。基于動(dòng)力學(xué)模型,選用PD控制作為力反饋控制方法,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制過(guò)程。在simulink中完成簡(jiǎn)化單關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤仿真,驗(yàn)證了該控制方法的有效性。
　　最后,在ADAMS中建立主手樣機(jī),按照給定的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)運(yùn)行樣機(jī),測(cè)得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩對(duì)比動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)方程的正確性。選擇主手工作空間內(nèi)的一段圓柱形螺旋線(xiàn)作為主手末端期望軌跡,結(jié)合之前的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果,使用ADAMS和