微創(chuàng)手術機器人力反饋主手設計與仿真.pdf

1、利用主從式微創(chuàng)手術機器人來輔助微創(chuàng)外科手術已經獲得越來越廣泛的應用和認可,不僅減少了病人的痛苦和術后恢復時間,也將醫(yī)生從傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術中解放出來,提升了手術完成質量,醫(yī)患雙方都從這一新技術得到受益。主手是主從式微創(chuàng)手術機器人的一個重要組成部分,也是醫(yī)生與從手之間傳遞信息,進行人機交互的載體,其性能的優(yōu)劣直接影響著整個微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)性能的發(fā)揮。目前市面上的主手多是通用型,不能很好地滿足機器人輔助微創(chuàng)手術的具體要求,因此設計一款面向微創(chuàng)

2、手術機器人的主手是十分有必要的。
　　本文在分析微創(chuàng)手術機器人對主手實際要求的基礎上,開展主手的構型綜合,確定主手為6+1個自由度,即獲取位置信息的3自由度平動機構、獲取轉角信息的3自由度轉動機構、控制手術器械末端開合操作的1自由度夾持機構。平動機構和夾持機構上能實現(xiàn)力反饋,反饋力由電機輸出轉矩加鋼絲傳動傳遞給人手。接著,根據(jù)所選取的機構構型和力反饋原理,進行了主手機構的詳細機械設計,設計出的主手具有零點定位、限位安全、力反饋及重

3、力補償?shù)裙δ堋?br>　　基于完成的主手機構,開展了平動機構的正逆運動學分析和轉動機構的正運動學分析,通過關節(jié)空間速度到操作空間速度的映射推導出它們的雅克比矩陣。根據(jù)機構靈巧度指標完成了平動機構的尺寸優(yōu)化,分析了機構的靈巧度和優(yōu)化尺寸后的工作空間。最后在有限元分析軟件中對主手模型進行了靜剛度分析。
　　進行主手的動力學分析,對機構模型做適當簡化,根據(jù)虛功原理建立了主手的動力學方程。定義了力雅克比矩陣,建立關節(jié)電機輸出力矩與主手末端

4、所感受到力之間的映射關系,確定了實現(xiàn)力反饋的理論基礎。基于動力學模型,選用PD控制作為力反饋控制方法,實現(xiàn)閉環(huán)的控制過程。在simulink中完成簡化單關節(jié)的軌跡跟蹤仿真,驗證了該控制方法的有效性。
　　最后,在ADAMS中建立主手樣機,按照給定的關節(jié)驅動函數(shù)運行樣機,測得關節(jié)轉矩對比動力學計算結果,驗證動力學方程的正確性。選擇主手工作空間內的一段圓柱形螺旋線作為主手末端期望軌跡,結合之前的運動學與動力學分析結果,使用ADAMS和