面向微创腹腔外科手术的冗余自由度机械臂研究

论文摘要

机器人辅助微创外科手术具有创口小、定位精度高、操作灵活等优点,能有效提高手术的质量和安全性,扩展医生的操作能力,改善医生的工作环境,因而引起了世界范围内的广泛关注,并取得了飞速的发展。微创外科手术机器人是综合多个学科的新型交叉研究领域,具有重要的社会意义和经济效益。本文基于国家“863”计划资助项目“微创腹腔外科手术机器人”,对面向微创腹腔外科手术的机械臂进行了相关研究。首先,针对微创腹腔外科手术的任务特点对机械臂的工作环境进行了分析,并归纳出机械臂的基本功能要求,在此基础之上对机械臂的自由度配置和构型进行设计。根据不同的功能要求将机械臂分为臂定位机构,器械定位机构和器械接口三个部分,并分别对其进行具体的结构设计。其次,基于D-H法建立了机械臂的运动学正解方程,并依据机械臂的构型特点和实际工作状态,采用反变换法建立了机械臂的运动学逆解方程。在此基础之上,利用雅克比矩阵的奇异值构造出机械臂运动性能的灵巧度评价指标,并以此作为优化准侧,对机械臂进行结构尺寸优化,最终确定了机械臂的各杆件参数。再次,对机械臂的关节受力情况进行了分析,并利用动力学仿真软件ADAMS对机械臂进行动力学仿真,进而确定了各主动关节的驱动电机型号。利用有限元法对机械臂的刚度和强度进行了校核。此外,为减少机械臂在手术过程的干涉,利用改进的投影梯度法,并采用最大距离指标作为优化目标函数,对双器械臂进行术前摆位分析。最后,搭建实验平台对机械臂的性能进行相关实验研究。实验平台分为机械臂本体和控制系统两个部分,主要对机械臂的手动摆位效果,主动关节的驱动能力及远心定点运动的定位精度进行验证,并对实验结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 微创外科手术机器人的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 微创外科手术机器人相关技术研究概述
• 1.3.1 机器人结构设计
• 1.3.2 运动学及动力学研究
• 1.3.3 术前规划研究
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 机械臂结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 机器人辅助微创腹腔外科手术工作环境分析
• 2.3 机械臂自由度配置及构型设计
• 2.3.1 臂定位机构
• 2.3.2 器械定位机构
• 2.3.3 器械接口
• 2.3.4 机械臂整体构型
• 2.4 机械臂的结构设计
• 2.4.1 臂定位机构结构设计
• 2.4.2 器械定位机构结构设计
• 2.4.3 器械接口结构设计
• 2.5 机械臂最终结构模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 机械臂运动学分析及尺寸综合
• 3.1 引言
• 3.2 机械臂的运动学分析
• 3.2.1 运动学分析的理论基础
• 3.2.2 正运动学分析
• 3.2.3 逆运动学分析
• 3.3 机械臂尺寸综合
• 3.3.1 优化目标
• 3.3.2 设计变量
• 3.3.3 约束条件
• 3.3.4 优化模型
• 3.3.5 优化算法
• 3.3.6 优化结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 机械臂的力学分析及术前摆位分析
• 4.1 引言
• 4.2 关节驱动力分析
• 4.2.1 关节5驱动力分析
• 4.2.2 关节6驱动力分析
• 4.2.3 关节7驱动力分析
• 4.2.4 动力学仿真
• 4.3 机械臂刚度及强度校核
• 4.4 机械臂术前摆位分析
• 4.4.1 冗余度机构的逆运动学求解
• 4.4.2 优化目标函数
• 4.4.3 摆位分析流程
• 4.4.4 双器械臂摆位分析仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 机械臂实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验平台搭建
• 5.2.1 机械臂机械本体
• 5.2.2 控制系统
• 5.3 机械臂性能实验
• 5.3.1 机械臂手动摆位实验
• 5.3.2 机械臂驱动性能实验
• 5.3.3 远心定点运动定位精度实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文
• 致谢