外科手术机器人从手控制研究

论文摘要

外科手术机器人能够将其末端的精密器械引入人体,进行相应的检查或者手术。它将机械技术、机器人技术、电子技术以及视觉等方面的技术应用到了外科手术中。由于具有巨大的经济效益和社会效应,外科手术机器人已经成为国内外研究的热点。通常,外科手术机器人系统采用的是主从控制方式,医生操纵主手实现对从手的控制。本文主要对从手部分进行研究,具体如下：提出一种外科手术机器人从手部分的总体结构方案。该方案将从手分为手臂和手指两部分,分别对手臂和手指进行结构设计,并建立各自的运动学模型。加工出了手臂部分的样机；选用工控机、USBCAN、直流驱动器、直流电机以及限位开关等硬件设备,完成了手臂部分的控制方案；运用VC++6.0编写了单关节运动和多关节运动的软件。针对该样机进行了实验研究,包括单关节实验和多关节实验。单关节实验主要用于调试出合适的PD参数；多关节实验用于对手臂末端进行轨迹控制,并获取每个关节的实验数据。对多关节实验的数据进行了分析,得出了每个关节的误差曲线；使用Simulink建立了手臂部分的运动学仿真模型。通过每个关节的实验数据和仿真模型,计算出该机器人末端的误差曲线,完成了误差正分析。同时为了改进系统,进行了误差逆分析,即在给出末端最大误差的前提下,分析并求解了各个关节的理论最大误差。误差分析结果表明,该机器人系统满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题目的及意义
• 1.2 国外发展概况
• 1.3 国内发展概况
• 1.4 论文主要工作内容
• 第2章 外科手术机器人从手结构方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 外科手术机器人从手总体结构方案
• 2.2.1 手术机器人从手设计要求
• 2.2.2 手术机器人从手结构方案
• 2.3 从手手臂结构方案设计
• 2.3.1 手臂结构原理
• 2.3.2 手臂结构方案
• 2.4 从手手指结构方案设计
• 2.4.1 手指结构原理
• 2.4.2 手指结构方案
• 2.5 从手手臂和手指的数学建模
• 2.5.1 D-H法杆件参数及坐标系的定义
• 2.5.2 手臂运动学模型
• 2.5.3 手指运动学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 手臂控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制系统设计原则
• 3.3 控制系统硬件设计
• 3.3.1 系统硬件总体结构
• 3.3.2 系统硬件选型
• 3.4 控制系统软件设计
• 3.4.1 单轴的运动测试程序设计
• 3.4.2 手臂总体运动控制界面设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统
• 4.3 单关节电机伺服控制实验
• 4.3.1 升降电机控制实验
• 4.3.2 大臂电机控制实验
• 4.3.3 小臂电机控制实验
• 4.4 多关节手臂系统的控制实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验误差分析
• 5.1 引言
• 5.2 建立基于Simulink的手臂机构仿真
• 5.3 实验误差数据处理
• 5.4 末端误差分析
• 5.4.1 末端误差正分析
• 5.4.2 末端误差逆分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢