连续型腹腔内窥镜机器人的运动仿真与优化研究

摘要

腹腔内窥镜机器人的研究对临床外科微创手术具有重要意义。内窥镜作为医生的“眼睛”，是微创手术中使用的最重要的医疗器械。普通的腹腔微创手术采用人工持镜方式，医生容易疲劳，产生抖动。临床应用的关节型内窥镜机器人虽能提供稳定清晰的视野，但机器人运动空间大，不灵活。
　　 本文针对关节型内窥镜机器人存在的运动空间受限的缺点，研究一种运动稳定、多自由度的新型连续型内窥镜机器人。连续型机器人是一种新型的仿生机器人，由柔性支柱构成，无刚性关节和连杆结构，能灵活弯曲，模仿大象鼻子及章鱼触角的运动。文章主要研究内容及学术贡献如下:
　　 首先，对连续型机器人进行结构设计，建立连续型机器人运动模型，对机器人进行正、逆运动学分析，分析机器人运动空间与驱动空间的映射关系，研究运动控制算法。通过运动学分析确定机器人末端位置、速度和加速度等运动特性。对连续型机器人运动学的分析是研究连续型机器人的关键。
　　 其次，从动力学角度分析内窥镜机器人刚柔耦合系统，建立ADAMS虚拟样机模型，完成机器人的运动仿真，并对仿真结果进行数据处理和分析，通过对仿真结果和运动学分析结果的比较，验证运动学模型和运动学分析结果的正确性。在机械多体系统的研究中，对刚柔耦合系统的建模与仿真是多体系统研究一个难题。
　　 最后，利用ADAMS对内窥镜机器人的结构进行优化分析，通过创建设计变量，设定初始值，利用设计变量对模型的几何形状进行参数化建模与分析，当设定的目标函数达到最佳时，得到对应设计变量的最优值，设计出弯曲性能好、高精度的连续型机器人。
　　 综上所述，本文研究一种新型连续型内窥镜机器人，并对其运动学进行分析，通过ADAMS软件进行运动学仿真来证实运动学模型和运动学分析的正确性，在此基础上完成机器人结构优化工作。本课题的研究是我国在连续型机器人领域的初步探索，为连续型机器人在我国的研究和应用提供重要的参考依据。

目录

摘要

Contents

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 腹腔镜手术的发展

1．1．2 课题研究意义

1．2 腹腔内窥镜机器人研究现状

1．2．1 机器人分类

1．2．2 关节型腹腔镜机器人研究现状

1．2．3 连续型医疗机器人研究现状

1．3 论文框架及研究内容

1．4 本章小结

第二章 连续型腹腔镜机器人运动学研究

2．1 连续型腹腔镜机器人设计

2．1．1 连续型腹腔镜机器人系统设计

2．1．2 连续型机器人结构设计

2．2 机器人正运动学分析

2．2．1 连续型机器人运动学模型

2．2．2 位姿分析

2．2．3 运动空间分析

2．3 机器人逆运动学分析

2．3．1 变量空间分析

2．3．2 驱动空间分析

2．4 机器人速度和加速度分析

2．5 本章小结

第三章 连续型内窥镜机器人机械系统研究

3．1 多体系统动力学概述

3．2 多体系统理论

3．2．1 多体系统运动学

3．2．2 多体系统动力学

3．2．3 连续型机器人刚-柔耦合多体系统

3．3 虚拟样机技术

3．3．1 ADAMS简介

3．3．2 ADAMS柔性体

3．4 本章小结

第四章 内窥镜机器人建模与运动仿真

4．1 样机建模

4．1．1 柔性体建模

4．1．2 刚性体参数化建模

4．2 添加系统约束

4．2．1 添加基本约束

4．2．2 添加驱动

4．3 施加系统载荷

4．3．1 定义接触

4．3．2 施加重力

4．4 系统仿真

4．4．1 系统静力平衡计算

4．4．2 系统模型验证

4．4．3 系统仿真控制

4．5 结果后处理

4．5．1 后处理模块主要用途

4．5．2 模型数据测量

4．5．3 机器人仿真结果分析

4．6 本章小结

第五章 机器人优化

5．1 ADAMS优化

5．1．1 ADAMS优化设计理论

5．1．2 优化前参数设置

5．2 单设计变量研究

5．2．1 设计研究参数设定

5．2．2 单设计变量分析

5．3 多设计变量研究

5．3．1 实验设计参数设定

5．3．2 实验设计结果分析

5．4 结构优化

5．4．1 优化分析参数设置

5．4．2 优化分析结果分析

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢

附录