微创腹腔手术机器人持镜臂性能分析及优化设计

摘要

随着机器人技术的不断发展和医疗科学的持续进步，形式多样化的手术机器人正在被提出并且在手术操作中得到应用。利用腹腔手术机器人辅助医生手术，相对于传统方式，具有手术时间短、可靠性高、创口小等优点，故针对该款机器人的机构性能进行分析和优化具有重要的实际意义。
　　通过深入分析腹腔镜外科手术机器人的结构特点和使用方式，提出了一套用于腹腔镜手术机器人持镜臂的机构仿真和优化方案。避免因保守设计而导致的结构冗余、运动学及动力学性能达不到最优。为结构设计提供理论依据，使手术机器人机构性能变优，质量变轻，达到“瘦身”的效果。
　　根据手术机器人被动关节的功能特点，提出了被动关节运动学雅可比矩阵条件数平均数及其波动值耦合指标，并对该目标性能数学建模，利用 Matlab软件分析每个杆长对目标性能的影响，使用枚举法对杆长进行优化，对比优化前后各项参数的变化，使手术机器人术前摆位更灵活，并为后续主动关节的优化提供理论依据。
　　利用拉格朗日法对腹腔手术机器人主动关节进行动力学建模，并通过仿真验证了数学模型的正确性，为以后的控制等工作提供了理论依据。利用 Adams对主动关节参数化建模，以上一章运动学优化提供的理论数据为约束，提出驱动力矩最大值和铰点受力最大值的加权耦合指标。分析各设计变量对目标性能的影响，找到影响系数较高的参数并对其优化。对比优化前后各项性能及变量的变化，使驱动力矩值整体减小，突变程度降低，铰点受力变小，并为后续的小臂关节结构轻量化设计提供理论数据。
　　借助有限元仿真软件Ansys/workbench软件对整个手术机器人持镜臂进行静力学分析、振动模态分析和关键零部件的疲劳分析，得到各个零件的强度分布及可优化空间。以上两章运动学、动力学性能优化后的被动关节杆长值和主动关节提供的载荷为依据，对被动关节进行毛坯设计及结构拓扑。依照最优受力结构对小臂进行参数化建模，以最大应力、变形和振动频率为约束对其进行轻量化设计，使被动关节小臂受力分布均匀，变形误差减小，质量变轻。

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第1章绪论

1.1 课题背景及意义

1.2研究现状及未来发展

1.3论文研究的主要内容

第2章手术机械臂整体优化方案

2.1七自由度主从式腹腔镜外科手术机器人系统总体介绍

2.2 机械机构优化分类

2.3机械机构优化过程

2.4腹腔手术机器人机构系统整体仿真及优化方案

2.5小结

第3章基于Matlab的被动关节运动学性能分析及优化

3.1机器人运动学分析主要性能指标

3.2被动关节运动学建模及性能分析

3.3基于目标函数的设计变量和约束条件构造

3.4杆长优化及优化后性能分析

3.5小结

第4章基于Adams的主动关节动力学性能分析及优化

4.1主动关节分析及优化方法简介

4.2机械臂主动关节动力学建模与验证

4.3基于Adams动力学参数化建模及其优化

4.4小结

第5章基于Ansys的持镜臂结构分析及轻量化设计

5.1机械臂结构的分析方法

5.2机械臂有限元模型简化及网格划分

5.3基于Awe机械臂性能分析

5.4主要承重部件疲劳分析

5.5被动关节结构优化设计

5.6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表

致谢