微创手术主操作手的全主动冗余姿态机构研究

摘要

近年来，机器人微创手术由于具有使病人恢复时间短、手术质量高等突出优点，得到了越来越广泛的应用。主操作手作为微创手术机器人系统中将医生手术动作传递到从端手术器械的载体，要能足够灵活的实现医生的手术动作。而主操作手的灵活性主要由其姿态机构决定，灵活性差的主操作手不能完成复杂的手术，严重影响手术的效果。因此，研究操作性能高的主操作手姿态机构对提高手术质量具有十分重要的意义。
　　本文根据微创手术主操作手姿态机构的设计要求，分析不同机构构型的优缺点，确定了主操作手姿态机构采用串联型4R冗余姿态机构。为了实现主操作手位姿解耦，主操作手冗余姿态机构的四个轴线交于一点。运用D-H法对主操作手冗余姿态机构的正运动学进行分析，采用微分变换法建立了主操作手冗余姿态机构的雅克比矩阵。分析了主操作手冗余姿态机构的奇异点和工作空间。为了提高主操作手冗余姿态机构的操作性能，基于模拟退火算法，以灵巧度指标为目标函数，对主操作手冗余姿态机构的构型进行了优化。完成了主操作手冗余姿态机构各部分的具体结构设计，并采用有限元法对主手冗余姿态机构进行了刚度分析。分析了主操作手冗余姿态机构的自平衡问题，提出了加配重和电机提供补偿力矩相结合的方法，实现机构的自平衡。采用Lagrange法建立了机构自平衡模型，得到了机构自平衡时所需的电机输出力矩与主操作手姿态之间的关系，并通过ADAMS软件对自平衡理论模型进行了验证。为了减小配重给机构增加的惯量，同时降低各个关节平衡所需的电机驱动力矩，对配重参数进行了优化。最后，进行了主操作手冗余姿态机构控制系统软件和硬件的设计，并搭建了实验平台。通过零位标定实验，得到了主手冗余姿态机构机械零位相对基坐标系的位姿。对主手冗余姿态机构自平衡算法中的参数进行了标定，较大地提高了自平衡算法的精度。通过自平衡实验，验证了主手冗余姿态机构能够实现任意姿态的自平衡，提高了操作舒适性。搭建了主从遥操作实验平台，验证了主手冗余姿态机构在主从式机器人手术中的可行性。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2主操作手研究现状及分析

1.3本文主要研究内容

第2章 主操作手冗余姿态机构设计及优化

2.1引言

2.2主操作手姿态机构构型设计

2.3主操作手冗余姿态机构运动学分析

2.4基于模拟退火算法的构型优化

2.5冗余姿态机构结构设计

2.6冗余姿态机构刚度分析

2.7本章小结

第3章 主操作手冗余姿态机构自平衡及配重优化

3.1引言

3.2冗余姿态机构自平衡分析

3.3冗余姿态机构自平衡模型的建立

3.4冗余姿态机构配重优化

3.5本章小结

第4章 控制系统设计及实验研究

4.1引言

4.2控制系统设计

4.3实验研究

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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