机器人手术主操作手设计与优化

摘要

近年来，随着科学技术的发展，手术机器人步入了人们的视野。主从式手术机器人作为手术机器人的一种，其应用优势日益显现。主操作手是主从式手术机器人的一种重要的人机交互设备，其运动精度、操作灵活性、工作空间等性能，将直接影响医生进行手术操作，进而影响到手术效果。因此，研究性能较好的主操作手，对提高手术效果并促进主从式手术机器人在医疗领域的应用具有重要的意义。
　　根据主操作手的设计要求，分析对比不同机构构型及关节配置的优缺点，设计了6+1自由度串联结构型主操作手，该主操作手运动灵活性好，工作空间大。通过设计主操作手末端姿态部分的三轴汇交机构，实现了主操作手位置和姿态的解耦。采用D-H法进行主操作手正运动学分析，运用微分变换法得到主操作手的雅克比矩阵。
　　为了提高主操作手的操作性能，需要设计合适的杆件参数。本文首先运用解析法分析了主操作手的工作空间，然后在主操作手能达到需求的工作空间的前提下，以主操作手的全局运动性能指标作为主操作手灵巧度的衡量，并将其作为优化目标，采用遗传算法对主操作手进行优化，最终到了合适的杆件参数。此外，考虑到主操作手配重的设计，为使配重既不影响外观，同时也不给关节带来较大的转动惯量，运用遗传算法对配重进行了优化设计，最终得到了合适的配重大小及安装位置。
　　根据人机工程学方面的要求，结合主操作手在实际手术中的应用，针对双主手协同工作情况，合理配置了主操作手在控制台上的安装方位。运用姿态球的概念，并结合人体手腕的灵活性，设计了合理的姿态旋转关节角度，得到了灵活性较好的三轴汇交机构。
　　最后通过主操作手的配重平衡实验，验证了主操作手能实现较好的重力平衡。通过零位标定实验以及位置和姿态测量实验，验证了主操作手能实现较高的运动精度。通过主从操作实验，验证了主操作手进行主从操作手术的可行性。

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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 本文的主要研究内容

第2章 主操作手构型设计及运动学分析

2.1 引言

2.2主操作手构型设计及分析

2.3主操作手运动学分析

2.4 本章小结

第3章 主操作手结构设计与优化

3.1 引言

3.2 主操作手结构设计

3.3 主操作手操作性能优化

3.4 主操作手配重平衡优化

3.5 主操作手人机工程学设计

3.6 本章小结

第4章 主操作手系统实验研究

4.1 引言

4.2 主操作手系统实验平台构建

4.3 配重平衡实验

4.4 位置和姿态测量实验

4.5 主从操作实验

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

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