腹胸腔微创手术机器人远心机构设计分析与阻力补偿研究

摘要

近年来,人民对医疗卫生水平的需求急剧的提高,科学技术的不断发展使得机器人辅助微创外科手术渐渐地走进人们的生活,其在普通微创外科手术的基础之上,又呈现了诸多特有的优势,国内外诸多高校以及科研机构对机器人辅助外科手术系统产生了浓厚的兴趣,开展了相关的研究并取得了不少成果。本文在国家“863”计划项目“腹胸腔微创手术机器人共性关键技术与示范应用”支持下,设计了一种能够用于腹胸腔微创手术机器人系统的从手操作臂的远心机构,实现了远心机构内部中空走线,机电一体化设计;该远心机构可以实现在没有电磁离合器存在的情况下达到主被动自由切换的目的。
　　本文基于轻型化、小型化、一体化和高刚度的设计理念,设计用于腹胸腔微创手术机器人系统从手操作臂的远心机构,包括机械结构、驱动、传感和控制系统。通过分析微创手术机器人系统手术工况和性能的需求,得到远心机构的设计要求,并根据设计要求设计了该远心机构的机械结构本体,并进行了远心机构内部主要构件的ANSYS有限元分析,校核远心机构的刚度和强度。
　　对设计好的远心机构,利用机器人运动学的D-H法对该远心机构进行运动学分析,得到远心机构末端的正运动学的解和逆运动学的解以及雅克比矩阵;利用拉格朗日方程法,进行远心机构的动力学分析,求解出来其动力学方程,并通过Matlab初步计算出各个关节需要的最大驱动转矩。
　　利用三维设计软件Pro/E对远心机构进行了运动学仿真,包括远心运动仿真和平移直线运动仿真,给出手术器械末端的运动曲线;利用机械动力学分析软件ADAMS对远心机构进行了动力学仿真,在特定运动函数作用下得到关节的转矩曲线;将理论分析结果和仿真分析结果进行比较,以确定分析的正确性。
　　针对远心机构主被动切换的要求,在被动模式时,利用反向驱动时电机补偿阻力的方法,以用来提高关节的反向驱动性能,使得医生能够很轻松的进行远心机构术前的调整;在主动模式时,针对摩擦的存在对信号跟踪有影响的问题,进行了摩擦参数的辨识仿真研究,并在PD控制的基础上添加了摩擦补偿部分;并进行了Matlab/Simulink仿真验证,用以证明两种模式下的阻力补偿都能达到预期效果。

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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 微创手术机器人系统研究现状

1.3 课题的来源、研究的目的和意义

1.4 本论文主要研究内容

第2章 主动式关节远心机构设计

2.1 引言

2.2 远心机构的手术工况及功能需求分析

2.3 远心机构结构设计

2.4 远心机构理论转矩计算和电机选择

2.5 远心机构刚度和性能分析

2.6 本章小结

第3章 远心机构运动学分析和仿真

3.1 引言

3.2 远心机构运动学分析

3.3 远心机构的雅克比矩阵

3.4 远心机构夹持手术器械的运动仿真

3.5 手术器械末端的工作空间

3.6 本章小结

第4章 远心机构动力学方程求解和虚拟样机仿真

4.1 引言

4.2 远心机构动力学方程求解

4.3 远心机构的动力学虚拟样机仿真

4.4 远心机构重力矩分析

4.5 本章小结

第5章 远心机构两种模式下的阻力补偿研究与仿真

5.1 引言

5.2 远心机构主被动模式的切换

5.3 被动模式的状态观测器设计

5.4 被动模式阻力补偿建模与仿真

5.5 主动模式基于遗传算法的摩擦参数辨识与位置跟踪仿真

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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