单孔腹腔微创手术机器人的机械臂系统研究

摘要

单孔腹腔微创手术是一种只需要在腹腔开一个孔的微小创伤型手术,它不仅具有与传统多孔微创外科手术和普通开放式手术同等的疗效,还具有创伤小、疼痛轻、术后恢复快和创口美观性好等优点,并且,其应用范围不受限于人体自然腔道的位置,比通过人体自然腔道的微创手术具有更广泛的应用范围。
　　本课题在国家自然科学基金项目“单孔腔内微型机器人外科手术系统优化设计与控制技术研究”的支持下,详细设计了一种针对单孔腹腔微创手术的机器人系统。
　　首先,结合实际手术操作中对单孔腹腔微创手术机器人的动作需求,设计了一款7自由度的机器人,完成了三维建模和手术器械模块、柔性臂模块、电机传动模块的详细设计,实现了驱动丝的巧妙布置,避免了彼此的干涉。针对末端微器械提出了一种无耦合的设计方案,成功解决了微器械腕部跟手术钳相互耦合的问题。
　　其次,设计了一种通过对超弹性Nitinol合金柔性管进行三角形切口来实现弯转自由度的关节模型。利用两组交叉90°的切口组合实现了柔性臂的俯仰、横摆两个弯转自由度,在保证关节自由度要求的前提下很好的保证了管臂内大的空腔,可以用于通过末端器械的驱动丝、能源线缆、信号数据线缆等,为末端关节的多自由度设计提供了可能。而且基于Timoshenko梁理论,完成了柔性臂的静力学建模和 ANSYS仿真,并对柔性臂的切口尺寸、加工工艺、材质要求进行了实验对比验证。此外,求解了运动学模型和工作空间,对逆运动学结果进行了理论验证。
　　最终,完成了机器人平台关键部件的受力校核和选型,搭建了实验样机,采用被动光学定位系统等设备,搭建了实验测试平台,对机器人系统的正逆运动学模型和工作空间都进行了验证,并且对实验结果进行了分析。

目录

单孔腹腔微创手术机器人的 机械臂系统研究

RESEARCH ON THE MANIPULATOR SYSTEM OF SINGLE PORT ACCESS ABDOMINAL SURGERY ROBOT

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外在腹腔微创手术机器人方向的研究现状及分析

1.2.1国外在腹腔微创手术机器人方向的研究现状及分析

1.2.2国内在腹腔微创手术机器人方向的研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 单孔腹腔微创手术机器人的机构设计

2.1 引言

2.2 单孔腹腔微创手术机器人工作流程分析和总体设计

2.3 单孔腹腔微创手术机器人手术器械模块的设计

2.3.1末端执行器的设计

2.3.2针对腕部的无耦合设计

2.3.3末端轴转关节的设计

2.4 单孔腹腔微创手术机器人柔性臂模块的设计

2.4.1柔性臂主体的设计

2.4.2驱动丝传动路线的设计

2.5 电机传动模块的设计

2.5.1驱动箱的整体设计

2.5.2驱动箱的传动设计

2.6 本章小结

第3章 机械臂的力学模型和运动学模型的构建

3.1 引言

3.2 三角切口柔性臂的力学模型构建和ANSYS仿真

3.2.1 柔性臂的力学模型理论基础

3.2.2 V单元的力学模型计算

3.2.3 V单元的ANSYS仿真

3.2.4 通过叠加法求解整个柔性臂的位移

3.2.5 柔性臂ANSYS仿真和力学模型求解的对比

3.3柔性臂样件的初步实验验证

3.3.1 不同材质、加工工艺、切口尺寸柔性臂的对比

3.3.2 柔性臂受力和变形关系的实验验证

3.4 单孔腹腔微创手术机器人机械臂的运动学分析

3.4.1 运动学分析的理论基础

3.4.2 正运动学分析

3.4.3 逆运动学分析

3.5 本章小结

第4章 单孔腹腔微创手术机器人机械臂系统实验分析

4.1 引言

4.2机械臂系统关键部件受力分析和选型

4.2.1微器械手术钳的受力分析

4.2.2驱动丝的受力分析

4.2.3电机选型

4.3电控系统的设计

4.4机械臂系统功能性实验

4.4.1 实验平台搭建

4.4.2 单孔腹腔微创手术机器人系统实验

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢