腹腔微创手术机器人手术器械研究

摘要

微创外科手术（MIS/Minimally Invasive Surgery）在减轻患者病痛方面具有创口小、出血少和愈合快等特点，手术及护理成本相比开放性手术也具有巨大优势，因此其已广泛应用于传统外科手术领域且在技术上日趋成熟。机器人与人手相比在持续性精度及运动范围上具有无可比拟的优势，而将其运用于腹腔微创手术领域能够在有效提高手术质量的同时提高手术操作的方便性，因此腹腔微创手术机器人系统已成为机器人领域的研究新热点。
　　本课题来源于国家“863”计划资助项目“腹腔微创手术机器人系统研究”，针对腹腔微创手术机器人手术器械按功能需求进行了模块化方案设计，对个模块进行了具体的结构设计，并对手术器械进行了力学和运动学的分析和仿真。
　　首先，通过机器人辅助腹腔微创手术的流程分析得出所设计手术器械需要的自由度和传动方式。对于手术钳设置4个自由度，分别为操作杆的旋转运动、腕部的摆动和两个手指相互独立的开合运动；对于电刀设置3个自由度，分别为操作杆的旋转运动、腕部的摆动和手指的摆动。把手术器械分为机械臂接口模块、电机传动模块和手术器械本体模块，从而组合出手术器械的总体结构方案。
　　其次，对手术器械各模块的具体结构进行详细设计。针对机械臂接口模块设置锁紧圈锁紧机构，以方便手术器械的快速更换；针对电机传动模块设计电机动力传动路线和离合装置，对于手术钳和电刀做了通用性设计，以增强不同类别手术器械电机传动模块的互换性；针对手术器械本体模块的通用部分设置了杆部自转装置和端部张紧导向装置，对手术钳末端执行装置进行设计并得出控制解耦方案，对电刀末端执行装置进行耦合机理分析并设计出无耦合机构。
　　而后，对手术器械进行分析仿真。在力学方面，对于手术钳和电刀的传动绳进行受力计算并进行了选型；对于操作杆进行了压杆稳定性和弯曲变形分析；对于手术钳手指进行了最大夹持力下应变和应力ANSYS仿真分析。在运动学方面，对于手术钳和电刀分别推导出机器人所有关节的转换矩阵，并进行了初始位姿计算；利用ADAMS对手术钳进行了耦合运动仿真，并且对电刀进行了无耦合运动仿真。对手术器械进行了运动调试，直观体现了耦合机理，并证明了所设计无耦合原理的正确性。

目录

腹腔微创手术机器人手术器械研究

RESEARCH OF SURGICAL INSTRUMENT FORCELIAC MINIMALLY INVASIVE SURGICALROBOT

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外微创手术机器人系统研究现状

1.3 国内外（微创手术机器人用）手术器械研究现状

1.4 课题来源及研究目的和意义

1.5 本文主要研究内容

第2章 腹腔微创手术机器人手术器械模块化设计方案

2.1 引言

2.2 腹腔微创手术机器人手术器械结构需求分析

2.3 腹腔微创手术机器人手术器械各模块设计方案

2.4 腹腔微创手术机器人手术器械总体结构方案

2.5 本章小结

第3章 腹腔微创手术机器人手术器械各模块结构设计

3.1 引言

3.2 机械臂接口模块结构设计

3.3 电机传动模块结构设计

3.4 手术器械本体模块结构设计

3.5 手术器械总体模型

3.6 本章小结

第4章 腹腔微创手术机器人手术器械分析仿真及运动调试

4.1 引言

4.2 手术器械关键部件受力分析

4.3 手术器械运动学分析

4.4 手术器械仿真

4.5 手术器械运动调试

4.6 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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致 谢