单孔变刚度微创外科手术器械臂优化设计及变刚度研究

摘要

单孔腹腔镜手术作为微创手术发展的一个重要阶段，不仅具有与传统多孔微创手术相同的治疗效果，而且具有创伤小、疼痛感轻、住院时间短和美容效果好等优点，且不受限于人体自然腔道的位置，具有更广泛的应用范围。目前，关于单孔腹腔镜手术器械及机器人系统的研究已取得了瞩目成绩，但现有多数单孔腹腔镜操作系统不能实现足够灵巧空间与高刚度的统一，难以满足多种类型手术操作的需要。本文针对单孔腹腔镜手术的工作要求，以低熔点相变金属镓为“刚柔耦合”的转换介质，系统阐述了一种变刚度微创外科手术器械的构型设计、运动学及工作空间分析，并完成了驱动端的优化设计，最后成功设计出了一种单孔变刚度微创外科手术器械臂原型样机。本文的具体研究内容如下：
　　首先，根据实际手术操作过程中手术工具应满足的医学需求，提出一种适用于单孔腹腔镜手术的变刚度操作平台的整体设计方案，并对其中的“刚柔耦合”保护鞘、工具臂及驱动系统等工作模块进行了方案论证和详细机械结构的设计。该设计方案不仅有效增加了手术器械柔性操作臂的灵活性和空间可达性，极大方便了手术过程中对手术工具位姿的调整，减小了对戳卡点的损伤，而且为手术工具的操作提供了稳定的支撑，提高了操作臂的负载能力。
　　其次，采用一种高效、实用的几何分析方法，以驱动空间、虚拟关节空间、工作空间为基础建立了刚度可控柔性操作臂的运动学模型，详细阐述了驱动空间-虚拟关节空间及虚拟关节空间-工作空间的映射关系，完成了操作臂工作空间的仿真，并以驱动钢丝绳的变化量为传递参数，建立了工具臂的蛇形结构末端与操作端的映射关系，并采用粒子群算法对其结构参数进行优化设计，以减少映射误差。
　　最后，在对刚度可控操作臂方案设计及分析的基础上，开展了刚度特性评价、工作空间测定等实验，验证了本文所采用的设计方案的有效性及运动学分析方法的正确性，并通过运动误差测试量化了“刚柔耦合”保护鞘柔性臂在其他因素的综合影响下的运动误差，验证了方案的可行性。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 单孔腹腔镜手术器械及机器人系统概述

1.3 需要解决的主要问题

1.4 本文主要研究内容

第二章 刚度可控单孔腹腔镜手术器械的机构设计

2.1 引言

2.2 单孔腹腔镜手术器械的约束及医学需求分析

2.3 手术器械总体设计方案

2.4 单孔腹腔镜手术器械保护鞘模块的设计

2.5 手术工具操作臂驱动端结构设计

2.6 本章小结

第三章 刚度可控操作臂的运动学分析与仿真

3.1 引言

3.2 刚度可控操作臂运动学模型建立

3.3 刚度可控操作臂运动学分析

3.4 刚度可控操作臂工作空间分析

3.5 工具臂驱动端映射误差分析与优化

3.6 本章小结

第四章 “刚柔耦合”操作臂的实验研究

4.1 引言

4.2 刚度特性评价实验研究

4.3 操作臂的工作空间测定实验

4.4 “刚柔耦合”保护鞘的运动误差测试实验

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢