微创手术机器人手术工具丝传动设计方法研究

摘要

微创手术机器人多自由度手术工具是机器人系统中唯一接触病人组织、执行手术操作的部件。手术工具的设计优劣直接决定了微创手术机器人的性能,也影响机器人系统其他部件的开发与设计。丝传动构型是微创手术工具有效的结构方式,而钢丝传动在工具运动学分析、力感觉、刚度特性等方面带来了诸多理论难题。本文针对腹腔微创手术机器人丝传动手术工具的开发与设计,研究丝传动设计关键技术与设计方法。论文工作主要包括以下几个方面:
　　1.提出丝传动手术工具设计基本方法。首先根据腹腔微创手术特性与手术机器人运动特性,分析手术工具设计任务;依据现有丝传动构型的特征,开展丝传动手术工具构型设计;依据微创手术工具系列设计要求,分析形成“拉-拉”闭环构型丝传动系统的设计准则。
　　2.拓展手术机器人与手术工具的丝传动通用运动学基本理论。运用指数积公式,针对耦合丝传动,推导其运动学理论;其次,以‘MicroHandA’微创手术机器人为典型对象,详细阐述耦合丝传动运动学模型的分析方法、计算规则与流程;仿真与实验结果验证了该运动学分析方法的有效性和可行性。
　　3.开展基于丝测力的微创手术机器人手术工具力感觉分析研究。针对多自由度手术工具丝传动结构布局,构建了力感觉数学模型;其次设计了多自由度手术工具力感觉系统实验样机,并进行了实验标定;通过系统性能测试实验验证了该力感觉系统的功能与性能。
　　4.研究多自由度丝传动手术工具刚度分析方法。应用刚度矩阵法建立了‘MicroHandA’丝传动手术工具刚度研究模型,并在关节空间内对手术工具进行刚度度量;通过研究各结构参数对整体刚度的影响,实现多自由度丝传动手术工具面向刚度的优化设计。动物实验验证了手术工具的功能与性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 机器人微创手术概述

1.3 微创手术机器人手术工具研究

1.4 丝传动手术工具理论研究

1.5 需要解决的主要问题

1.6 本文主要研究内容

第二章 机器人微创手术与手术工具设计基本方法

2.1 引言

2.2 机器人微创手术分析

2.3 微创手术机器人手术工具设计任务

2.4 丝传动系统构型与传动特性

2.5 微创手术机器人多自由度手术工具开发

2.6 末端功能执行器

2.7 本章小结

第三章 丝传动手术机器人与手术工具运动学理论

3.1 引言

3.2 手术机器人运动学理论

3.3 数学基础

3.4 构型转换

3.5 基于指数积公式的运动学分析

3.6 ‘MicroHand A’手术机器人运动学分析

3.7 仿真分析与实验验证

3.8 本章小结

第四章 微创手术机器人丝传动手术工具力感觉

4.1 引言

4.2 现有手术工具力感觉方法

4.3 力感觉系统的概念设计

4.4 力感觉模型

4.5 力感觉系统实验样机

4.6 标定与测试

4.7 性能测试

4.8 本章小结

第五章 丝传动手术工具刚度研究

5.1 引言

5.2 刚度研究方法

5.3 结构矩阵法

5.4‘MicroHand A’丝传动手术工具刚度研究

5.5 面向刚度的丝传动手术工具结构参数研究

5.6 面向刚度的丝传动手术工具优化设计

5.7 本章小节

第六章 实验研究

6.1 引言

6.2 手术操作力

6.3 耦合丝传动手术机器人运动学基本理论验证

6.4 力感觉实验

6.5 刚度验证实验

6.6 动物实验

6.7 本章小节

第七章 全文总结

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录

致谢