微创外科手术机器人多构态末端工具设计及实现

摘要

外科手术机器人可辅助医生提高手术质量，其末端工具是对目标病灶进行手术操作的关键器件。本体机构装备灵活末端工具的机器人构型可获得精确的工具运动轨迹和完整的手术操作能力。现有微创外科手术机器人末端工具构型固定，功能单一，医生需不断更换进入病人体内的末端工具以完成手术操作，降低了工作效率并推高了成本。本文将多种末端工具功能集于一体，设计完成结构形态可变的多构态末端工具，取得了如下成果：
　　完成了微创外科手术机器人多构态末端工具功能分析。对比分析了外科手术三个发展阶段所用末端工具的特点和局限性。限制了微创外科手术机器人多构态末端工具的构型尺度，减小其进出腹腔对病人体表造成的创伤。规划了多构态末端工具姿态关节，确保其在病人腹腔内的灵活性。确定了末端工具整体为可变形结构，经其构态变化机构安装3个独立操作器以获得多功能操作能力。多构态末端工具需由主从方式实现动作控制。
　　设计了具有10个操作自由度的微创外科手术机器人多构态末端工具。以曲柄滑块机构为原型，设计了具有腕关节的末端工具构态变化机构，并在其上构建了3个独立多关节指形操作器。末端工具整体可以24mm直杆构态通过病人腹腔表皮，并于腹腔内部重建其多个操作构态。利用转轮/软丝/软管传动方式驱动末端工具的动作关节。应用邻接矩阵和几何方法分析了末端工具的构态变化机构特性，采用旋量理论分析了指形操作器的运动学模型。基于抓取理论推导了2操作器及3操作器构态末端工具的操作模型。
　　根据多构态末端工具的结构特点设计完成了整体同构的主控制操作器。建立了主控制操作器的正运动学模型，分析了多构态末端工具拇指操作器的逆运动学模型。针对末端工具不同操作构态，建立了主控制操作器与多构态末端工具之间的主从映射模型。分析了多构态末端工具的主从控制需求，选取PMAC运动控制卡为核心硬件。完成了末端工具初始化、主从映射及操作构态变化等软件构架。
　　完成上述工作后，设计了不同构态末端工具的组织操作实验，实验结果表明多构态末端工具具有多功能操作的手术能力。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 机器人机构在医学领域的应用

1.3 课题研究的背景和意义

1.4 需要解决的主要问题

1.5 本文主要研究内容

第二章 微创外科手术机器人多构态末端工具功能分析

2.1 引言

2.2 腹腔外科手术发展

2.3 微创外科手术机器人多构态末端工具工况分析

2.4 微创外科手术机器人多构态末端工具设计目标

2.5 本章小结

第三章 微创外科手术机器人多构态末端工具设计及分析

3.1 引言

3.2 微创外科手术机器人多构态末端工具概念设计

3.3 微创外科手术机器人多构态末端工具详细设计

3.4 微创外科手术机器人多构态末端工具分析

3.5 本章小结

第四章 微创外科手术机器人多构态末端工具控制实现

4.1 引言

4.2 微创外科手术机器人多构态末端工具主控制操作器设计

4.3 微创外科手术机器人多构态末端工具主从映射

4.4 微创外科手术机器人多构态末端工具控制实现

4.5 本章小结

第五章 微创外科手术机器人多构态末端工具实验研究

5.1 引言

5.2 微创外科手术机器人多构态末端工具初步实验

5.3微创外科手术机器人多构态末端工具多功能操作验证

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录A 微创外科手术机器人多构态末端工具装配图

附录B 多构态末端工具主控制操作器装配图

致谢