基于柔性丝传动的腹腔微创手术器械设计方法研究

摘要

科学技术的不断发展推动了医疗领域的微创外科手术也在不断进步。微创手术器械有效地拓展了手术医生的能力，目前已成为研究热点。微创手术器械的机械结构、传动方式等方面的设计合理性，将直接影响其适用性、灵活性、操作性、控制精确性等性能及手术效果。本论文对新型腹腔微创手术器械进行了概念设计及详细设计，对器械中的机械结构、柔性丝传动（钢丝传动）等进行了理论分析和结构参数优化，并通过了仿真和实验验证。
　　论文运用旋量理论，对新型腹腔微创手术机器人系统‘妙手A’中的主动机械臂进行了分析。通过运动分解，确定了该机构可实现远端中心点运动，确定了不动点位置及雅克比矩阵，不但简化了运动学分析，使参数含义更明确，而且避免了直接应用运动旋量获取雅克比矩阵时出现的偏差。
　　采用柔性丝（钢丝）与杆件相结合的设计方案，设计了具有多自由度的新型手持式手动手术工具‘EasyGrasp’，该工具结构简单，操作端和末端同构结构和平行四边形的应用使其实现了直观操作。结合旋量理论和微分流形理论，对旋转矩阵的两个参数化方法欧拉角和矩阵指数积的特性进行了研究，并以全局条件数为优化目标，确定了手术工具‘EasyGrasp’中的钢丝布局和结构参数。
　　针对丝传动，论文从几何角度对垂直钢丝进行了数学建模，根据钢丝的螺旋捻制特点，对钢丝进行了结构、受力等方面的研究。对于钢丝未弯曲和弯曲时的状态，分别推导了不同位置的金属丝的结构方程，得到了钢丝的曲率、挠率及受力公式，为钢丝导向轮的设计提供了理论依据。
　　对易断裂的钢丝弯曲部分进行了受力分析，针对‘妙手A’机器人系统手术工具中的钢丝传动系统，确定了导向轮的槽尺寸，推导了有限空间内导向轮轴线互相垂直时的轮直径与轮间距之间的关系。仿真与针对机器人用器械和手持式手动工具的性能实验，验证了本文的理论分析和结构设计的正确性及合理性。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2腹腔微创手术器械的研究和发展

1.3丝传动在微创手术器械中的应用

1.4机构分析及丝传动理论研究进展

1.5本文主要研究内容

第二章 腹腔微创手术分析与机构分析理论

2.1引言

2.2腹腔微创手术分析

2.3面向腹腔微创手术的器械设计要求

2.4微创手术器械

2.5机构分析理论

2.6本章小结

第三章 主动机械臂与手持式手动手术工具的机构分析和设计

3.1引言

3.2机器人主动机械臂

3.3手持式手动手术工具

3.4本章小结

第四章 手术工具中的丝传动研究

4.1引言

4.2钢丝结构

4.3钢丝受力分析及传动系统结构设计

4.4本章小结

第五章 实验研究

5.1引言

5.2机械臂实验研究

5.3手术工具操作力测定

5.4手持式手动手术工具实验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

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