微創(chuàng)手術(shù)主操作手的全主動(dòng)冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)研究.pdf

1、近年來，機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)由于具有使病人恢復(fù)時(shí)間短、手術(shù)質(zhì)量高等突出優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。主操作手作為微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中將醫(yī)生手術(shù)動(dòng)作傳遞到從端手術(shù)器械的載體，要能足夠靈活的實(shí)現(xiàn)醫(yī)生的手術(shù)動(dòng)作。而主操作手的靈活性主要由其姿態(tài)機(jī)構(gòu)決定，靈活性差的主操作手不能完成復(fù)雜的手術(shù)，嚴(yán)重影響手術(shù)的效果。因此，研究操作性能高的主操作手姿態(tài)機(jī)構(gòu)對(duì)提高手術(shù)質(zhì)量具有十分重要的意義。
　　本文根據(jù)微創(chuàng)手術(shù)主操作手姿態(tài)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，分析不同機(jī)構(gòu)構(gòu)

2、型的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了主操作手姿態(tài)機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)型4R冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)主操作手位姿解耦，主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)的四個(gè)軸線交于一點(diǎn)。運(yùn)用D-H法對(duì)主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，采用微分變換法建立了主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)的雅克比矩陣。分析了主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)的奇異點(diǎn)和工作空間。為了提高主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)的操作性能，基于模擬退火算法，以靈巧度指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化。完成了主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)各部分的具

3、體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用有限元法對(duì)主手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛度分析。分析了主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)的自平衡問題，提出了加配重和電機(jī)提供補(bǔ)償力矩相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自平衡。采用Lagrange法建立了機(jī)構(gòu)自平衡模型，得到了機(jī)構(gòu)自平衡時(shí)所需的電機(jī)輸出力矩與主操作手姿態(tài)之間的關(guān)系，并通過ADAMS軟件對(duì)自平衡理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證。為了減小配重給機(jī)構(gòu)增加的慣量，同時(shí)降低各個(gè)關(guān)節(jié)平衡所需的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，對(duì)配重參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最后，進(jìn)行了主操作手冗余姿態(tài)機(jī)構(gòu)