微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主動(dòng)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主動(dòng)臂主要包括遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)和手術(shù)器械，是微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的性能，也制約著系統(tǒng)中其他部件的研發(fā)與設(shè)計(jì)。在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助下，本文對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主動(dòng)臂進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、性能優(yōu)化以及仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　首先，進(jìn)行了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)采用折彎雙平行四邊形構(gòu)型，為手術(shù)器械與電機(jī)安裝提供了空間。移動(dòng)關(guān)節(jié)

2、利用鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)力的傳遞。手術(shù)器械也通過鋼絲繩傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)以及開合四個(gè)自由度，動(dòng)力源可以布置在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)處，合適預(yù)緊力下無回差，使電機(jī)動(dòng)力的傳遞更加平穩(wěn)精確。
　　其次，建立了完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)映射關(guān)系模型。針對(duì)2N條絲驅(qū)動(dòng)N個(gè)自由度的鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)，提出了回路分析法，通過觀察鋼絲繩的布局列寫出回路矩陣與電機(jī)驅(qū)動(dòng)空間等效半徑矩陣，結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，建立起機(jī)器人主動(dòng)臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)空間到笛卡爾空間之間完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)映射關(guān)

3、系，簡化了鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析的過程。此外，分別計(jì)算了遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)與手術(shù)器械的雅克比矩陣，為后續(xù)性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　再次，開展了機(jī)器人主動(dòng)臂的優(yōu)化分析。在遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了基于機(jī)構(gòu)全域可操作度指標(biāo)與性能一致性指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)，根據(jù)工作空間的極限位置以及桿件橫截面尺寸參數(shù)建立幾何約束條件，采用遺傳算法并結(jié)合有限元分析，對(duì)其桿件尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)也采用遺傳算法以及上述綜合評(píng)價(jià)指

4、標(biāo)函數(shù)對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行性能優(yōu)化，與優(yōu)化前相比，遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)和手術(shù)器械的操作性能整體有所改善，達(dá)到了優(yōu)化的目的。
　　最后，完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)映射關(guān)系模型仿真以及物理操作實(shí)驗(yàn)。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)空間到笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解映射關(guān)系模型，證明了回路分析法的正確性。在物理操作實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了可達(dá)工作空間與遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的驗(yàn)證;對(duì)于手術(shù)器械，完成了自由度運(yùn)動(dòng)、管路與組織夾持以及縫合模擬操作實(shí)驗(yàn);通過實(shí)驗(yàn)說明