微創(chuàng)手術機器人手術工具絲傳動設計方法研究.pdf

1、DesignMethodologyoftheTendondrivenConfigurationfMinimallyInvasiveSurgicalRoboticInstruments一級學科：機械工程學科專業(yè)：機械工程作者姓名：何超指導教師：王樹新教授天津大學機械工程學院二〇一三年五月微創(chuàng)手術機器人手術工具絲傳動微創(chuàng)手術機器人手術工具絲傳動設計方法研究設計方法研究I中文摘要中文摘要微創(chuàng)手術機器人多自由度手術工具是機器人系統(tǒng)中唯一接觸病人

2、組織、執(zhí)行手術操作的部件。手術工具的設計優(yōu)劣直接決定了微創(chuàng)手術機器人的性能，也影響機器人系統(tǒng)其他部件的開發(fā)與設計。絲傳動構型是微創(chuàng)手術工具有效的結構方式，而鋼絲傳動在工具運動學分析、力感覺、剛度特性等方面帶來了諸多理論難題。本文針對腹腔微創(chuàng)手術機器人絲傳動手術工具的開發(fā)與設計，研究絲傳動設計關鍵技術與設計方法。論文工作主要包括以下幾個方面：1.提出絲傳動手術工具設計基本方法。首先根據(jù)腹腔微創(chuàng)手術特性與手術機器人運動特性，分析手術工具設計

3、任務；依據(jù)現(xiàn)有絲傳動構型的特征，開展絲傳動手術工具構型設計；依據(jù)微創(chuàng)手術工具系列設計要求，分析形成“拉拉”閉環(huán)構型絲傳動系統(tǒng)的設計準則。2.拓展手術機器人與手術工具的絲傳動通用運動學基本理論。運用指數(shù)積公式，針對耦合絲傳動，推導其運動學理論；其次，以‘MicroHA’微創(chuàng)手術機器人為典型對象，詳細闡述耦合絲傳動運動學模型的分析方法、計算規(guī)則與流程；仿真與實驗結果驗證了該運動學分析方法的有效性和可行性。3.開展基于絲測力的微創(chuàng)手術機器人手

4、術工具力感覺分析研究。針對多自由度手術工具絲傳動結構布局，構建了力感覺數(shù)學模型；其次設計了多自由度手術工具力感覺系統(tǒng)實驗樣機，并進行了實驗標定；通過系統(tǒng)性能測試實驗驗證了該力感覺系統(tǒng)的功能與性能。4.研究多自由度絲傳動手術工具剛度分析方法。應用剛度矩陣法建立了‘MicroHA’絲傳動手術工具剛度研究模型，并在關節(jié)空間內(nèi)對手術工具進行剛度度量；通過研究各結構參數(shù)對整體剛度的影響，實現(xiàn)多自由度絲傳動手術工具面向剛度的優(yōu)化設計。動物實驗驗證了