腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機器人遠(yuǎn)心機構(gòu)設(shè)計分析與阻力補償研究.pdf

1、近年來,人民對醫(yī)療衛(wèi)生水平的需求急劇的提高,科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展使得機器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)漸漸地走進人們的生活,其在普通微創(chuàng)外科手術(shù)的基礎(chǔ)之上,又呈現(xiàn)了諸多特有的優(yōu)勢,國內(nèi)外諸多高校以及科研機構(gòu)對機器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚的興趣,開展了相關(guān)的研究并取得了不少成果。本文在國家“863”計劃項目“腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機器人共性關(guān)鍵技術(shù)與示范應(yīng)用”支持下,設(shè)計了一種能夠用于腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的從手操作臂的遠(yuǎn)心機構(gòu),實現(xiàn)了遠(yuǎn)心機構(gòu)內(nèi)部中空走

2、線,機電一體化設(shè)計;該遠(yuǎn)心機構(gòu)可以實現(xiàn)在沒有電磁離合器存在的情況下達到主被動自由切換的目的。
　　本文基于輕型化、小型化、一體化和高剛度的設(shè)計理念,設(shè)計用于腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)從手操作臂的遠(yuǎn)心機構(gòu),包括機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、傳感和控制系統(tǒng)。通過分析微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)手術(shù)工況和性能的需求,得到遠(yuǎn)心機構(gòu)的設(shè)計要求,并根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計了該遠(yuǎn)心機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)本體,并進行了遠(yuǎn)心機構(gòu)內(nèi)部主要構(gòu)件的ANSYS有限元分析,校核遠(yuǎn)心機構(gòu)的剛度和強度。

3、
　　對設(shè)計好的遠(yuǎn)心機構(gòu),利用機器人運動學(xué)的D-H法對該遠(yuǎn)心機構(gòu)進行運動學(xué)分析,得到遠(yuǎn)心機構(gòu)末端的正運動學(xué)的解和逆運動學(xué)的解以及雅克比矩陣;利用拉格朗日方程法,進行遠(yuǎn)心機構(gòu)的動力學(xué)分析,求解出來其動力學(xué)方程,并通過Matlab初步計算出各個關(guān)節(jié)需要的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。
　　利用三維設(shè)計軟件Pro/E對遠(yuǎn)心機構(gòu)進行了運動學(xué)仿真,包括遠(yuǎn)心運動仿真和平移直線運動仿真,給出手術(shù)器械末端的運動曲線;利用機械動力學(xué)分析軟件ADAMS對遠(yuǎn)心機

4、構(gòu)進行了動力學(xué)仿真,在特定運動函數(shù)作用下得到關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩曲線;將理論分析結(jié)果和仿真分析結(jié)果進行比較,以確定分析的正確性。
　　針對遠(yuǎn)心機構(gòu)主被動切換的要求,在被動模式時,利用反向驅(qū)動時電機補償阻力的方法,以用來提高關(guān)節(jié)的反向驅(qū)動性能,使得醫(yī)生能夠很輕松的進行遠(yuǎn)心機構(gòu)術(shù)前的調(diào)整;在主動模式時,針對摩擦的存在對信號跟蹤有影響的問題,進行了摩擦參數(shù)的辨識仿真研究,并在PD控制的基礎(chǔ)上添加了摩擦補償部分;并進行了Matlab/Simulin