腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與阻力補(bǔ)償研究.pdf

1、近年來(lái),人民對(duì)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(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)漸漸地走進(jìn)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(shì),國(guó)內(nèi)外諸多高校以及科研機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚的興趣,開(kāi)展了相關(guān)的研究并取得了不少成果。本文在國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人共性關(guān)鍵技術(shù)與示范應(yīng)用”支持下,設(shè)計(jì)了一種能夠用于腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的從手操作臂的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)內(nèi)部中空走

2、線,機(jī)電一體化設(shè)計(jì);該遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有電磁離合器存在的情況下達(dá)到主被動(dòng)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(jì)理念,設(shè)計(jì)用于腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)從手操作臂的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu),包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感和控制系統(tǒng)。通過(guò)分析微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)手術(shù)工況和性能的需求,得到遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,并根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了該遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)本體,并進(jìn)行了遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)內(nèi)部主要構(gòu)件的ANSYS有限元分析,校核遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。

3、
　　對(duì)設(shè)計(jì)好的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu),利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的D-H法對(duì)該遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)末端的正運(yùn)動(dòng)學(xué)的解和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的解以及雅克比矩陣;利用拉格朗日方程法,進(jìn)行遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析,求解出來(lái)其動(dòng)力學(xué)方程,并通過(guò)Matlab初步計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)需要的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
　　利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E對(duì)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,包括遠(yuǎn)心運(yùn)動(dòng)仿真和平移直線運(yùn)動(dòng)仿真,給出手術(shù)器械末端的運(yùn)動(dòng)曲線;利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)遠(yuǎn)心機(jī)

4、構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,在特定運(yùn)動(dòng)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(jìn)行比較,以確定分析的正確性。
　　針對(duì)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)主被動(dòng)切換的要求,在被動(dòng)模式時(shí),利用反向驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)補(bǔ)償阻力的方法,以用來(lái)提高關(guān)節(jié)的反向驅(qū)動(dòng)性能,使得醫(yī)生能夠很輕松的進(jìn)行遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)術(shù)前的調(diào)整;在主動(dòng)模式時(shí),針對(duì)摩擦的存在對(duì)信號(hào)跟蹤有影響的問(wèn)題,進(jìn)行了摩擦參數(shù)的辨識(shí)仿真研究,并在PD控制的基礎(chǔ)上添加了摩擦補(bǔ)償部分;并進(jìn)行了Matlab/Simulin