连续体单孔手术机器人的建模与优化分析
发布时间：2021-11-25 11:17
提出了一种新构型的6自由度连续体单孔手术机器人.其形变骨架采用超弹性材料一体化成型加工,具有一系列十字交叉镂空结构的弹性铰链.建立了机器人的运动学模型,分析了机器人的可达工作空间,提出一种手术作业空间的优化搜索方法,获得了作业空间中关键位置的操作灵活性.进而以操作灵活性为目标,以关节形变能力为约束,优化分析连续体机构形变骨架的几何参数,形成提升连续体单孔手术机器人操作灵活性的参数优化方法.最后进行连续体机器人的运动控制实验,经过测试,机器人的末端位置误差为2.23 mm,角度误差为2.06°,验证了模型的准确性.
【文章来源】：机器人. 2020,42(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
关键位置可达姿态角示意图
目前，国内外已经有众多研究者对适用于单孔腔镜手术的连续体机构进行了较多的研究．Simaan等设计了一种可插入式的单孔手术机器人平台，采用了多根镍钛丝并联驱动的盘式骨架连续体结构，单支手术臂具有5个运动自由度加1个被动关节[7].Seung等设计一种用于脑肿瘤去除的单孔手术机器人系统，采用密绕弹簧作为连续体段，通过钢丝绳驱动，单支器械具有5个运动自由度[8].Alambeigi等设计一种可变刚度的连续体机器人，具有单个弯曲连续体段，可以用于溶骨去除或者结肠手术中[9]．国内也有一些研究机构开展单孔手术机器人的相关研究，徐凯等提出了一种基于对偶机构驱动的单孔连续体机器人系统，单支手术臂采用2段3自由度镍合金波纹管作为连续体骨架，多根镍钛丝并联驱动，但并没有腕部旋转自由度[10]．王建辰等设计了一种可变刚度的单孔连续体机器人系统，单支手术臂具有6个运动自由度，但近端是刚性运动关节[11].在连续体机器人的建模与优化方面，目前已经有多种建模方法．基于Cosserat梁理论对连续体机器人的弯曲形状进行建模可以取得较好的精度，但需要提供弹性模量、摩擦系数等材料特性参数，并需要进行微分方程组求解[12-13]．杨文龙等对一种具有切口结构的连续体机械臂建立了基于Timoshenko梁子变形单元的力学模型[14]．基于梁理论模型的建模精度较高，但需要确定的外部参数较多，同时计算量较大，一般难以应用到连续体机器人的实际控制中．而常曲率假设模型建模方法简单、计算速度快，在连续体机器人的运动学建模与控制中应用广泛[15]．徐凯等[16]提出一种基于常曲率假设的连续体机器人工作空间分析方法，并对已经公开发表的3种连续体机器人结构进行了分析．本文所设计的连续体机器人结构及自由度配置与其他文献有所不同．另外，连续体机器人的弯曲能力通常与其长度有很大的关系，这在以往的建模与优化设计中并没有考虑，需要在连续体结构设计中加以考虑．
单孔腔镜手术机器人为了实现灵活操作，单支手术臂的末端执行器一般应具有6个自由度，外加手术钳、剪刀等执行器的自由度．本文所研究的单孔腔镜手术机器人自由度配置如下：手术臂需要从单一通道进入，在体内展开呈S形态，采用2段可4方向弯曲的连续体段组成，每段具有2个自由度；为了扩大末端执行器的工作空间，对手术臂设置一个沿轴向的平移自由度；此外，在腔镜手术中，像钳子和剪刀等最为常见和重要的末端执行器中大多是带有开口方向的器械，要求末端执行器的开口方向具有较好的灵活性，因此设置一个用于调整末端执行器开口方向的腕部旋转自由度．所设计的单孔手术机器人操作臂整体结构如图2所示，主要由近端支撑直杆段、2段连续体结构段、旋转腕关节和前端执行器等基本结构组成．连续体采用超弹性材料激光切割和线切割一体化成型工艺加工，形成具有系列十字交叉镂空结构的弹性铰链，可以实现骨架大变形并保证整体的连续变形，减小局部弯曲角度过大带来的应力集中及形状不可预测的问题．在连续体轴向方向开有4个驱动通道，通过4根驱动丝的驱动，即可实现4方向弯曲，结构及实物如图3所示．
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种具有切口结构的连续体机械臂的力学建模[J]. 杨文龙,杜志江,董为. 机器人. 2015(05)
[2]柔性机构及其应用研究进展[J]. 于靖军,郝广波,陈贵敏,毕树生. 机械工程学报. 2015(13)
本文编号：3518029
【文章来源】：机器人. 2020,42(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
关键位置可达姿态角示意图
目前，国内外已经有众多研究者对适用于单孔腔镜手术的连续体机构进行了较多的研究．Simaan等设计了一种可插入式的单孔手术机器人平台，采用了多根镍钛丝并联驱动的盘式骨架连续体结构，单支手术臂具有5个运动自由度加1个被动关节[7].Seung等设计一种用于脑肿瘤去除的单孔手术机器人系统，采用密绕弹簧作为连续体段，通过钢丝绳驱动，单支器械具有5个运动自由度[8].Alambeigi等设计一种可变刚度的连续体机器人，具有单个弯曲连续体段，可以用于溶骨去除或者结肠手术中[9]．国内也有一些研究机构开展单孔手术机器人的相关研究，徐凯等提出了一种基于对偶机构驱动的单孔连续体机器人系统，单支手术臂采用2段3自由度镍合金波纹管作为连续体骨架，多根镍钛丝并联驱动，但并没有腕部旋转自由度[10]．王建辰等设计了一种可变刚度的单孔连续体机器人系统，单支手术臂具有6个运动自由度，但近端是刚性运动关节[11].在连续体机器人的建模与优化方面，目前已经有多种建模方法．基于Cosserat梁理论对连续体机器人的弯曲形状进行建模可以取得较好的精度，但需要提供弹性模量、摩擦系数等材料特性参数，并需要进行微分方程组求解[12-13]．杨文龙等对一种具有切口结构的连续体机械臂建立了基于Timoshenko梁子变形单元的力学模型[14]．基于梁理论模型的建模精度较高，但需要确定的外部参数较多，同时计算量较大，一般难以应用到连续体机器人的实际控制中．而常曲率假设模型建模方法简单、计算速度快，在连续体机器人的运动学建模与控制中应用广泛[15]．徐凯等[16]提出一种基于常曲率假设的连续体机器人工作空间分析方法，并对已经公开发表的3种连续体机器人结构进行了分析．本文所设计的连续体机器人结构及自由度配置与其他文献有所不同．另外，连续体机器人的弯曲能力通常与其长度有很大的关系，这在以往的建模与优化设计中并没有考虑，需要在连续体结构设计中加以考虑．
单孔腔镜手术机器人为了实现灵活操作，单支手术臂的末端执行器一般应具有6个自由度，外加手术钳、剪刀等执行器的自由度．本文所研究的单孔腔镜手术机器人自由度配置如下：手术臂需要从单一通道进入，在体内展开呈S形态，采用2段可4方向弯曲的连续体段组成，每段具有2个自由度；为了扩大末端执行器的工作空间，对手术臂设置一个沿轴向的平移自由度；此外，在腔镜手术中，像钳子和剪刀等最为常见和重要的末端执行器中大多是带有开口方向的器械，要求末端执行器的开口方向具有较好的灵活性，因此设置一个用于调整末端执行器开口方向的腕部旋转自由度．所设计的单孔手术机器人操作臂整体结构如图2所示，主要由近端支撑直杆段、2段连续体结构段、旋转腕关节和前端执行器等基本结构组成．连续体采用超弹性材料激光切割和线切割一体化成型工艺加工，形成具有系列十字交叉镂空结构的弹性铰链，可以实现骨架大变形并保证整体的连续变形，减小局部弯曲角度过大带来的应力集中及形状不可预测的问题．在连续体轴向方向开有4个驱动通道，通过4根驱动丝的驱动，即可实现4方向弯曲，结构及实物如图3所示．
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种具有切口结构的连续体机械臂的力学建模[J]. 杨文龙,杜志江,董为. 机器人. 2015(05)
[2]柔性机构及其应用研究进展[J]. 于靖军,郝广波,陈贵敏,毕树生. 机械工程学报. 2015(13)
本文编号：3518029
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