一种混联手术操作手控制机构研究

发布时间：2020-04-24 05:48

【摘要】：同构式主从遥操作系统的操作过程形象直观,含中间被动分支的少自由度并联机构的结构简单、稳定性高,两者结合可以成为控制简单、随动灵活的主从操作手系统。选取一种含中间被动分支的并联机构和柔性手指机构组成混联操作手,将中间被动分支拓展应用于外科手术领域。本文主要研究混联手术操作手的主动端控制手机构,对所选机构的性能和控制系统的原理进行了分析,为探索该类型主从遥操作系统的应用提供了理论依据。结合人机工程学选取主要零部件,设计了主动端控制手装置。利用CAD软件的二次开发技术,绘制了控制手机构的操作空间。在矢量法基础上推导出机构的运动学解析模型,利用Matlab对解析模型和仿真模型同步求解,两组结果进行对比,验证了运动学模型的正确性。基于虚功原理和达朗贝尔原理,建立了含弹簧作用的控制手机构的静力学与动力学解析模型,借助Adams搭建的虚拟样机对力学解析模型进行验证。根据运动学和力学分析结果,建立控制手分支弹簧刚度模型。以三种特定运动为例,分析弹簧刚度对操作力的影响,以及机构在不同位姿下的灵巧度变化。提高了对机构性能的认识,对改善控制手的操作体验,优化机构的尺寸设计提供了思路。选用“PC+运动控制卡”作为上位控制系统,利用直线位移传感器检测主动端控制手的分支位移信号,从动端操作手以电动缸为执行元件,分支传感器提供实际位移反馈量,由此建立主从端位置闭环控制系统。以单分支主从系统为例,将伺服电机和丝杠传动系统的模型进行简化处理,推导出控制系统的传递模型。为了提高主从端位置随动性能,将模糊自适应PID算法用于控制系统。利用Simulink搭建控制系统的仿真模型,观察系统阶跃响应曲线,验证了优化后的算法对于系统性能的提升作用。
【图文】：

用万向副连接。SPS 分支和 UPU 分支共同组成连接机座和动平台的驱动分支。SP 分支作为机构的被动分支，不能作为运动输入端参与到机构的运动控制中，只能作为被动约束存在来限制机构的运动规律。然而，本次设计的手术操作手装置中，SP 分支承载了两项功能的实现，包括手指驱动的传递和作为医疗手术功能的拓展空间。SP分支的外侧轴套用于固定电动推杆，推杆连接的内侧轴套用于带动手指驱动件，间接作用于手指机构，使得手指协调张开或者闭合。SP 分支最内层保留空腔，作为手术功能的预留空间，可以根据不同要求实现调整。图 2-3 是手术操作手的抓手模型，由 4 组手指机构和 4 组欠驱动分支组成，图示依次展示了手指的分布和单个手指的连接情况。手指机构和欠驱动分支成对出现，4组手指呈均匀的圆周分布。这种空间对称式分布保证了手抓在抓取时的性能稳定，有利于抓取物的各向固定，四指同时动作也有利于抓取动作的可靠性。图示单个分支有两个铰接点，分别与内侧轴套驱动件和欠驱动分支连接。欠驱动分支由弹簧阻尼系统来实现缓冲功能。

用万向副连接。SPS 分支和 UPU 分支共同组成连接机座和动平台的驱动分支。SP 分支作为机构的被动分支，不能作为运动输入端参与到机构的运动控制中，只能作为被动约束存在来限制机构的运动规律。然而，本次设计的手术操作手装置中，SP 分支承载了两项功能的实现，包括手指驱动的传递和作为医疗手术功能的拓展空间。SP分支的外侧轴套用于固定电动推杆，推杆连接的内侧轴套用于带动手指驱动件，间接作用于手指机构，使得手指协调张开或者闭合。SP 分支最内层保留空腔，作为手术功能的预留空间，可以根据不同要求实现调整。图 2-3 是手术操作手的抓手模型，由 4 组手指机构和 4 组欠驱动分支组成，图示依次展示了手指的分布和单个手指的连接情况。手指机构和欠驱动分支成对出现，4组手指呈均匀的圆周分布。这种空间对称式分布保证了手抓在抓取时的性能稳定，，有利于抓取物的各向固定，四指同时动作也有利于抓取动作的可靠性。图示单个分支有两个铰接点，分别与内侧轴套驱动件和欠驱动分支连接。欠驱动分支由弹簧阻尼系统来实现缓冲功能。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77

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本文编号：2638598