三自由度微创手术组织抓钳设计及其末端夹爪的力估测

发布时间：2020-06-04 13:05

【摘要】：腹腔微创手术在与传统开腹手术相同治疗效果的前提下,具有疤痕小,痛苦小,恢复快等优点,而被大众所接受,得到越来越快的发展,并逐步取代传统的开腹手术。微创手术中,与组织直接接触进行手术操作的手术器械的性能好坏很大程度上直接决定了手术质量。传统的微创手术器械自由度少,灵活性差,以达芬奇为代表的微创手术机器人所用的手术器械虽然具有足够的灵活性,但是腕部与手爪存在运动耦合,不利于位置控制。而且,目前的手术机器人大多缺乏力反馈能力,增大了医生手术操作的难度,而手术器械末端的力检测是实现手术机器人力反馈的关键。本文针对目前微创手术器械的自由度少、腕部与夹爪运动耦合及力反馈缺失的问题,设计一种解耦的三自由度组织抓钳并对其进行力估测研究。本文针对微创手术的特点,研究手术器械的设计要求,提出一种三自由度组织抓钳的整体构型;针对腕部与手爪存在运动耦合的问题,采用机械解耦方法,设计一种行星齿轮式解耦结构。组织抓钳可以实现腕部偏转,夹爪俯仰和开合运动,每个自由度相互独立,由电机单独驱动。采用钢丝绳传动方式和摩擦轮预紧原理,将动力从驱动端有效的传送到末端各自由度。根据组织抓钳的整体结构,对每个自由度进行电机选型,最终得到了解耦的三自由度组织抓钳的整体实物模型。根据所设计的组织抓钳,以其中一个夹爪为研究对象进行力估测的研究。为尽可能减小摩擦对力估测的影响,搭建与夹爪整体结构对应的实验平台,通过实验选择与夹爪结构相符的摩擦模型。利用拉格朗日方程建立夹爪系统的动力学模型,考虑摩擦及外部负载力的作用,导出基于动力学模型的外部负载力的估测方程。对其中的摩擦项,分别采用固定参数补偿和自适应参数补偿方法进行力估测研究,通过Simulink仿真对比仿真结果,验证两种方法的可行性。对组织抓钳的三个自由度进行单独运动和联合运动测试,验证了所设计的结构的合理性及运动的灵活性;对腕部和夹爪进行解耦实验,证明解决了腕部与夹爪的耦合问题,为提高位置控制精度和力估测打下基础;根据现有实验条件,通过电机电流和驱动器采集的电机位置、速度、加速度信息,进行力估测实验。实验结果显示,估测值跟随真实值,稳态误差约为0.25N(10%),证明了力估测方法的有效性。
【图文】：

微创外科手术,腹腔镜,达芬奇,开腹手术

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1 课题来源本课题来源于深圳市基础研究项目：手术机器人关键技术研究。1.2 研究目的及意义以腹腔镜为代表的微创外科手术，随着科学技术的进步和多学科融合发展在逐步取代传统的开放手术。腹腔镜微创手术操作方法首先是制造人工气腹腹腔内器官分离，方便进行手术操作[1]。然后根据手术需要在病人腹部开 3 8~12mm 的切口，腹腔镜及相关手术器械通过这些小切口进入患者体内，腹可以实时显示腹腔内情况，将图像显示在监视器上，医生通过这些图像对病施手术操作。如图 1-1 所示，，为医生利用达芬奇手术机器人进行手术操作。

微创手术,力感,手术器械,灵活性

图 1-2 手术操作力创手术中存在的手术器械灵活性和缺乏力感知的，设计一种微创组织抓钳，基于系统状态分析，估测方法开展研究，实现微创手术器械实时准确为腔镜手术机器人系统的力反馈提供部分基础理究现状创手术机器人国内外研究现状国外科医生 Mauriat 用腹腔镜作了第 1 例胆囊切功以后，公众开始对微创手术的要求不断提高，国 Computer Motion 公司研究出第一台持镜 1-3 所示。该系统具有 7 个自由度，医生手术操以根据声音和脚踏控制来调整腹腔镜的位置，不人手抖动和两人信息传递不一致的影响，可以获
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77

【参考文献】