微型腹腔手术机器人丝传动传输特性及夹持力估计研究

发布时间：2020-04-24 20:53

【摘要】：近年来微创手术机器人集成化、小型化、便携化逐渐成为医疗机器人领域的研究热点,与体积庞大、价格昂贵的腹腔微创手术机器人相比,微型微创手术机器人具有体积小、成本低、价格低廉等优点,具有很高的研究和应用价值。虽然微型微创手术机器人在一些关键技术上取得了较大突破,但是由于微型微创手术机器人末端器械结构复杂以及所采用的丝传动系统在力和位移传输过程中具有明显的迟滞特性,能够准确实时地控制末端器械力和位移仍然是微型微创手术机器人的研究热点和难点。因此,本文针对末端器械丝传动系统传输特性建模、夹持力估计及集成式力传感测量系统设计等问题展开研究,对提高微型微创手术机器人位置控制精度和夹持力预测性能具有重要的理论意义和实用价值。针对微型微创手术机器人丝传动系统的迟滞特性导致的末端器械位置跟踪误差大的问题,建立末端器械丝传动系统传输特性模型。确立微型微创手术机器人末端器械夹持钳结构及绕线方案,由绳轮接触区域的钢丝绳微元受力分析,考虑钢丝绳弯曲刚度效应,分析了单组绳轮系统钢丝绳拉力传输损失,开展了单组绳轮系统静态和动态条件钢丝绳拉力传输特性实验,实验验证了钢丝绳拉力传输损失特性及迟滞特性,基于单组绳轮系统钢丝绳拉力传输损失特性,建立了微型腹腔手术机器人丝传动系统力和位移传输特性模型。针对微型微创手术机器人末端器械夹持力估计问题,提出了一种基于丝传动系统传输特性模型的夹持力估计方法。分析了夹持钳运动情况下导向滑轮之间摩擦损失及末端器械俯仰偏摆运动的耦合特性。结合导向滑轮之间摩擦损失及俯仰偏摆运动耦合特性,基于丝传动系统传输特性模型对末端器械夹持钳进行了夹持力估计,实验验证了耦合特性的正确性以及夹持力估计方法的有效性,实现了传感器安装在末端器械驱动端的夹持力估计。针对微型微创手术机器人末端器械安装和集成力传感器比较困难的问题,设计了一种基于光纤光栅的集成式力传感测量系统,安装在微型微创手术机器人驱动端,用于末端器械夹持钳夹持力估计研究。标定并测试了所研制的集成式力传感测量系统,与商用的微型拉力传感器做对比,实验结果表明该集成式力传感测量系统具有较好的线性度。所研制的集成式力传感测量系统能够满足微型微创手术机器人应用需求,可以应用在微型微创手术机器人丝传动系统中,解决了传感器难于在末端器械上集成安装、存在电磁干扰现象及无法忍受高温消毒过程等问题。为了验证微型微创手术机器人丝传动系统传输特性及应用集成式力传感测量系统的末端器械夹持力估计方法,研制一种微型微创手术机器人,采用位置补偿控制算法改善了微型微创手术机器人末端器械的位置跟踪精度,实验验证了该补偿算法的有效性,同时证明了微型微创手术机器人丝传动系统传输特性的正确性。将所研制的集成式力传感测量系统安装在微型微创手术机器人上,结合本文提出夹持力估计方法对末端器械夹持力进行估计,实验验证了集成式力传感测量系统的有效性及夹持力估计方法的正确性。为了验证所研制的微型微创手术机器人临床应用可行性,开展了面向微型微创手术机器人的腹腔模拟训练器实验及动物临床实验研究,实验结果表明所研制的微型微创手术机器人在术中夹持力稳定充分,具有较高的可操作性及运动灵活性,同时表明其具有较高的临床应用价值和广阔的应用前景。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH789;TP242

【参考文献】