腹腔微创手术机器人机械臂的设计及研究

发布时间：2017-08-29 00:26

  本文关键词：腹腔微创手术机器人机械臂的设计及研究

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【摘要】：近年来,机器人辅助微创手术技术的运用扩展了术式类别,在一定程度上提高了手术操作的精度和灵活度,因此引起了广泛关注以及研究。其中应用于传统微创手术中来替代助手工作的机器人手术模式,集成了传统微手术和机器人技术的优点,容易被医生所接受,适合在医院推广,同时降低了医疗成本。因此,在吉林省科技厅重点项目“辅助胸腹腔微创手术的新型机器人系统研究”支持下,开发一种新型腹腔微创手术机器人代替助手把持内窥镜和辅助组织牵拉。本文着重对新型腹腔微创手术机器人的机械臂进行了相关研究。根据腹腔微创手术的特点以及新型微创手术机器人实现的功能特点,研制了新型手术机器人的持镜臂,包括定位机构和夹持内窥镜的远心机构详细设计;将牵拉执行器和夹持内窥镜的远心机构合理布置在持镜臂上,得出手术机器人机械臂的整体构型。利用序列二次规划算法对机械臂进行臂长优化,得出机械臂各个杆件的合理尺寸。同时理论计算了远心机构转动关节的驱动力矩,选择匹配的电机型号。结合手术机器人机械臂构型,运用D-H法对持镜机械臂做运动学分析,得出运动方程的正解;然后利用逆矩阵相乘的方法求得逆解;同时建立机械臂的雅可比矩阵,为控制做好准备。运用ADAMS仿真软件对远心机构的姿态调整和远心运动进行仿真分析,验证远心机构姿态调整运动的平稳性以及远心运动的定心性,同时得出远心机构转动关节的驱动力矩,与理论计算力矩相比较,确定电机选型的合理性。在ANSYS中,对手术机器人机械臂的主要组成部分进行了静力分析,校核了强度。搭建新型手术机器人机械臂的实验平台,对手术机器人机械臂的定位旋转关节的连续转动、可靠锁紧性能、机械臂摆位能力以及远心机构的姿态调整、定心效果进行实验,验证设计的手术机器人机械臂能否满足手术功能要求。
【关键词】：新型微创手术机器人 定位机构 远心机构 运动学分析 仿真分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R61;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 机器人辅助微创手术系统研究现状12-17
• 1.2.1 机器人辅助微创手术系统国外研究现状13-16
• 1.2.2 机器人辅助微创手术系统国内研究现状16-17
• 1.3 微创手术机器人技术相关研究概述17-20
• 1.3.1 手术机器人结构设计及臂长优化17-19
• 1.3.2 运动学分析19
• 1.3.3 运动学仿真及静力学分析19-20
• 1.4 本课题研究来源20
• 1.5 本论文研究的内容20-23
• 第2章 腹腔微创手术机器人机械臂设计及臂长优化23-45
• 2.1 引言23
• 2.2 腹腔微创手术机器人的工作要求23-25
• 2.3 腹腔微创手术机器人持镜臂构型分析25-29
• 2.3.1 持镜机械臂定位关节构型25-26
• 2.3.2 持镜远心机构的构型26-28
• 2.3.3 持镜机械臂整体构型28-29
• 2.4 持镜机械臂的结构设计29-35
• 2.4.1 持镜机械臂定位关节的设计29-31
• 2.4.2 持镜机械臂远心机构的设计31-35
• 2.5 持镜机械臂最终结构35
• 2.6 机械臂整体最终结构35-36
• 2.7 腹腔微创手术机器人机械臂臂长优化36-41
• 2.7.1 持镜机械臂臂长优化37-39
• 2.7.2 上臂臂长优化39-40
• 2.7.3 下臂臂长优化40-41
• 2.8 远心机构电机的选择41-43
• 2.8.1 回转关节5的电机选择41-42
• 2.8.2 对称关节6的电机选择42-43
• 2.9 本章小节43-45
• 第3章 微创手术机器人机械臂的运动学分析45-53
• 3.1 引言45
• 3.2 微创手术机器人运动学分析45-49
• 3.2.1 D-H表示法45-46
• 3.2.2 持镜机械臂的坐标系建立和正运动学分析46-48
• 3.2.3 逆运动学分析48-49
• 3.3 微创手术机器人雅可比矩阵49-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 腹腔微创手术机器人机械臂仿真研究53-69
• 4.1 引言53-54
• 4.2 远心机构运动学仿真模型建立54-56
• 4.3 远心机构运动学仿真结果与分析56-61
• 4.3.1 腹腔镜姿态调整运动仿真56-58
• 4.3.2 腹腔镜绕切口（定点）旋转运动仿真58-60
• 4.3.3 远心机构关节力矩仿真60-61
• 4.4 腹腔微创手术机器人机械臂静力学分析61-66
• 4.5 小结66-69
• 第5章 腹腔微创手术机器人机械臂的实验研究69-83
• 5.1 引言69
• 5.2 搭建实验台69-74
• 5.2.1 机械臂机械本体69
• 5.2.2 直线位移平台69-70
• 5.2.3 定位关节70-72
• 5.2.4 远心机构72-73
• 5.2.5 牵、拉组织执行器73
• 5.2.6 控制系统设计73-74
• 5.3 定位旋转关节实验74-76
• 5.3.1 定位旋转关节角度测试74-75
• 5.3.2 定位旋转关节锁紧测试75-76
• 5.4 机械臂摆位实验76-77
• 5.5 远心机构实验77-81
• 5.5.1 远心机构姿态调整实验77-78
• 5.5.2 远心机构远心运动实验78-81
• 5.6 本章小结81-83
• 第6章 结论与展望83-85
• 参考文献85-89
• 科研成果89-91
• 致谢91

【参考文献】

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本文编号：750349