面向微创腹腔外科手术的冗余自由度机械臂研究

发布时间：2016-09-22 08:32

  本文关键词：面向微创腹腔外科手术的冗余自由度机械臂研究，由笔耕文化传播整理发布。

《哈尔滨工业大学》 2011年

面向微创腹腔外科手术的冗余自由度机械臂研究

李刚  

【摘要】：机器人辅助微创外科手术具有创口小、定位精度高、操作灵活等优点,能有效提高手术的质量和安全性,扩展医生的操作能力,改善医生的工作环境,因而引起了世界范围内的广泛关注,并取得了飞速的发展。微创外科手术机器人是综合多个学科的新型交叉研究领域,具有重要的社会意义和经济效益。本文基于国家“863”计划资助项目“微创腹腔外科手术机器人”,对面向微创腹腔外科手术的机械臂进行了相关研究。 首先,针对微创腹腔外科手术的任务特点对机械臂的工作环境进行了分析,并归纳出机械臂的基本功能要求,在此基础之上对机械臂的自由度配置和构型进行设计。根据不同的功能要求将机械臂分为臂定位机构,器械定位机构和器械接口三个部分,并分别对其进行具体的结构设计。 其次,基于D-H法建立了机械臂的运动学正解方程,并依据机械臂的构型特点和实际工作状态,采用反变换法建立了机械臂的运动学逆解方程。在此基础之上,利用雅克比矩阵的奇异值构造出机械臂运动性能的灵巧度评价指标,并以此作为优化准侧,对机械臂进行结构尺寸优化,最终确定了机械臂的各杆件参数。 再次,对机械臂的关节受力情况进行了分析,并利用动力学仿真软件ADAMS对机械臂进行动力学仿真,进而确定了各主动关节的驱动电机型号。利用有限元法对机械臂的刚度和强度进行了校核。此外,为减少机械臂在手术过程的干涉,利用改进的投影梯度法,并采用最大距离指标作为优化目标函数,对双器械臂进行术前摆位分析。 最后,搭建实验平台对机械臂的性能进行相关实验研究。实验平台分为机械臂本体和控制系统两个部分,主要对机械臂的手动摆位效果,主动关节的驱动能力及远心定点运动的定位精度进行验证,并对实验结果进行了分析。

【关键词】：
【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】：2011
【分类号】：TP242.2
【目录】：

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