腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究

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天津大学

硕士学位论文

腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究

姓名：周文亮

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：王树新

20090601

摘要

腹腔镜微创外科手术机器人是医疗机器人的一个重要研究领域，用机器人技术结合医生的经验，不仅提高了手术质量和安全性，减轻了病人的痛苦，缩短了术后恢复时间，而且使微创手术技术应用于更精密的手术领域，扩展了微创技术的应用范围。

本文以腹腔镜微创外科手术机器人的主操作手为研究对象，针对机器人主从操作手“异构”的特点以及腹腔镜微创手术要求，研究了主手的构型，并设计实验进行精度标定。本文工作主要包括以下内容：

首先，在保证主手工作空间的前提下，对主手的构型和尺寸参数进行了综合分析。主手前三个关节采用ＲＲＲ形式，其第二和第三关节杆长度应尽可能相等；后三个关节均为回转关节，其旋转中心汇交于一点。根据确定的构型和尺度，结合主手自重平衡的要求，对主手进行了总体结构设计。

其次，设计实验对主手进行精度标定。

最后，设计了机器人主一从操作手运动控制实验，对机器人系统的主从映射的操作模式作了验证。关键词：微创外科手术；主操作手；主从操作；构型尺度；精度标定

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｍａｌｌｙｉｎｖａｓｉｖｅｓｕｒｇｅｒｙ；ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｍａｓｔｅｒｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｃａｌｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致访｝之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：１司乏缸签字日期：２训７年‘月年日

学位论文版权使用授权书

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学位论文作者签名：调魄导师签名：

签字日期：伽７年ｆ月午日－签－７－Ｒ期：汇日

第一章绪论

第一章绪论

１．１引言

伴随着当今生活节奏的加快，人们的健康问题逐渐成为公众关注的焦点问题；同时随着社会进步和人们生活水平的提高，人们对医疗手段也提出了更高的要求，除了关注治疗效果外，还对康复速度提出了要求。传统的手术由于需要大创口来暴露手术视野，手术操作给患者带来巨大的痛苦，同时导致术后康复速度很慢，已不能满足人们的需要。

为了提高医疗诊断的准确性和治疗的质量，人们尝试将传统医疗器械与信息、微电子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机结合，医疗机器人为此应运而生，现己成为当今世界发展速度最快的高科技产业之一ｕ１。

１．２课题研究背景和意义

医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械工程学、材料学、计算机科学、机器人技术等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点口】，因此，许多国家的政府和学术界都给予了极大关注，并投入了大量的人力和财力，进行医疗机器人的研究与开发陷１。目前，医疗机器人的研究主要集中在外科手术机器人、康复机器人、服务机器人和微型机器人等几个方面。

本文主要针对外科手术机器人中的主从式机器人进行分析和论述。

１．２．１主从式医疗手术机器人概述

主从式机器人应用于手术方面主要开始于上世纪的９０年代。短短２０年间，主从式手术机器人得到了迅猛的发展。主从式手术机器人一般包括两个子系统：主操作系统和从操作系统。主操作系统包括一个／对主手和监视器。医生可以由监视器观察到摄像头拍摄到的手术情况，，并根据需要操作主手。从操作系统由几个机器人手臂构成，用于定位和实际手术。手术过程中，医生操作主手，向远端从手发送指令，控制从手运动，完成手术Ⅲ。同时，从手将所需信息反馈给主手。系统构成如图１－１所示：

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