微创建腔机械手的结构与运动控制研究

发布时间：2016-12-17 14:58

  本文关键词：外科手术机器人技术发展现状及关键技术分析，由笔耕文化传播整理发布。

《浙江大学》 2007年

微创建腔机械手的结构与运动控制研究

姜泽  

【摘要】： 近年来，医疗机器人进入现代生活，在现代医疗手术中发挥了越来越重要的作用。微创建腔机械手作为医疗机器人的关键部分，主要用于提吊手术部位的人体皮肤，形成手术腔室，以辅助外科医生顺利完成手术。浙江大学与浙江大学附属邵逸夫医院头颈整形联合外科合作开发用于微创内镜下甲状腺手术的建腔机械手。通过对建腔机械手工况的分析，提出一种新型的四自由度建腔机器手方案，进行了结构设计。并利用有限元分析软件COSMOS对机械手进行了静态分析，校验了该机械手关键部件以及整个装配体的应力和应变情况。对该机械手进行了运动学和动力学建模，并利用MATLAB/SIMULINK工具进行了仿真分析，在给定机械手末端轨迹的情况下，仿真得出机械手各个关节驱动力矩，仿真结果验证了该机械手可以满足工作轨迹中的负载要求，为机械手的电机控制提供了重要参考。设计了机械手控制器的硬件部分和软件部分，并进行了机械手定位精度实验，为机械手后续工作提供了基础。 论文的主要内容如下： 第一章介绍了外科医疗手术机器人研究现状以及发展，综述了建腔机械手的研究背景与意义，最后提出了本文的主要研究内容。 第二章建腔机器人的结构原理和受力分析。分析了该机器人的总体结构，然后采用有限元分析软件对机械手关键零部件和装配体进行了静态分析，结果表明该机械手的应力和应变满足要求。 第三章机械手的运动仿真分析。建立了该机械手的运动学坐标系，推导了机械手运动学方程，利用MATLAB/SIMULINK工具进行了关节力矩仿真，仿真的结果为电机控制提供了参考。 第四章机器手控制系统的开发。介绍了该机械手控制系统的整体方案，开发了机械手控制器的硬件原理图和PCB图，，并编写了相应的软件程序代码。控制器能够驱动四个步进电机实现启动和停止、加减速控制以及细分驱动控制。 第五章机械手定位精度实验部分。对机械手进行了末端定位精度实验，得出了该机械手的末端的定位精度，为后续的建腔实验提供了基础。 第六章对全文进行了总结，并对后续工作进行了展望。

【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP241
【目录】：

摘要5-6

ABSTRACT6-7

目录7-9

第一章 绪论9-18

1.1 微创外科手术国内外研究现状9-11

1.1.1 微创外科手术介绍9-10

1.1.2 微创外科手术在国内外的研究现状10-11

1.2 微创医疗机器人的研究发展和应用现状11-15

1.2.1 微创医疗机械人的研究发展11-13

1.2.2 微创医疗机械手的应用现状13-15

1.3 建腔机械手的研究背景及意义15-16

1.4 课题的提出和主要研究内容16-17

1.4.1 本课题的提出16-17

1.4.2 课题的前期工作17

1.4.3 课题的主要研究内容17

1.5 本章小结17-18

第二章 建腔机械手结构设计和受力分析18-32

2.1 建腔机械手研制的基本要求18

2.2 建腔机械手总体方案介绍18-23

2.2.1 建腔机械手总体方案介绍18-19

2.2.2 建腔机器人结构设计19-23

2.3 零部件受力分析23-31

2.3.1 人体皮肤生物力学特性23-24

2.3.2 主要部件受力分析和校核24-29

2.3.3 装配体的静态分析29-31

2.4 本章小结31-32

第三章 建腔机械手运动仿真分析32-47

3.1 建腔机械手的坐标系建立32-33

3.2 建腔机械手的运动学方程33-35

3.3 建腔机械手的逆运动学方程35-38

3.4 建腔机械手的雅克比矩阵38-40

3.5 建腔机械手的动力学方程40-41

3.6 建腔机械手仿真分析41-46

3.7 本章小结46-47

第四章 建腔机器人控制系统设计47-60

4.1 建腔机器人系统整体方案的设计47-48

4.2 步进电机及其细分驱动原理48-49

4.3 系统硬件设计49-53

4.3.1 PIC单片机外围电路部分50

4.3.2 电源部分50-51

4.3.3 不带细分的电机驱动电路51-52

4.3.4 带细分的步进电机驱动电路52-53

4.4 步进电机平稳启动和停止53-56

4.5 建腔机械手软件系统的设计56-59

4.6 本章小结59-60

第五章 建腔机械手的实验研究60-63

5.1 实验装置60-61

5.2 机器人空间定位精度测量61-62

5.3 本章小结62-63

第六章 总结与展望63-65

6.1 论文总结63

6.2 工作展望63-65

参考文献65-69

致谢69

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本文编号：216951