五自由度单孔腹腔手术持镜机器人稳定性与摆位规划研究
发布时间：2020-08-28 14:10
随着近年来机器人技术的提高,机器人相关技术逐渐应用到各个科学领域,医疗机器人成为现代医学手术的新兴领域,尤其在微创手术领域中,机器人辅助微创手术占有一席之地,区别于传统的微创手术模式,机器人运用完善的控制系统能够完成手术中极为精细的操作,提高手术过程中的灵活性和精确性。腹腔镜机器人作为辅助手术机器人的重要分支,是机械、电子、医学、自动化等多学科的融合,可以为手术医生提供腹腔内部清晰视野,便于微创手术的操作。国内腹腔镜机器人系统由于处于一种起步阶段,因此本文在国内外腹腔机器人系统发展的现状上,提出了一种单孔腹腔手术持镜机器人,并对其进行了相关的研究分析。首先,结合腹腔手术的相关知识,提出了单孔腹腔手术持镜机器人的设计要求,对机器人的构型结构进行分析与选择,根据选定的构型结构设计出五自由度串并混联机器人,运用有限元软件ANSYS对单孔腹腔镜机器人的结构进行静力学分析以及模态分析,获得单孔腹腔镜机器人的静态性能。其次,根据选定的机器人的机构特点,采用D-H方法对机器人进行运动学分析,得到机器人运动方程的正解,运用几何法求得在基坐标系下内窥镜末端的位置坐标以及在内窥镜末端坐标系下各个关节的位置坐标进而得到机器人的逆解,利用广义速度与关节速度之间的线性变换关系得到机器人的雅可比矩阵,并进行了运动学模型的验证仿真;根据求得的机器人的运动学方程推导出机器人的工作空间;利用雅可比矩阵的条件数来分析机器人的奇异性,分析了机器人中各个关节对机器人灵巧度的影响效果;依据机器人的机构特点计算出各个机构的刚度模型进而推导出整体静刚度的模型,并分析各个关节对机器人整体静刚度的影响。然后,采用凯恩法建立机器人的动力学模型,得到了机器人中各个机构电机的驱动力和驱动力矩的方程;根据机器人各个机构的运动时序性,提出不同时序的机构运动计划,运用MATLAB和ADAMS分别进行数值仿真与虚拟仿真,得到在机器人不同的机构运动计划对内窥镜速度和角速度的影响,同时获得了相关机构驱动力和驱动力矩的变化数值,为机器人的动态稳定性分析提供了依据。最后,利用改进的梯度投影法对单孔腹腔镜机器人进行术中摆位规划,建立了相关摆位规划模型,求得机构中不同摆位下关节角度数值;结合相关医患的事例,利用摆位规划模型对内窥镜的摆位进行分析,运用MATLAB进行空间摆位仿真,从而获得了单孔腹腔镜机器人的最佳摆位规划。基于以上机器人稳定性与摆位规划的研究工作,为单孔腹腔镜机器人的临床应用提供了理论依据,提高了腹腔手术的精度,从而达到了微创手术的目的,对机器人在腹腔手术中的广泛应用具有重要意义。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R61;TP242
【部分图文】：
行操作手术，手术床上的机械臂准确地映射了医生在主控台上的操作。逡逑ＭＷ邋１逡逑图１．２邋Ｄａ邋Ｖｉｎｉｃ外科手术机器人系统逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄａ邋Ｖｉｎｉｃ邋ｓｕｒｇｉｃａｌ邋ｒｏｂｏｔ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑４逡逑
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本文编号：2807677
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R61;TP242
【部分图文】：
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