面向微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)的冗余自由度機(jī)械臂研究.pdf

1、機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)具有創(chuàng)口小、定位精度高、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高手術(shù)的質(zhì)量和安全性，擴(kuò)展醫(yī)生的操作能力，改善醫(yī)生的工作環(huán)境，因而引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，并取得了飛速的發(fā)展。微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人是綜合多個(gè)學(xué)科的新型交叉研究領(lǐng)域，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。
　　本文基于國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目“微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機(jī)器人”，對(duì)面向微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)的機(jī)械臂進(jìn)行了相關(guān)研究。
　　首先，針對(duì)微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)的任務(wù)特點(diǎn)對(duì)機(jī)械

2、臂的工作環(huán)境進(jìn)行了分析，并歸納出機(jī)械臂的基本功能要求，在此基礎(chǔ)之上對(duì)機(jī)械臂的自由度配置和構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的功能要求將機(jī)械臂分為臂定位機(jī)構(gòu)，器械定位機(jī)構(gòu)和器械接口三個(gè)部分，并分別對(duì)其進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　其次，基于D-H法建立了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程，并依據(jù)機(jī)械臂的構(gòu)型特點(diǎn)和實(shí)際工作狀態(tài)，采用反變換法建立了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方程。在此基礎(chǔ)之上，利用雅克比矩陣的奇異值構(gòu)造出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)性能的靈巧度評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以此作為優(yōu)化準(zhǔn)側(cè)，

3、對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，最終確定了機(jī)械臂的各桿件參數(shù)。
　　再次，對(duì)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)受力情況進(jìn)行了分析，并利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，進(jìn)而確定了各主動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)。利用有限元法對(duì)機(jī)械臂的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了校核。此外，為減少機(jī)械臂在手術(shù)過(guò)程的干涉，利用改進(jìn)的投影梯度法，并采用最大距離指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)雙器械臂進(jìn)行術(shù)前擺位分析。
　　最后，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)機(jī)械臂的性能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為機(jī)