腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人從手系統(tǒng)設(shè)計與分析.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)(Minimally Invasive Surgery, MIS)以其創(chuàng)傷小、可減輕患者痛苦、術(shù)后恢復快、醫(yī)療成本低等諸多優(yōu)點在傳統(tǒng)外科手術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應用并迅速發(fā)展。而將機器人技術(shù)應用到微創(chuàng)外科手術(shù)中能夠有效地提高手術(shù)質(zhì)量，降低醫(yī)生勞動強度。因此，在微創(chuàng)外科手術(shù)領(lǐng)域機器人的應用得到了極大的重視，并已成為醫(yī)療機器人領(lǐng)域的研究熱點。
　　結(jié)合國家“863”計劃資助項目“腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)研究”，本文對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機

2、器人從手系統(tǒng)進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學與動力學分析；在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際手術(shù)過程的需要，對機器人臂形設(shè)置情況進行相關(guān)理論研究；最后，利用ADAMS軟件對機器人臂形設(shè)置情況以及典型運動方式進行模擬仿真，并進行相關(guān)實驗研究。
　　本文首先對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人從手系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。在對腹腔微創(chuàng)手術(shù)作業(yè)進行分析的基礎(chǔ)上，確定機器人的最終構(gòu)型方案，并進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)合手術(shù)需要對機器人進行臂長優(yōu)化；根據(jù)手術(shù)過程中機器人各關(guān)節(jié)的受力情況，對

3、其關(guān)鍵零部件進行力學分析，并最終選擇伺服電機。
　　其次，對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人進行運動學及動力學分析。采用D-H法，求出機器人的運動學正解；運用幾何法給出機器人運動學逆解的解析解；采用矢量積法給出機器人的雅可比矩陣；并采用拉格朗日-歐拉法對機器人進行動力學仿真，獲得機器人各關(guān)節(jié)力矩曲線，驗證所選電機的合理性。
　　再次，對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人進行術(shù)前臂形設(shè)置研究。在對冗余自由度機器人進行運動學研究的基礎(chǔ)上，給出用于冗余自由度機

4、器人運動學優(yōu)化的改進的梯度投影算法；結(jié)合實際手術(shù)需要，分別給出手術(shù)器械操作臂臂形設(shè)置的目標優(yōu)化函數(shù)以及多臂協(xié)調(diào)操作臂形設(shè)置的目標優(yōu)化函數(shù)，并利用改進的梯度投影算法，采用Matlab軟件對機器人臂形設(shè)置情況進行仿真研究。
　　最后，利用虛擬樣機技術(shù)對機器人臂形設(shè)置情況及典型運動方式進行模擬仿真，觀察機器人的實際運行效果，并繪制關(guān)節(jié)角曲線，驗證機器人臂形設(shè)置算法及平行四邊形機構(gòu)設(shè)計的合理性；之后，針對已加工出的機器人本體進行相關(guān)實驗研