微創(chuàng)手術(shù)機器人被動式關節(jié)一體化設計和性能分析.pdf

1、近年來,機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)在外科手術(shù)操作上的顯著優(yōu)勢使得微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的研究工作在國內(nèi)外廣泛的開展。在手術(shù)機器人的研制中,國內(nèi)外研究機構(gòu)采取了多種手段來保證手術(shù)安全性;與此同時,為了提高手術(shù)機器人應用的便捷性,可靠性,減小機器人的體積,手術(shù)機器人一體化機械臂成為研究的一個新的熱點方向。隸屬于國家“863”計劃項目“腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機器人共性關鍵技術(shù)與示范應用”,本文設計了一種用于微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的被動式關節(jié),實現(xiàn)了機械結(jié)構(gòu)和控制驅(qū)動

2、的一體化設計;關節(jié)可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動并實現(xiàn)手術(shù)中關節(jié)在任意位置的可靠鎖緊;鎖緊機構(gòu)采用步進電機驅(qū)動,通過壓力傳感器檢測鎖緊力矩大小,力矩可調(diào)。
　　本文基于一體化設計思想,設計用于微創(chuàng)腹腔手術(shù)機器人機械臂的被動關節(jié),包括機械結(jié)構(gòu)本體和集成在關節(jié)內(nèi)部的傳感器件、控制單元。通過分析微創(chuàng)手術(shù)對被動關節(jié)的性能要求,得到被動關節(jié)的5條設計要求,據(jù)此設計了包括關節(jié)鎖緊機構(gòu)在內(nèi)的被動關節(jié),并進行了關節(jié)內(nèi)部元器件的選型計算和關鍵件強度校核;設計了基

3、于 AVR單片機的鎖緊機構(gòu)步進電機驅(qū)動控制單元和關節(jié)角度測量電路。
　　針對被動關節(jié)的鎖緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)功能特點,利用彈性力學理論和有限元仿真軟件對接觸鎖緊性能進行了分析。在分析了摩擦接觸相關理論的基礎上,利用彈性理論中的接觸問題的解決方法,建立了關節(jié)摩擦塊的接觸應力和其關鍵參數(shù)間的數(shù)學關系,并利用數(shù)學優(yōu)化方法抽象出優(yōu)化模型,利用MATLAB進行優(yōu)化求解。在此基礎上,利用ANSYS有限元分析軟件中的接觸模塊對鎖緊部分接觸情況進行仿真計