多結(jié)構(gòu)骨連續(xù)體機(jī)構(gòu)的衍生及其在手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、近些年來，由于具備諸多傳統(tǒng)剛性機(jī)器人所不具有的能力，例如與環(huán)境接觸的安全性、有限制復(fù)雜空間的操作性以及對復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體的抓取能力等，柔性連續(xù)體機(jī)器人得到了廣泛的關(guān)注以及研究發(fā)展。在柔性連續(xù)體機(jī)器人類型中，一種基于超彈性鎳鈦合金的結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體機(jī)器人在設(shè)計(jì)的緊湊性、操作的靈活性以及安全性等方便表現(xiàn)出了巨大的潛在優(yōu)勢，且多被應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)。然而，缺乏足夠的結(jié)構(gòu)剛度很大程度上限定了此類結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍。此論文提出了一種

2、改進(jìn)后的多結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體結(jié)構(gòu)以及其多種衍生結(jié)構(gòu)，目的在于提高其機(jī)構(gòu)剛度以保證此類結(jié)構(gòu)在一定外界負(fù)載條件下，其結(jié)構(gòu)變形始終符合常曲率圓弧假設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)此類機(jī)械臂在常曲率圓弧假設(shè)模型下的實(shí)時(shí)控制。橢圓積分模型、Cosserat rods理論等更加先進(jìn)的彈性力學(xué)模型可更加準(zhǔn)確的預(yù)測連續(xù)體結(jié)構(gòu)在外力下的變形情況，然而實(shí)現(xiàn)柔性操作臂實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確的外力感知在大多數(shù)情況下很難實(shí)現(xiàn)。目前，對于結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體操作臂的實(shí)時(shí)控制，仍多采用常曲率圓弧假設(shè)模型。<

3、br>　　特別的，此論文提出了雙連續(xù)體結(jié)構(gòu)來保證多結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體結(jié)構(gòu)驅(qū)動的簡便性以及結(jié)構(gòu)的模塊化程度?；旌线B續(xù)體結(jié)構(gòu)以及間隔連續(xù)體結(jié)構(gòu)的提出進(jìn)一步提升了其結(jié)構(gòu)剛度。一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出結(jié)構(gòu)變形時(shí)的常曲率圓弧假設(shè)，并量化的比較了采用不同方案在結(jié)構(gòu)剛度方面的提升狀況。
　　另外，此論文建立了多構(gòu)節(jié)連續(xù)體操作臂在常曲率圓弧假設(shè)下的運(yùn)動學(xué)模型，并提出了一套具有普遍適用性的連續(xù)體操作臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法以及運(yùn)動學(xué)評價(jià)方案。在之前結(jié)構(gòu)創(chuàng)新以及理

4、論工具的基礎(chǔ)上，多結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于三套微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)，包括一套內(nèi)窺鏡手術(shù)機(jī)器人、一套單孔腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人以及一套多孔腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人。一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體操作臂靈活度以及結(jié)構(gòu)剛度提升。結(jié)合之前所建立運(yùn)動學(xué)模型以及驅(qū)動補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，后面兩套手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在遙操作下的多種模擬手術(shù)操作，包括微小物體的拾取傳遞、穿刺、打結(jié)、剝葡萄皮、組織切割等。通過理論分析以及一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，多結(jié)構(gòu)骨型連續(xù)體結(jié)構(gòu)大大推進(jìn)了連