微創(chuàng)手術(shù)主操作手的全主動冗余姿態(tài)機構(gòu)研究.pdf

1、近年來，機器人微創(chuàng)手術(shù)由于具有使病人恢復(fù)時間短、手術(shù)質(zhì)量高等突出優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。主操作手作為微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)中將醫(yī)生手術(shù)動作傳遞到從端手術(shù)器械的載體，要能足夠靈活的實現(xiàn)醫(yī)生的手術(shù)動作。而主操作手的靈活性主要由其姿態(tài)機構(gòu)決定，靈活性差的主操作手不能完成復(fù)雜的手術(shù)，嚴(yán)重影響手術(shù)的效果。因此，研究操作性能高的主操作手姿態(tài)機構(gòu)對提高手術(shù)質(zhì)量具有十分重要的意義。
　　本文根據(jù)微創(chuàng)手術(shù)主操作手姿態(tài)機構(gòu)的設(shè)計要求，分析不同機構(gòu)構(gòu)

2、型的優(yōu)缺點，確定了主操作手姿態(tài)機構(gòu)采用串聯(lián)型4R冗余姿態(tài)機構(gòu)。為了實現(xiàn)主操作手位姿解耦，主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)的四個軸線交于一點。運用D-H法對主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)的正運動學(xué)進行分析，采用微分變換法建立了主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)的雅克比矩陣。分析了主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)的奇異點和工作空間。為了提高主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)的操作性能，基于模擬退火算法，以靈巧度指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，對主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)的構(gòu)型進行了優(yōu)化。完成了主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)各部分的具

3、體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用有限元法對主手冗余姿態(tài)機構(gòu)進行了剛度分析。分析了主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)的自平衡問題，提出了加配重和電機提供補償力矩相結(jié)合的方法，實現(xiàn)機構(gòu)的自平衡。采用Lagrange法建立了機構(gòu)自平衡模型，得到了機構(gòu)自平衡時所需的電機輸出力矩與主操作手姿態(tài)之間的關(guān)系，并通過ADAMS軟件對自平衡理論模型進行了驗證。為了減小配重給機構(gòu)增加的慣量，同時降低各個關(guān)節(jié)平衡所需的電機驅(qū)動力矩，對配重參數(shù)進行了優(yōu)化。最后，進行了主操作手冗余姿態(tài)機構(gòu)