多結構骨連續(xù)體機構的衍生及其在手術機器人系統(tǒng)中的應用.pdf

1、近些年來，由于具備諸多傳統(tǒng)剛性機器人所不具有的能力，例如與環(huán)境接觸的安全性、有限制復雜空間的操作性以及對復雜結構物體的抓取能力等，柔性連續(xù)體機器人得到了廣泛的關注以及研究發(fā)展。在柔性連續(xù)體機器人類型中，一種基于超彈性鎳鈦合金的結構骨型連續(xù)體機器人在設計的緊湊性、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，且多被應用于醫(yī)療手術機器人領域的研發(fā)。然而，缺乏足夠的結構剛度很大程度上限定了此類結構骨型連續(xù)體結構應用范圍。此論文提出了一種

2、改進后的多結構骨型連續(xù)體結構以及其多種衍生結構，目的在于提高其機構剛度以保證此類結構在一定外界負載條件下，其結構變形始終符合常曲率圓弧假設，從而實現(xiàn)此類機械臂在常曲率圓弧假設模型下的實時控制。橢圓積分模型、Cosserat rods理論等更加先進的彈性力學模型可更加準確的預測連續(xù)體結構在外力下的變形情況，然而實現(xiàn)柔性操作臂實時的準確的外力感知在大多數(shù)情況下很難實現(xiàn)。目前，對于結構骨型連續(xù)體操作臂的實時控制，仍多采用常曲率圓弧假設模型。<

3、br>　　特別的，此論文提出了雙連續(xù)體結構來保證多結構骨型連續(xù)體結構驅動的簡便性以及結構的模塊化程度?；旌线B續(xù)體結構以及間隔連續(xù)體結構的提出進一步提升了其結構剛度。一系列實驗驗證了所提出結構變形時的常曲率圓弧假設，并量化的比較了采用不同方案在結構剛度方面的提升狀況。
　　另外，此論文建立了多構節(jié)連續(xù)體操作臂在常曲率圓弧假設下的運動學模型，并提出了一套具有普遍適用性的連續(xù)體操作臂的結構優(yōu)化方法以及運動學評價方案。在之前結構創(chuàng)新以及理

4、論工具的基礎上，多結構骨型連續(xù)體結構被應用于三套微創(chuàng)手術機器人的研發(fā)，包括一套內(nèi)窺鏡手術機器人、一套單孔腹腔鏡手術機器人以及一套多孔腹腔鏡手術機器人。一系列實驗驗證了多結構骨型連續(xù)體操作臂靈活度以及結構剛度提升。結合之前所建立運動學模型以及驅動補償實驗，后面兩套手術機器人實現(xiàn)了在遙操作下的多種模擬手術操作，包括微小物體的拾取傳遞、穿刺、打結、剝葡萄皮、組織切割等。通過理論分析以及一系列的實驗結果可以看出，多結構骨型連續(xù)體結構大大推進了連