單孔變剛度微創(chuàng)外科手術(shù)器械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)及變剛度研究.pdf

1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文單孔單孔變剛度微創(chuàng)外科手術(shù)器械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)變剛度微創(chuàng)外科手術(shù)器械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)及變剛度研究及變剛度研究ResearchOptimalDesignoftheVariableStiffnessManipulatinSingleptSurgicalInstrument學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程研究生：李雪潔指導(dǎo)教師：李進(jìn)華副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2016年12月I摘要單孔腹腔鏡手術(shù)作為微創(chuàng)手術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要階段，不僅具有與傳統(tǒng)多孔微創(chuàng)

2、手術(shù)相同的治療效果，而且具有創(chuàng)傷小、疼痛感輕、住院時(shí)間短和美容效果好等優(yōu)點(diǎn)，且不受限于人體自然腔道的位置，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。目前，關(guān)于單孔腹腔鏡手術(shù)器械及機(jī)器人系統(tǒng)的研究已取得了矚目成績，但現(xiàn)有多數(shù)單孔腹腔鏡操作系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)足夠靈巧空間與高剛度的統(tǒng)一，難以滿足多種類型手術(shù)操作的需要。本文針對單孔腹腔鏡手術(shù)的工作要求，以低熔點(diǎn)相變金屬鎵為“剛?cè)狁詈稀钡霓D(zhuǎn)換介質(zhì)，系統(tǒng)闡述了一種變剛度微創(chuàng)外科手術(shù)器械的構(gòu)型設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及工作空間分析，并完

3、成了驅(qū)動(dòng)端的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后成功設(shè)計(jì)出了一種單孔變剛度微創(chuàng)外科手術(shù)器械臂原型樣機(jī)。本文的具體研究內(nèi)容如下：首先，根據(jù)實(shí)際手術(shù)操作過程中手術(shù)工具應(yīng)滿足的醫(yī)學(xué)需求，提出一種適用于單孔腹腔鏡手術(shù)的變剛度操作平臺的整體設(shè)計(jì)方案，并對其中的“剛?cè)狁詈稀北Ｗo(hù)鞘、工具臂及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等工作模塊進(jìn)行了方案論證和詳細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案不僅有效增加了手術(shù)器械柔性操作臂的靈活性和空間可達(dá)性，極大方便了手術(shù)過程中對手術(shù)工具位姿的調(diào)整，減小了對戳卡點(diǎn)的損傷，而

4、且為手術(shù)工具的操作提供了穩(wěn)定的支撐，提高了操作臂的負(fù)載能力。其次，采用一種高效、實(shí)用的幾何分析方法，以驅(qū)動(dòng)空間、虛擬關(guān)節(jié)空間、工作空間為基礎(chǔ)建立了剛度可控柔性操作臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，詳細(xì)闡述了驅(qū)動(dòng)空間虛擬關(guān)節(jié)空間及虛擬關(guān)節(jié)空間工作空間的映射關(guān)系，完成了操作臂工作空間的仿真，并以驅(qū)動(dòng)鋼絲繩的變化量為傳遞參數(shù)，建立了工具臂的蛇形結(jié)構(gòu)末端與操作端的映射關(guān)系，并采用粒子群算法對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少映射誤差。最后，在對剛度可控操作臂方案設(shè)計(jì)