微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人被動(dòng)式關(guān)節(jié)一體化設(shè)計(jì)和性能分析.pdf

1、近年來(lái),機(jī)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(shì)使得微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究工作在國(guó)內(nèi)外廣泛的開(kāi)展。在手術(shù)機(jī)器人的研制中,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)采取了多種手段來(lái)保證手術(shù)安全性;與此同時(shí),為了提高手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用的便捷性,可靠性,減小機(jī)器人的體積,手術(shù)機(jī)器人一體化機(jī)械臂成為研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)方向。隸屬于國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人共性關(guān)鍵技術(shù)與示范應(yīng)用”,本文設(shè)計(jì)了一種用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的被動(dòng)式關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制驅(qū)動(dòng)

2、的一體化設(shè)計(jì);關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)手術(shù)中關(guān)節(jié)在任意位置的可靠鎖緊;鎖緊機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)鎖緊力矩大小,力矩可調(diào)。
　　本文基于一體化設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)用于微創(chuàng)腹腔手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂的被動(dòng)關(guān)節(jié),包括機(jī)械結(jié)構(gòu)本體和集成在關(guān)節(jié)內(nèi)部的傳感器件、控制單元。通過(guò)分析微創(chuàng)手術(shù)對(duì)被動(dòng)關(guān)節(jié)的性能要求,得到被動(dòng)關(guān)節(jié)的5條設(shè)計(jì)要求,據(jù)此設(shè)計(jì)了包括關(guān)節(jié)鎖緊機(jī)構(gòu)在內(nèi)的被動(dòng)關(guān)節(jié),并進(jìn)行了關(guān)節(jié)內(nèi)部元器件的選型計(jì)算和關(guān)鍵件強(qiáng)度校核;設(shè)計(jì)了基

3、于 AVR單片機(jī)的鎖緊機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元和關(guān)節(jié)角度測(cè)量電路。
　　針對(duì)被動(dòng)關(guān)節(jié)的鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn),利用彈性力學(xué)理論和有限元仿真軟件對(duì)接觸鎖緊性能進(jìn)行了分析。在分析了摩擦接觸相關(guān)理論的基礎(chǔ)上,利用彈性理論中的接觸問(wèn)題的解決方法,建立了關(guān)節(jié)摩擦塊的接觸應(yīng)力和其關(guān)鍵參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系,并利用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法抽象出優(yōu)化模型,利用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化求解。在此基礎(chǔ)上,利用ANSYS有限元分析軟件中的接觸模塊對(duì)鎖緊部分接觸情況進(jìn)行仿真計(jì)