腹腔手术机器人末端执行机构的设计和实现

论文摘要

随着机器人技术在医疗领域的应用和发展,微创外科手术（MIS,Minimally Invasion Surgery）以其创伤小、术后恢复快、医疗成本低等诸多优点在外科手术领域中得到应用并迅速发展。腹腔微创机器人技术在医疗领域的应用和发展,提高了外科手术的精确度和稳定性,使外科手术领域产生了重大变革。为了保证手术安全,腹腔手术机器人末端执行机构在体表切口处必须做定点运动。本文在参考国内外文献的基础上,通过分析目前三种典型的定点机构,提出了一种新的腹腔手术机器人末端执行机构,并对其进行具体的结构设计。机器人运动学和动力学是实现机器人控制的基础。本文通过建立D-H参考坐标系对机构进行运动学分析,得出末端执行机构运动学正解和逆解,并且采用矢量积法得出雅可比矩阵;采用拉格朗日-欧拉法对机构进行动力学分析得出机构的广义力矩,为下一步对机构控制的研究工作奠定基础。利用虚拟样机技术对腹腔手术机器人末端执行机构的运动学进行模拟仿真。用Pro/E软件建立机器人的虚拟三维装配模型,利用Pro/E和ADAMS之间的无缝连接软件M/Pro将Pro/E里的模型导入ADAMS软件中。对机器人两种典型的工作模式进行运动仿真,给出机器人各个关节的角度变化曲线和速度变化曲线;最后利用ADAMS软件对雅可比矩阵进行分析验证,证明雅可比矩阵的正确性。利用样机实验验证末端执行机构的定点运动。运用基于VC++面向对象化设计开发电机的控制程序,使用该程序对末端执行机构进行样机实验并验证定点运动效果,实验结果表明末端执行机构可以很好的满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外相关领域的研究现状
• 1.2.1 国外腹腔手术系统的研究现状
• 1.2.2 国内腹腔手术系统的研究现状
• 1.2.3 主从式操作手研究现状
• 1.3 课题来源、意义及研究内容
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 末端执行机构结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 腹腔镜手术过程分析
• 2.3 自由度和工作空间分析
• 2.4 驱动系统分析和动力源选择
• 2.5 结构设计
• 2.5.1 结构方案选择
• 2.5.2 具体结构设计
• 2.5.3 末端执行机构最终结构模型
• 2.6 关键构件应力应变分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 末端执行机构的运动学和动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 正运动学分析
• 3.2.1 D-H 表示法
• 3.2.2 关节坐标系的建立和正运动学分析
• 3.3 逆运动学分析
• 3.4 雅可比矩阵分析
• 3.5 动力学分析
• 3.5.1 速度分析
• 3.5.2 杆件动能
• 3.5.3 杆件势能
• 3.5.4 拉格朗日函数
• 3.5.5 动力学方程
• 3.6 本章小结
• 第4章 末端执行机构的仿真研究
• 4.1 虚拟样机技术概述
• 4.2 末端执行机构仿真模型的实现
• 4.3 末端执行机构的仿真结果与分析
• 4.3.1 插入运动仿真
• 4.3.2 绕一点旋转一周仿真
• 4.3.3 定点运动雅可比理论分析与仿真结果的比较
• 4.4 小结
• 第5章 末端执行机构的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 主要构件介绍
• 5.2.1 直线平台
• 5.2.2 连接模块
• 5.2.3 张紧带轮装置
• 5.3 控制系统设计
• 5.4 样机验证
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢