内窥镜机器人驱动单元研究

论文摘要

内窥镜机器人的研究对消化道疾病的微创治疗技术具有重要意义。以往的内窥镜机器人研究集中于全自主式非介入内窥镜的研究,但由于其能源供给、病灶定位和诊疗操作控制的问题无法得到满意解决,研究一直停滞于样机研究阶段。解决现有问题的关键在于研制半自主介入式内窥镜机器人,实现镜身的主动可控运动,其研究的重点在于主动运动镜身理论模型的建立,分析其运动学特性和力学性能,为驱动控制和结构设计奠定基础。论文首先分析了肠道内窥镜的特殊工作环境,并相应提出机器人的设计指标。采用仿生学设计了内窥镜的驱动单元模块。多个驱动单元组成的内窥镜机器人属于连续体机器人范畴,对比其他机器人构型对肠道的多弯道狭小空间具有更好的适应性。针对内窥镜机器人驱动单元进行运动学分析。提出空间坐标直接变换的分析方法,比较运动离散化方法分析结果具有更简洁实用的优点。从驱动拉绳控制输入与单元空间位置的几何关系入手,分析驱动单元逆运动学并最终得到驱动单元的工作空间。建立驱动单元力学模型。分析平衡态下驱动单元的各个组成部分受力状态,对驱动拉绳进行了等效受力分析和象限分解。建立驱动单元模型误差函数,对运动学理论的描述误差做出估计,并采用最小模型误差参数指导设计驱动单元结构设计。对驱动单元力学性能进行分析,研究其在形变下的响应。讨论了驱动单元间耦合的现象与原因并论证了拉绳套管结构的去耦合作用。最后搭建内窥镜机器人驱动单元实验平台,对双驱动单元有耦合运动、单驱动单元无耦合独立运动和双驱动单元无耦合联动进行实验分析。验证了驱动单元结构设计、运动学分析和力学分析的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 内窥镜机器人研究现状
• 1.3 内窥镜机器人研究现状分析
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 内窥镜机器人驱动单元结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 内窥镜机器人构型设计
• 2.2.1 内窥镜工作环境与设计要求
• 2.2.2 仿生构型设计
• 2.2.3 构型分析
• 2.3 驱动单元模块化设计
• 2.3.1 驱动单元结构设计
• 2.3.2 驱动单元材料组成
• 2.3.3 去耦合拉绳套管机构
• 2.4 本章小结
• 第3章 内窥镜机器人驱动单元运动学分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于运动离散化的驱动单元正运动学分析
• 3.2.1 驱动单元的关节离散化
• 3.2.2 驱动单元正运动学
• 3.3 基于空间坐标直接变换的驱动单元正运动学分析
• 3.3.1 驱动单元空间坐标变换的分解
• 3.3.2 驱动单元齐次变换矩阵
• 3.4 驱动单元逆运动学分析
• 3.4.1 基本假设与几何关系
• 3.4.2 驱动单元逆运动学L 函数求解
• 3.4.3 驱动单元逆运动学Γ函数求解
• 3.5 驱动单元工作空间分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 内窥镜机器人驱动单元力学模型
• 4.1 引言
• 4.2 内窥镜机器人驱动单元力学建模
• 4.2.1 驱动单元受力状态
• 4.2.2 驱动拉绳等效受力分析
• 4.2.3 驱动拉绳分象限受力求解
• 4.2.4 驱动单元中心支撑管受力分析
• 4.3 内窥镜驱动单元模型误差分析
• 4.4 驱动单元力学响应特性
• 4.5 内窥镜机器人驱动单元间耦合现象分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 内窥镜机器人驱动单元实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 驱动单元实验平台
• 5.3 双驱动单元有耦合运动学实验
• 5.3.1 有耦合运动理论分析
• 5.3.2 有耦合弯曲半径实验测定与结果分析
• 5.4 单驱动单元模型实验分析
• 5.5 双驱动单元无耦合运动学实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢