腹腔介入式手术机器人机械结构设计及运动仿真

论文摘要

随着机器人学及相关技术的不断发展,又由于机器人具有定位精度高的优点,机器人的应用逐步进入到医疗领域中。其中,将机器人应用到微创手术中是现代机器人一个重要的热门研究领域。将机器人应用于微创外科手术,可以提高手术质量、减轻病人痛苦、缩短病人康复时间、降低医疗费用、拓宽微创手术的范围等显著优点。国外对微创手术机器人的研究很多,其部分研究成果已经得到了实际的临床应用。在国内,对于微创手术机器人的研究则刚刚开始。文章通过查阅国内外大量的文献资料,根据手术过程的具体情况进行有针对性的研究论证,深入分析了机器人手术器械的具体特点,结合各种约束条件,设计了一种串联八自由度冗余机器人,并对机器人的正逆运动学、雅可比矩阵和冗余度特性进行了分析,最后用ADAMS仿真软件对机器人的运动学进行了仿真。给出了物理样机的详细设计和微创手术机器人虚拟仿真的大量数据及技术资料。本文首先对腹腔镜手术的全过程进行了全面的分析,根据术前、术中、术后的动作需要,在综合考虑了几种典型机构的优缺点后,设计了八自由度内窥镜机器人。其定位机构为冗余结构,前端的内窥镜操作机构则为远心机构。基于D-H方法,建立了机器人的运动学坐标系,求出了末端执行机构的运动学正解,运用齐次变换矩阵给出运动学逆解的解析解,采用矢量积法给出雅可比矩阵,并进行了机器人的冗余特性分析。利用Pro/E三维造型软件建立了模块化实体模型,将所生成的装配体通过Mech/Pro接口导入到虚拟样机软件ADAMS中,建立了腹腔镜机器人持镜手臂的虚拟样机。进行了三种典型动作的仿真,并分别对每一种仿真进行了详细说明。仿真结果表明机器人机构设计合理,运动学求解正确;并根据仿真结果指明了在实际应用该机器人时应注意路径规划问题,以免特定关节的加速度过大而可能引起远心机构的振动,为内窥镜机器人整机构建完成了关键性的一步。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 介入式手术机器人系统国内外研究概况
• 1.3.1 国外介入手术系统的研究概况
• 1.3.2 国内介入手术系统的研究概况
• 1.4 本课题主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 腹腔介入式手术机器人结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 构型与自由度的选择
• 2.2.1 腹腔镜手术过程分析
• 2.2.2 机器人构型的选择
• 2.2.3 腹腔镜在人体内部的自由度分析
• 2.3 各关节驱动器的选择
• 2.4 机械结构设计
• 2.4.1 样机模型
• 2.4.2 样机的结构设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 腹腔介入式手术机器人运动学研究
• 3.1 引言
• 3.2 运动学分析的数学基础
• 3.2.1 位置描述
• 3.2.2 物体姿态的描述
• 3.2.3 坐标变换
• 3.3 运动学正分析
• 3.4 运动学逆分析
• 3.4.1 定位关节变量的求解
• 3.4.2 定向关节变量的求解
• 3.4.3 插入长度的求解
• 3.5 雅可比矩阵
• 3.6 本章小结
• 第4章 腹腔介入式手术机器人冗余特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 梯度投影法
• 4.3 冗余度机器人的自运动
• 4.3.1 自运动流形的数学表述
• 4.3.2 自运动仿真
• 4.4 回避关节极限
• 4.4.1 回避关节极限仿真
• 4.5 避障功能分析
• 4.5.1 机器人与障碍物之间距离的获取
• 4.5.2 空间任意一点与凸形物间的伪最小距离
• 4.5.3 避障性能指标函数的建立
• 4.5.4 回避障碍的仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 腹腔介入式手术机器人运动仿真研究
• 5.1 ADAMS 软件简介
• 5.2 ADAMS 软件的特点
• 5.3 仿真模型的建立
• 5.4 仿真结果分析
• 5.4.1 内窥镜插入运动
• 5.4.2 内窥镜旋转运动
• 5.4.3 内窥镜末端直线运动
• 5.4.4 内窥镜自运动
• 5.4.5 避免关节极限
• 5.4.6 避免障碍物仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢