胸外科辅助医疗机械手的设计与研究

论文摘要

近年来,各种医疗器械得到了飞速发展,康复机器人,手术辅助机器人,接骨机器人等相继出现。而随着人们生活水平的提高,以及对机器人的深入了解,人们也愿意使用机器人来为自己服务。比如买个扫地机器人来当家庭保姆,去医院找个接骨机器人为自己接骨,甚至可能让机器人为自己做手术,因为在有的时候,机器人可能比人做得更好。本课题中的胸外科手术主要是针对肺癌、食管癌等肿瘤开展治疗。据不完全统计,目前全球每年大约有120万人被诊断患有肺癌,而我国每年则高达21万人,与此同时我国也是世界上食管癌高发地区之一。传统手术中,医生需要多名助手撑开切口、拨开内部脏器,一般的胸外科手术时间较长,所以手术人员极易疲劳,从而造成切口撑开不到位,不能很好隔离内部脏器与病灶,影响了医生的手术视野和操作。而本文的机械臂就是为解决这一问题而开发研制的。本文的主要研究内容有:分析了机械臂的工作空间及自由度,确定了传动方案,对机械臂的机械结构进行了优化设计,包括各转动关节以及连接部件,并参考第一代机械臂,避免第一代机械臂中的一些问题。为了提高机械臂的安全性以及操作的舒适性,还为本机械臂设计了两套自平衡系统;在第四章里,为机械臂设计了控制系统,包括控制方案的选择以及软、硬件的设计;硬件设计包括电流监测模块、制动器驱动模块以及电源模块;系统的控制软件,直接采用copley驱动器自带的图形化控制程序,为了提高控制系统的稳定性以及快速响应性,并对系统采用了简单可靠的P/PI控制;最后,对样机进行了简单的测试试验,包括实际工作空间以及末端关节实际受力大小的测试,从而验证样机是否达到预期设计要求,并通过测试试验分析样机存在的一些问题,从而为下一机械臂的设计做好准备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 主动式医疗外科手术辅助机器人
• 1.2.2 被动式多关节手术辅助机械臂
• 1.3 本文内容
• 第2章 辅助机械臂的机械结构设计
• 2.1 系统及自由度分析
• 2.1.1 系统自由度的选择
• 2.1.2 工作空间的分析
• 2.1.3 系统结构的设计以及各关节制动力矩的初计算
• 2.2 末端腕关节的设计
• 2.2.1 腕关节的类型及其选择
• 2.2.2 球腕关节的设计
• 2.3 三自由度机械臂及其零部件的设计
• 2.3.1 腰关节的设计
• 2.3.2 肩关节和肘关节的设计
• 2.3.3 各连接件的设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 自重力平衡系统设计
• 3.1 自重力平衡系统类型分析与选择
• 3.1.1 拉簧及平行四边形机构组成的重力平衡系统
• 3.1.2 弹簧及弹簧钩组成的重力平衡系统
• 3.1.3 添加配置实现重力平衡
• 3.1.4 电机及钢丝组成的平衡系统
• 3.1.5 拉簧及凸轮组成的平衡系统
• 3.2 小臂重力平衡系统设计
• 3.3 大臂重力平衡系统设计
• 1 倾斜角度的确定'>3.3.1 大臂平衡支点O₁倾斜角度的确定
• 3.3.2 其他参数的确定
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统设计
• 4.1 制动方案选择
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 电流监测设计
• 4.2.2 制动器驱动模块设计
• 4.2.3 电源模块设计
• 4.3 控制系统软件设计
• 4.4 控制参数优化设计
• 4.4.1 快速响应性分析
• 4.4.2 控制系统数学模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 辅助机械臂试验测试
• 5.1 整机的机械稳定性
• 5.2 球关节制动力矩试验
• 5.3 肩、肘关节制动力测试
• 5.4 实际工作空间的测试
• 5.4.1 球关节活动范围
• 5.4.2 大臂摆角测试
• 5.4.3 小臂摆角测试
• 5.4.4 实际的输出工作空间
• 5.5 自平衡系统的测试
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢