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面向微创腹腔外科手术的冗余自由度机械臂研究

作　者: 李刚
导　师: 杜志江
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 微创外科手术机器人 结构设计 运动学 力学分析 术前摆位分析
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


机器人辅助微创外科手术具有创口小、定位精度高、操作灵活等优点,能有效提高手术的质量和安全性,扩展医生的操作能力,改善医生的工作环境,因而引起了世界范围内的广泛关注,并取得了飞速的发展。微创外科手术机器人是综合多个学科的新型交叉研究领域,具有重要的社会意义和经济效益。本文基于国家“863”计划资助项目“微创腹腔外科手术机器人”,对面向微创腹腔外科手术的机械臂进行了相关研究。首先,针对微创腹腔外科手术的任务特点对机械臂的工作环境进行了分析,并归纳出机械臂的基本功能要求,在此基础之上对机械臂的自由度配置和构型进行设计。根据不同的功能要求将机械臂分为臂定位机构,器械定位机构和器械接口三个部分,并分别对其进行具体的结构设计。其次,基于D-H法建立了机械臂的运动学正解方程,并依据机械臂的构型特点和实际工作状态,采用反变换法建立了机械臂的运动学逆解方程。在此基础之上,利用雅克比矩阵的奇异值构造出机械臂运动性能的灵巧度评价指标,并以此作为优化准侧,对机械臂进行结构尺寸优化,最终确定了机械臂的各杆件参数。再次,对机械臂的关节受力情况进行了分析,并利用动力学仿真软件ADAMS对机械臂进行动力学仿真,进而确定了各主动关节的驱动电机型号。利用有限元法对机械臂的刚度和强度进行了校核。此外,为减少机械臂在手术过程的干涉,利用改进的投影梯度法,并采用最大距离指标作为优化目标函数,对双器械臂进行术前摆位分析。最后,搭建实验平台对机械臂的性能进行相关实验研究。实验平台分为机械臂本体和控制系统两个部分,主要对机械臂的手动摆位效果,主动关节的驱动能力及远心定点运动的定位精度进行验证,并对实验结果进行了分析。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9
  1.2 微创外科手术机器人的研究现状  9-13
    1.2.1 国外研究现状  10-12
    1.2.2 国内研究现状  12-13
  1.3 微创外科手术机器人相关技术研究概述  13-15
    1.3.1 机器人结构设计  13-14
    1.3.2 运动学及动力学研究  14-15
    1.3.3 术前规划研究  15
  1.4 论文主要研究内容  15-17
第2章 机械臂结构设计  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 机器人辅助微创腹腔外科手术工作环境分析  17-18
  2.3 机械臂自由度配置及构型设计  18-22
    2.3.1 臂定位机构  19
    2.3.2 器械定位机构  19-21
    2.3.3 器械接口  21
    2.3.4 机械臂整体构型  21-22
  2.4 机械臂的结构设计  22-25
    2.4.1 臂定位机构结构设计  22-23
    2.4.2 器械定位机构结构设计  23-25
    2.4.3 器械接口结构设计  25
  2.5 机械臂最终结构模型  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章 机械臂运动学分析及尺寸综合  27-38
  3.1 引言  27
  3.2 机械臂的运动学分析  27-32
    3.2.1 运动学分析的理论基础  27-28
    3.2.2 正运动学分析  28-30
    3.2.3 逆运动学分析  30-32
  3.3 机械臂尺寸综合  32-37
    3.3.1 优化目标  32-35
    3.3.2 设计变量  35
    3.3.3 约束条件  35
    3.3.4 优化模型  35-36
    3.3.5 优化算法  36
    3.3.6 优化结果分析  36-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章 机械臂的力学分析及术前摆位分析  38-51
  4.1 引言  38
  4.2 关节驱动力分析  38-43
    4.2.1 关节5驱动力分析  38-39
    4.2.2 关节6驱动力分析  39
    4.2.3 关节7驱动力分析  39-40
    4.2.4 动力学仿真  40-43
  4.3 机械臂刚度及强度校核  43-44
  4.4 机械臂术前摆位分析  44-50
    4.4.1 冗余度机构的逆运动学求解  44-47
    4.4.2 优化目标函数  47
    4.4.3 摆位分析流程  47-48
    4.4.4 双器械臂摆位分析仿真  48-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章 机械臂实验研究  51-57
  5.1 引言  51
  5.2 实验平台搭建  51-53
    5.2.1 机械臂机械本体  51-52
    5.2.2 控制系统  52-53
  5.3 机械臂性能实验  53-56
    5.3.1 机械臂手动摆位实验  53-54
    5.3.2 机械臂驱动性能实验  54-55
    5.3.3 远心定点运动定位精度实验  55-56
  5.4 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-62
攻读硕士学位期间发表学术论文  62-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 工业机器人
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