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微创手术机器人操作主手设计与仿真研究

作　者: 曹燕燕
导　师: 付宜利
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主手结构设计动力学
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

微创外科手术相对于传统外科手术具有创伤小、患者痛苦小、恢复周期短等特点，机器人技术在微创外科手术中的成功应用，大大降低了医生的劳动强度，并且提高了手术质量。目前的微创外科手术机器人系统多为主从式结构，主手的设计以及性能的优劣对于整个机器人系统的性能有着至关重要的作用。现有的研究比较成功的主手多为通用型主手，在有些方面并不满足微创外科手术的使用需求，因此，迫切需要针对满足微创外科手术机器人系统要求的主手进行研究。本文针对国家863项目“腹胸腔微创手术机器人共性关键技术与示范应用”课题，在论述了国内外微创外科手术机器人以及力反馈型主手研究现状的基础上，设计了一款满足腹腔外科手术需求的具有力觉反馈的六自由度主手，并对其进行了运动学、动力学建模以及基于虚拟样机的仿真研究，具体工作如下：首先，进行了主手总体方案和机械结构的设计。基于机器人技术的理论基础，针对腹腔微创手术需求，确定机器人采用六自由度串联构型，单个主手工作空间覆盖200×250mm3的圆柱体的工作空间指标，使用电机法和丝传动减速装置实现主手力反馈，并对主手的机械结构进行了详细设计，使主手具有零点定位、限位安全和重力补偿功能。其次，针对主手的结构进行了运动学和动力学建模与分析。运用改进的D-H法建立了主手的运动学模型，通过计算得到主手正运动学方程、逆运动学方程、以及速度模型，在此基础上，针对工作空间指标完成了主手的尺度综合，确定了主手的最佳尺寸参数，做出了主手的舒适工作空间，并以雅克比矩阵条件数的倒数为指标完成了主手灵活度的分析，证明主手的设计满足工作空间指标和人机工程学要求；使用Lagrange方法建立了主手的动力学模型，通过机构划分和分块求解的方式得到了主手的Lagrange方程，完成了主手的动力学建模；通过建立力雅克比矩阵，得到了将从手端的反馈力映射为主手的关节电机力矩的方法，并通过具体计算得到了主手关节电机的最大力矩，完成了主手力感觉实现的分析和计算任务。最后，建立主手的虚拟样机进行主手性能的仿真验证。通过在ADAMS环境下建立主手虚拟样机，结合人手实际操作特点设定关节电机的驱动函数，对主手运动学和动力学模型进行仿真验证，证明了其正确性；针对目标圆柱体工作空间设定主手末端运动轨迹，进行了运动学和动力学综合仿真，证明了本文整体理论研究的正确性和可行性；在此基础上，提出了施加配重和动力学补偿相结合的重力补偿策略，并通过仿真验证了该策略的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 引言  9
  1.2 微创外科手术机器人概述  9-12
    1.2.1 微创外科手术机器人介绍  9-10
    1.2.2 微创外科手术机器人研究现状  10-12
  1.3 力反馈型主手研究现状及进展  12-16
  1.4 课题来源及研究的目的和意义  16
  1.5 课题研究的主要内容  16-17
第2章主手的总体方案与机械结构设计  17-41
  2.1 引言  17
  2.2 主手总体方案的设计  17-25
    2.2.1 主手设计的基本原则  17
    2.2.2 主手的构型综合  17-22
    2.2.3 主手工作空间指标的确定  22-23
    2.2.4 主手力反馈的实现方法  23
    2.2.5 力反馈原理  23-24
    2.2.6 主手控制系统结构  24-25
  2.3 主手机械结构设计  25-40
    2.3.1 结构参数对工作空间的影响  26-29
    2.3.2 手臂结构设计  29-31
    2.3.3 力反馈装置的结构设计  31-32
    2.3.4 手腕和夹持机构设计  32-34
    2.3.5 主手总体结构及基本功能  34-35
    2.3.6 尺度综合  35-39
    2.3.7 主手工作空间分析  39-40
  2.4 本章小结  40-41
第3章主手运动学分析与动力学建模  41-59
  3.1 引言  41
  3.2 主手运动学分析  41-49
    3.2.1 主手运动学建模的理论基础  41-42
    3.2.2 主手正运动学分析  42-44
    3.2.3 主手逆运动学分析  44-45
    3.2.4 主手速度模型的建立  45-47
    3.2.5 主手可操作性分析  47-49
  3.3 主手动力学建模  49-55
    3.3.1 动力学建模方法介绍  49-50
    3.3.2 动力学模型的建立  50-55
  3.4 主手力感觉的实现  55-58
    3.4.1 力雅克比矩阵  56
    3.4.2 关节电机最大转矩的计算  56-58
  3.5 本章小结  58-59
第4章主手动力学与重力补偿仿真研究  59-69
  4.1 引言  59
  4.2 主手动力学仿真  59-62
    4.2.1 主手运动学仿真验证  59-60
    4.2.2 主手动力学仿真验证  60-61
    4.2.3 动力学各项比重分析  61-62
  4.3 主手综合仿真  62-66
    4.3.1 运动轨迹的设定  62-63
    4.3.2 ADAMS 仿真  63-64
    4.3.3 MATLAB 计算  64-66
    4.3.4 综合仿真结果分析  66
  4.4 主手重力补偿仿真研究  66-68
    4.4.1 配重的必要性验证  67-68
    4.4.2 重力项补偿验证  68
  4.5 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-74
攻读学位期间发表的学术论文  74-76
致谢  76

微创手术机器人操作主手设计与仿真研究

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