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腹腔微创手术机器人手术器械设计和操作仿真研究

作　者: 郭振宇
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: 腹腔微创手术机器人 手术器械 机械结构 操作仿真
分类号: TP242.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 118次
引　用: 2次
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内容摘要


和传统手术相比,微创手术具有创伤小、伤口愈合时间短、术后恢复快、病人住院时间短等优点。而将机器人技术应用到微创手术当中,可以提高微创手术质量,降低医生劳动强度,被广大医师所日渐接受。对微创手术机器人技术的研究已成为医疗机器人领域的研究热点。手术器械是微创手术机器人的执行机构,它直接作用于患者组织或器官,手术器械性能好坏直接影响手术质量;对手术器械的操作仿真不仅可以模拟手术过程,还可以给医生操作以指导作用。结合国家863计划资助项目“腹腔微创外科手术机器人系统研究”,本文阐述了腹腔微创手术机器人手术器械机械结构的具体设计,搭建了腹腔微创手术机器人手术器械操作仿真平台,并进行了手术器械的物理操作和仿真操作研究。首先,进行腹腔微创手术机器人手术器械的结构设计。在分析腹腔微创手术的设计要求后,确定了机器人手术器械的自由度数和结构的总体方案,并进行机器人手术器械的详细设计。其次,进行腹腔微创手术机器人手术器械的运动学分析。分析手术器械的位置运动学,求解机器人手术器械的正运动学以及工作空间。由于腹腔微创手术机器人系统为主从操作系统,为实现该主从系统的逆雅可比控制,分析手术器械速度运动学,求解手术器械的雅可比矩阵和逆雅可比矩阵。然后,进行腹腔微创手术机器人手术器械操作仿真平台搭建。本文在说明仿真平台结构,阐述平台交互模块的实现原理后,研究基于该平台力反馈的实现方法,在分析常用的四种主从控制方式优缺点的基础上,选择逆雅可比主从控制方式,给出控制律,之后详细阐述了该仿真平台的搭建过程。最后,进行腹腔微创机器人手术器械操作实验研究。在物理操作实验中实现手术器械的自由度运动,并进行缝线模拟、管路夹持模拟和体夹持模拟实验;在仿真实验中说明操作仿真总体框架,然后进行球的夹持和体按压操作仿真研究。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 引言  9
  1.2 微创手术机器人国内外研究现状  9-16
    1.2.1 微创手术机器人系统研究现状  9-12
    1.2.2 微创手术机器人手术器械研究现状  12-14
    1.2.3 微创手术机器人操作仿真系统研究现状  14-16
  1.3 课题来源及研究目的和意义  16-17
    1.3.1 课题来源  16
    1.3.2 课题研究目的和意义  16-17
  1.4 本文主要研究内容  17-18
第2章 腹腔微创手术机器人手术器械结构设计  18-29
  2.1 引言  18
  2.2 腹腔微创手术机器人手术器械设计要求分析  18-19
  2.3 腹腔微创手术机器人手术器械总体设计  19-20
  2.4 腹腔微创手术机器人手术器械详细设计  20-28
    2.4.1 末端执行器设计  20-21
    2.4.2 安装接口盒设计  21-24
    2.4.3 驱动箱设计  24-27
    2.4.4 总体三维模型及实物  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章 腹腔微创手术机器人手术器械运动学分析  29-38
  3.1 引言  29
  3.2 腹腔微创手术机器人手术器械位置运动学分析  29-34
    3.2.1 位置运动学理论  29-32
    3.2.2 手术器械正运动学分析  32-33
    3.2.3 手术器械工作空间分析  33-34
  3.3 腹腔微创手术机器人手术器械速度运动学分析  34-36
  3.4 本章小结  36-38
第4章 腹腔微创手术机器人手术器械操作仿真平台搭建  38-52
  4.1 引言  38
  4.2 腹腔微创手术机器人手术器械操作仿真平台结构  38-43
    4.2.1 操作仿真平台物理主手  40-41
    4.2.2 操作仿真平台交互模块的实现  41-43
  4.3 腹腔微创手术机器人手术器械操作仿真平台力反馈研究  43-46
    4.3.1 限位力反馈  43-44
    4.3.2 夹持力反馈  44
    4.3.3 体按压力反馈  44-46
  4.4 腹腔微创手术机器人手术器械主从控制研究  46-50
    4.4.1 主从操作系统及主从控制方式研究  46-49
    4.4.2 腹腔微创手术机器人手术器械主从控制方式  49-50
  4.5 腹腔微创手术机器人手术器械操作仿真平台搭建过程  50-51
  4.6 本章小结  51-52
第5章 腹腔微创手术机器人手术器械操作实验  52-63
  5.1 引言  52
  5.2 腹腔微创手术机器人手术器械物理操作实验  52-55
    5.2.1 自由度运动  52-53
    5.2.2 缝线模拟  53-54
    5.2.3 管路夹持模拟  54
    5.2.4 体夹持模拟  54-55
  5.3 腹腔微创手术机器人手术器械操作仿真实验  55-62
    5.3.1 操作仿真总体框架  55-58
    5.3.2 对球的夹持操作仿真  58-60
    5.3.3 对体的按压操作仿真  60-62
  5.4 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-69
致谢  69

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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 > 专用机器人
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