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微创外科手术机器人系统主操作手的研制

作 者: 张振峰
导 师: 谢叻
学 校: 上海交通大学
专 业: 材料工程
关键词: 微创外科 手术机器人 主操作手 力反馈 线传动
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


随着主从式手术机器人系统在微创外科手术中应用的不断发展,具有力反馈主操作手扮演着越来越重要的角色。研制具有力反馈的微创手术机器人主操作手已经成为主从式外科手术机器人研究的一个重点和难点。针对现有微创外科手术机器人系统中力反馈难题,本文设计了一款具有力反馈的九自由度手术机器人主操作手。本文的主要内容如下:首先,通过研究和分析确定选择电机作为力反馈实现的驱动执行元件,并讨论了其实现原理,进而分析了影响力反馈精确性的各种因素。其次,基于工作空间和性能指标,对主操作手的构型和尺度进行综合分析,并结合自重平衡的要求,完成总体结构设计,并进行了运动学分析。之后,根据主操作手的总体结构并考虑到力反馈的精度要求,着重对采用钢丝绳的传动系统进行了研究。最后,对主操作手的各组成部分进行机械结构设计,构建其三维建模和虚拟装配,进而完成实体样机的制造和装配,并进行调试以验证设计的可行性。另外,针对关节镜手术需要,还研制出一种多功能关节镜训练台。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 本课题研究的背景和意义  10-11
  1.3 主从式手术机器人系统概述  11-15
  1.4 具有力反馈主操作手发展现状  15-21
    1.4.1 国外研究现状  15-19
    1.4.2 国内研究现状  19-21
  1.5 需要解决的主要问题  21
    1.5.1 结构设计  21
    1.5.2 力反馈的实现  21
  1.6 本课题的研究内容  21-23
第二章 手术机器人力反馈实现的原理  23-39
  2.1 人体触觉概述  23-24
  2.2 力反馈的驱动执行元件  24-28
    2.2.1 驱动电机的选择  25-26
    2.2.2 电机堵转时的安全措施  26
    2.2.3 最大连续转矩  26
    2.2.4 电气时间常数  26-28
    2.2.5 电机型号的选定  28
  2.3 电机实现力反馈的原理  28-33
  2.4 力反馈的精确性研究  33-37
    2.4.1 速度雅克比矩阵  33-34
    2.4.2 力雅克比矩阵  34-36
    2.4.3 力反馈精确性的影响因素  36-37
  2.5 本章小结  37-39
第三章 主操作手的构型和尺度分析  39-67
  3.1 人机工程学概述  39-40
  3.2 主操作手构型综合  40-48
    3.2.1 功能分析与设计原则  40-41
    3.2.2 主操作手的结构选择  41-42
    3.2.3 主操作手自由度  42-44
    3.2.4 主操作手的构型分析  44-48
  3.3 主操作手的运动学分析  48-56
    3.3.1 运动学分析理论基础  48-51
    3.3.2 正运动学分析  51-54
    3.3.3 逆运动学分析  54-56
  3.4 主操作手的尺度综合  56-64
    3.4.1 工作空间要求  57-58
    3.4.2 工作空间的影响因素  58
    3.4.3 连杆尺度比例分析  58-60
    3.4.4 最终结果  60-64
  3.5 主操作手的最终构型  64-65
  3.6 本章小结  65-67
第四章 传动系统的设计  67-77
  4.1 传动方式的选择  67-68
  4.2 线传动简介  68
  4.3 传动线材料的选择  68-69
  4.4 传动线的绕线方式  69-70
  4.5 传动线的受力情况  70-71
  4.6 传动线的选择  71-73
  4.7 传动线的张紧与固定  73-75
  4.8 传动线的走线方式  75-76
  4.9 本章小结  76-77
第五章 主操作手的机械结构设计  77-91
  5.1 主操作手的整体结构  77-78
  5.2 主操作手的结构设计  78-87
    5.2.1 底座设计  78-79
    5.2.2 手臂机构设计  79-82
    5.2.3 腕关节及夹持机构设计  82-84
    5.2.4 重力补偿机构设计  84-86
    5.2.5 张紧机构设计  86-87
  5.3 线传动系统的总体设  87-88
  5.4 总体装配与调试  88-89
  5.5 本章小结  89-91
第六章 多功能关节镜训练台的研制  91-99
  6.1 关节镜技术简介  91-92
  6.2 关节镜技术的发展现状  92
  6.3 关节镜技术面临的挑战  92-93
  6.4 多功能关节镜训练台装置  93-97
    6.4.1 关节镜训练台的结构  93-95
    6.4.2 关节镜训练台操作方法  95-96
    6.4.3 关节镜训练台的特点  96-97
  6.5 本章小结  97-99
第七章 总结与展望  99-101
  7.1 全文总结  99-100
  7.2 研究展望  100-101
参考文献  101-105
致谢  105-107
攻读硕士学位期间的学术论文及申请的专利  107-109

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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
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