微創(chuàng)手術機器人主手結構設計與分析.pdf

1、機器人微創(chuàng)手術憑借其創(chuàng)口小、恢復快、操作精確、醫(yī)生不易疲勞等優(yōu)勢而逐漸成為外科手術的發(fā)展趨勢。主手作為微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)中的人機交互設備，是醫(yī)生直接操作的對象，其性能的優(yōu)劣直接影響到機器人系統(tǒng)性能。而目前應用較廣且技術成熟的主手大都為通用型的進口產(chǎn)品，其價格較為昂貴，相應的技術參數(shù)還不能很好的匹配從手機器人相關技術要求，因此有必要研究適用于微創(chuàng)手術機器人的力反饋型主手。
　　本文首先進行主手的總體方案及機械結構設計。根據(jù)主手的設計

2、要求及應用環(huán)境確定采用串聯(lián)型異構主手，所設計的主手具有包括夾持自由度在內(nèi)的八個自由度，腕部機構在經(jīng)典三自由度結構基礎上增加一個冗余自由度以增加姿態(tài)調(diào)整的靈活性；探討幾種常見的機器人構型，完成主手的構型綜合；基于電機和絲傳動方案實現(xiàn)力覺反饋，利用配重和電機的反向驅(qū)動特性實現(xiàn)主手重力平衡。在此基礎上進行主手結構的詳細設計；運用解析法分析所設計主手的工作空間，并在滿足目標工作空間及靈活性的條件下確定桿件的最終尺寸。所設計主手在滿足工作空間的前

3、提下具有開機尋零、限位安全、高靈活性、力反饋及重力平衡等功能。
　　其次，開展主手運動學和動力學建模研究。采用改進的D-H參數(shù)法求解主手的正、逆運動學方程；根據(jù)笛卡爾空間與關節(jié)空間之間的速度映射關系求解主手的雅克比矩陣，定義主手的可操作性，驗證主手在目標工作空間內(nèi)具有較高的靈活度。在比較機器人動力學建模方法的基礎上，最終采用拉格朗日法建立主手的動力學模型。計算力雅克比矩陣從而得到各關節(jié)的力反饋附加力矩，并結合動力學附加力矩得到關節(jié)