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微创手术机器人末端器械设计及其控制策略研究

作　者: 刘东春
导　师: 李进华
学　校: 天津大学
专　业: 机械工程
关键词: 微创手术机器人手术器械运动学分析动力学轨迹跟踪
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

微创手术机器人突破了传统的诊治理念，给医师和患者均带来了诸多益处，成为当今学术界的研究热点。手术器械是微创手术机器人系统中直接与患者相接触的部分，其性能对手术质量有重要影响，在整个机器人系统中占据非常重要的位置。因此，本文对微创手术机器人手术器械设计理论与方法进行研究，开发成功微创机器人用多自由度手术器械。本文的主要内容如下：首先，以腹腔微创手术为例，根据手术操作特征，确定腹腔微创手术对微创机器人手术器械的需求进而综合两种不同的手术器械设计方案。通过运用D-H法和螺旋理论对两种方案进行运动学分析，获得雅克比矩阵，进而根据各自的奇异性与工作空间分布，确定了手术器械的最终设计方案。其次，在上述理论分析的基础上，对手术器械进行了构型设计，完成了器械传动系统的布局优选、传动丝的张紧功能实现及具有快速更换功能的动力接口设计，并结合不同手术操作的需求，研制成功多套微创器械样机。再次，在建立手术器械的动力学模型的基础上，对手术器械的轨迹跟踪功能进行分析，设计出自适应神经网络轨迹跟踪控制器，并运用Matlab/Simulink对所设计轨迹控制器的性能进行仿真验证。最后，结合手术操作需求，对器械样机开展相关实验研究，实验结果显示所设计的多自由度手术器械的综合性能指标符合机器人微创手术的要求和规范。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-19
  1.1 引言  7
  1.2 微创外科手术  7-8
  1.3 微创外科手术机器人及器械研究现状  8-16
    1.3.1 微创外科手术机器人研究现状  8-13
    1.3.2 机器人手术器械研究现状  13-16
  1.4 选题的目的及意义  16-17
  1.5 本文的主要内容  17-19
第二章微创手术机器人手术器械方案设计  19-28
  2.1 引言  19
  2.2 腹腔微创手术分析  19-22
    2.2.1 腹腔微创手术简介  19-21
    2.2.2 手术器械种类及受力分析  21-22
    2.2.3 手术器械受约束分析  22
  2.3 面向腹腔微创机器人手术器械设计要求  22
  2.4 微创手术机器人多自由度手术器械概念设计  22-27
    2.4.1 多自由度手术器械支撑系统简介  22-23
    2.4.2 手术器械机械结构方案  23-25
    2.4.3 手术器械传动方案  25-27
  2.5 本章小结  27-28
第三章微创手术机器人手术器械运动学分析与设计  28-44
  3.1 引言  28
  3.2 两种类型手术器械运动学分析  28-37
    3.2.1 串联式手术器械运动学分析  28-32
    3.2.2 并联式手术器械运动学分析  32-36
    3.2.3 两种器械性能讨论  36-37
  3.3 多自由度手术器械构型设计  37-43
    3.3.1 整体构型设计  37-38
    3.3.2 手术器械末端设计  38-39
    3.3.3 器械底座设计  39-41
    3.3.4 能量器械  41-42
    3.3.5 手术器械样机  42-43
  3.4 本章小结  43-44
第四章微创手术机器人手术器械轨迹跟踪控制器设计  44-56
  4.1 引言  44
  4.2 手术器械轨迹跟踪控制策略  44-46
  4.3 手术器械动力学建模  46-48
  4.4 基于神经网络构建手术器械轨迹跟踪控制器  48-51
    4.4.1 主控制器  49-50
    4.4.2 死区补偿器  50-51
  4.5 轨迹跟踪控制器仿真  51-55
    4.5.1 无干扰轨迹跟踪仿真  52-54
    4.5.2 有干扰轨迹跟踪仿真  54-55
  4.6 本章小结  55-56
第五章实验研究  56-61
  5.1 引言  56
  5.2 手术器械的钢丝绳力学性能测试  56-58
  5.3 手术器械各自由度运动测试  58
  5.4 手术器械夹持力测试  58-59
  5.5 能量器械性能测试  59-60
  5.6 本章小结  60-61
第六章全文总结  61-63
  6.1 全文总结  61
  6.2 研究展望  61-63
参考文献  63-67
发表论文和参加科研情况说明  67-68
致谢  68

微创手术机器人末端器械设计及其控制策略研究

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