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微创手术机器人被动式关节一体化设计和性能分析

作　者: 方婉霏
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: 微创手术 医疗机器人 被动关节 锁紧机构 接触模型
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近年来，机器人辅助微创手术在外科手术操作上的显著优势使得微创手术机器人系统的研究工作在国内外广泛的开展。在手术机器人的研制中，国内外研究机构采取了多种手段来保证手术安全性；与此同时，为了提高手术机器人应用的便捷性，可靠性，减小机器人的体积，手术机器人一体化机械臂成为研究的一个新的热点方向。隶属于国家“863”计划项目“腹胸腔微创手术机器人共性关键技术与示范应用”，本文设计了一种用于微创手术机器人系统的被动式关节，实现了机械结构和控制驱动的一体化设计；关节可以实现回转运动并实现手术中关节在任意位置的可靠锁紧；锁紧机构采用步进电机驱动，通过压力传感器检测锁紧力矩大小，力矩可调。本文基于一体化设计思想，设计用于微创腹腔手术机器人机械臂的被动关节,包括机械结构本体和集成在关节内部的传感器件、控制单元。通过分析微创手术对被动关节的性能要求，得到被动关节的5条设计要求，据此设计了包括关节锁紧机构在内的被动关节，并进行了关节内部元器件的选型计算和关键件强度校核；设计了基于AVR单片机的锁紧机构步进电机驱动控制单元和关节角度测量电路。针对被动关节的锁紧机构的结构功能特点，利用弹性力学理论和有限元仿真软件对接触锁紧性能进行了分析。在分析了摩擦接触相关理论的基础上，利用弹性理论中的接触问题的解决方法，建立了关节摩擦块的接触应力和其关键参数间的数学关系，并利用数学优化方法抽象出优化模型，利用MATLAB进行优化求解。在此基础上，利用ANSYS有限元分析软件中的接触模块对锁紧部分接触情况进行仿真计算。文章最后对被动关节设计过程中相关参数和结论进行了实验研究验证。首先通过Zwick电子拉力试验机对压力传感器及其控制电路进行了输入输出标定。其次通过关节负载实验、控制单元实验和被动关节锁紧性能实验验证微创手术机器人被动关节的各项性能。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题研究背景  9-10
  1.2 微创手术机器人系统的研究现状  10-12
  1.3 一体化机械臂相关理论、技术及研究现状  12-15
    1.3.1 一体化机械臂研究现状  12-13
    1.3.2 被动关节的相关技术  13-14
    1.3.3 关节锁紧技术的研究  14-15
    1.3.4 摩擦接触问题的研究方法  15
  1.4 课题来源和研究的目的和意义  15-16
    1.4.1 课题来源  15
    1.4.2 研究目的和意义  15-16
  1.5 本论文主要研究内容  16-17
第2章 被动关节一体化设计  17-36
  2.1 引言  17
  2.2 被动关节作业及性能要求分析  17-18
    2.2.1 微创手术机器人构型介绍  17-18
    2.2.2 被动关节的功能要求  18
    2.2.3 被动关节设计要求  18
  2.3 结构设计  18-28
    2.3.1 传动结构设计  19
    2.3.2 锁紧机构设计  19-23
    2.3.3 元器件选型  23-25
    2.3.4 传动件定位结构设计  25-26
    2.3.5 最终构型及关键件的强度校核  26-28
  2.4 关节控制单元设计  28-35
    2.4.1 锁紧机构驱动控制单元设计  29-32
    2.4.2 单元转角测量电路设计  32-35
  2.5 最终一体化构型  35
  2.6 本章小结  35-36
第3章 楔形摩擦块接触锁紧性能的设计研究  36-50
  3.1 引言  36
  3.2 摩擦接触相关理论  36-40
    3.2.1 摩擦学原理  36-37
    3.2.2 接触问题的解决方法  37-40
  3.3 摩擦材料的选择  40
  3.4 摩擦块结构的优化分析  40-48
    3.4.1 优化模型的建立及求解  40-45
    3.4.2 锁紧力矩的仿真分析  45-48
  3.5 本章小结  48-50
第4章 实验研究  50-58
  4.1 引言  50
  4.2 压力传感器标定实验  50-51
  4.3 被动关节负载实验  51-52
  4.4 控制单元实验研究  52-54
    4.4.1 步进电机控制实验  52-53
    4.4.2 关节转角测量实验  53-54
  4.5 锁紧性能实验研究  54-57
    4.5.1 静力载荷实验  54-55
    4.5.2 冲击载荷实验  55-56
    4.5.3 锁紧位置任意性实验  56-57
  4.6 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-63
攻读学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

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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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