微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具絲傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、DesignMethodologyoftheTendondrivenConfigurationfMinimallyInvasiveSurgicalRoboticInstruments一級(jí)學(xué)科：機(jī)械工程學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程作者姓名：何超指導(dǎo)教師：王樹新教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二〇一三年五月微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具絲傳動(dòng)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具絲傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法研究設(shè)計(jì)方法研究I中文摘要中文摘要微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人多自由度手術(shù)工具是機(jī)器人系統(tǒng)中唯一接觸病人

2、組織、執(zhí)行手術(shù)操作的部件。手術(shù)工具的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接決定了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的性能，也影響機(jī)器人系統(tǒng)其他部件的開發(fā)與設(shè)計(jì)。絲傳動(dòng)構(gòu)型是微創(chuàng)手術(shù)工具有效的結(jié)構(gòu)方式，而鋼絲傳動(dòng)在工具運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、力感覺(jué)、剛度特性等方面帶來(lái)了諸多理論難題。本文針對(duì)腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人絲傳動(dòng)手術(shù)工具的開發(fā)與設(shè)計(jì)，研究絲傳動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)方法。論文工作主要包括以下幾個(gè)方面：1.提出絲傳動(dòng)手術(shù)工具設(shè)計(jì)基本方法。首先根據(jù)腹腔微創(chuàng)手術(shù)特性與手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性，分析手術(shù)工具設(shè)計(jì)

3、任務(wù)；依據(jù)現(xiàn)有絲傳動(dòng)構(gòu)型的特征，開展絲傳動(dòng)手術(shù)工具構(gòu)型設(shè)計(jì)；依據(jù)微創(chuàng)手術(shù)工具系列設(shè)計(jì)要求，分析形成“拉拉”閉環(huán)構(gòu)型絲傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。2.拓展手術(shù)機(jī)器人與手術(shù)工具的絲傳動(dòng)通用運(yùn)動(dòng)學(xué)基本理論。運(yùn)用指數(shù)積公式，針對(duì)耦合絲傳動(dòng)，推導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)學(xué)理論；其次，以‘MicroHA’微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人為典型對(duì)象，詳細(xì)闡述耦合絲傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的分析方法、計(jì)算規(guī)則與流程；仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法的有效性和可行性。3.開展基于絲測(cè)力的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手

4、術(shù)工具力感覺(jué)分析研究。針對(duì)多自由度手術(shù)工具絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布局，構(gòu)建了力感覺(jué)數(shù)學(xué)模型；其次設(shè)計(jì)了多自由度手術(shù)工具力感覺(jué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定；通過(guò)系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該力感覺(jué)系統(tǒng)的功能與性能。4.研究多自由度絲傳動(dòng)手術(shù)工具剛度分析方法。應(yīng)用剛度矩陣法建立了‘MicroHA’絲傳動(dòng)手術(shù)工具剛度研究模型，并在關(guān)節(jié)空間內(nèi)對(duì)手術(shù)工具進(jìn)行剛度度量；通過(guò)研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)整體剛度的影響，實(shí)現(xiàn)多自由度絲傳動(dòng)手術(shù)工具面向剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了