关键词：单孔微创手术;;连续型机械臂;;切口式柔性杆;;运动学模型;;力感知模型
摘 要：与传统微创手术相比,单孔微创手术可以最大程度减少创口数量,进一步降低手术对人体的伤害。单孔微创手术机器人系统的研发可以有效避免筷子效应,实现灵活复杂的手术操作,从而提高手术成功率。此外,目前用于临床的微创手术机器人系统普遍缺少力感知功能,不利于医生对手术过程中交互力的判断,加大了手术风险。单孔微创手术对机器人的结构设计和系统集成都提出了新的要求,同时力感知功能是提高手术临场感的技术关键,针对上述研究热点与难点,论文设计了面向单孔腔镜手术的连续型机械臂系统并搭建了实验样机,针对切口式柔性杆展开了运动学模型、参数优化和力感知能力的研究。首先,通过分析单孔微创手术的操作要求,完成了单孔微创手术机器人腔内连续型机械臂的设计,包括多自由度末端手术钳、切口式柔性杆和刚性展开关节。提出的机械臂具有体积小、重量轻、结构紧凑、操作灵活等优点,刚柔结合的设计模式,使得系统同时具有较高的定位精度、运动灵活性和使用安全性。其次,切口式柔性杆的运动是各个柔性环变形累积的结果,其力学模型与运动学模型相互影响。基于悬臂梁理论,建立了单柔性环力学模型;将切口式柔性杆抽象处理并等效为多关节的串联机器人,利用D-H参数法和BP神经网络算法建立了其正、逆运动学模型;通过遗传算法对切口式柔性杆的关键尺寸进行了参数优化,提高了其运动性能。再次,针对微创手术机器人普遍缺乏力感知的问题,对切口式柔性杆内在的力感知能力展开研究。基于逆运动学模型,建立了切口式柔性杆的等曲率形变模型;基于虚位移原理和雅克比矩阵,建立了切口式柔性杆的虚功模型;基于最小二乘法理论和接触力学,建立了切口式柔性杆的力感知模型;搭建了力感知实验平台并验证了力感知算法的有效性。最后,采取模块化设计的方式完成了实验样机的集成工作,分别搭建了硬件平台及控制平台,使用VB编程实现了系统的运动控制。验证了所设计末端手术钳、切口式柔性杆和刚性展开关节的运动性能,并进行了连续型机械臂系统的外力干扰实验及体外模拟操作实验,验证了所设计系统的有效性。
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