發(fā)布時(shí)間：2021-11-25 11:17

　　提出了一種新構(gòu)型的6自由度連續(xù)體單孔手術(shù)機(jī)器人.其形變骨架采用超彈性材料一體化成型加工,具有一系列十字交叉鏤空結(jié)構(gòu)的彈性鉸鏈.建立了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析了機(jī)器人的可達(dá)工作空間,提出一種手術(shù)作業(yè)空間的優(yōu)化搜索方法,獲得了作業(yè)空間中關(guān)鍵位置的操作靈活性.進(jìn)而以操作靈活性為目標(biāo),以關(guān)節(jié)形變能力為約束,優(yōu)化分析連續(xù)體機(jī)構(gòu)形變骨架的幾何參數(shù),形成提升連續(xù)體單孔手術(shù)機(jī)器人操作靈活性的參數(shù)優(yōu)化方法.最后進(jìn)行連續(xù)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn),經(jīng)過測(cè)試,機(jī)器人的末端位置誤差為2.23 mm,角度誤差為2.06°,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性. 

【文章來源】：機(jī)器人. 2020,42(03)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

關(guān)鍵位置可達(dá)姿態(tài)角示意圖

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有眾多研究者對(duì)適用于單孔腔鏡手術(shù)的連續(xù)體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了較多的研究．Simaan等設(shè)計(jì)了一種可插入式的單孔手術(shù)機(jī)器人平臺(tái)，采用了多根鎳鈦絲并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的盤式骨架連續(xù)體結(jié)構(gòu)，單支手術(shù)臂具有5個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度加1個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)[7].Seung等設(shè)計(jì)一種用于腦腫瘤去除的單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，采用密繞彈簧作為連續(xù)體段，通過鋼絲繩驅(qū)動(dòng)，單支器械具有5個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度[8].Alambeigi等設(shè)計(jì)一種可變剛度的連續(xù)體機(jī)器人，具有單個(gè)彎曲連續(xù)體段，可以用于溶骨去除或者結(jié)腸手術(shù)中[9]．國內(nèi)也有一些研究機(jī)構(gòu)開展單孔手術(shù)機(jī)器人的相關(guān)研究，徐凱等提出了一種基于對(duì)偶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的單孔連續(xù)體機(jī)器人系統(tǒng)，單支手術(shù)臂采用2段3自由度鎳合金波紋管作為連續(xù)體骨架，多根鎳鈦絲并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，但并沒有腕部旋轉(zhuǎn)自由度[10]．王建辰等設(shè)計(jì)了一種可變剛度的單孔連續(xù)體機(jī)器人系統(tǒng)，單支手術(shù)臂具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，但近端是剛性運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)[11].在連續(xù)體機(jī)器人的建模與優(yōu)化方面，目前已經(jīng)有多種建模方法．基于Cosserat梁理論對(duì)連續(xù)體機(jī)器人的彎曲形狀進(jìn)行建�？梢匀〉幂^好的精度，但需要提供彈性模量、摩擦系數(shù)等材料特性參數(shù)，并需要進(jìn)行微分方程組求解[12-13]．楊文龍等對(duì)一種具有切口結(jié)構(gòu)的連續(xù)體機(jī)械臂建立了基于Timoshenko梁子變形單元的力學(xué)模型[14]．基于梁理論模型的建模精度較高，但需要確定的外部參數(shù)較多，同時(shí)計(jì)算量較大，一般難以應(yīng)用到連續(xù)體機(jī)器人的實(shí)際控制中．而常曲率假設(shè)模型建模方法簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快，在連續(xù)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與控制中應(yīng)用廣泛[15]．徐凱等[16]提出一種基于常曲率假設(shè)的連續(xù)體機(jī)器人工作空間分析方法，并對(duì)已經(jīng)公開發(fā)表的3種連續(xù)體機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析．本文所設(shè)計(jì)的連續(xù)體機(jī)器人結(jié)構(gòu)及自由度配置與其他文獻(xiàn)有所不同．另外，連續(xù)體機(jī)器人的彎曲能力通常與其長(zhǎng)度有很大的關(guān)系，這在以往的建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)中并沒有考慮，需要在連續(xù)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以考慮．

單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)靈活操作，單支手術(shù)臂的末端執(zhí)行器一般應(yīng)具有6個(gè)自由度，外加手術(shù)鉗、剪刀等執(zhí)行器的自由度．本文所研究的單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人自由度配置如下：手術(shù)臂需要從單一通道進(jìn)入，在體內(nèi)展開呈S形態(tài)，采用2段可4方向彎曲的連續(xù)體段組成，每段具有2個(gè)自由度；為了擴(kuò)大末端執(zhí)行器的工作空間，對(duì)手術(shù)臂設(shè)置一個(gè)沿軸向的平移自由度；此外，在腔鏡手術(shù)中，像鉗子和剪刀等最為常見和重要的末端執(zhí)行器中大多是帶有開口方向的器械，要求末端執(zhí)行器的開口方向具有較好的靈活性，因此設(shè)置一個(gè)用于調(diào)整末端執(zhí)行器開口方向的腕部旋轉(zhuǎn)自由度．所設(shè)計(jì)的單孔手術(shù)機(jī)器人操作臂整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由近端支撐直桿段、2段連續(xù)體結(jié)構(gòu)段、旋轉(zhuǎn)腕關(guān)節(jié)和前端執(zhí)行器等基本結(jié)構(gòu)組成．連續(xù)體采用超彈性材料激光切割和線切割一體化成型工藝加工，形成具有系列十字交叉鏤空結(jié)構(gòu)的彈性鉸鏈，可以實(shí)現(xiàn)骨架大變形并保證整體的連續(xù)變形，減小局部彎曲角度過大帶來的應(yīng)力集中及形狀不可預(yù)測(cè)的問題．在連續(xù)體軸向方向開有4個(gè)驅(qū)動(dòng)通道，通過4根驅(qū)動(dòng)絲的驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)4方向彎曲，結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖3所示．

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種具有切口結(jié)構(gòu)的連續(xù)體機(jī)械臂的力學(xué)建模[J]. 楊文龍,杜志江,董為.  機(jī)器人. 2015(05)
[2]柔性機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 于靖軍,郝廣波,陳貴敏,畢樹生.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2015(13)



本文編號(hào)：3518029