【摘要】：腹腔微創(chuàng)手術(shù)在與傳統(tǒng)開(kāi)腹手術(shù)相同治療效果的前提下,具有疤痕小,痛苦小,恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn),而被大眾所接受,得到越來(lái)越快的發(fā)展,并逐步取代傳統(tǒng)的開(kāi)腹手術(shù)。微創(chuàng)手術(shù)中,與組織直接接觸進(jìn)行手術(shù)操作的手術(shù)器械的性能好壞很大程度上直接決定了手術(shù)質(zhì)量。傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)器械自由度少,靈活性差,以達(dá)芬奇為代表的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人所用的手術(shù)器械雖然具有足夠的靈活性,但是腕部與手爪存在運(yùn)動(dòng)耦合,不利于位置控制。而且,目前的手術(shù)機(jī)器人大多缺乏力反饋能力,增大了醫(yī)生手術(shù)操作的難度,而手術(shù)器械末端的力檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人力反饋的關(guān)鍵。本文針對(duì)目前微創(chuàng)手術(shù)器械的自由度少、腕部與夾爪運(yùn)動(dòng)耦合及力反饋缺失的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種解耦的三自由度組織抓鉗并對(duì)其進(jìn)行力估測(cè)研究。本文針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)的特點(diǎn),研究手術(shù)器械的設(shè)計(jì)要求,提出一種三自由度組織抓鉗的整體構(gòu)型;針對(duì)腕部與手爪存在運(yùn)動(dòng)耦合的問(wèn)題,采用機(jī)械解耦方法,設(shè)計(jì)一種行星齒輪式解耦結(jié)構(gòu)。組織抓鉗可以實(shí)現(xiàn)腕部偏轉(zhuǎn),夾爪俯仰和開(kāi)合運(yùn)動(dòng),每個(gè)自由度相互獨(dú)立,由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。采用鋼絲繩傳動(dòng)方式和摩擦輪預(yù)緊原理,將動(dòng)力從驅(qū)動(dòng)端有效的傳送到末端各自由度。根據(jù)組織抓鉗的整體結(jié)構(gòu),對(duì)每個(gè)自由度進(jìn)行電機(jī)選型,最終得到了解耦的三自由度組織抓鉗的整體實(shí)物模型。根據(jù)所設(shè)計(jì)的組織抓鉗,以其中一個(gè)夾爪為研究對(duì)象進(jìn)行力估測(cè)的研究。為盡可能減小摩擦對(duì)力估測(cè)的影響,搭建與夾爪整體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇與夾爪結(jié)構(gòu)相符的摩擦模型。利用拉格朗日方程建立夾爪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,考慮摩擦及外部負(fù)載力的作用,導(dǎo)出基于動(dòng)力學(xué)模型的外部負(fù)載力的估測(cè)方程。對(duì)其中的摩擦項(xiàng),分別采用固定參數(shù)補(bǔ)償和自適應(yīng)參數(shù)補(bǔ)償方法進(jìn)行力估測(cè)研究,通過(guò)Simulink仿真對(duì)比仿真結(jié)果,驗(yàn)證兩種方法的可行性。對(duì)組織抓鉗的三個(gè)自由度進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)動(dòng)和聯(lián)合運(yùn)動(dòng)測(cè)試,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的合理性及運(yùn)動(dòng)的靈活性;對(duì)腕部和夾爪進(jìn)行解耦實(shí)驗(yàn),證明解決了腕部與夾爪的耦合問(wèn)題,為提高位置控制精度和力估測(cè)打下基礎(chǔ);根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件,通過(guò)電機(jī)電流和驅(qū)動(dòng)器采集的電機(jī)位置、速度、加速度信息,進(jìn)行力估測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,估測(cè)值跟隨真實(shí)值,穩(wěn)態(tài)誤差約為0.25N(10%),證明了力估測(cè)方法的有效性。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第1章 緒 論1.1 課題來(lái)源本課題來(lái)源于深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目：手術(shù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究。1.2 研究目的及意義以腹腔鏡為代表的微創(chuàng)外科手術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和多學(xué)科融合發(fā)展在逐步取代傳統(tǒng)的開(kāi)放手術(shù)。腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)操作方法首先是制造人工氣腹腹腔內(nèi)器官分離，方便進(jìn)行手術(shù)操作[1]。然后根據(jù)手術(shù)需要在病人腹部開(kāi) 3 8~12mm 的切口，腹腔鏡及相關(guān)手術(shù)器械通過(guò)這些小切口進(jìn)入患者體內(nèi)，腹可以實(shí)時(shí)顯示腹腔內(nèi)情況，將圖像顯示在監(jiān)視器上，醫(yī)生通過(guò)這些圖像對(duì)病施手術(shù)操作。如圖 1-1 所示，，為醫(yī)生利用達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)操作。

圖 1-2 手術(shù)操作力創(chuàng)手術(shù)中存在的手術(shù)器械靈活性和缺乏力感知的，設(shè)計(jì)一種微創(chuàng)組織抓鉗，基于系統(tǒng)狀態(tài)分析，估測(cè)方法開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)器械實(shí)時(shí)準(zhǔn)確為腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的力反饋提供部分基礎(chǔ)理究現(xiàn)狀創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外科醫(yī)生 Mauriat 用腹腔鏡作了第 1 例膽囊切功以后，公眾開(kāi)始對(duì)微創(chuàng)手術(shù)的要求不斷提高，國(guó) Computer Motion 公司研究出第一臺(tái)持鏡 1-3 所示。該系統(tǒng)具有 7 個(gè)自由度，醫(yī)生手術(shù)操以根據(jù)聲音和腳踏控制來(lái)調(diào)整腹腔鏡的位置，不人手抖動(dòng)和兩人信息傳遞不一致的影響，可以獲
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH77

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2696432