微創(chuàng)手術(shù)機器人從手是微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的核心組成部分之一,其機械結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)劣直接影響了微創(chuàng)手術(shù)機器人的性能。本文緊密的結(jié)合微創(chuàng)手術(shù)的實際工作需求,闡述了一種新型微創(chuàng)手術(shù)機器人從手的設計過程。文中主要進行了微創(chuàng)手術(shù)機器人從手的結(jié)構(gòu)設計、運動學分析、機構(gòu)性能優(yōu)化以及實驗平臺的搭建與實驗驗證。首先,在詳細研究現(xiàn)有的微創(chuàng)手術(shù)機器人從手結(jié)構(gòu)的基礎上,結(jié)合腹腔微創(chuàng)手術(shù)的工作要求,設計了一種新型基于雙平行四邊形原理的鋼帶傳動遠心機構(gòu)。該機構(gòu)克服了雙平行四邊形機構(gòu)的體積大、工作空間小的缺點,在減小機器人體積的同時擴大了工作空間。應用Solid Works軟件對從手機構(gòu)整體進行了詳細的三維建模。其次,應用旋量法建立了微創(chuàng)手術(shù)機器人從手的正運動學模型,采用解析法建立了從手的逆運動學模型,通過軟件仿真分析驗證了機器人從手正逆運動學模型的正確性。推導得出了從手的雅克比矩陣,為從手機構(gòu)的性能優(yōu)化奠定了基礎。此外對機器人的工作空間進行了分析,驗證了機器人從手的工作空間滿足微創(chuàng)手術(shù)要求。然后,在微創(chuàng)手術(shù)機器人從手的運動學分析基礎上,結(jié)合雅克比矩陣,構(gòu)造了基于全域可操作度和性能一致性的綜合評價指標函數(shù),根據(jù)工作空間... 

【文章來源】：天津工業(yè)大學天津市

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

ZUES微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)

第一章緒論3圖1-2ZUES微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)美國IntuitiveSurgical公司在2000年成功地研制出了daVinci微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)是微創(chuàng)手術(shù)機器人領(lǐng)域多年研究的結(jié)晶，使微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)得到了廣泛的推廣應用[20]。該系統(tǒng)由醫(yī)生主操作臺、3D立體成像設備和從操作手系統(tǒng)三部分組成，該系統(tǒng)擁有720P高清立體成像設備，可以為醫(yī)生提供開闊的手術(shù)視角，系統(tǒng)主操作手實現(xiàn)了重力補償及摩擦力補償緩解了醫(yī)生手術(shù)的疲勞感，并通過算法消除了醫(yī)生手部的抖動，克服了手術(shù)過程的不安全因素。但是該系統(tǒng)術(shù)前調(diào)整復雜，需要較長的準備時間。其售價和后期維護成本都十分高昂，大大增加了手術(shù)成本。IntuitiveSurgical公司于2005年推出了daVinciS微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)，并在2009年研發(fā)出daVinciSi微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)，二者通過從手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及布局優(yōu)化將術(shù)前調(diào)整時間縮小為原來的一半，并且增加了第四條手臂提高了手術(shù)的控制能力。立體成像設備的分辨率達到了1400*900，將主操作臺與立體成像設備集成到一起，大大減少了設備體積，使得主手操控與成像調(diào)整可以同時進行[21]。如圖1-3所示，daVinciSi系統(tǒng)設置了雙控制臺方案，兩名醫(yī)生可以同時進行手術(shù)操作，方便進行手術(shù)協(xié)助及手術(shù)操作技巧培訓。圖1-3DaVinciSi微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)IntuitiveSurgical公司在2014年發(fā)布了daVinciXi機器人系統(tǒng)[22,23]，如圖1-4所示，該機器人從手系統(tǒng)擁有可旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)，使從手臂能夠到達患者任何部位。該微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡可以安裝到任何一個從手臂上從而擴大了成像

天津工業(yè)大學碩士學位論文4空間，系統(tǒng)擁有激光定位系統(tǒng)，能夠根據(jù)手術(shù)類型的不同自動調(diào)整合適的手術(shù)姿態(tài)大大減少了術(shù)前調(diào)整的時間。圖1-4daVinciXi微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)2018年，F(xiàn)DA批準了daVinciSP單孔微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)（單端口手術(shù)）適用的第一類泌尿外科手術(shù)[24]。該微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)為單孔手術(shù)機器人，該系統(tǒng)包括一個多自由度3D高清攝像頭和三個多關(guān)節(jié)的手術(shù)器械。相比于前幾代機器人只需在腹部開一個微小切口即可進行手術(shù)，進一步減小了病人的手術(shù)創(chuàng)傷，是目前唯一商用化的單孔手術(shù)機器人系統(tǒng)。圖1-5daVinciSP微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)圖1-6為RAVEN外科手術(shù)機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)是專門用來做科學研究的微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)[25,26]。該系統(tǒng)由華盛頓大學的布雷克教授、漢納福德和加州大學圣克魯茲分校(UCSC)的雅各布等人共同研制。具有緊湊、體積小和價格低的特點，其使用Linux作為操作系統(tǒng)，允許用戶自行修改編寫代碼，開放了系統(tǒng)接口可以與其他設備進行連接交互，大大的方便了科研機構(gòu)和高校的開發(fā)與應用�！癛AVENⅡ”系統(tǒng)擁有兩條手術(shù)器械臂和一條窺鏡臂以及一個可以遠程操作的主操作臂，其從手臂采用了球形并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了從手靈活性，縮小了從手體積。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]我國成功完成世界首例5G遠程操控顱腦手術(shù)[J].   微創(chuàng)醫(yī)學. 2019(04)
[2]5G遠程機器人手術(shù)動物實驗研究[J]. 劉榮,趙國棟,孫玉寧,楊文龍,劉景豐,黃堯,謝武生,陳志強,趙偉,紀洪辰.  中華腔鏡外科雜志(電子版). 2019(01)
[3]基于Matlab的遺傳算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中的應用[J]. 吳立華,白潔,左亞軍,譚國所,劉永福,李克天.  機電工程技術(shù). 2017(10)
[4]國產(chǎn)妙手S手術(shù)機器人首次臨床應用經(jīng)驗[J]. 易波,蔣娟,宋智,李鵬洲,粟晗,朱曬紅.  中華普通外科雜志. 2016 (06)
[5]腹腔鏡在普外急腹癥診斷與治療中的應用[J]. 孟海港.  臨床醫(yī)藥文獻電子雜志. 2016(01)
[6]各種知識高度融合的兩部劃時代大作——戴建生教授的新著《機構(gòu)學與機器人學的幾何基礎與旋量代數(shù)》與《旋量理論與李群、李代數(shù)》[J]. 鄒慧君.  機械設計與研究. 2014(04)
[7]單側(cè)鋼帶往復精密傳動的方法研究[J]. 熊運昌,李國慧.  南陽理工學院學報. 2011(02)
[8]閉鏈級聯(lián)式機器人基于旋量理論的運動學分析方法[J]. 張付祥,付宜利,王樹國.  機械工程學報. 2006(04)
[9]顯微外科手術(shù)機器人——“妙手”系統(tǒng)的研究[J]. 王樹新,丁杰男,贠今天,李群智,韓保平.  機器人. 2006(02)
[10]基于實值編碼遺傳算法的起重機伸縮臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 張東民,廖文和.  南京航空航天大學學報. 2004(02)

博士論文
[1]腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)從手機構(gòu)與控制的研究[D]. 牛國君.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[2]微創(chuàng)手術(shù)機器人圖像系統(tǒng)設計方法與空間映射策略研究[D]. 蘇赫.天津大學 2016
[3]具有力感知的腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)從動機器人的研究[D]. 蔣峻.上海交通大學 2014
[4]微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機器人執(zhí)行系統(tǒng)研制及其控制算法研究[D]. 馬如奇.哈爾濱工業(yè)大學 2013

碩士論文
[1]腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人遠心機構(gòu)設計及其視覺伺服控制[D]. 仲杰.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[2]微創(chuàng)手術(shù)機器人震顫機理及其抑制方法研究[D]. 楊鋮浩.天津工業(yè)大學 2017
[3]基于絲傳動結(jié)構(gòu)的微創(chuàng)手術(shù)工具設計與實驗研究[D]. 張健.天津大學 2014
[4]腹胸腔微創(chuàng)手術(shù)機器人遠心機構(gòu)設計分析與阻力補償研究[D]. 劉瀟.哈爾濱工業(yè)大學 2013
[5]腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人手術(shù)器械研究[D]. 曹校銘.哈爾濱工業(yè)大學 2011
[6]腹腔手術(shù)機器人末端執(zhí)行機構(gòu)的設計和實現(xiàn)[D]. 馮美.哈爾濱工業(yè)大學 2008
[7]輔助腹腔鏡手術(shù)機器人結(jié)構(gòu)設計與控制系統(tǒng)研究[D]. 李艷生.哈爾濱工程大學 2008



本文編號：3598199