【摘要】：近年來微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人集成化、小型化、便攜化逐漸成為醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),與體積龐大、價格昂貴的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人相比,微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人具有體積小、成本低、價格低廉等優(yōu)點(diǎn),具有很高的研究和應(yīng)用價值。雖然微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了較大突破,但是由于微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人末端器械結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及所采用的絲傳動系統(tǒng)在力和位移傳輸過程中具有明顯的遲滯特性,能夠準(zhǔn)確實(shí)時地控制末端器械力和位移仍然是微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。因此,本文針對末端器械絲傳動系統(tǒng)傳輸特性建模、夾持力估計及集成式力傳感測量系統(tǒng)設(shè)計等問題展開研究,對提高微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人位置控制精度和夾持力預(yù)測性能具有重要的理論意義和實(shí)用價值。針對微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人絲傳動系統(tǒng)的遲滯特性導(dǎo)致的末端器械位置跟蹤誤差大的問題,建立末端器械絲傳動系統(tǒng)傳輸特性模型。確立微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人末端器械夾持鉗結(jié)構(gòu)及繞線方案,由繩輪接觸區(qū)域的鋼絲繩微元受力分析,考慮鋼絲繩彎曲剛度效應(yīng),分析了單組繩輪系統(tǒng)鋼絲繩拉力傳輸損失,開展了單組繩輪系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)條件鋼絲繩拉力傳輸特性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鋼絲繩拉力傳輸損失特性及遲滯特性,基于單組繩輪系統(tǒng)鋼絲繩拉力傳輸損失特性,建立了微型腹腔手術(shù)機(jī)器人絲傳動系統(tǒng)力和位移傳輸特性模型。針對微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人末端器械夾持力估計問題,提出了一種基于絲傳動系統(tǒng)傳輸特性模型的夾持力估計方法。分析了夾持鉗運(yùn)動情況下導(dǎo)向滑輪之間摩擦損失及末端器械俯仰偏擺運(yùn)動的耦合特性。結(jié)合導(dǎo)向滑輪之間摩擦損失及俯仰偏擺運(yùn)動耦合特性,基于絲傳動系統(tǒng)傳輸特性模型對末端器械夾持鉗進(jìn)行了夾持力估計,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了耦合特性的正確性以及夾持力估計方法的有效性,實(shí)現(xiàn)了傳感器安裝在末端器械驅(qū)動端的夾持力估計。針對微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人末端器械安裝和集成力傳感器比較困難的問題,設(shè)計了一種基于光纖光柵的集成式力傳感測量系統(tǒng),安裝在微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人驅(qū)動端,用于末端器械夾持鉗夾持力估計研究。標(biāo)定并測試了所研制的集成式力傳感測量系統(tǒng),與商用的微型拉力傳感器做對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該集成式力傳感測量系統(tǒng)具有較好的線性度。所研制的集成式力傳感測量系統(tǒng)能夠滿足微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用需求,可以應(yīng)用在微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人絲傳動系統(tǒng)中,解決了傳感器難于在末端器械上集成安裝、存在電磁干擾現(xiàn)象及無法忍受高溫消毒過程等問題。為了驗(yàn)證微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人絲傳動系統(tǒng)傳輸特性及應(yīng)用集成式力傳感測量系統(tǒng)的末端器械夾持力估計方法,研制一種微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人,采用位置補(bǔ)償控制算法改善了微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人末端器械的位置跟蹤精度,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該補(bǔ)償算法的有效性,同時證明了微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人絲傳動系統(tǒng)傳輸特性的正確性。將所研制的集成式力傳感測量系統(tǒng)安裝在微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人上,結(jié)合本文提出夾持力估計方法對末端器械夾持力進(jìn)行估計,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了集成式力傳感測量系統(tǒng)的有效性及夾持力估計方法的正確性。為了驗(yàn)證所研制的微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人臨床應(yīng)用可行性,開展了面向微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的腹腔模擬訓(xùn)練器實(shí)驗(yàn)及動物臨床實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的微型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人在術(shù)中夾持力穩(wěn)定充分,具有較高的可操作性及運(yùn)動靈活性,同時表明其具有較高的臨床應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH789;TP242

【參考文獻(xiàn)】

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2 李建民;微創(chuàng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計方法與主從映射策略研究[D];天津大學(xué);2012年

3 王曉菲;基于柔性絲傳動的腹腔微創(chuàng)手術(shù)器械設(shè)計方法研究[D];天津大學(xué);2012年

4 桑宏強(qiáng);基于模型的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力檢測技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2011年

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本文編號：2639387