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面向單孔腔鏡手術(shù)的連續(xù)型機(jī)械臂及其運(yùn)動(dòng)建模的研究

發(fā)布時(shí)間:2018-05-14 04:18

  本文選題:單孔腔鏡手術(shù) + 連續(xù)型機(jī)械臂; 參考:《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文


【摘要】:微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人呈現(xiàn)出的更微創(chuàng)、高精度、小型化、高集成化發(fā)展趨勢(shì),使微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成難度加大,不可避免的要在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式、關(guān)節(jié)與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新;小型化、集成化的機(jī)器人創(chuàng)成和新型關(guān)節(jié)形式的引入增加了機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)模型表達(dá)與優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)的難度,這些問(wèn)題已經(jīng)成為目前醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合國(guó)家自然基金項(xiàng)目,對(duì)面向單孔腔鏡手術(shù)的機(jī)械臂設(shè)計(jì),以及連續(xù)型機(jī)械臂設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及驅(qū)動(dòng)遲滯模型等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。針對(duì)單孔腔鏡手術(shù)的操作環(huán)境及操作方式,研制了面向單孔腔鏡手術(shù)的16自由度機(jī)械臂,設(shè)計(jì)了一種新型的切口式連續(xù)型結(jié)構(gòu),并采用多關(guān)節(jié)連續(xù)型結(jié)構(gòu)作為所設(shè)計(jì)手術(shù)機(jī)械臂的位置定位機(jī)構(gòu)。此外,設(shè)計(jì)了新型的鋼絲繩繞線輪組機(jī)構(gòu),研制出一種小型化、并能與連續(xù)型機(jī)械臂高度集成的4自由度擬人化手術(shù)器械。根據(jù)集成后的連續(xù)型機(jī)械臂和末端微器械的驅(qū)動(dòng)方式和關(guān)節(jié)布置方式,對(duì)關(guān)節(jié)間驅(qū)動(dòng)解耦模型進(jìn)行了研究,解決了連續(xù)型機(jī)械臂各關(guān)節(jié)間以及末端微器械關(guān)節(jié)間的驅(qū)動(dòng)耦合問(wèn)題。針對(duì)切口式連續(xù)型機(jī)械臂的非等曲率變形問(wèn)題,建立了一種基于Timoshenko梁模型的切口式連續(xù)型機(jī)械臂力學(xué)模型;贏NSYS仿真分析的切口式連續(xù)型機(jī)械臂變形規(guī)律,建立了基于切口變形單元力學(xué)模型的連續(xù)型機(jī)械臂的整體力學(xué)模型,考慮了切口變形單元在變形過(guò)程中的相互耦合作用,及驅(qū)動(dòng)絲對(duì)機(jī)械臂側(cè)向作用力對(duì)機(jī)械臂整體形狀的影響。通過(guò)該力學(xué)模型能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)空間的驅(qū)動(dòng)力和關(guān)節(jié)空間以及子關(guān)節(jié)空間關(guān)節(jié)角度的映射。對(duì)不同切口數(shù)量的連續(xù)型機(jī)械臂樣機(jī)進(jìn)行了彎曲實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了所建立力學(xué)模型的有效性。針對(duì)連續(xù)型機(jī)械臂多冗余度特性對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型求解造成的影響,建立了基于離散關(guān)節(jié)假設(shè)的切口式連續(xù)型機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。根據(jù)機(jī)械臂的變形特性將整個(gè)機(jī)械臂進(jìn)行離散化處理,結(jié)合力學(xué)模型信息建立基于D-H方法的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和基于擬合數(shù)據(jù)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。解決了連續(xù)型多冗余度機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解問(wèn)題,利用原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。在此基礎(chǔ)上,建立了考慮機(jī)械臂變形單元?jiǎng)偠刃阅芎蜋C(jī)械臂運(yùn)動(dòng)性能的切口式連續(xù)型機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,采用NSGA-II遺傳算法對(duì)機(jī)械臂參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化求解,使機(jī)械臂的變形能力及運(yùn)動(dòng)性能能夠同時(shí)達(dá)到最優(yōu),仿真分析驗(yàn)證了參數(shù)優(yōu)化的有效性。針對(duì)鋼絲繩驅(qū)動(dòng)的切口式連續(xù)型機(jī)械臂在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中存在的驅(qū)動(dòng)遲滯問(wèn)題,建立了一種基于非線性Bouc-Wen模型的連續(xù)型機(jī)械臂遲滯模型。首先分析了不同鋼絲繩預(yù)緊力下的連續(xù)型機(jī)械臂彎曲變形現(xiàn)象,對(duì)機(jī)械臂的遲滯特性進(jìn)行分析,建立了鋼絲繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂非線性遲滯模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的機(jī)械臂變形數(shù)據(jù)對(duì)非線性遲滯模型進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí),并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)與Bouc-Wen模型仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明該模型能夠模擬連續(xù)型機(jī)械臂的非線性遲滯特性,為連續(xù)型機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制模型奠定了基礎(chǔ)。為驗(yàn)證所研制單孔腔鏡手術(shù)機(jī)械臂的功能性和操作性能,開(kāi)展了面向單孔腔鏡手術(shù)的16自由度機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)連續(xù)型機(jī)械臂單關(guān)節(jié)、多關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)、雙臂聯(lián)合運(yùn)動(dòng)、機(jī)械臂關(guān)節(jié)解耦運(yùn)動(dòng)、機(jī)械臂重復(fù)定位精度及末端微器械機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所研制機(jī)械臂具有空間定位能力、末端精細(xì)化操作能力和較好的靈活性。在腔鏡手術(shù)模擬器中開(kāi)展了16自由度機(jī)械臂操作實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的16自由度機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)單臂和多臂協(xié)調(diào)操作功能,具有較高的操作性能及運(yùn)動(dòng)靈活性。
[Abstract]:The minimally invasive surgery robot presents a more minimally invasive, high-precision, miniaturized, and highly integrated development trend, making the design and integration of the minimally invasive surgical robot system more difficult. It is inevitable to innovate the robot driving mode, joint and transmission structure design, miniaturized, integrated robot creation and the introduction of new joint forms. The difficulty of the key technologies, such as robot system design, system model expression and optimization design, has become a hot and difficult problem in the field of medical robotics. This paper combines the national natural fund project, the design of the manipulator to the single hole mirror operation, the design of the continuous manipulator, the structure optimization and the mechanics. The key problems such as model, kinematics model and driving hysteresis model are studied. In view of the operating environment and operation mode of single hole endoscopic surgery, a 16 degree of freedom manipulator for single hole endoscopic surgery is developed. A new type of incisional continuous structure is designed and a multi joint continuous structure is used as the designed surgical arm. In addition, a new type of wire rope winding mechanism is designed, and a miniaturized and 4 degree of freedom anthropomorphic surgical instrument, which can be integrated with a continuous type manipulator, is developed. The decoupling model of the inter-joint drive is carried out according to the driving mode of the integrated continuous manipulator and the terminal micro device and the connection arrangement. The driving coupling problem between the joints of the continuous mechanical arm and the joint of the terminal micro device is solved. In view of the non ISO curvature deformation of the incisional continuous type manipulator, a mechanical model of the incisional continuous mechanical arm based on the Timoshenko beam model is established. The incisional continuous machine based on the simulation and analysis of the ANSYS is used. The mechanical model of the continuous mechanical arm based on the mechanical model of the incisional deformation unit is established. The interaction of the incisional deformation unit in the deformation process and the effect of the driving force on the overall shape of the manipulator on the manipulator arm are considered. The driving space can be driven through the mechanical model. The mapping of the force and joint space and the angle of the space joint of the subjoint. The bending experiment is carried out on the prototype of the continuous mechanical arm with different number of incisions, and the validity of the model is verified. In view of the influence of the multi redundancy characteristics of the continuous manipulator on the kinematics model, the discrete joint hypothesis is established. The kinematics model of the incisional continuous robot arm is discretized according to the deformation characteristics of the manipulator, and the forward kinematics model based on the D-H method and the inverse kinematics model based on the fitting data are set up based on the information of the mechanical model, and the problem of the forward and inverse kinematics of the continuous multi redundant robot is solved. The correctness of the kinematic model is verified by the prototype experiment. On this basis, an optimized design model of the incisional continuous mechanical arm, which considers the stiffness performance of the manipulator's deformation unit and the motion performance of the manipulator, is established. The NSGA-II genetic algorithm is used to optimize the parameters of the manipulator and make the deformation ability and movement of the manipulator. The performance can be achieved at the same time, and the effectiveness of the parameter optimization is verified by simulation analysis. In view of the driving delay of the incisional continuous type manipulator driven by wire rope, a nonlinear Bouc-Wen model based continuous mechanical arm hysteresis model is established. First, the pre tightening force of different wire rope is analyzed. The hysteresis characteristics of the manipulator are analyzed, and the nonlinear hysteresis model of the continuous type manipulator is established. The parameters of the nonlinear hysteresis model are identified according to the measured data of the manipulator deformation, and the data obtained from the experimental data and the results of the Bouc-Wen model simulation data are carried out. The results show that the model can simulate the nonlinear hysteresis characteristics of the continuous manipulator and lay the foundation for the real-time control model of the continuous type manipulator. In order to verify the function and operation performance of the single hole endoscopic surgery manipulator, the experimental study of the 16 degree of freedom manipulator for the single hole mirror operation is carried out. The arm single joint, joint movement of multiple joints, the joint motion of two arms, the decoupling motion of the arm joint, the precision of the repetitive positioning of the manipulator and the end micro device were tested. The experiment proved that the developed manipulator has the ability of space positioning, the fine operation ability and the better flexibility of the end. 1 The experimental results of a 6 degree of freedom manipulator show that the developed 16 degree of freedom manipulator can realize the coordinated operation of single arm and multi arm, and has high operating performance and motion flexibility.

【學(xué)位授予單位】:哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號(hào)】:TP241

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本文編號(hào):1886292

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