基于绳牵引并联机构的微创手术器械研究

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1、中图分类号：TP241学校代码：10856学号：M01(m2119硕士学位论文Master’sThesis基于绳牵引并联机构的微创手术论文题目器械研究机械制造及其自动化专业蔡进作者姓名杭鲁滨指导教师完成日期2014年12月上海工程技术大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所递交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研宂工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：曰期：年》月？曰I上

2、海工程技术大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海工程技术大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密以。(请在以上方框内打“士）学位论文作者签名：指导教师签名：曰期：w/f年；月？曰曰期；>i；/r年今月A?曰中图分类号：TP241学校代码：10856学号：M010112119上海工程技术大学硕士学位论文

3、基于绳牵引并联机构的微创手术器械研究作者姓名：蔡进指导教师：杭鲁滨专业：机械制造及其自动化学院：机械工程学院申请学位：工学硕士完成时间：2014年12月评阅人：王生泽何涛答辩委员会主席：李宇昊成员：茅健周志峰周俊张旭UniversityCode：10856StudentID:M010112119ResearchofMinimallyInvasiveSurgeryDeviceBasedonWireDrivenParallelMechanismCandidate:CaiJinSupervisor:HangLu-binMajor:MechanicalManufactur

4、ingandAutomationCollegeofMechanicalEngineeringShanghaiUniversityofEngineeringScienceShanghai,P.R.ChinaDecember,2014基于绳牵引并联机构的微创手术器械研究摘要微创外科是临床医学界的前沿发展方向，微创外科手术具有手术创伤小、疼痛轻、恢复快等特点，在越来越多的传统手术领域获得了革命性的成功，逐渐成为全球外科手术发展的主旋律。微创手术器械的机械结构、传动方式等方面的合理设计，将直接影响其灵活性、操作性、控制精确性等性能乃至手术效果。由于微创手术工作空间较小，而

5、传统微创手术器械灵活性差，因此，为提高微创手术器械灵活性和操作柔性，弥补手术切口造成器械自由度的损失，本文根据腹腔手术及微创手术器械结构特点，设计一种绳牵引多自由度手持式微创手术器械。研究内容主要包括以下几个方面：（1）通过对微创手术过程、传统微创手术器械、手术操作力以及手术器械操作环境进行详细分析，确定新型多自由度手术器械的期望要求；根据器械所需完成目标任务映射其设计要求，得出手术器械最小自由度数为4；提出基于组合并联机构单元实现腕部关节俯仰、偏转运动方案，并采用钢丝绳、柔性杆以及软轴组合传动方式，设计4自由度手持式微创手术器械。（2）利用方位特征集理论对腕部关

6、节组合并联机构单元进行机构综合，确定4SPS-1U为并联机构单元构型；基于手术器械尺寸设计要求以及并联机构单元结构，确定并联机构单元合理尺度参数，并分析并联机构单元转动角度和转动半径的范围；根据腕部关节所需实现工作空间范围，为腕部关节配置不同数目的并联机构单元。（3）基于尺度相容性条件，运用D-H矩阵构建4SPS-1U并联机构运动学方程，以牛顿迭代法求解位置正解；通过对运动学方程求导，获得速度、加速度雅克比矩阵，并建立速度、加速度运动学方程；利用ADAMS软件对该并联机构单元运动学和动力学进行仿真分析，求解并联机构单元动力学；构建末端腕部关节实验模型进行实验分析，

7、以验证末端腕部关节机构设计的合理性以及钢丝绳牵引力的正确性。（4）针对钢丝绳传动进行受力分析，建立钢丝绳受力平衡方程，并对钢丝绳拉伸及弯曲状态进行应力分析，得出传动过程中钢丝绳危险点分布情况；利用SolidWorksSimulation进行有限元仿真分析，求得钢丝绳传动过程中最大应力，并将有限元仿真结果与数学模型计算结果进行对比，以验证钢丝绳受力模型的正确性；通过对传动过程中钢丝绳摩擦磨损以及疲劳寿命进行分析，得出所选用钢丝绳对手术器I械使用寿命影响极小。本文所设计的4自由度手持式微创手术器械，为进一步研制高性能微创手术器械提供理论基础。关键词：微创手术，并联机构

8、，绳牵引，