微创手术机器人力反馈型主手设计与控制研究

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1、硕士学位论文微创手术机器人力反馈型主手设计与控制研究DESIGNANDCONTROLOFAFORCE-FEEDBACKMASTERMANIPULATORFORMINIMALLYINVASIVESURGERY陈旭哈尔滨工业大学2018年1月国内图书分类号：TP241学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文微创手术机器人力反馈型主手设计与控制研究硕士研究生：陈旭导师：刘守斌副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP241U.D.C:621Ad

2、issertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringDESIGNANDCONTROLOFAFORCE-FEEDBACKMASTERMANIPULATORFORMINIMALLYINVASIVESURGERYCandidate：ChenXuSupervisor：AssociateProf.LiuShoubinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mech

3、anicalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要微创手术机器人技术是先进医疗技术的重要组成部分，对现代社会具有十分重要的意义。传统的医疗手术存在较大的缺陷和诸多的不足，比如手术时间过长，病人术中疼痛感巨大，医生操作手术器械易疲劳，容易发生错误的操作等，采用微创手术机器人技术则可以很好的解决上述问题。在微创手术机器人系统中

4、，主手作为人机交互设备和载体，其设计合理与否，功能是否完备可靠直接影响到手术的质量。目前，市面上大多的产品是通用型进口的主手，并不能够很好的满足微创手术机器人技术的具体要求，本课题针对这些问题，设计了一款力反馈串联型主手，并研制样机，开展仿真研究。针对微创手术实际功能的需求，制定出了力反馈串联型主手的整体设计方案。确定了主手8自由度的配置方式，利用3自由度调整主手位置，冗余4自由度用以控制主手姿态，另1自由度实现术中的夹持和剪切。在完成自由度配置的基础上，开展了对主手位置调整机构的构型优化，得出了最优构型和杆长比。根据优化结果，分别对主手位置调整机构、姿态调整机构和夹持机

5、构三个部分进行了具体机械结构设计。其中，姿态调整机构各关节轴线汇交于一点，使位姿运动互不干涉，以增加姿态调整的灵活性。根据所设计的主手机构，开展了主手的运动学和动力学分析。采用改进的D-H参数法求得主手运动学正逆解，通过正解的位置方程，计算出主手的雅克比矩阵；基于主手位姿机构的解耦设计，采用拉格朗日方程法和凯恩方程法分别对主手位置调整机构和姿态调整机构进行动力学建模。通过外力与关节转矩之间的映射关系计算得到力雅克比矩阵，求解出各关节电机所需的最大转矩，以此作为电机选型依据。分析了几种常见的主手力反馈控制方法的优缺点，选用基于动力学模型的力反馈控制方法，通过SIMULINK

6、绘制位置跟踪曲线，验证了PD加配重平衡的力反馈控制方法的可行性。在建立的主手运动学和动力学模型基础上，进行仿真实验。通过ADAMS仿真软件建立主手虚拟样机，并设置合理的关节驱动函数，将ADAMS仿真结果与MATLAB计算结果进行对比，验证了所建立的运动学和动力学模型的正确性。并完成了主手重力平衡仿真分析，验证了主手配重加电机法的有效性。关键词：微创手术机器人；主手；机械结构设计；力反馈控制；重力平衡-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractRobotassistedminimallyinvasivesurgeryisanimportantpartofadvanc

7、edmedicaltechnology.Traditionalsurgeryhasmanydeficiencies,suchasthelongoperationtime,deeplysufferingpainbypatient,andextremefatigueofsurgeon.Theminimallyinvasivesurgicalrobotcanhelptosolvetheproblemsabove.Themastermanipulatoristhehuman-computerinterface,anditsreason