微创手术机器人主手结构设计与分析

作     者：牛孝霞 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王树国

授予年度：2014年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：微创手术机器人 主手 结构设计 运动学 动力学 

摘      要：机器人微创手术凭借其创口小、恢复快、操作精确、医生不易疲劳等优势而逐渐成为外科手术的发展趋势。主手作为微创手术机器人系统中的人机交互设备，是医生直接操作的对象，其性能的优劣直接影响到机器人系统性能。而目前应用较广且技术成熟的主手大都为通用型的进口产品，其价格较为昂贵，相应的技术参数还不能很好的匹配从手机器人相关技术要求，因此有必要研究适用于微创手术机器人的力反馈型主手。 本文首先进行主手的总体方案及机械结构设计。根据主手的设计要求及应用环境确定采用串联型异构主手，所设计的主手具有包括夹持自由度在内的八个自由度，腕部机构在经典三自由度结构基础上增加一个冗余自由度以增加姿态调整的灵活性;探讨几种常见的机器人构型，完成主手的构型综合;基于电机和丝传动方案实现力觉反馈，利用配重和电机的反向驱动特性实现主手重力平衡。在此基础上进行主手结构的详细设计;运用解析法分析所设计主手的工作空间，并在满足目标工作空间及灵活性的条件下确定杆件的最终尺寸。所设计主手在满足工作空间的前提下具有开机寻零、限位安全、高灵活性、力反馈及重力平衡等功能。 其次，开展主手运动学和动力学建模研究。采用改进的D-H参数法求解主手的正、逆运动学方程;根据笛卡尔空间与关节空间之间的速度映射关系求解主手的雅克比矩阵，定义主手的可操作性，验证主手在目标工作空间内具有较高的灵活度。在比较机器人动力学建模方法的基础上，最终采用拉格朗日法建立主手的动力学模型。计算力雅克比矩阵从而得到各关节的力反馈附加力矩，并结合动力学附加力矩得到关节电机的输出力矩。 最后，开展主手的运动仿真及性能测试实验研究。在ADAMS环境中建立主手的虚拟样机并进行仿真实验，将实验结果与基于主手运动学、动力学方程所计算得到的理论结果进行对比，验证主手运动学、动力学模型的正确性;分析动力学中各项所占比重，结合主手实际运动情况简化重力补偿模型。开展主手性能测试实验研究，进行编码器标定、精度测试实验、重力平衡以及力反馈实验来验证所设计主手的操作性能。