手术器械联动机构构型创成及运动特性分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 江国豪1,2 |
| 答辩日期 | 2020-05-26 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 刘浩 |
| 关键词 | 联动构型 运动解耦 仿真平台 单孔腹腔镜手术机器人 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 模式识别与智能系统 |
| 其他题名 | Analysis of the Configuration and Motion Characteristics of the Linkage Mechanism of Surgical Instruments |
| 英文摘要 | 单孔腹腔镜手术机器人（SPL）的器械由单一切口进入腹腔，术中采用“Y”构型展开，获得较为开阔的手术操作空间。较之于多孔腔镜手术，其手术切口少，利于术后恢复及创口的美观，并且器械的驱动端紧凑，无机械吊臂间的干涉问题。这也要求手术器械具备更高的自由度，更为灵活的操作空间、以及适用于狭窄的腔道。本文是在国家重点研发计划资助下对手术机器人关节与构型进行分析，采用“联动解耦”的设计理念，深入开展刚性关节器械和柔性器械的研究。搭建单孔腔镜手术机器人的器械样机及实验平台，完成相应实验，验证联动解耦构型的可行性。通过分析腹腔镜手术的手术空间，限定手术机器人器械的长度和负载，研究多种常用器械关节的驱动特性，以确保驱动端的结构简单。归纳出两类器械刚性器械和柔性器械，借鉴六自由度（6DOF）工业机器人的“Pieper”准则，能将逆运动学分解为逆姿态运动学与逆位置运动学。将对应关节关联起来，使得被关联的关节等幅度且反向运动，由此组成联动展开运动，这是一种广义的平移自由度，研究联动特性中的运动解耦。引入立体角的概念评估器械的灵活度，并分析联动构型与一般构型器械灵活度。手术器械的关节由于尺寸限制关节角较小，常采用多个关节串联组成的欠驱动机构，研制大转角且成对驱动腱的驱动量相等的滚轮约束式关节，并采用联动构型避免欠驱动状态。研制7个主动自由度的器械，保证近端关节特性的基础上穿过所有的驱动键，完成器械创成。基于D-H模型描述关节型联动器械的运动，探究其逆运动学的解析解与奇异位置。并且研究远端关节的布置位置对器械灵活度的影响。最后搭建器械的实验平台，实验分析联动特性。而连续体在复杂腔道内有良好的柔顺性，对于内部驱动腱等配件也有良好的顺应性。研究联动构型的柔性器械的运动特性，采用模块化外骨架来过渡驱动丝，探究连续体的外骨架约束类型，以提高器械的抗扭特性，搭建7个自由度的柔性联动器械。构型空间至操作空间的逆运动学用解析法直接求解，并对模型的奇异点进行分析。并根据实验误差分析过渡盘厚度与正交布置对圆弧假设的理论误差。基于欧拉-伯努利梁理论分析各段的最大曲率，并以此最大化联动展开。基于V-REP开发手术机器人的仿真平台，利用其计算模块，快速地对各种构型器械的工作空间和姿态空间进行评估，进而优化器械结构，以及快速完成算法实现。并利用其3D集成开发环境搭建联动器械协同操作的虚拟训练平台。 综上所述，本文主要是完成刚性与柔性关节的两种类型器械7自由度的创成，围绕联动解耦的特性分析、仿真优化与实验验证展开研究工作。本文的研究内容对单孔腔镜手术机器人的理论研究、器械研制与工程应用方面，都有着一定的参考价值。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/27126]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院沈阳自动化研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 江国豪. 手术器械联动机构构型创成及运动特性分析[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。