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1、具有力觉临场感的微创手术机器人精确操作和动力学分析 具有力觉临场感的微创手术机器人已成为机器人研究领域的一个热门话题 , 并在未来医疗领域中极具价值性 , 应用前景极为广泛。精确地位置控制以及真实 的力觉感知是遥操作微创手术机器人极为重要的两个功能 , 它能直接影响到医生 能否真实感觉手术器械与患者组织之间的相互作用力 , 从而更好、更加安全的操 作力反馈主手 , 实施精确的运动控制。目前微创手术机器人系统主要存在的问题就是缺乏力觉临场感 , 存在主手附 加力, 使医生不能真实的感知力反馈信息 , 从而降低了微创手术的质量 ,容易产生 手术误差 , 造成病人的意外损伤。本文针对上述问题 , 设
2、计新型的力反馈主手 , 对 其机械结构进行了系统的优化 , 并对主手附加力进行补偿 , 从而提高了操作精度 并消除主手附加力对医生感知力反馈造成的影响 , 进一步提高微创手术的质量与 安全。本文主要研究工作如下 :首先,设计新型的力反馈主手 , 基于改进型轴套力对 其钢丝绳传动进行了柔性体建模与仿真 , 得到较为适合的传动方式、传动速度以 及传动过程中的具体数据 , 为控制策略提供了数据基础。同时建模过程中采用的 是ADAM二次开发的宏命令语句,方便、准确的提供了一种钢丝绳建模方法,为今 后的钢丝绳研究提供可靠平台。其次,建立主手的正逆运动学 ,在逆运动学求解过程中设定筛选条件 ,得到唯 一最
3、优解 , 便于主手的控制。基于人机工程学、奇异点、可操作度以及灵巧度理 论等相关参数对主手进行尺寸优化 , 使其符合工作要求 , 同时求取理论工作空间 以及实际工作空间。再次,基于拉格朗日方程推导了新型力反馈主手动力学模型 ,建立准确的力反馈主手动力学模型是实现主手精确力反馈的重要前提 , 也是操作者感知真实反 馈力信息的重要基础。因此在利用拉格朗日推导动力学建模的同时 , 将模型导入 ADAM进行验证,确定模型的准确性。建立计及力反馈主手连杆重力、惯性力的完整动力学模型 , 为基于动力学模 型的主手附加力补偿奠定基础。 最后, 基于力反馈主手的动力学模型 , 进行了附加 力补偿策略研究 , 微创手术中 , 使医生获得真实的力觉临场感 , 感知手术过程中的 力反馈信息极为重要 , 建立了力反馈主手的重力补偿模型、惯性力补偿模型。通过力补偿控制策略方法 , 来消除力反馈主手本身所具有的重力、惯性力对 反馈作用力造成的干扰 , 使反馈力信息无干扰地传递给医生 , 从而实现医生在进 行微创手术时的真实力觉感知。