【摘要】：近年來微創(chuàng)手術機器人集成化、小型化、便攜化逐漸成為醫(yī)療機器人領域的研究熱點,與體積龐大、價格昂貴的腹腔微創(chuàng)手術機器人相比,微型微創(chuàng)手術機器人具有體積小、成本低、價格低廉等優(yōu)點,具有很高的研究和應用價值。雖然微型微創(chuàng)手術機器人在一些關鍵技術上取得了較大突破,但是由于微型微創(chuàng)手術機器人末端器械結構復雜以及所采用的絲傳動系統(tǒng)在力和位移傳輸過程中具有明顯的遲滯特性,能夠準確實時地控制末端器械力和位移仍然是微型微創(chuàng)手術機器人的研究熱點和難點。因此,本文針對末端器械絲傳動系統(tǒng)傳輸特性建模、夾持力估計及集成式力傳感測量系統(tǒng)設計等問題展開研究,對提高微型微創(chuàng)手術機器人位置控制精度和夾持力預測性能具有重要的理論意義和實用價值。針對微型微創(chuàng)手術機器人絲傳動系統(tǒng)的遲滯特性導致的末端器械位置跟蹤誤差大的問題,建立末端器械絲傳動系統(tǒng)傳輸特性模型。確立微型微創(chuàng)手術機器人末端器械夾持鉗結構及繞線方案,由繩輪接觸區(qū)域的鋼絲繩微元受力分析,考慮鋼絲繩彎曲剛度效應,分析了單組繩輪系統(tǒng)鋼絲繩拉力傳輸損失,開展了單組繩輪系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)條件鋼絲繩拉力傳輸特性實驗,實驗驗證了鋼絲繩拉力傳輸損失特性及遲滯特性,基于單組繩輪系統(tǒng)鋼絲繩拉力傳輸損失特性,建立了微型腹腔手術機器人絲傳動系統(tǒng)力和位移傳輸特性模型。針對微型微創(chuàng)手術機器人末端器械夾持力估計問題,提出了一種基于絲傳動系統(tǒng)傳輸特性模型的夾持力估計方法。分析了夾持鉗運動情況下導向滑輪之間摩擦損失及末端器械俯仰偏擺運動的耦合特性。結合導向滑輪之間摩擦損失及俯仰偏擺運動耦合特性,基于絲傳動系統(tǒng)傳輸特性模型對末端器械夾持鉗進行了夾持力估計,實驗驗證了耦合特性的正確性以及夾持力估計方法的有效性,實現(xiàn)了傳感器安裝在末端器械驅動端的夾持力估計。針對微型微創(chuàng)手術機器人末端器械安裝和集成力傳感器比較困難的問題,設計了一種基于光纖光柵的集成式力傳感測量系統(tǒng),安裝在微型微創(chuàng)手術機器人驅動端,用于末端器械夾持鉗夾持力估計研究。標定并測試了所研制的集成式力傳感測量系統(tǒng),與商用的微型拉力傳感器做對比,實驗結果表明該集成式力傳感測量系統(tǒng)具有較好的線性度。所研制的集成式力傳感測量系統(tǒng)能夠滿足微型微創(chuàng)手術機器人應用需求,可以應用在微型微創(chuàng)手術機器人絲傳動系統(tǒng)中,解決了傳感器難于在末端器械上集成安裝、存在電磁干擾現(xiàn)象及無法忍受高溫消毒過程等問題。為了驗證微型微創(chuàng)手術機器人絲傳動系統(tǒng)傳輸特性及應用集成式力傳感測量系統(tǒng)的末端器械夾持力估計方法,研制一種微型微創(chuàng)手術機器人,采用位置補償控制算法改善了微型微創(chuàng)手術機器人末端器械的位置跟蹤精度,實驗驗證了該補償算法的有效性,同時證明了微型微創(chuàng)手術機器人絲傳動系統(tǒng)傳輸特性的正確性。將所研制的集成式力傳感測量系統(tǒng)安裝在微型微創(chuàng)手術機器人上,結合本文提出夾持力估計方法對末端器械夾持力進行估計,實驗驗證了集成式力傳感測量系統(tǒng)的有效性及夾持力估計方法的正確性。為了驗證所研制的微型微創(chuàng)手術機器人臨床應用可行性,開展了面向微型微創(chuàng)手術機器人的腹腔模擬訓練器實驗及動物臨床實驗研究,實驗結果表明所研制的微型微創(chuàng)手術機器人在術中夾持力穩(wěn)定充分,具有較高的可操作性及運動靈活性,同時表明其具有較高的臨床應用價值和廣闊的應用前景。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH789;TP242

【參考文獻】

相關博士學位論文 前4條

1 馬如奇;微創(chuàng)腹腔外科手術機器人執(zhí)行系統(tǒng)研制及其控制算法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

2 李建民;微創(chuàng)機器人機構設計方法與主從映射策略研究[D];天津大學;2012年

3 王曉菲;基于柔性絲傳動的腹腔微創(chuàng)手術器械設計方法研究[D];天津大學;2012年

4 桑宏強;基于模型的微創(chuàng)手術機器人力檢測技術研究[D];天津大學;2011年

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本文編號：2639387