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面向机器人辅助腹腔镜手术的力反馈型主操作手研究-机械电子工程专业论文
Classified Index: TP242.2 U.D.C: 621.865.8Dissertation for the Master Degree of EngineeringRESEARCH ON A HAPTIC MANIPULATOR FOR ROBOT-ASSISTEDLAPAROSCOPIC SURGERYCandidate:Li YongSupervisor:Prof. Zhang Yuchun Academic Degree Applied for:Master of Engineering Specialty:Mechatronics EngineeringAffiliation:School of Mechatronics EngineeringDate of Oral Examination:July, 2012Degree-Conferring-Institution::Harbin Institute of Technology摘要近年来,机器人辅助腹腔镜手术技术不断发展,在医疗领域的优势日益凸 显,已得到了社会的普遍关注。主操作手是机器人辅助腹腔镜手术系统中的重 要组成部分,作为主从遥操作系统中的人机交互载体,其位姿识别精度、操作 灵活性和有无力反馈直接影响手术的质量。因此,研究面向机器人辅助腹腔镜 手术的主操作手对外科手术机器人乃至主从遥操作技术领域都具有重要意义。 依据机器人辅助腹腔镜手术系统对主手的要求 ,确定了主手串并联式主从 异构的构型方式,实现了位姿解耦,完成了主操作手 7 个运动自由度配置以及 4 自由度力反馈方案的设计。根据实现功能的不同,将主手分为并联 Delta 机构、 串联冗余机构和夹持机构,完成了各部分结构的具体设计 。主手的位姿识别以 机构运动学为理论基础,依据空间矢量方程建立了主手并联机构的正、逆运动学关系,依据 D-H 方法计算了串联机构运动学正解。 机构雅克比矩阵是进行主手灵巧度分析和静力学分析的基础,应用运动学方程求导法和矢量积法分别建立了并联机构和串联机构的雅克比矩阵,并以灵巧度指标和主手工作空间的需要为依据对主操作手进行了优化,提高了系统的 操作性能。基于上述优化后的机构,应用有限元方法对主操作手的刚度进行了 分析。以机构运动学为基础,依据拉格朗日方程,分别建立了并联机构和串联机构的重力补偿模型,确定了主手位姿与为实现机构自平衡所需要的各关节驱动 力矩之间的对应关系,并利用 ADAMS 对模型进行了仿真验证。基于虚功原理, 建立并联机构输出力与驱动力之间的静力学关系,并以此为理论基础完成力反馈算法设计。最后通过寻零、位姿识别、重力补偿和力反馈实验,验证了主手能实现主 动寻零,具有较高的位姿检测精度,可实现位置和姿态的自平衡,力反馈效果良好。所设计的冗余机构可明显提高主手的灵巧度,机构重力补偿模型的建立 不仅实现了主手自平衡,方便了医生操作,同时也为后续建立主手动力学补偿模型提供理论基础。关键词:主操作手;串并联结构;灵巧度;重力补偿;力反馈AbstractIn recent years, with the continuous development of robot-assisted laparoscopic surgical techniques, it has been increasingly prominent in the medical field and has gained widespread concern in society. The master manipulator is the important section of the robot-assisted laparoscopic surgical system. As the main part of the remote control system in the human-computer interaction, the recognition accuracy of the position and orientation, operational flexibility and force feedback performance directly affect the quality of the surgery. Therefore, the research on master manipulator has great significance for surgical robot, even the field of teleoperation technology.According to the requirement o
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