基于绳牵引并联机构的微创手术器械研究-机械制造及其自动化专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 基于绳牵引并联机构的微创手术器械研究 摘 要 微创外科是临床医学界的前沿发展方向，微创外科手术具有手术创伤小、疼痛轻、 恢复快等特点，在越来越多的传统手术领域获得了革命性的成功，逐渐成为全球外科 手术发展的主旋律。微创手术器械的机械结构、传动方式等方面的合理设计，将直接 影响其灵活性、操作性、控制精确性等性能乃至手术效果。由于微创手术工作空间较 小，而传统微创手术器械灵活性差，因此，为提高微创手术器械灵活性和操作柔性， 弥补手术切口造成器械自由度的损失，本文根据腹腔手术及微创手术器械结构特点， 设计一种绳牵引多自由度手持式微创手术器械。研究内容主要包括以下几个方面： （1）通过对微创手术过程、传统微创手术器械、手术操作力以及手术器械操作 环境进行详细分析，确定新型多自由度手术器械的期望要求；根据器械所需完成目标 任务映射其设计要求，得出手术器械最小自由度数为 4；提出基于组合并联机构单元 实现腕部关节俯仰、偏转运动方案，并采用钢丝绳、柔性杆以及软轴组合传动方式， 设计 4 自由度手持式微创手术器械。 （2）利用方位特征集理论对腕部关节组合并联机构单元进行机构综合，确定 4SPS-1U 为并联机构单元构型；基于手术器械尺寸设计要求以及并联机构单元结构， 确定并联机构单元合理尺度参数，并分析并联机构单元转动角度和转动半径的范围； 根据腕部关节所需实现工作空间范围，为腕部关节配置不同数目的并联机构单元。 （3）基于尺度相容性条件，运用 D-H 矩阵构建 4SPS-1U 并联机构运动学方程， 以牛顿迭代法求解位置正解；通过对运动学方程求导，获得速度、加速度雅克比矩阵， 并建立速度、加速度运动学方程；利用 ADAMS 软件对该并联机构单元运动学和动力 学进行仿真分析，求解并联机构单元动力学；构建末端腕部关节实验模型进行实验分 析，以验证末端腕部关节机构设计的合理性以及钢丝绳牵引力的正确性。 （4）针对钢丝绳传动进行受力分析，建立钢丝绳受力平衡方程，并对钢丝绳拉 伸及弯曲 状态 进行 应力 分 析 ， 得 出 传 动 过 程 中 钢 丝 绳 危险点 分 布 情 况 ； 利用 SolidWorks Simulation 进行有限元仿真分析，求得钢丝绳传动过程中最大应力，并将 有限元仿真结果与数学模型计算结果进行对比，以验证钢丝绳受力模型的正确性；通 过对传动过程中钢丝绳摩擦磨损以及疲劳寿命进行分析，得出所选用钢丝绳对手术器 I 械使用寿命影响极小。 本文所设计的 4 自由度手持式微创手术器械，为进一步研制高性能微创手术器械 提供理论基础。 关键词：微创手术，并联机构，绳牵引，方位特征集，D-H 矩阵 II Research of Minimally Invasive Surgery Device Based on Wire Driven Parallel Mechanism ABSTRACT Minimally invasive surgery is the forefront development direction of the clinical, it has the characteristics of small trauma, less pain and quick recovery, it has got revolutionary success in more and more areas of traditional surgery, becoming the main theme of global surgery development gradually. The reasonable design of mechanical structure, transmission manner and other aspects of minimally invasive surgical instruments will affect its flexibility, maneuverability, control accuracy and other properties directly, as well as the effect of surgery; Due to the small working space of minimally invasive surgery and poor flexibility of traditional minimally invasive surgical instruments. For improving the flexibility and Operability of minimally invasive surgical instru