微创手术机器人主动臂机构设计与优化

• 作 者: 许丽萍
• 机 构: 天津工业大学
• 出 处: 天津工业大学
• 发表日期: 2016年01期
• 关键词: 微创手术机器人 回路分析法 优化 全域可操作度指标 遗传算法

微创手术机器入主动臂主要包括远程运动中心机构和手术器械,是微创手术机器人系统的关键组成部分之一,其机械结构的设计优劣直接影响了微创手术机器人的性能,也制约着系统中其他部件的研发与设计。在国家自然科学基金项目资助下,本文对微创手术机器人主动臂进行了详细的结构设计、运动学分析、性能优化以及仿真与实验验证。首先,进行了微创手术机器人主动臂的结构设计。远程运动中心机构采用折弯双平行四边形构型,为手术器械与电机安装提供了空间。移动关节利用钢丝绳传动系统实现电机动力的传递。手术器械也通过钢丝绳传动实现自转、俯仰、偏转以及开合四个自由度,动力源可以布置在远离关节处,合适预紧力下无回差,使电机动力的传递更加平稳精确。其次,建立了完整的运动学映射关系模型。针对2N条丝驱动N个自由度的钢丝绳传动系统,提出了回路分析法,通过观察钢丝绳的布局列写出回路矩阵与电机驱动空间等效半径矩阵,结合传统机器人运动学,建立起机器人主动臂电机驱动空间到笛卡尔空间之间完整的运动学映射关系,简化了钢丝绳传动机器人运动学建模与分析的过程。此外,分别计算了远程运动中心机构与手术器械的雅克比矩阵,为后续性能优化奠定了基础。再次,开展了机器人主动臂的优化分析。在远程运动中心机构运动学分析的基础上,构造了基于机构全域可操作度指标与性能一致性指标的综合评价指标函数,根据工作空间的极限位置以及杆件横截面尺寸参数建立几何约束条件,采用遗传算法并结合有限元分析,对其杆件尺寸参数进行了优化。同时也采用遗传算法以及上述综合评价指标函数对手术器械进行性能优化,与优化前相比,远程运动中心机构和手术器械的操作性能整体有所改善,达到了优化的目的。最后,完成了运动学映射关系模型仿真以及物理操作实验。通过运动学仿真分析,验证了电机驱动空间到笛卡尔空间的运动学正逆解映射关系模型,证明了回路分析法的正确性。在物理操作实验中,针对远程运动中心机构,进行了可达工作空间与远程运动中心的验证；对于手术器械,完成了自由度运动、管路与组织夹持以及缝合模拟操作实验；通过实验说明了机器人主动臂能够较好地完成微创手术操作的要求。