面向单孔腔镜手术的连续型机械臂及其运动建模的研究

【摘要】：微创手术机器人呈现出的更微创、高精度、小型化、高集成化发展趋势,使微创手术机器人系统设计与集成难度加大,不可避免的要在机器人驱动方式、关节与传动结构设计上进行创新;小型化、集成化的机器人创成和新型关节形式的引入增加了机器人系统设计、系统模型表达与优化设计等关键技术的难度,这些问题已经成为目前医疗机器人领域的研究热点和难点。本文结合国家自然基金项目,对面向单孔腔镜手术的机械臂设计,以及连续型机械臂设计、结构优化、力学模型、运动学模型以及驱动迟滞模型等关键问题进行研究。针对单孔腔镜手术的操作环境及操作方式,研制了面向单孔腔镜手术的16自由度机械臂,设计了一种新型的切口式连续型结构,并采用多关节连续型结构作为所设计手术机械臂的位置定位机构。此外,设计了新型的钢丝绳绕线轮组机构,研制出一种小型化、并能与连续型机械臂高度集成的4自由度拟人化手术器械。根据集成后的连续型机械臂和末端微器械的驱动方式和关节布置方式,对关节间驱动解耦模型进行了研究,解决了连续型机械臂各关节间以及末端微器械关节间的驱动耦合问题。针对切口式连续型机械臂的非等曲率变形问题,建立了一种基于Timoshenko梁模型的切口式连续型机械臂力学模型。基于ANSYS仿真分析的切口式连续型机械臂变形规律,建立了基于切口变形单元力学模型的连续型机械臂的整体力学模型,考虑了切口变形单元在变形过程中的相互耦合作用,及驱动丝对机械臂侧向作用力对机械臂整体形状的影响。通过该力学模型能够实现驱动空间的驱动力和关节空间以及子关节空间关节角度的映射。对不同切口数量的连续型机械臂样机进行了弯曲实验研究,验证了所建立力学模型的有效性。针对连续型机械臂多冗余度特性对运动学模型求解造成的影响,建立了基于离散关节假设的切口式连续型机械臂运动学模型。根据机械臂的变形特性将整个机械臂进行离散化处理,结合力学模型信息建立基于D-H方法的正运动学模型和基于拟合数据的逆运动学模型。解决了连续型多冗余度机器人正逆运动学求解问题,利用原理样机实验验证了运动学模型的正确性。在此基础上,建立了考虑机械臂变形单元刚度性能和机械臂运动性能的切口式连续型机械臂优化设计模型,采用NSGA-II遗传算法对机械臂参数进行了多目标优化求解,使机械臂的变形能力及运动性能能够同时达到最优,仿真分析验证了参数优化的有效性。针对钢丝绳驱动的切口式连续型机械臂在驱动过程中存在的驱动迟滞问题,建立了一种基于非线性Bouc-Wen模型的连续型机械臂迟滞模型。首先分析了不同钢丝绳预紧力下的连续型机械臂弯曲变形现象,对机械臂的迟滞特性进行分析,建立了钢丝绳驱动连续型机械臂非线性迟滞模型。根据实验测得的机械臂变形数据对非线性迟滞模型进行了参数辨识,并对实验测得数据与Bouc-Wen模型仿真数据结果进行对比,结果表明该模型能够模拟连续型机械臂的非线性迟滞特性,为连续型机械臂的实时控制模型奠定了基础。为验证所研制单孔腔镜手术机械臂的功能性和操作性能,开展了面向单孔腔镜手术的16自由度机械臂实验研究。对连续型机械臂单关节、多关节联合运动、双臂联合运动、机械臂关节解耦运动、机械臂重复定位精度及末端微器械机构进行了实验测试,实验验证了所研制机械臂具有空间定位能力、末端精细化操作能力和较好的灵活性。在腔镜手术模拟器中开展了16自由度机械臂操作实验,实验结果表明所研制的16自由度机械臂能够实现单臂和多臂协调操作功能,具有较高的操作性能及运动灵活性。