变刚度单孔手术机器人系统设计方法及主从控制策略研究

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1、天津大学博士学位论文变刚度单孔手术机器人系统设计方法及主从控制策略研究DesignandMaster-SlaveControlStrategyofaSingle-PortSurgicalRobotwithControllableStiffnessManipulationArms学科专业：机械工程研究生：王建辰指导教师：王树新教授天津大学机械工程学院2017年5月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一

2、同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要单孔入路的限制对单孔微创手术机器人提出了更高的技术要求。单孔微创手术机器人不得不在更有限的范围内集成更多的运动自由度；在更

3、加受限的操作空间内提供足够的操作精度及手术操作力；在高度集成的系统中，提供良好手眼协调一致性。基于上述医学需求并面向国家重大项目战略及科学前沿问题，本文完整开发出了功能较完善的包括主操作台系统、从机器人系统、图像系统、控制系统、变刚度操作臂系统及机器人辅助吻合系统在内的能够满足微创手术任务的单孔手术机器人系统，并提出了将变刚度功能集成在单孔机器人操作臂上的理念及方法。论文主要工作包括如下几个方面：1.提出了变刚度单孔手术机器人系统设计方法。根据对单孔手术临床操作模式及入路方式的分析，以及“Y”构型单孔机器人模式分析，提出了包括自由度布局、医学几何参数及手术操作力在内的关键设计需求。基于医学需

4、求，分析了变刚度操作臂构型型式、变刚度原理、耦合丝传动方式及操作臂集成设计。并分析了柔性关节力学模型，对关键设计参数的选择提供理论基础。2.建立了变刚度单孔手术机器人运动学分析方法。基于本文开发的变刚度单孔机器人操作臂，建立了耦合丝传动下多自由度变刚度操作臂的运动学模型及分析方法。利用螺旋理论及指数积公式推导了柔性铰接混合构型操作臂的运动学及瞬时运动学的简明表达式，并对其三重空间映射关系进行了深入理论分析。3.建立了变刚度单孔机器人主从控制策略。实现了“所见即所动”的直觉映射及基于比例增量控制原理的精准控制方法。针对单孔机器人操作中的关键安全性问题，提出了具体的提高手术安全性的控制方法。制定

5、了单孔机器人整体控制流程并对软硬件系统架构进行了分析。4.开发了单孔手术机器人专用辅助软组织吻合器械并进行优化分析。通过智能控制的方式，实现了对软组织吻合过程中的关键过程参数的有效控制，进而达到提高肠组织吻合质量的目的。通过建立缝合钉钉合软组织力学模型、有限元模型及成型后缝合钉几何模型，并基于评分法建立了软组织吻合质量优化方法。5.对变刚度单孔机器人系统进行了完整的实验研究。实验研究得出，刚柔转化最短时间为5s；操作臂在刚态下，其刚度相较于柔态下提高3.02到4.12倍，操作臂在刚态下的极限负载达到10N。定位精度实验及主从映射实验验证了运行学及控制策略理论分析的正确性。主从跟踪误差实验表明

6、，操作臂在刚态下的稳定性明显高于柔态下的稳定性。离体动物组织实验表明，本文所开发的变刚度单孔机器人系统，其操作臂在刚态下具有较好的刚性、稳定性及足够的提拉力，在柔I态下具有良好的灵巧性及灵活性。本文所开发的变刚度单孔机器人系统及其吻合器械能够满足微创手术典型操作任务。关键词：单孔微创手术机器人，变刚度，运动学，主从控制策略，软组织吻合IIABSTRACTThelimitationofsingle-portaccessputsahighertechnicalrequirementforthedevelopmentofsingle-portsurgicalrobot.Single-portsur

7、gicalrobothastointegratemoredegreesoffreedom(DOFs)inamorelimitedrange,provideadequateoperationalaccuracyandoperationalforceinamorerestrictedspace,providetheabilityofhand-eyecoordinationconsistencyinahighlyi