喉部手术机器人从操作手设计与仿真分析

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1、摘要本文对应用于喉部微创手术的手术机器人系统的从操作手部分进行了研究与开发。喉部微创手术是医生需要通过工具深入病人喉部深处完成的手术，受到手术空间的限制，该类手术只适用简单手术。在喉部微创手术机器人帮助下，医生可以在狭小的喉部空间内完成夹持、切除、缝合和打结等复杂手术操作。喉部微创手术机器人的出现扩大了手术适应症，减轻医生的疲劳，消除医生操作手的颤抖，提高喉部手术质量，以及缩短康复周期。首先，针对喉部手术的任务要求、手术的基本操作以及操作空间，我们科学地进行统计分析。同时分析国内外已有的同类型机器人系统

2、，对手术机器人从操作手进行概念设计，在此基础上，提出整个喉部手术机器人从操作手的整体构型，并将其具体分为三部分，然后对各部分进行机构设计；然后，对喉部手术机器人从操作手的各部分进行详细设计，根据各部分所确定的机构，落实其实现方式。在末端工具设计过程中，重点对从操作手手术工具的自由度和工作范围进行分析，并运用ADAMS软件对快换机构进行优化。在主动支架设计过程中，巧妙地采用了四连杆机构简化了整体结构。设计被动支架时，在满足手术要求的前提下，考虑人机工程学，设计出由两个锁紧机构控制的具有6自由度的被动支架。

3、并建立从操作手的整体虚拟样机；最后，运用ADAMS软件对喉部手术机器人从操作手主动支架进行了运动学和动力学仿真分析。通过分析，我们得出主动支架各关节之间没有任何干涉，且各关节行程都在设计范围内。由仿真结果，我们确定了主动支架各关节的驱动电机。同时我们对从操作手的运动关节建立了虚拟的闭环控制系统，运用SIMULlNK软件和ADAMS软件对从操作手的机械系统和控制系统进行联合仿真分析。通过仿真分析，本喉部手术机器人从操作手具有较好的安全性、灵活性、稳定性和可靠性，其设计理念符合喉部微创手术要求，基本达到预期

4、效果。关键字：喉部手术从操作手运动学动力学ADAMSSIMULINK联合仿真ABSTRACTAsurgicalroboticsystemwasdevelopedforminimallyinvasivesurgeryoflaryngealsurgeryinthispaperThesystemcouldreplacespecialsurgeonforENTsurgery,performinglaryngealsurgeryinthenarrowspaceofthroat．Accordingtothisrob

5、oticsystem，wecouldtakeadvantagesofboththesurgeons’expedencesandrobotictechniqueinMIS．Thepatients’painswillbereducewithhighqualitiesSUrgery．Firstly,scientificanalysiswastakenonthetask,basaloperationandworkingspace．Andadetaileddescriptionaboutdesignprincip

6、leandoperationmethodswasdiscussedforlaryngealsurgicalroboticsystem．Secondly,wedividedtheslavemanipulatorintothreeparts：micro-manipulator,thepositivepartandthenegativepart,thenwedevelopthestructureofthemseparately．Concretelywecombinetheopen-closejointwith

7、pitchjoint，whichcanminishthediameterofthemicro-manipulatorinordertoavoidthecollisionoftwomanipulators．Wealsooptimizethemechanismofquick-changewithADAMS，makingUSeofthemechanismofparallelogramtosimplifythepositivepart．Basedontheergonomics，ournegativepartwh

8、ichhas6DOFsjusthas2brakes．ThevirtualmodeloftherobotisestablishedbyusingSolidWorksandADAMS／View．Inordertoanalyzekinematicanddynamicperformancesofsurgicalrobot,thedynamicsimulationofthepositivepartwascompletedwiththehelpofAD