面向微创手术的并联upr-2uprr机构研究

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1、硕士学位论文面向微创手术的并联UPR-2UPRR机构研究RESEARCHONTHEPARALLELUPR-2UPRRMECHANISMFORMINIMALLYINVASIVESURGERY张镇川哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工学硕士学位论文面向微创手术的并联UPR-2UPRR机构研究硕士研究生：张镇川导师：杜志江教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C.:621.8

2、65.8DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringRESEARCHONTHEPARALLELUPR-2UPRRMECHANISMFORMINIMALLYINVASIVESURGERYCandidate:ZhangZhenchuanSupervisor:Prof.DuZhijiangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechatronicsEngineeringAffiliation:SchoolofMechatronicsEngineeringDateofOralEx

3、amination:July,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要微创外科手术是医学界一个热门的研究领域，近些年来凭借其广阔的适应性，微创伤性，安全性高，术后恢复快等优势，获得了广泛的关注，面向该领域的医疗机器人技术也得到了快速的发展。为了模拟医生在微创手术时进行的复杂操作，各种各样具有远心点运动功能的机构应运而生。本文对目前较为成功的远心点机构进行了分类归纳，结合其优缺点，考虑到并联机构刚度大，精度高，承载能力好，结构紧凑等优势，提出了采用并联机构实现远心点运动

4、的机构设计方案。通过对构型的分析比较，确定机构的运动副数量和空间位置，选择以UPR-2UPRR机构为研究对象，并进行了相关研究。将机构分成基座与U副装配体、伸缩杆装配体和摆动杆装配体三大子装配体，协调各个部分之间的配合，分别对每一部分进行详细设计。根据其实现的功能，提出机构实施多种方案，考虑刚度、强度、精确度以及工艺合理性等多方面因素，最终确定机构的设计方案，建立机构三维模型，绘制工程图，完成样机的加工和装配。分析机构的结构，在运动支链平面内建立了矢量间的等量关系，求解了机构的运动学逆解。通过结合机构运动学逆解的穷举法分析了机构的工作空间，推导了机构的雅可比矩阵，据此构造机构的全局性

5、能评价指标，作为优化设计的目标函数。选定影响机构性能的关键结构尺寸作为优化目标，采用了粒子群算法的优化算法，确定机构的结构尺寸。对机构运动支链的一阶影响系数和机构的一阶影响系数进行了推导，基于机构一阶影响系数，结合虚功原理，求解了机构伸缩杆上驱动力与末端执行操作力之间的映射关系，通过对其分析计算求解了机构驱动力。在Adams环境下进行了虚拟样机的仿真分析，验证理论推导的合理性。考虑到机构运动的安全性和可靠性，对机构的关节零部件U副轴进行了强度分析，确保机构实现设计要求的运动功能。根据UPR-2UPRR机构的样机，构建了与之配套的电气控制设备，使用伺服驱动系统，通过CAN总线通讯，形成

6、了一个闭环机电控制系统。编写了相应的控制软件，设计完成机构功能性验证实验，验证机构构型的正确性。还设计了机构的点位控制实验和轨迹运动实验。针对实验中产生的误差，对机构的运动学参数进行了标定，提高了机构的运动精度。关键词：微创手术；并联机构；远心点运动；样机构建-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMinimallyInvasiveSurgery(MIS)isahotresearchareainthemedicalfield,withitsbroadadaptabilityandminimally-invasiveperformance,highsafety,quickr

7、ecoveryafteroperationandotheradvantages,havinggainedwideattentioninrecentyears.Medicalroboticsfacingthisfieldhasalsobeenarapiddevelopment.Inordertosimulatethecomplexoperationwhichdoctorsmakeinthesurgery,avarietyofmechanismswiththe