手术机器人机械臂的研制和结构优化

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1、中图分类号：TH122学校代码：10856学号：M010212132硕士学位论文Master^Thesis手术机器人机械臂的研制和论文题目结构优化机械电子工程专业王朝斌作者姓名邓琛教授指导教师完成日期2014年12月上海工程技术大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所递交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：％乂年？月w7日上海工程技术大学学位论文版权使用

2、授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海工程技术大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密y(请在以上方框内打“V”）学位论文作者签名:指导教师签名日期：y/5年3月W日日期：年g月取日中图分类号：TH122学校代码：10856学号：M010212132上海工程技术大学硕士学位论文手术机器人机械臂的研制和结构优化作者姓名：王朝斌指导教师：邓琛教授专业：

3、机械电子工程学院：电子电气工程学院申请学位：工学硕士完成时间：2014年12月评阅人：邵惠鹤孔勇答辩委员会主席：方志军成员：游晓明王宇嘉吴飞宋万清UniversityCode：10856StudentID:M010212132THERESEARCHANDSTRUCTUREOPTIMIZATIONOFSURGICALROBOTMANIPULATORCandidate:WangChaoBinSupervisor:Prof.DengChenMechanicalMajor:ElectronicEngineeringCollegeofElectronicandElectricalEngineering

4、ShanghaiUniversityofEngineeringScienceShanghai,P.R.ChinaOctober,2014手术机器人机械臂的研制和结构优化摘要近几年，手术机械臂技术得到了快速发展，随着人们对于自身健康的重视及对新型医疗手术的需要，手术机械臂的研究因此也就成为了一个全球性的研究热点。由于传统的医疗手术需要医生和护士的全程操作，因此对于医院的人力和物力都造成极大的损耗，且难度大的手术过程中还需要专家级的医生长时间的操作。手术时间的冗长对于医生及护士的体力及手术精准性都带来不小的挑战，而利用机器人代替外科医生实施手术会给病人带来体外切口小、手术痛楚轻，给医院带来节约人

5、力物力、手术恢复快等优点，同时还能有效的提高手术安全性。本课题拟研究一种新型的外科手术机器人系统，对机械机构进行选型，分析其运动学和动力学，以机械臂工作空间和力消耗为分析对象，针对工作空间优化了机械臂的结构参数和力分布，研制一种七自由度串联型医疗机械臂。首先，针对工作要求选择机器人的自由度和机构构型。其次基于D-H法建立了机械臂的参数表，根据机械臂正运动学理论通过姿态转换矩阵得到运动学正解方程，并依据机械臂的构型特点和实际工作状态，结合现代控制理论中的李雅普洛夫大范围渐近稳定原理解非线性方程得到机械臂的运动学逆解方程。为了提高医疗机械臂的工作空间和手术效率,减小机械臂的操作空间和结构尺寸，以

6、适应针对不同病人的工作特点和手术环境，本课题提出了基于工作空间的结构优化模型，得到了机械臂的结构和转角参数。并分析了优化后的机械臂工作空间。再次，对机械臂的关节受力情况进行分析，确定动力机构的功率，包括机构的转速和扭矩，从而确定采用的电机型号和减速器。减速器考虑了常规的齿轮减速、行星齿轮减速和谐波齿轮减速器，同时还要综合考虑减速器的减速比、静态阻尼等因素，结合关节力分析和力优化最终得到机械臂的动力机构。分析其动力学及校核刚度和强度，以使其满足工作要求。最后，设计了机械臂的肩关节、肘关节和腕关节结构，并根据本手术机器人的工作要求设计了手术器械，搭建实际的机械臂系统平台对机械臂的性能进行相关实验

7、研究。关键词：手术机器人，工作空间，力分析，定位精度，结构优化ITHERESEARCHANDSTRUCTUREOPTIMIZATIONOFSURGICALROBOTMANIPULATORABSTRACTInrecentyears,therapiddevelopmentofsurgicalroboticarmtechnologyresearcharmsurgeryhasbecomeahotresearchtop