新型线驱动式微创手术器械结构设计与运动学分析

作     者：赵万博 陈赛旋 姜官武 李荣 章宇 ZHAO Wanbo;CHEN Saixuan;JIANG Guanwu;LI Rong;ZHANG Yu

作者机构：上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620 西南科技大学信息工程学院四川绵阳621002 苏州融萃特种机器人有限公司江苏苏州215011 

基　　金：国家自然科学基金青年基金资助项目(52005316) 江苏省重点研发计划项目(BE2020082-3,BE2020082-4) 特殊环境机器人技术四川省重点实验室开放基金资助项目(22kftk04) 

出 版 物：《工程设计学报》 (Chinese Journal of Engineering Design)

年 卷 期：2023年第30卷第6期

页      码：657-666页

摘      要：在微创手术机器人系统中,传统线驱动式手术器械的偏摆关节与夹持器的转动关节之间存在运动耦合,这会对手术器械的运动精度产生不良影响。为此,提出了一种新型的四自由度线驱动式手术器械,其偏摆关节采用行星齿轮式结构,以实现偏摆关节与夹持器之间的运动解耦。首先,对传统线驱动式手术器械的关节运动耦合问题进行了分析。然后,设计了行星齿轮式转动的偏摆关节,并通过几何理论分析证明了其具有极低的关节耦合性,且钢丝绳在运动过程中的受迫形变量极小;同时,通过标准D-H参数法建立了新型手术器械的正运动学模型,并利用解析法求得了其逆运动学的封闭解。最后,分别使用MATLAB软件的Robotics Toolbox和Simulink环境中搭建的仿真模型对手术器械的正、逆运动学模型的准确性进行了验证,并采用蒙特卡罗法分析了其工作空间。仿真结果表明,所提出的手术器械的结构设计可靠,关节之间的运动耦合性较低,其工作空间能够满足微创外科手术的要求。研究结果可为柔性线驱动式手术器械的结构设计与运动学分析提供参考。

主 题 词：微创手术机器人 线驱动 手术器械 运动学 运动解耦 Simulink仿真 

学科分类：080202[080202] 08[工学] 0804[工学-材料学] 0802[工学-机械学] 

核心收录：

D　O　I：10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.131

馆 藏 号：203125275...