检索结果-内蒙古大学图书馆

机械工程学报 2018年第13期54卷 25-33页

作者：徐凯刘欢上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海交通大学机器人研究所上海交通大学密西根学院

在若干刚性杆件机器人作业困难的场合,柔性机器人可轻易完成操作,因而在近十余年成为研究热点。从柔性铰链机器人到连续体机器人再到柔体机器人,柔性机器人通过逐步引入更多的弹性元件及其变形模态而不断发展。柔性机器人中的连续体机... 详细信息

在若干刚性杆件机器人作业困难的场合,柔性机器人可轻易完成操作,因而在近十余年成为研究热点。从柔性铰链机器人到连续体机器人再到柔体机器人,柔性机器人通过逐步引入更多的弹性元件及其变形模态而不断发展。柔性机器人中的连续体机器人通常由连续体机构及其驱控、传感组件构成,其形状可描述为平面或空间曲线。介绍多杆连续体机构的多种构型及其应用。自其狭义构型到广义构型,再到广义构型的组合和连接,多种多杆连续体机构的新构型构成了手术机器人、深腔机械臂、康复外骨骼和欠驱动假肢手等新系统,并于其针对的应用场合展示出了优异的作用性能,体现了连续体机构广泛的应用前景。期望所述范例可启发连续体机构在手术治疗、康复服务和工业生产等领域更多的创新设计和应用,从而进一步拓展机器人机构学的研究范畴和理论体系。

关键词：连续体机构差分机构手术机器人深腔机械臂假肢手外骨骼

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基于智能材料及连续体机构的微创外科手术器械设计研究

基于智能材料及连续体机构的微创外科手术器械设计研究

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作者：赵儒镇上海交通大学

学位级别：博士

微创外科手术器械的安全性在很大程度上依赖于手术器械在主动或被动结构的安全性设计。本文根据微创外科手术器械的结构组成，分别对末端执行器及器械中间段与操作端的安全性设计问题开展了研究。首先，微创外科手术器械的末端执行器的... 详细信息

微创外科手术器械的安全性在很大程度上依赖于手术器械在主动或被动结构的安全性设计。本文根据微创外科手术器械的结构组成，分别对末端执行器及器械中间段与操作端的安全性设计问题开展了研究。首先，微创外科手术器械的末端执行器的安全性问题来源于对组织进行直接操作时造成的过压夹持和牵拉损伤，本文以被动保护型内镜手术钳为例展开研究；其次，微创外科手术器械的中间段及操作端的安全性问题来源于进出人体腔道及执行手术操作过程中对人体组织造成的挤压和牵拉等损伤，本文以经自然腔道的变刚度内镜器械外护套为例展开研究。\n 本文对前述问题的解决思路是采用智能材料与连续体结构相结合的方式，提出以恒力与刚度可变两大概念来实现对人体组织的安全保护，研究其实现方法，构建可实现恒力与刚度可变的结构单元，并将其集成应用到微创手术器械，提高微创外科手术的安全性。\n 首先，在第一章中对国内外微创手术器械的研发现状进行了调研，分析了微创手术器械末端执行器及微创内镜器械外护套设计中存在的安全性问题，归纳总结了目前该领域已有的解决方法及存在的瓶颈问题。\n 在第二章中，以被动保护型内镜手术钳为例，对微创手术器械末端执行器在组织操作过程中由于手术环境的限制易导致组织夹持损伤的问题开展了研究。采用镍钛形状记忆合金构建了具有特殊应力应变曲线的恒力控制单元，提出了具有正比例力学特性的渐开线槽型及齿轮齿条传动型两种新型手术钳结构，实现了内镜手术钳的被动保护功能，通过模型制备及力学实验，验证了手术钳的被动保护特性。该研究成果在手术器械末端执行器上的应用可大幅度提高手术器械的生物力学相容性，从而提高微创外科手术的安全性。\n 微创外科手术器械的中间段及操作端的安全性问题，需要从两方面解决，一方面是器械中间段要具有一定的柔性及形变可控特性，从而在进出人体腔道时不产生过度挤压。另一方面是对于承受较大末端外力的器械而言，要求器械中间段具有刚度可变特性，从而维持器械中间段在受力过程中的形态，提高手术操作的安全性和有效性。\n 在第三章中，围绕承受较小外力场合下器械中间段柔性及形变可控性的要求，以基于并联柔性气囊的连续体变刚度单元为例展开了研究。采用高伸缩率柔性气囊并联形成连续体变刚度单元，提出了通过气压控制实现连续体单元形变及刚度一体化控制的方法。该研究成果在手术器械中间段的应用可显著提高内镜手术器械的灵活性及安全性。\n 在第四章中，针对要求器械中间段具有形变可控性且承受较大末端外力场合的安全性问题，以基于低熔点合金的连续体变刚度外护套单元为例展开了研究。采用低熔点合金构建了具有刚度可变特性的连续体单元。通过模型制备及力学实验，验证了变刚度外护套单元的刚度可变特性。\n 在第五章中，为提高变刚度外护套单元在临床应用中的可行性，对单元在结构尺寸、形变可控性、刚度及热安全性等方面做了进一步优化。通过线驱动的方式实现了单元在柔性状态下的形变控制。利用气凝胶毡材料构建的隔温层有效保证了外护套单元的热安全性。力学实验验证得到，刚性状态下的变刚度外护套单元可在维持自身状态稳定的前提下，为内部器械提供足够的力学支撑。该研究成果在器械中间段的集成应用，可大幅度提高手术器械的生物力学相容性，从而提高手术的安全性。\n 综上所述，本文针对微创外科手术器械存在的安全性问题，通过智能材料与连续体结构的结合，开发了可实现恒力特性及刚度可变特性的单元机构，实现了对生物组织的被动保护，所提出的研究方法及解决方案在微创手术器械中的推广，将有效的提高微创内镜手术器械的生物力学相容性，保证手术的安全性。

关键词：微创内镜手术器械智能材料连续体机构生物力学

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喉部手术连续体机构的稳定性分析

喉部手术连续体机构的稳定性分析

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作者：吴建军佳木斯大学

学位级别：硕士

连续体机构因其刚度可控、末端执行器灵活性高、结构缩放自如等特点,非常适合人体腔内手术要求。由于喉部微创手术空间狭小且手术过程存在颤动等因素,对手术的安全性与精准性会产生较大影响,故对连续体机构进行研究,具有重要的学术意义... 详细信息

连续体机构因其刚度可控、末端执行器灵活性高、结构缩放自如等特点,非常适合人体腔内手术要求。由于喉部微创手术空间狭小且手术过程存在颤动等因素,对手术的安全性与精准性会产生较大影响,故对连续体机构进行研究,具有重要的学术意义和医疗应用价值。本文主要针对喉部手术连续体机构的稳定性展开研究。在对国内外相关领域发展现状综合分析的基础上,针对喉部手术的难点,提出了将连续体机构分为四大模块的设计方案,即万向驱动弯曲机构、末端执行机构、六关节弯曲段和四关节弯曲段,并采用万向驱动弯曲机构作为连续体机构的驱动与补偿机构;新型连续体机构具有32个自由度,由线驱动控制末端执行机构运动,使其能在狭长空间内完成高难度和高精度的手术操作;针对提出的设计方案,建立各模块的三维结构模型以实现虚拟装配。针对喉部手术中存在的颤动,对连续体机构中的单个部件进行了刚度分析,基于ANSYS软件,建立了间隔圆盘、四关节弯曲段和六关节弯曲段的刚度模型,并进行了数值仿真,从理论上验证所设计的结构能否承受喉部所施加的应力;基于ANSYS Workbench软件,建立了万向驱动弯曲机构的动力学模型,并对万向驱动弯曲机构分别进行自由模态和约束模态分析,以研究机构在施加约束后的整体动态特性;基于ANSYS与ANSYS Workbench软件,建立了圆盘和末端执行机构的动力学有限元模型,从而确定各部件固有频率的范围,为消除手术中的颤动提供了保障条件。针对连续体机构中柔性杆的形变误差,建立了连续体机构的形变曲线方程,进而推导出机构的动能表达式,由此建立连续体机构的动力学模型;基于ANSYS Workbench软件,建立了连续体机构整机的有限元模型,以研究整机固有频率的范围以避免共振发生,为研制实物样机和动物实验提供了理论基础。

关键词：喉部手术连续体机构稳定性动力学 ANSYS Workbench

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连续体机构在单腔镜微创手术机器人系统中的应用

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机器人技术与应用 2011年第4期 28-32页

作者：徐凯上海交通大学密西根学院

本文关注以腔镜技术实施微创手术的机器人系统,详细介绍上海交通大学密西根学院引进的科研团队在美国已经研制的和正在中国研制的微创手术机器人系统,重点突出这些微创手术机器人系统主要应用连续体机构的特点,并简要评析欧美等国将连... 详细信息

本文关注以腔镜技术实施微创手术的机器人系统,详细介绍上海交通大学密西根学院引进的科研团队在美国已经研制的和正在中国研制的微创手术机器人系统,重点突出这些微创手术机器人系统主要应用连续体机构的特点,并简要评析欧美等国将连续体机构用于微创手术机器人系统的研究现状以及此项技术的应用前景展望。

关键词：机器人微创手术连续体机构

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柔性腹腔镜机器人系统设计与控制研究

柔性腹腔镜机器人系统设计与控制研究

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作者：包诗扬合肥工业大学

学位级别：硕士

腹腔镜机器人是用来代替腹腔镜手术中的辅助医生,实现对末端镜头位置与姿态控制的机器人。采用腹腔镜机器人调整手术视野角度,不仅能够消除辅助医生长期持镜的胳膊酸痛、颤抖现象,而且能够保证腹腔镜视野画面的稳定性,提高输出图像的质... 详细信息

腹腔镜机器人是用来代替腹腔镜手术中的辅助医生,实现对末端镜头位置与姿态控制的机器人。采用腹腔镜机器人调整手术视野角度,不仅能够消除辅助医生长期持镜的胳膊酸痛、颤抖现象,而且能够保证腹腔镜视野画面的稳定性,提高输出图像的质量和手术效率。本文主要展开对柔性腹腔镜机器人系统的设计与控制的研究,旨在设计出一款新型、轻量、经济、方便、安全的腹腔镜机器人,助力腹腔镜机器人的普及化。首先,对微创外科手术的特点以及腹腔镜的工作要求展开深入研究,根据微创外科手术对于腹腔镜的功能需求,制定出以柔性连续体为核心部件的总体设计方案。根据设计方案,完成柔性腹腔镜机器人系统的结构设计与样机搭建,并对关键部件展开有限元分析验证。其次,结合常曲率变形假设法和几何特点,推导三根柔索控制的双自由度柔性连续体的正、逆运动学。建立坐标系,推导柔性腹腔镜机器人的正、逆运动学数学模型,分析三自由度柔性连续体的驱动空间的解耦关系。通过实验和m函数编写的运动学程序,验证运动学模型的正确性。展开柔性连续体的弯曲变形仿真以及柔性腹腔镜机器人在人工气腹模型下的工作空间分析,并讨论其灵活度指标。通过仿真分析柔性腹腔镜机器人系统的术前切口确定方法。再次,介绍柔性腹腔镜机器人系统的硬件构成和功能特点,并制定相应的控制策略。根据提出的控制策略以及正、逆运动学模型,开发一款控制软件,实现柔性腹腔镜机器人末端镜头的位姿调节,并对该软件的功能和编程方式展开详细叙述。最后,搭建实验样机平台,建立各传感器之间的通信连接,设计一款用于实验控制的上位机软件。通过驱动补偿的方法,引入标定系数,修正运动学模型,完成对四自由度柔性腹腔镜机器人的运动学标定实验。使用标定后的控制模型,开展多项不同的运动控制实验,包括:弧轨迹运动、空间任意方向的弯曲运动、圆轨迹运动以及联合运动等。模拟柔性腹腔镜机器人系统的工作场景,进行系统功能性验证的实验。实验结果表明,经过标定后的柔性腹腔镜机器人系统能够满足常规腹腔镜手术对于手术视野的要求。

关键词：腹腔镜机器人结构设计连续体机构补偿标定运动控制

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