單孔變剛度微創(chuàng)外科手術器械臂優(yōu)化設計及變剛度研究.pdf

1、天津大學碩士學位論文單孔單孔變剛度微創(chuàng)外科手術器械臂優(yōu)化設計變剛度微創(chuàng)外科手術器械臂優(yōu)化設計及變剛度研究及變剛度研究ResearchOptimalDesignoftheVariableStiffnessManipulatinSingleptSurgicalInstrument學科專業(yè)：機械工程研究生：李雪潔指導教師：李進華副教授天津大學機械工程學院2016年12月I摘要單孔腹腔鏡手術作為微創(chuàng)手術發(fā)展的一個重要階段，不僅具有與傳統(tǒng)多孔微創(chuàng)

2、手術相同的治療效果，而且具有創(chuàng)傷小、疼痛感輕、住院時間短和美容效果好等優(yōu)點，且不受限于人體自然腔道的位置，具有更廣泛的應用范圍。目前，關于單孔腹腔鏡手術器械及機器人系統(tǒng)的研究已取得了矚目成績，但現有多數單孔腹腔鏡操作系統(tǒng)不能實現足夠靈巧空間與高剛度的統(tǒng)一，難以滿足多種類型手術操作的需要。本文針對單孔腹腔鏡手術的工作要求，以低熔點相變金屬鎵為“剛柔耦合”的轉換介質，系統(tǒng)闡述了一種變剛度微創(chuàng)外科手術器械的構型設計、運動學及工作空間分析，并完

3、成了驅動端的優(yōu)化設計，最后成功設計出了一種單孔變剛度微創(chuàng)外科手術器械臂原型樣機。本文的具體研究內容如下：首先，根據實際手術操作過程中手術工具應滿足的醫(yī)學需求，提出一種適用于單孔腹腔鏡手術的變剛度操作平臺的整體設計方案，并對其中的“剛柔耦合”保護鞘、工具臂及驅動系統(tǒng)等工作模塊進行了方案論證和詳細機械結構的設計。該設計方案不僅有效增加了手術器械柔性操作臂的靈活性和空間可達性，極大方便了手術過程中對手術工具位姿的調整，減小了對戳卡點的損傷，而

4、且為手術工具的操作提供了穩(wěn)定的支撐，提高了操作臂的負載能力。其次，采用一種高效、實用的幾何分析方法，以驅動空間、虛擬關節(jié)空間、工作空間為基礎建立了剛度可控柔性操作臂的運動學模型，詳細闡述了驅動空間虛擬關節(jié)空間及虛擬關節(jié)空間工作空間的映射關系，完成了操作臂工作空間的仿真，并以驅動鋼絲繩的變化量為傳遞參數，建立了工具臂的蛇形結構末端與操作端的映射關系，并采用粒子群算法對其結構參數進行優(yōu)化設計，以減少映射誤差。最后，在對剛度可控操作臂方案設計