【摘 要】
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微创手术相比传统开放手术,具有创口小、疼痛轻、出血少和恢复快等优点,缩短了病人的出院时间,而微创手术机器人可以辅助医生快速完成手术动作,改善医生的工作环境,是目前医疗机器人领域研究的一大热点。根据微创手术的操作空间和灵活性要求,微创手术机器人的末端执行机构需要具有四自由度远端定点运动(Remote Center of Motion)的特点,其中包括三个绕该定点的转动自由度和沿通过该点轴线的移动自由
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微创手术相比传统开放手术,具有创口小、疼痛轻、出血少和恢复快等优点,缩短了病人的出院时间,而微创手术机器人可以辅助医生快速完成手术动作,改善医生的工作环境,是目前医疗机器人领域研究的一大热点。根据微创手术的操作空间和灵活性要求,微创手术机器人的末端执行机构需要具有四自由度远端定点运动(Remote Center of Motion)的特点,其中包括三个绕该定点的转动自由度和沿通过该点轴线的移动自由度,称这类机构为RCM机构。相比较现有的多连杆式、并联式RCM机构,轮系式RCM机构具备传动可靠,结构简单紧凑等优点,解决了现有RCM机构灵活性低结构复杂等问题,满足小巧便携的发展要求。本文基于现有轮系图库,并结合RCM机构的运动特点进行了 RCM机构的构型综合,根据综合结果,提出了一种远心点可变的轮系式RCM机构,即通过改变行星轮系传动比调整远心点的位置。本文的主要研究内容如下:1)分析了轮系式虚拟中心(VC)机构与轮系式RCM机构之间的关联性,将RCM机构综合问题转化为VC机构综合,最终利用VC机构与闭环连杆机构运动特性的相似性,对不同杆长条件下的单行星架和双行星架VC机构进行分析,获得满足要求的杆长条件。2)根据VC机构末端输出构件的运动特性,制定双色分层拓扑图筛选条件,对现有的轮系拓扑图库进行筛选,获得具备构造RCM机构潜在可能性的构型,其中单自由度六构件以内满足要求的有30种构型。3)结合杆长条件和筛选获得的构型,选取远心点可变的轮系式RCM机构作为研究对象,确定变级方案和内部结构设计,进行运动学建模获得末端点姿态与输入参数之间的关系式,并对远心点可变的轮系式RCM机构传动比进行求解。4)建立齿轮凸性判别式,以工作空间要求和非圆齿轮凸性指标作为约束条件,分析不同杆长条件下机构的运动特性(角位移、非圆齿轮齿廓、工作空间),其中满足约束条件的杆长比为1.3650至3.8637(末端输出杆长与行星架长度之比),可获得半锥角为30°至94.21°的圆锥形工作空间。5)选取合适杆长比作为远心点可变的轮系式RCM机构三级杆长参数,进行三维建模并仿真分析,最终加工零件完成样机装配与试验,对比试验远心点位置和工作空间,验证理论的正确性。
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