变构型微创手术机器人系统设计与实现

摘要

高性能微创手术机器人有利于实施复杂危难手术，推动微创外科实现高质量发展．在深入分析现有手术机器人特点和临床需求的基础上，提出了一种变构型微创手术机器人系统．基于刚柔混合结构设计了构型可变的手术操作臂，通过构型变换可实现工作空间的变换，从而提高操作臂的灵活性．手术操作臂采用丝传动结构，针对变曲率丝鞘传动下的张力和弹性伸长量等问题进行了分析，确定了开合关节的丝鞘传动特性．基于刚体和柔性关节运动学，分析了手术操作臂在不同构型下的工作空间，通过调整伸缩关节移动量，实现操作臂工作空间可变功能．此外，设计了与操作臂适配的主手操作臂，该主手配置有两个主从调节关节，以保证主手与从手腕点姿态的一致性．随后，解析了主手与从手关节量之间的映射关系，并建立了基于位姿分离的主从运动映射算法，从而确保了操作舒适性与精准性．最后，研制了物理样机，进行了大工作空间下的刚性测试实验、运动性能、主从运动性能与缝合操作性能评价实验，全面验证了所提出的手术机器人系统的可行性．

关键词

微创手术机器人 / 操作臂 / 主从控制 / 实验研究