手持式椎板磨削手术机器人设计与优化

摘要

现有接地式椎板磨削手术机器人存在空间占用大、易发生碰撞干涉、设置繁琐以及成本较高等问题，制约了其在临床中的推广应用．针对上述问题，本文设计了一种手持式椎板磨削手术机器人，通过在磨削工具与手柄之间嵌入小型并联机构模块，补偿非期望的手部运动，从而提升手术精度以及机器人对手术环境的适应性．首先，基于并联机构构型建立了机器人运动学模型，分析了运动/力传递性能约束下机器人的优质工作空间．然后，以空间利用率(机器人优质工作空间体积与机器人占用空间的比值)为目标，采用遗传算法对机器人结构参数(动平台半径r、静平台半径R、连杆长度L)进行优化，优化后机器人空间占用减小9.33%，优质工作空间体积增大10.49%．最后，搭建了物理样机并开展了工作空间、定位精度与磨削精度测试实验．实验结果显示：机器人实际工作空间达到预期目标，末端绝对定位精度为0.516 mm，机器人辅助磨削时误差为0.560 mm，而在无机器人辅助时磨削误差为1.380 mm．该研究验证了手持式机器人在椎板磨削辅助方面的可行性，为椎板磨削手术中小型化、高精度机器人系统的设计与应用提供了理论基础与技术支撑．

关键词

手术机器人 / 并联机构 / 结构设计 / 工作空间 / 参数优化