腹腔微创手术机器人远心机构设计

摘要微创手术机器人系统的远心机构性能对手术精准度与安全性至关重要，是确保手术效果的关键因素。本文成功完成腹腔微创手术机器人远心机构设计与研究，涵盖结构创新、运动学与动力学分析及关键部件有限元评估，确保其在手术机器人中的高效可靠性。通过详细研究微创手术机器人远心机构结构设计，创新性提出一种结合齿轮齿条与钢带传动的远心机构设计方案，该设计具备冗余关节，显著提升手术灵活性与准确性，相较于传统双平行四边形连杆机构，大幅优化了远心机械结构性能，减小了体积重量，解决高加工精度难题，增强系统灵活性，缩短术前定位时间，有效避免多臂工作时的碰撞干涉，实现结构紧凑高效运行。利用SolidWorks软件详细搭建了所设计远心机构的三维模型，并提供了主要零件的二维工程图。对带有冗余关节的远心机构进行了全面性能评估，确保满足技术指标与使用需求。通过简化远心机构结构与建立坐标框架，应用D-H参数法实现了其正运动学的精确计算。利用MATLAB与蒙特卡洛模拟研究了该机构的工作区域，证明其设计理论上完全可行且适合微创手术。通过ADAMS软件的动力学模拟精确计算关节运作最大扭矩与角速度，解析机械动态性能及约束；结合SolidWorks有限元分析确保关键部位强度、刚度满足微创手术高精度需求，全面评估机构性能与安全性，实现高效安全手术操作。关键词：微创手术机器人；远心机构；运动学分析；动力学仿真AbstractThetelecentricmechanismperformanceoftheminimallyinvasivesurgicalrobotsystemisofvitalimportancetothesurgicalaccuracyandsafety,andisakeyfactorinensuringthesurgicaloutcome.Thispapersuccessfullycompletedthedesignandresearchofthetelecentricmechanismofthelaparoscopicminimallyinvasivesurgicalrobot,coveringstructuralinnovation,kinematicanddynamicanalysis,andfiniteelementassessmentofkeycomponents,toensureitsefficientreliabilityinthesurgicalrobot.Throughdetailedresearchonthestructuraldesignofthetelecentricmechanismoftheminimallyinvasivesurgicalrobot,aninnovativetelecentricmechanismdesigncombininggearrackandsteelbelttransmissionwasproposed.Thisdesignhasredundantjoints,significantlyimprovingsurgicalflexibilityandaccuracy.Comparedwiththetraditionaldoubleparallelquadrilaterallinkagemechanism,itsignificantlyoptimizestheperformanceofthetelecentricmechanicalstructure,reducesvolumeandweight,solvestheproblemofhighprocessingaccuracy,enhancessystemflexibility,shortenspreoperativepositioningtime,effectivelyavoidscollisioninterferenceduringmulti-armoperation,andachievescompactandefficientoperation.Thethree-dimensionalmodelofthedesignedtelecentricmechanismwasdetailedlybuiltusingSolidWorkssoftware,andthetwo-dimensionalengineeringdrawingsofthemainpartswereprovided.Theperformanceofthetelecentricmechanismwithredundantjointswascomprehensivelyevaluatedtoensureitmeetsthetechnicalindicatorsandusagerequirements.Bysimplifyingthestructureofthetelecentricmechanismandestablishingacoordinateframe,theprecisecalculationofitsforwardkinematicswasachievedusingtheD-Hparametermethod.TheworkareaofthemechanismwasstudiedusingMATLABandMonteCarlosimulation,provingthatitsdesignistheoreticallyfeasibleandsuitableforminimallyinvasivesurgery.ThedynamicsimulationofthemechanismusingADAMSsoftwareaccuratelycalculatedthemaximumtorqueandangularvelocityofthejoints,analyzedthemechanicaldynamicperformanceandconstraints;combinedwiththefiniteelementanalysisofSolidWorkstoensurethestrengthandstiffnessofkeypartsmeetthehighprecisionrequirementsofminimallyinvasivesurgery,andcomprehensivelyevaluatedtheperformanceandsafetyofthemechanismtoachieveefficientandsafesurgicaloperations.Keywords:Minimallyinvasivesurgicalrobot;Telecentricmechanism;Kinematicanalysis;Dynamicsimulatio目录TOC\o"1-3"\h\u31401摘要Abstract13004第1章绪论 [50]。开环平行四边形机构特点：关节少、刚度低、装配需专用设备，维修成本高。图2-6双平行四边形机构通过对以上几种远心机构的分析，同时考虑定位支撑机构的构型形式，本文提出了一种创新型的根据远心几何关系利用齿轮齿条为主体传动实现的远心机构，该构型结构简单，末端精度高，运动范围大，在此基础上增加了冗余关节，防止多个臂间产生干涉，同时选择合理的驱动及传动方式减小机构所占空间。该机构显著减小机器人系统体积，提升稳定移动性能与长期运行可靠性，操作更为便捷，相较于传统连杆型双平行四边形结构，具备明显优势，在结构空间及活动范围上表现出色。本文设计的远心机构俯仰运动几何原理图，如图2-7所示。图2-7俯仰运动几何原理本文所设计的创新型远心机构俯仰运动几何原理如下：假设点为不动点，点为转动副，以俯向运动为例，为使得在运动时，点始终不动，绕C点旋转角度成,同时需要沿轴线补偿一段距离，即。原理图存在一对相似三角形△和△,由相似三角形比例关系可以得,而和是已知常数，故可得到与存在比例关系，即(常数K已知）。根据上述提到的数学模型，本文选择齿轮齿条作为主要传动机构，带传动作为辅助传动机构实现上述等式关系。本设计的创新型远心机构结构简图，如图2-8和图2-9所示。图2-8含有冗余关节的远心机构结构简图图2-9俯仰运动传动机构简图本文所设计的创新型远心机构工作原理如下：末端设置当中，远心点用O表示，杆AC与杆AO存在垂直关系，更进一步，转动轴线同远心点O形成特定角度，即∠AOB的设计数值大约为15度，在点A处，关节依靠电动机推动的远心机构，围绕轴AO，对固定点O实施偏转运动。远心机构的俯仰运动部分采用齿轮齿条传动和带传动结合，大齿轮齿条部分作为长臂，小齿轮齿条部分作为短臂，其驱动电机安装于大齿轮处，驱动大齿条做平移运动，使得长臂与短臂做相对位移，同时，由于大齿轮与小齿轮同轴，故小齿轮也驱动小齿条做平移运动，小齿条通过连接件在移动的同时带动连杆转动，连杆继而带动带轮1转动，后者通过钢带传动将扭矩等效传递给同侧的带轮2并形成等速转动，带轮2通过连接轴与手术器械机架联接，带动手术器械形成同步转动，实现俯仰运动。另外，在不动点O上沿EO方向，手术器械可以进行平移运动。与传统的连杆型双平行四边形机构以及其它远心运动方案相比，这种远心机构具有诸多方面的性能优势：其俯仰自由度的达成依靠齿轮齿条传动和带传动的协同作用，同传统连杆结构相比，不但在传动路径上更加简捷，而且在减轻机构总体质量和体积的同时，也放松了对加工精度的严格要求，进而优化了系统的集成度和经济性。当这个机构处于最开始的待机位置的时候，它的整体占用空间就会明显减少，由于齿轮齿条的结构被优化并且布局非常巧妙，这样就做到了让组件方便装配和维护，大幅度削减了整体的成本，而且利用预先拉紧的高强度钢带有效地缩减了传动过程中的间隙，从而达成更精确、高效的传动效果，通过添加冗余臂并增添一个维度的冗余自由度，可以很好地避免多臂在协同工作时出现相互干扰的情况，而且还能极大缩短术前精准定位和调整的时间，改善了操作流程的效率和精确性。2.3驱动方案设计2.3.1转动关节模块化驱动单元模块化驱动单元的设计目标是紧凑，良好的刚度，便于维护和升级，其配备了多圈绝缘编码器，使得系统在断电后可以自动恢复，同时它还包含了中空结构设计，增加了系统的灵活性和功能性。而零差云控公司的机器人关节正好能够满足以上所有的要求。从图2-10中可以看出模块化驱动单元的主要组成部分。图2-10“零差云控”模块化驱动单元零差云控机器人的关节设计十分精巧，其结构紧密而且内部布局得到改良，融合了很多种功能接口，很适合应对那些负载和惯量需求随时变动的机器人应用场景，它的关键部件包含安装在内置的双绝对值编码器，这种编码器采取全闭环控制方法，保证了非常精准的位置定位能力，这个机器人关节还带有性能很好的高可靠度摩擦制动器，可以做到就算处于满负载情况，也能在零速度时稳定开始动作，这样就极大改善了整个系统的可靠性和反应速度，相比于手工创建模块化驱动系统而言，它存在明显的不足，即要花费许多时间去挑选合适的机械电子零件，精心规划并反复组装，与之相比，如果直接把零差云控机器人关节当作解决办法，那么不但可以大幅缩减系统研发所需的时间，而且可以保障在很短时间内迅速有效地完成机器人关节的精确设定，进而达成快速布置及改进，所以这是一条最好的达成目标之路。该机构利用模块化的驱动单元分别去控制俯仰方向，偏转方向以及冗余自由度的三组转动关节，进而达成对于多维运动输出的有效调控。采用模块化的驱动单元不但可以极大程度地简化机构的整体结构设计，而且还能有效地缩减制造加工和后期维护所耗费的成本。通过对各关节所需要的额定扭矩存在差异性的这一特征加以合理考虑，进而选配相应性能的电机，就能够实现对不同部位关节运动的优化控制。如图2-11所示，三个关节的模块化驱动单元呈分布式的排列形式。图2-11模块化驱动单元分布图2.3.2平移探入关节驱动单元手术器械的平动副采用滚珠丝杆传动，这样就可以做到准确而有效的运动控制，驱动滚珠丝杆的电机通过联轴器同丝杆相连接，从而推动丝杆转动，然后依靠连接装置使得运动平台能够完成精确的直线位移，在运动平台与设置在平移关节机架上的滑轨之间建立起稳固又高效的相关连接，目的在于保证其在运动过程中的稳定及顺畅。2.3.3机械臂结构参数化设计针对腹腔微创手术机器人设计，其尺寸需求要符合各种不同的临床应用环境，不仅仅局限于胸腔镜与腹腔镜微创手术之间存在的高度差距，而且还要兼顾执行持镜操作及整个手术机器人功能时所必需的空间兼容性，还需考虑不同体型患者带来的特殊需求，保证机器人机械臂的远心点能灵活适应成人与儿童这些存在明显尺寸差异的个体，以实现全范围精准操作并确保适用性。由于机械臂与手术平台存在集成特征，因此对手术平台在尺寸设计上也提出了特定且严格的要求。针对机械臂尺寸设计问题，如果选择的尺寸过大或过小，都会导致一系列性能瓶颈的出现，如果尺寸过大，那么机械臂的总体重量就会大大增加，从而影响末端执行器的操作稳定性；而尺寸选择过小，则会导致远心点无法达到预定的目标位置，限制了末端执行器的活动范围，使其不能完全覆盖手术机器人所需的全部操作空间，进而无法满足手术过程中对手术精度的要求。设计阶段要衡量机械臂尺寸与性能之间的关系，既要符合重量控制的要求，又要能在操作空间里做到精准定位和高效操控，在腹腔微创手术机器人这个领域里，合理的机械臂尺寸设计是个十分关键的考量要素。2.4本章小结本章节细致探讨了微创手术的临床运用特性及其严苛规定，在此根基上，全面梳理并概括出手术机器人设计所需着重考量的要点所在，依照设计准则，我们已经确定好机构的整体安排布置，而且还具体规划好了各个组件的驱动方法，就拿以齿轮齿条传动机制同手术器械相融合，想要达成精准远心运动的这种设计来说，本文提出了一个新颖办法，也就是依靠这个传动体系来帮助手术器械沿着既定路线平移着伸进病人身体里，保证器械永远通过远心点这一位置，这样一来就能具备三个自由度运动能力。这样的设计既保证了手术操作的精准度和灵活度，也大大提高了临床应用的效能和安全性，转动关节部分所使用的推动技术采用了先进的零差云控机器人关节，平动关节则是利用高效的滚珠丝杆传动系统来完成运动控制的，由于特定的工作范畴以及需求存在，必须要进行精确的思考才能完成对机械臂大小的设计。第3章腹腔微创手术机器人远心机构设计结构设计本文设计的腹腔微创手术机器人里的远心机构，它的主要设计有四个独立运动的自由度，目的是要符合手术时器械的末端执行像夹取，切除之类动作的需要，这四个自由度包含两个绕着远心点转动的动作即俯仰和偏转，一个沿远心点轴线的平移动作，还有一个用来控制整个臂部绕远心点转动的自由度，这样才能保证操作灵活又精准，接下来会逐个介绍俯仰关节，偏转关节，平移关节，还有那个冗余关节的具体结构设计方案，并仔细讨论为达到各自特殊功能而需采用的传动方案设计要点。3.1俯仰关节的结构设计3.1.1传动关节设计与分布图3-1所示为俯仰关节齿轮齿条与钢带轮分布图，其中偏转臂作为俯仰关节的安装基体，与长臂紧密相连。图3-2所示为俯仰关节结构图，驱动电机将扭矩传递给大齿轮，与大齿轮啮合的齿条作出相对位移，同时大齿轮通过轴将扭矩传递给同轴的小齿轮，与小齿轮啮合的齿条也做出相对位移同时推动连杆在设计的空心轴中通过相对伸缩以实现转动，连杆再带动固定带轮同步转动，后者通过钢带将转动传递给预紧带轮，预紧带轮通过滚动轴承和轴穿过短臂并与手术器械联接在一起，从而实现了绕远心点的俯仰运动。图3-1齿轮齿条与钢带轮分布图3-2俯仰关节结构图3.1.2齿轮齿条传动机构设计由第2章远心机构实现俯仰运动的原理可知位移之间存在等比例关系，考虑到各传动机构特点与尺寸，最终选择齿轮齿条传动实现上述数学模型。本节以大齿轮齿条为例，进行选型。评估工作环境，首要需求为严格尺寸控制以确保机械臂流畅协作与高效率运作；平移运动需具备灵活性和稳定性，以适应各种作业场景。通过齿轮齿条传动系统精确控制实现远心机构的俯仰运动，保证长臂和短臂间相对位移，确保机构高效稳定运行。在进行手术时，手术器械绕远心点的角速度，角加速度，利用机械原理可以得出大齿轮的角速度与手术器械绕远心点的角速度相同。综合考虑手术机器人尺寸以及机械传动原理，初设大齿轮分度圆直径为100mm，则大齿轮分度圆半径，计算大齿轮移动的线加速度。初步确定平移线速度约为之间；长臂运动机构连接着短臂和手术器械，通过软件分析，初步取负载为14.8kg。长臂在移动运动阶段，有最大功率，下面对上升运动各阶段进行分析，经分析可得所需的最大功率。最大功率启动阶段，时间段,电机加速时间取0.1s，速度从零提升到，位移量为，平均功率为，则有如下关系：整理得：匀速俯仰运动阶段，时间段,平移速度保持，位移量为，平均功率为，移动行程为230mm，取Z=230mm，则有如下关系：整理得：减速阶段，时间段,点击减速时间取0.1s,速度从减少到零，位移量为，平均功率为，则有如下关系：整理得：综上可知，在匀速移动阶段，有最大平均功率=34.1w。齿轮齿条选型齿轮设计综合考虑弯曲与接触疲劳强度及结构紧凑性，确保高效与空间利用优化。选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数齿轮采用直齿圆柱齿轮，精度IT7，齿轮和齿条材料均选择45钢淬火，硬度在40~50HRC，初定齿轮齿数为Z1按齿根弯曲疲劳强度设计模数m齿根弯曲疲劳强度设计公式为：下面按照机械设计手册[63]来计算设计公式中各参数如下：计算载荷系数K取v=0.157m/s,查阅设计手册可得KV=1.07；使用系数KA=1.1；硬齿面齿轮，采用IT7精度,KαK代入数据，可得K计算,在匀速阶段，有最大平均功率P=34.1W=0.0341W代入数据，可得。计算重合度系数Y标准正齿轮β=0，齿轮齿数Z1=50，齿条齿数Yϵ计算可得ϵα=1.816，计算Y通过查阅设计手册中齿轮的齿形系数表和应力修正系数表，可以得到齿轮和齿条的相关数据如表3.1所示。表3.1齿形系数和应力修正系数类型齿数齿形系数应力修正系数齿轮2.9701.53齿条2.0631.94将使用时间和转速n=30rpm代入应力循环次数公式：N=60nj可得：N1=N2=7.2×Y取Y将上述数据代入，可得设计模数m=1.224mm，取整m=2(3)按齿面接触疲劳强度设计齿轮分度圆直径d齿面接触疲劳强度公式：上式中，已知KF=1.618,T1=10.9N∙m，ϕd=0.5,(u±1)/u=1弹性系数ZE=1.07MPa，区域系数σ求得σH=1521MPa，代入设计公式中，算得d(4)调整参数由于齿轮模数m=2，分度圆直径为100mm，可求得齿轮齿数Z1=50，短臂前后平移行程为S=480mm，取齿条的长度L=Nπd1≥S，则N=S/πd1=图3-3大齿轮齿条传动3.1.3钢带传动关键结构设计1、钢带缠绕方式及钢带轮结构远心机构摆动采用重复性往返传动，需要精准中心距的双列往复钢带系统确保高效、准确的运动传输。该钢带缠绕法旨在防止重叠，最大化实现330°传动角，细节如图3-4所示。图3-4钢带结构图2、钢带的预紧机构设计图3-5展示钢带支撑系统的主组件：左侧为固定轮，右侧为预紧轮。通过预紧措施增强钢带传输时的稳定性和精确性，确保机械高效、可靠运行。采用拉伸预紧法时，需在预紧轮上安装特制的钢带预紧连接件，并准确放入预紧轮的导向槽中。通过转动预紧螺栓拉动连接件，使其沿导向槽向左移动，带动钢带同步移动，完成预紧过程。具体操作步骤见图3-5(b)。图3-5钢带的固定轮与预紧轮结构3、钢带强度计算60Si2Mn弹簧钢因具优良弹性、回弹性和抗疲劳性，适合作为高效传输扭矩并承受交叉载荷的往复精密钢带传动系统的材料，其独特合金成分确保了高精度与稳定性能，设计中选择0.2至0.5毫米厚钢带，特别选用了0.2毫米厚钢带进行了详细计算与校核。钢带宽度B计算公式:式中，——传递最大力矩——传递预紧力矩——钢带材料屈服极限——安全系数——钢钢带轮直径——钢带层数4、钢带预紧力计算确保钢带高效运行、长期可靠，延长使用周期需维持其在理想正应力状态，满足特定数学模型要求：式中，——预紧伸长量——最大力矩下钢带的伸长量为保证钢带的工作状态保证钢带材料在其屈服极限范围内，钢带的预紧力矩应满足，通常。计算得预紧长度。3.2偏转关节的结构设计图3-6显示，偏转关节结构整合了长臂与冗余臂，上下关节垂直排列，上孔用于固定长臂旋转关节驱动单元，下孔用于固定偏转关节驱动单元，实现二者互联，促进联动。图3-6偏转关节3.3平移关节的结构设计腹部手术切口高度差异要求机械臂定位系统具备沿手术器械轴向运动的移动副，用于补偿远心点与手术器械间的位置偏差，并提供沿轴线方向的平移自由度，以适应不同高度的切口。如图3-7为手术器械平移关节结构图，所设计滚珠丝杆的行程为400mm。平移关节设计采用无刷电机驱动，丝杆的转动使螺母实现平移运动，运动平台固定在螺母上，与其一起运动。图3-7平移关节结构图3.4冗余关节的结构设计图3-8为冗余关节结构示意图，冗余关节设计集圆弧结构与模块化驱动于一体，下部驱动实现功能，上部接口与转接关节相连便于安装远心机构，图3-9展示其旋转轴在远心点交汇，创新性扩展操作空间，简化术前定位，有效避免多臂碰撞，显著提高手术精度与安全性。图3-8冗余关节结构示意图图3-9冗余关节设计示意图3.5远心机构部分的电机选用3.5.1主动臂移动关节的电机选型电机输出功率满足：其中K为工况系数，在工作平稳的系统中，取K=1.1~1.2，此处取K=1.2。在上文中，当时，在长臂匀速移动阶段，有最大功率P=34.1W，则电机输出轴功率为，代入下式：可求得：在考量了性能、选择MaxonEC-系列电机为核心动力源，结合行星齿轮箱、增量式编码器ENC16及蜗杆减速器，确保系统高效稳定运行，实现精准转向与自锁，提升响应速度，如图3-10。表3.2详细列出电机参数。图3-10MaxonEC-i40表3.2主动臂移动关节电机参数表电机型号额定电压（V)额定电流（A)额定转矩(Nm)额定转速(rpm)减速器EC-i40482.390.2224390GP32A23:13.5.2平移探入关节的电机选型直线模组与丝杠滚珠螺母副实现精确直线传动，连接移动螺母、滑块和平板，适用于手术器械和内窥镜等医疗设备，确保高效、精准的操作与运动控制。针对手术器械0.6千克、内窥镜0.35千克的重量设计，我们评估并确定工作物总重量，以确保设备在实际使用中的高效性和准确性。根据相关文献和实际分析可得到平移探入关节传动情况以及运行条件，整理得出如下表3.3所示的驱动机构规格及运行条件。表3.3平移探入关节驱动规格及运行条件驱动规格及运行条件参数工作物总质量工作台移动速度滚珠丝杠倾斜角滚珠丝杠全长滚珠丝杠轴径滚珠丝杠导程滚珠丝杠传动效率滚珠丝杠材料及密度铁，预压螺母内部摩擦系数滑动面的摩擦系数工作时间（间歇运行）规划加减速时间运行情况反复启停，停止时需保持负载根据上述要求对电机进行选型计算，采用电机通过联轴器和丝杆直接相连，减速比为，电机的转速为：运行方向的负载为：滚珠丝杠的预负载为：负载转矩为：取安全系数，则：滚珠丝杠的转动惯量为：工作的转动惯量为：求出经过电机轴的负载转动惯量为：所需的额定功率为：加速功率为：选择Maxon品牌EC45flat70W无刷电机作为驱动直线模组的最优方案，该电机配备霍尔传感器与具备2通道2048次脉冲的MILE编码器，具体配置参见图3-11。图3-11MaxonEC45flat70W无刷电机3.6腹腔微创手术机器人远心机构设计最终构型图3-12与图3-13直观展示了腹腔内微创手术机器人远心机构的最终设计，该设计针对多关节远心机构在微创手术机器人中的应用，关键在于精准控制手部操作的三个自由度：绕远心点的俯仰、偏转以及沿轴线的移动，通过巧妙增加自由度，确保多臂协同工作时的稳定与灵活性，有效解决了相互干扰，并适应了微创手术的严格要求，显著提升了手术的准确性和安全性。图3-12腹腔微创手术机器人远心机构图3-13远心机构内部结构示意图3.7本章小结本文首度深入分析传统微创手术操作与工作区域规范，对比传统机械远心机构利弊，提出改进与创新，融合齿轮齿条、带传动优势及冗余关节设计，研发新型远心机构，旨在增强机构灵活性、稳定性和可靠性，提升机械工程应用潜力与实用性。成功完成腹腔微创手术机器人各关节精细设计，构建其终态结构模型。第4章腹腔微创手术机器人远心机构设计的运动分析运动学主要研究机器人运动特性，解析动作属性与运动规律，通过精确计算几何参数及相对位置，预测系统运动轨迹。逆运动学则侧重于反向计算，以确定机器人关节参数调整，掌握几何配置与终端姿态的变化。运动学作为机器人学关键分支，专注于解析机器人运动属性，涵盖位姿、速度与加速度，为精确控制、高效设计与复杂轨迹规划提供理论基础，是构建灵活、精准且适应性强机器人系统的基石，在工业自动化、服务机器人及探索领域展现巨大潜力[51]。4.1腹腔微创手术机器人远心机构设计的运动学分析4.1.1D-H建立正运动学模型本文采用改良D-H参数化方法进行运动学分析，以实现更精确、高效的系统描述。改进型DH法改进型DH法的机器人建模步骤如下：构建连杆坐标系{i}的关键是，以关节轴i与i-1的共轭线相交点作为其原点；规定zi轴沿关节轴i方向指向；定义坐标轴xi沿公共垂线方向，若关节轴i与i+1相交，则xi垂直于由关节轴i和i-1确定的平面；按照右手定则确定yi轴。改进DH方法通过四维参数描述坐标系位置与姿态，定义公垂线长度为连杆长度d，夹角为连杆扭角，间距为连杆偏移，旋转角度为关节角，转动关节的关节角可变，移动关节仅允许连杆偏距变化，三个参数恒定。通过引入冗余关节优化术前定位调整流程，大幅缩短时间，预防多臂碰撞，使用制动器锁定已完成定位的冗余手臂，确保操作期间精确稳定，重点在于手术末端器械通过俯仰、偏转和平移实现的远心运动，因此在构建运动学模型时剔除冗余关节额外自由度，以简化模型并确保分析结果精准有效。本文设计的远心机构通过固定几何关系确保系统参数恒定，采用优化简化后的运动学模型，旨在精简正运动学分析，提升计算效率与准确性。通过改进型D-H法建立关节与工具坐标系关系，得到简化远心机构模型，如图4-1所示。图4-1远心机构简化模型并得到相应D-H参数，如表4-1所示。表4-1D-H参数表连杆连杆偏置/mmi关节角度/rad连杆长度/mm连杆扭曲/rad关节类型1000revolve(0)200revolve(0)300prismatic(1)4.1.2D-H建立正运动学模型计算坐标系{i-1}通过以下四个步骤可以变换成坐标系{i}:1、坐标系{i-1}绕着旋转使得和平行；2、坐标系{i-1}沿着平移的距离使和共线；3、坐标系{i-1}绕轴旋转，使和重合；4、坐标系{i-1}沿Z轴移动d，使两个坐标系完全重合。经过上述四个步骤的变换可以从坐标系{i-1}得到坐标系{i}，根据上一节描述的坐标系变换关系，得到坐标系{i}相对于坐标系{i-1}的齐次变换矩阵为由此可得，所以相对基坐标系的矩阵变换为：其中,共同组成一个位置矢量，用以表示空间中每个点的坐标位置。4.2腹腔微创手术机器人远心机构设计工作空间分析微创手术机器人工作空间性能关乎手术成败、器械操作能力及整体系统效能与安全性。机器臂工作空间是末端执行器可到达的所有空间点集合，关乎机器人操作灵活性与可达性基础。工作区域分为两类：灵巧工作空间与可达工作空间。当末端执行器位于其可达工作空间时，表示运动学逆解存在，且机构设计能实现预定工作空间。MonteCarlo方法高效应用于揭示复杂情境下的决策信息[52]，提升对机器人运动路径的理解与预测，解决机械臂工作空间问题，其核心步骤包括概率抽样、关节随机选取、正运动学转换与采样点坐标化，构建展现机械臂工作能力的工作空间模型[53]。利用D-H参数表，结合MATLAB中RoboticsSystemToolbox插件的Link函数及SerialLink类，构建并实现实体化三维空间中机械臂的运动学模型，如图4-2。图4-2matlab模型在SolidWorks中，精确计算机械臂各关节转动极限是确保性能与安全的关键，随后运用动态仿真生成关节运动动画，全面评估活动范围与效能，基于D-H坐标系与MATLAB，通过分析连杆运动范围并使用rand函数模拟不同工作条件下的动态响应。通过teach函数启动机械臂操作示教，重点运用SerialLink系列中的.fkine函数解决运动学正问题，实现关节位姿坐标的标记与三维空间内运动轨迹的可视化，增强对机械臂动态行为理解，为后续优化和控制提供直观依据，实验结果如图4-3和图4-4所示。图4-3极限位置图4-4工作空间云图基于第2章分析，为确保精准与灵活性，手术机器人工具需能围绕200mm半径、60度锥角范围内的微小切口执行复杂手术任务，实现更高精度与安全性的操作。实际提供手术器械操作空间需大于理论计算值以确保安全与效率。构建的工作环境完全满足微创手术的严格需求。腹腔微创手术机器人远心机构设计的力学分析机器人动力学分析分为静态与动态两部分[54]。通过ADAMS软件精确计算得出关节所需最大扭矩与角速度参数，为选择合适偏转关节电机提供依据。直接测量手术器械平移机构补偿距离，验证设计机构原理的有效性，确保系统理论与实践协调可靠。利用Solidworks进行有限元分析，精确评估并调整关键部件的强度与刚度特性，满足高精度微创手术需求。5.1关键部件有限元分析利用有限元分析的方法，我们深入探究了远心机构里关键组件的性能特性，发现这些特性均稳定在预先设定好的参数区间内，把设计的关键组件的三维模型导入Solidworks软件，开展有限元分析，选用6061铝合金作为材料类型，执行静力分析方法，然后设置合适的边界条件，模仿实际生产环境中装配固定的状况，保证模型能够准确表现真实工况下的约束情况，针对模型施加符合实际工作场景的载荷，采用集中载荷的方式，精确模拟外部作用力的影响，执行网格划分，把模型离散化，从而做到对局部应力和应变的精确计算，通过比较分析得到的应力和应变值同铝合金的屈服强度以及最大允许应变值，来判定设计是否符合功能和安全性能的要求。我们详细剖析了远心机构中的转接关节组件，把铝合金6061当作主要材料，这个材料的弹性模数E设成69吉帕斯卡（GPa），泊松比取作0.33，它的屈服极限被规定为55.13兆帕斯卡（MPa），转接关节的一头同主动臂协作结合起来，另一头则连着冗余臂，通过分析可知，此部件所承担的力和限制情况如下：其一，安装孔处在这端便起到固定约束点的作用，其二，关节中间部位以及另外那端的安装孔各自要承受来自主动臂的负载以及别的相关部件施加的压力。给模型加上这些条件之后，经过分析我们得到了转接关节的位移和应力分布情形，直观显示出来的样子见图5-1和图5-2，凭借位移云图的分析，转接关节最大形变发生在自由边缘角部分，数值远远小于0.1毫米，表现出很好的刚性，再用应力云图去查看，这个零件的屈服应力到了50兆帕，这个结果清楚显示了所选材料的强度特性，保证设计符合预期的力学性能标准。图5-1转接关节位移云图图5-2转接关节应力云图对冗余臂进行分析，采用铝合金6061，最终可得其位移、应力云图分别如图5-3和图5-4所示。图5-3冗余臂位移云图图5-4冗余臂应力云图对于手术器械平移探入机构上的升降机架，将升降机架上用于推动手术器械移动的槽孔作为固定约束，取手术器械重量为其上的负载。设计阶段，为保证结构稳定又经久耐用，我们选定铝合金6061当作主要原料，经过一番仔细剖析与考量之后，得到了升降机架在真实使用期间出现的位移和应力分布状况，呈现出来的样子就如图5-5和图5-6所示，可以很清楚地看出材料受到力时所表现出的各种特征，按照分析来看，升降机架最大形变之处位于它的边缘部分，大小只有微不足道的0.0002毫米，而对应产生的最大应力大概是0.2兆帕，这样的设计数据符合预期提出的各项需求及规范。图5-5升降机架位移云图图5-6升降机架应力云图通过细致的分析可知，所有部件的最大应力远远低于相应材料的屈服强度界限值，而且预计的形变量也处于可接纳范围之内，这就表明所选材料具有非常好的力学特性，可以承受微创手术时的高负荷需求，还可以保障很高的精度及稳定度，所以完全符合此类手术对于材料性能的严格要求。5.2动力学分析由第2章几何原理可知，本文设计的腹腔微创手术机器人远心机构需要在手术器械的平移探入关节设置补偿，补偿距离可以由手术器械偏转角度和远心点与转动副之间的距离表示。其次，为确定含有冗余关节远心机构的偏转关节所使用的机器人关节型号，必须根据该关节所需的最大扭矩和功率来选择。由于机构整体结构较为复杂，动态模型不容易计算，所以选择将模型导入ADAMS软件中进行分析，如图5-7所示。图5-7Adams模型5.2.1偏转关节电机选型首先，需要分析手术器械末端的受力情况。进行如下假设：——不动点至手术器械末端的距离——手术器械沿基坐标系x轴受到的作用力——手术器械沿基坐标系y轴受到的作用力——手术器械沿基坐标系z轴受到的作用力根据文献数据可以得到各个参数的最大值为：手术器械末端作用力对偏转关节产生的力矩为：体表切口皮肤对套管产生的力矩有实验数据知，使用ADAMS软件，导入含有冗余关节的远心机构的三维模型，并调整它的几何参数和每个关节的运动范围。经过动态分析，我们能够获取每个关节的转矩分布情况，如图5-8所示，偏转关节的最大转矩约为。图5-8偏转关节的转矩分布图相加得到总负载力矩为：偏转关节在各位置的角速度分布图，如图5-9所示。图5-9偏转关节的角速度分布图由于微创手术机器人的应用领域有着特殊的需要，为了保证系统安全有效的运作，我们选择了零差云控公司的eRob80模块化关节，其最大的优点就是每一个独立关节都能保证达到所设定的最大扭矩，而且能够保持非常高的工作效率，完全能够满足复杂手术操作所需要的准确性和可靠性。机器人关节电机的平均负载转矩之最大值，启停峰值扭矩为，最大转速可达30RPM，额定功率为126W。减速器选择SHG-17-50谐波减速器，减速比为50。5.2.2手术器械平移补偿由第2章原理图可知，补偿距离h有以下等式：使用ADAMS软件，导入含有冗余关节的远心机构的三维模型，并调整它的几何参数和俯仰运动的运动范围。经过动态分析，我们能够获取手术器械的平移探入关节在远心机构做俯仰运动时，手术器械平台上表面与升降滑轨端面的距离，即补偿距离h的动态位移，如图5-10所示。图5-10手术器械平移机构补偿距离图5.3本章小结用ADAMS软件做动力学仿真，全面剖析手术器械在平移运动中深入关节时的补偿距离变化，把它当作检验远心机构设计原理正确性的关键依据，通过这个过程，既做到了对机构动态特性的精确模仿，又保证了设计符合实际应用的需求，很好地表现了远心机构在提升手术器械操作精准度方面的理论意义和实际价值，借助专门的软件，精准算出每个关节必须达到的最大扭矩和最大角速度参数，进而给转动关节模块化的机器人关节和相应的电机挑选，还有平移关节的电机安排赋予严格的规范和技术支撑。借助Solidworks展开的有限元分析，可以精准地评判并修正该器械关键部分的力学性能指标，包含强度和刚度，从而保证全部部件都能符合并达到微创手术所要求的极高的精准度标准。总结与展望6.1结论微创手术机器人系统的架构主要由主操作单元、从操作单元以及成像系统这三部分核心架构组成。由于从操作手性能的好坏直接影响着微创手术机器人系统的整体性能，而微创手术机器人系统的远心机构又决定了微创手术机器人系统的作业空间以及作业的稳定性，所以远心机构是微创手术机器人系统的核心组件，其性能的好坏对于微创手术机器人系统的功能发挥起着决定性作用。本文顺利完成腹腔微创手术机器人远心机构的核心设计工作，这项设计包含对远心机构结构展开深入研究并加以创新设计，借助创建并剖析远心机构的运动学模型，利用动力学