摘要微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)性能對手術(shù)精準(zhǔn)度與安全性至關(guān)重要，是確保手術(shù)效果的關(guān)鍵因素。本文成功完成腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計與研究，涵蓋結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析及關(guān)鍵部件有限元評估，確保其在手術(shù)機(jī)器人中的高效可靠性。通過詳細(xì)研究微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)新性提出一種結(jié)合齒輪齒條與鋼帶傳動的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，該設(shè)計具備冗余關(guān)節(jié)，顯著提升手術(shù)靈活性與準(zhǔn)確性，相較于傳統(tǒng)雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，大幅優(yōu)化了遠(yuǎn)心機(jī)械結(jié)構(gòu)性能，減小了體積重量，解決高加工精度難題，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，縮短術(shù)前定位時間，有效避免多臂工作時的碰撞干涉，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊高效運(yùn)行。利用SolidWorks軟件詳細(xì)搭建了所設(shè)計遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的三維模型，并提供了主要零件的二維工程圖。對帶有冗余關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全面性能評估，確保滿足技術(shù)指標(biāo)與使用需求。通過簡化遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與建立坐標(biāo)框架，應(yīng)用D-H參數(shù)法實(shí)現(xiàn)了其正運(yùn)動學(xué)的精確計算。利用MATLAB與蒙特卡洛模擬研究了該機(jī)構(gòu)的工作區(qū)域，證明其設(shè)計理論上完全可行且適合微創(chuàng)手術(shù)。通過ADAMS軟件的動力學(xué)模擬精確計算關(guān)節(jié)運(yùn)作最大扭矩與角速度，解析機(jī)械動態(tài)性能及約束；結(jié)合SolidWorks有限元分析確保關(guān)鍵部位強(qiáng)度、剛度滿足微創(chuàng)手術(shù)高精度需求，全面評估機(jī)構(gòu)性能與安全性，實(shí)現(xiàn)高效安全手術(shù)操作。關(guān)鍵詞：微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人；遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)；運(yùn)動學(xué)分析；動力學(xué)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目錄TOC\o"1-3"\h\u31401摘要Abstract13004第1章緒論 [50]。開環(huán)平行四邊形機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：關(guān)節(jié)少、剛度低、裝配需專用設(shè)備，維修成本高。圖2-6雙平行四邊形機(jī)構(gòu)通過對以上幾種遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的分析，同時考慮定位支撐機(jī)構(gòu)的構(gòu)型形式，本文提出了一種創(chuàng)新型的根據(jù)遠(yuǎn)心幾何關(guān)系利用齒輪齒條為主體傳動實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，該構(gòu)型結(jié)構(gòu)簡單，末端精度高，運(yùn)動范圍大，在此基礎(chǔ)上增加了冗余關(guān)節(jié)，防止多個臂間產(chǎn)生干涉，同時選擇合理的驅(qū)動及傳動方式減小機(jī)構(gòu)所占空間。該機(jī)構(gòu)顯著減小機(jī)器人系統(tǒng)體積，提升穩(wěn)定移動性能與長期運(yùn)行可靠性，操作更為便捷，相較于傳統(tǒng)連桿型雙平行四邊形結(jié)構(gòu)，具備明顯優(yōu)勢，在結(jié)構(gòu)空間及活動范圍上表現(xiàn)出色。本文設(shè)計的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)俯仰運(yùn)動幾何原理圖，如圖2-7所示。圖2-7俯仰運(yùn)動幾何原理本文所設(shè)計的創(chuàng)新型遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)俯仰運(yùn)動幾何原理如下：假設(shè)點(diǎn)為不動點(diǎn)，點(diǎn)為轉(zhuǎn)動副，以俯向運(yùn)動為例，為使得在運(yùn)動時，點(diǎn)始終不動，繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度成,同時需要沿軸線補(bǔ)償一段距離，即。原理圖存在一對相似三角形△和△,由相似三角形比例關(guān)系可以得,而和是已知常數(shù)，故可得到與存在比例關(guān)系，即(常數(shù)K已知）。根據(jù)上述提到的數(shù)學(xué)模型，本文選擇齒輪齒條作為主要傳動機(jī)構(gòu)，帶傳動作為輔助傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述等式關(guān)系。本設(shè)計的創(chuàng)新型遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2-8和圖2-9所示。圖2-8含有冗余關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖圖2-9俯仰運(yùn)動傳動機(jī)構(gòu)簡圖本文所設(shè)計的創(chuàng)新型遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)工作原理如下：末端設(shè)置當(dāng)中，遠(yuǎn)心點(diǎn)用O表示，桿AC與桿AO存在垂直關(guān)系，更進(jìn)一步，轉(zhuǎn)動軸線同遠(yuǎn)心點(diǎn)O形成特定角度，即∠AOB的設(shè)計數(shù)值大約為15度，在點(diǎn)A處，關(guān)節(jié)依靠電動機(jī)推動的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，圍繞軸AO，對固定點(diǎn)O實(shí)施偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的俯仰運(yùn)動部分采用齒輪齒條傳動和帶傳動結(jié)合，大齒輪齒條部分作為長臂，小齒輪齒條部分作為短臂，其驅(qū)動電機(jī)安裝于大齒輪處，驅(qū)動大齒條做平移運(yùn)動，使得長臂與短臂做相對位移，同時，由于大齒輪與小齒輪同軸，故小齒輪也驅(qū)動小齒條做平移運(yùn)動，小齒條通過連接件在移動的同時帶動連桿轉(zhuǎn)動，連桿繼而帶動帶輪1轉(zhuǎn)動，后者通過鋼帶傳動將扭矩等效傳遞給同側(cè)的帶輪2并形成等速轉(zhuǎn)動，帶輪2通過連接軸與手術(shù)器械機(jī)架聯(lián)接，帶動手術(shù)器械形成同步轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動。另外，在不動點(diǎn)O上沿EO方向，手術(shù)器械可以進(jìn)行平移運(yùn)動。與傳統(tǒng)的連桿型雙平行四邊形機(jī)構(gòu)以及其它遠(yuǎn)心運(yùn)動方案相比，這種遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)具有諸多方面的性能優(yōu)勢：其俯仰自由度的達(dá)成依靠齒輪齒條傳動和帶傳動的協(xié)同作用，同傳統(tǒng)連桿結(jié)構(gòu)相比，不但在傳動路徑上更加簡捷，而且在減輕機(jī)構(gòu)總體質(zhì)量和體積的同時，也放松了對加工精度的嚴(yán)格要求，進(jìn)而優(yōu)化了系統(tǒng)的集成度和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)這個機(jī)構(gòu)處于最開始的待機(jī)位置的時候，它的整體占用空間就會明顯減少，由于齒輪齒條的結(jié)構(gòu)被優(yōu)化并且布局非常巧妙，這樣就做到了讓組件方便裝配和維護(hù)，大幅度削減了整體的成本，而且利用預(yù)先拉緊的高強(qiáng)度鋼帶有效地縮減了傳動過程中的間隙，從而達(dá)成更精確、高效的傳動效果，通過添加冗余臂并增添一個維度的冗余自由度，可以很好地避免多臂在協(xié)同工作時出現(xiàn)相互干擾的情況，而且還能極大縮短術(shù)前精準(zhǔn)定位和調(diào)整的時間，改善了操作流程的效率和精確性。2.3驅(qū)動方案設(shè)計2.3.1轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊化驅(qū)動單元模塊化驅(qū)動單元的設(shè)計目標(biāo)是緊湊，良好的剛度，便于維護(hù)和升級，其配備了多圈絕緣編碼器，使得系統(tǒng)在斷電后可以自動恢復(fù)，同時它還包含了中空結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加了系統(tǒng)的靈活性和功能性。而零差云控公司的機(jī)器人關(guān)節(jié)正好能夠滿足以上所有的要求。從圖2-10中可以看出模塊化驅(qū)動單元的主要組成部分。圖2-10“零差云控”模塊化驅(qū)動單元零差云控機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計十分精巧，其結(jié)構(gòu)緊密而且內(nèi)部布局得到改良，融合了很多種功能接口，很適合應(yīng)對那些負(fù)載和慣量需求隨時變動的機(jī)器人應(yīng)用場景，它的關(guān)鍵部件包含安裝在內(nèi)置的雙絕對值編碼器，這種編碼器采取全閉環(huán)控制方法，保證了非常精準(zhǔn)的位置定位能力，這個機(jī)器人關(guān)節(jié)還帶有性能很好的高可靠度摩擦制動器，可以做到就算處于滿負(fù)載情況，也能在零速度時穩(wěn)定開始動作，這樣就極大改善了整個系統(tǒng)的可靠性和反應(yīng)速度，相比于手工創(chuàng)建模塊化驅(qū)動系統(tǒng)而言，它存在明顯的不足，即要花費(fèi)許多時間去挑選合適的機(jī)械電子零件，精心規(guī)劃并反復(fù)組裝，與之相比，如果直接把零差云控機(jī)器人關(guān)節(jié)當(dāng)作解決辦法，那么不但可以大幅縮減系統(tǒng)研發(fā)所需的時間，而且可以保障在很短時間內(nèi)迅速有效地完成機(jī)器人關(guān)節(jié)的精確設(shè)定，進(jìn)而達(dá)成快速布置及改進(jìn)，所以這是一條最好的達(dá)成目標(biāo)之路。該機(jī)構(gòu)利用模塊化的驅(qū)動單元分別去控制俯仰方向，偏轉(zhuǎn)方向以及冗余自由度的三組轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，進(jìn)而達(dá)成對于多維運(yùn)動輸出的有效調(diào)控。采用模塊化的驅(qū)動單元不但可以極大程度地簡化機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且還能有效地縮減制造加工和后期維護(hù)所耗費(fèi)的成本。通過對各關(guān)節(jié)所需要的額定扭矩存在差異性的這一特征加以合理考慮，進(jìn)而選配相應(yīng)性能的電機(jī)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對不同部位關(guān)節(jié)運(yùn)動的優(yōu)化控制。如圖2-11所示，三個關(guān)節(jié)的模塊化驅(qū)動單元呈分布式的排列形式。圖2-11模塊化驅(qū)動單元分布圖2.3.2平移探入關(guān)節(jié)驅(qū)動單元手術(shù)器械的平動副采用滾珠絲桿傳動，這樣就可以做到準(zhǔn)確而有效的運(yùn)動控制，驅(qū)動滾珠絲桿的電機(jī)通過聯(lián)軸器同絲桿相連接，從而推動絲桿轉(zhuǎn)動，然后依靠連接裝置使得運(yùn)動平臺能夠完成精確的直線位移，在運(yùn)動平臺與設(shè)置在平移關(guān)節(jié)機(jī)架上的滑軌之間建立起穩(wěn)固又高效的相關(guān)連接，目的在于保證其在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定及順暢。2.3.3機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計針對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人設(shè)計，其尺寸需求要符合各種不同的臨床應(yīng)用環(huán)境，不僅僅局限于胸腔鏡與腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)之間存在的高度差距，而且還要兼顧執(zhí)行持鏡操作及整個手術(shù)機(jī)器人功能時所必需的空間兼容性，還需考慮不同體型患者帶來的特殊需求，保證機(jī)器人機(jī)械臂的遠(yuǎn)心點(diǎn)能靈活適應(yīng)成人與兒童這些存在明顯尺寸差異的個體，以實(shí)現(xiàn)全范圍精準(zhǔn)操作并確保適用性。由于機(jī)械臂與手術(shù)平臺存在集成特征，因此對手術(shù)平臺在尺寸設(shè)計上也提出了特定且嚴(yán)格的要求。針對機(jī)械臂尺寸設(shè)計問題，如果選擇的尺寸過大或過小，都會導(dǎo)致一系列性能瓶頸的出現(xiàn)，如果尺寸過大，那么機(jī)械臂的總體重量就會大大增加，從而影響末端執(zhí)行器的操作穩(wěn)定性；而尺寸選擇過小，則會導(dǎo)致遠(yuǎn)心點(diǎn)無法達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)位置，限制了末端執(zhí)行器的活動范圍，使其不能完全覆蓋手術(shù)機(jī)器人所需的全部操作空間，進(jìn)而無法滿足手術(shù)過程中對手術(shù)精度的要求。設(shè)計階段要衡量機(jī)械臂尺寸與性能之間的關(guān)系，既要符合重量控制的要求，又要能在操作空間里做到精準(zhǔn)定位和高效操控，在腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人這個領(lǐng)域里，合理的機(jī)械臂尺寸設(shè)計是個十分關(guān)鍵的考量要素。2.4本章小結(jié)本章節(jié)細(xì)致探討了微創(chuàng)手術(shù)的臨床運(yùn)用特性及其嚴(yán)苛規(guī)定，在此根基上，全面梳理并概括出手術(shù)機(jī)器人設(shè)計所需著重考量的要點(diǎn)所在，依照設(shè)計準(zhǔn)則，我們已經(jīng)確定好機(jī)構(gòu)的整體安排布置，而且還具體規(guī)劃好了各個組件的驅(qū)動方法，就拿以齒輪齒條傳動機(jī)制同手術(shù)器械相融合，想要達(dá)成精準(zhǔn)遠(yuǎn)心運(yùn)動的這種設(shè)計來說，本文提出了一個新穎辦法，也就是依靠這個傳動體系來幫助手術(shù)器械沿著既定路線平移著伸進(jìn)病人身體里，保證器械永遠(yuǎn)通過遠(yuǎn)心點(diǎn)這一位置，這樣一來就能具備三個自由度運(yùn)動能力。這樣的設(shè)計既保證了手術(shù)操作的精準(zhǔn)度和靈活度，也大大提高了臨床應(yīng)用的效能和安全性，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)部分所使用的推動技術(shù)采用了先進(jìn)的零差云控機(jī)器人關(guān)節(jié)，平動關(guān)節(jié)則是利用高效的滾珠絲桿傳動系統(tǒng)來完成運(yùn)動控制的，由于特定的工作范疇以及需求存在，必須要進(jìn)行精確的思考才能完成對機(jī)械臂大小的設(shè)計。第3章腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計本文設(shè)計的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人里的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，它的主要設(shè)計有四個獨(dú)立運(yùn)動的自由度，目的是要符合手術(shù)時器械的末端執(zhí)行像夾取，切除之類動作的需要，這四個自由度包含兩個繞著遠(yuǎn)心點(diǎn)轉(zhuǎn)動的動作即俯仰和偏轉(zhuǎn)，一個沿遠(yuǎn)心點(diǎn)軸線的平移動作，還有一個用來控制整個臂部繞遠(yuǎn)心點(diǎn)轉(zhuǎn)動的自由度，這樣才能保證操作靈活又精準(zhǔn)，接下來會逐個介紹俯仰關(guān)節(jié)，偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，平移關(guān)節(jié)，還有那個冗余關(guān)節(jié)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并仔細(xì)討論為達(dá)到各自特殊功能而需采用的傳動方案設(shè)計要點(diǎn)。3.1俯仰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1傳動關(guān)節(jié)設(shè)計與分布圖3-1所示為俯仰關(guān)節(jié)齒輪齒條與鋼帶輪分布圖，其中偏轉(zhuǎn)臂作為俯仰關(guān)節(jié)的安裝基體，與長臂緊密相連。圖3-2所示為俯仰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖，驅(qū)動電機(jī)將扭矩傳遞給大齒輪，與大齒輪嚙合的齒條作出相對位移，同時大齒輪通過軸將扭矩傳遞給同軸的小齒輪，與小齒輪嚙合的齒條也做出相對位移同時推動連桿在設(shè)計的空心軸中通過相對伸縮以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，連桿再帶動固定帶輪同步轉(zhuǎn)動，后者通過鋼帶將轉(zhuǎn)動傳遞給預(yù)緊帶輪，預(yù)緊帶輪通過滾動軸承和軸穿過短臂并與手術(shù)器械聯(lián)接在一起，從而實(shí)現(xiàn)了繞遠(yuǎn)心點(diǎn)的俯仰運(yùn)動。圖3-1齒輪齒條與鋼帶輪分布圖3-2俯仰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖3.1.2齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計由第2章遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動的原理可知位移之間存在等比例關(guān)系，考慮到各傳動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與尺寸，最終選擇齒輪齒條傳動實(shí)現(xiàn)上述數(shù)學(xué)模型。本節(jié)以大齒輪齒條為例，進(jìn)行選型。評估工作環(huán)境，首要需求為嚴(yán)格尺寸控制以確保機(jī)械臂流暢協(xié)作與高效率運(yùn)作；平移運(yùn)動需具備靈活性和穩(wěn)定性，以適應(yīng)各種作業(yè)場景。通過齒輪齒條傳動系統(tǒng)精確控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的俯仰運(yùn)動，保證長臂和短臂間相對位移，確保機(jī)構(gòu)高效穩(wěn)定運(yùn)行。在進(jìn)行手術(shù)時，手術(shù)器械繞遠(yuǎn)心點(diǎn)的角速度，角加速度，利用機(jī)械原理可以得出大齒輪的角速度與手術(shù)器械繞遠(yuǎn)心點(diǎn)的角速度相同。綜合考慮手術(shù)機(jī)器人尺寸以及機(jī)械傳動原理，初設(shè)大齒輪分度圓直徑為100mm，則大齒輪分度圓半徑，計算大齒輪移動的線加速度。初步確定平移線速度約為之間；長臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)連接著短臂和手術(shù)器械，通過軟件分析，初步取負(fù)載為14.8kg。長臂在移動運(yùn)動階段，有最大功率，下面對上升運(yùn)動各階段進(jìn)行分析，經(jīng)分析可得所需的最大功率。最大功率啟動階段，時間段,電機(jī)加速時間取0.1s，速度從零提升到，位移量為，平均功率為，則有如下關(guān)系：整理得：勻速俯仰運(yùn)動階段，時間段,平移速度保持，位移量為，平均功率為，移動行程為230mm，取Z=230mm，則有如下關(guān)系：整理得：減速階段，時間段,點(diǎn)擊減速時間取0.1s,速度從減少到零，位移量為，平均功率為，則有如下關(guān)系：整理得：綜上可知，在勻速移動階段，有最大平均功率=34.1w。齒輪齒條選型齒輪設(shè)計綜合考慮彎曲與接觸疲勞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)緊湊性，確保高效與空間利用優(yōu)化。選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)齒輪采用直齒圓柱齒輪，精度IT7，齒輪和齒條材料均選擇45鋼淬火，硬度在40~50HRC，初定齒輪齒數(shù)為Z1按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計模數(shù)m齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計公式為：下面按照機(jī)械設(shè)計手冊[63]來計算設(shè)計公式中各參數(shù)如下：計算載荷系數(shù)K取v=0.157m/s,查閱設(shè)計手冊可得KV=1.07；使用系數(shù)KA=1.1；硬齒面齒輪，采用IT7精度,KαK代入數(shù)據(jù)，可得K計算,在勻速階段，有最大平均功率P=34.1W=0.0341W代入數(shù)據(jù)，可得。計算重合度系數(shù)Y標(biāo)準(zhǔn)正齒輪β=0，齒輪齒數(shù)Z1=50，齒條齒數(shù)Y?計算可得?α=1.816，計算Y通過查閱設(shè)計手冊中齒輪的齒形系數(shù)表和應(yīng)力修正系數(shù)表，可以得到齒輪和齒條的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3.1所示。表3.1齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)類型齒數(shù)齒形系數(shù)應(yīng)力修正系數(shù)齒輪2.9701.53齒條2.0631.94將使用時間和轉(zhuǎn)速n=30rpm代入應(yīng)力循環(huán)次數(shù)公式：N=60nj可得：N1=N2=7.2×Y取Y將上述數(shù)據(jù)代入，可得設(shè)計模數(shù)m=1.224mm，取整m=2(3)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計齒輪分度圓直徑d齒面接觸疲勞強(qiáng)度公式：上式中，已知KF=1.618,T1=10.9N?m，?d=0.5,(u±1)/u=1彈性系數(shù)ZE=1.07MPa，區(qū)域系數(shù)σ求得σH=1521MPa，代入設(shè)計公式中，算得d(4)調(diào)整參數(shù)由于齒輪模數(shù)m=2，分度圓直徑為100mm，可求得齒輪齒數(shù)Z1=50，短臂前后平移行程為S=480mm，取齒條的長度L=Nπd1≥S，則N=S/πd1=圖3-3大齒輪齒條傳動3.1.3鋼帶傳動關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計1、鋼帶纏繞方式及鋼帶輪結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)擺動采用重復(fù)性往返傳動，需要精準(zhǔn)中心距的雙列往復(fù)鋼帶系統(tǒng)確保高效、準(zhǔn)確的運(yùn)動傳輸。該鋼帶纏繞法旨在防止重疊，最大化實(shí)現(xiàn)330°傳動角，細(xì)節(jié)如圖3-4所示。圖3-4鋼帶結(jié)構(gòu)圖2、鋼帶的預(yù)緊機(jī)構(gòu)設(shè)計圖3-5展示鋼帶支撐系統(tǒng)的主組件：左側(cè)為固定輪，右側(cè)為預(yù)緊輪。通過預(yù)緊措施增強(qiáng)鋼帶傳輸時的穩(wěn)定性和精確性，確保機(jī)械高效、可靠運(yùn)行。采用拉伸預(yù)緊法時，需在預(yù)緊輪上安裝特制的鋼帶預(yù)緊連接件，并準(zhǔn)確放入預(yù)緊輪的導(dǎo)向槽中。通過轉(zhuǎn)動預(yù)緊螺栓拉動連接件，使其沿導(dǎo)向槽向左移動，帶動鋼帶同步移動，完成預(yù)緊過程。具體操作步驟見圖3-5(b)。圖3-5鋼帶的固定輪與預(yù)緊輪結(jié)構(gòu)3、鋼帶強(qiáng)度計算60Si2Mn彈簧鋼因具優(yōu)良彈性、回彈性和抗疲勞性，適合作為高效傳輸扭矩并承受交叉載荷的往復(fù)精密鋼帶傳動系統(tǒng)的材料，其獨(dú)特合金成分確保了高精度與穩(wěn)定性能，設(shè)計中選擇0.2至0.5毫米厚鋼帶，特別選用了0.2毫米厚鋼帶進(jìn)行了詳細(xì)計算與校核。鋼帶寬度B計算公式:式中，——傳遞最大力矩——傳遞預(yù)緊力矩——鋼帶材料屈服極限——安全系數(shù)——鋼鋼帶輪直徑——鋼帶層數(shù)4、鋼帶預(yù)緊力計算確保鋼帶高效運(yùn)行、長期可靠，延長使用周期需維持其在理想正應(yīng)力狀態(tài)，滿足特定數(shù)學(xué)模型要求：式中，——預(yù)緊伸長量——最大力矩下鋼帶的伸長量為保證鋼帶的工作狀態(tài)保證鋼帶材料在其屈服極限范圍內(nèi)，鋼帶的預(yù)緊力矩應(yīng)滿足，通常。計算得預(yù)緊長度。3.2偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3-6顯示，偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)整合了長臂與冗余臂，上下關(guān)節(jié)垂直排列，上孔用于固定長臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動單元，下孔用于固定偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動單元，實(shí)現(xiàn)二者互聯(lián)，促進(jìn)聯(lián)動。圖3-6偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3.3平移關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計腹部手術(shù)切口高度差異要求機(jī)械臂定位系統(tǒng)具備沿手術(shù)器械軸向運(yùn)動的移動副，用于補(bǔ)償遠(yuǎn)心點(diǎn)與手術(shù)器械間的位置偏差，并提供沿軸線方向的平移自由度，以適應(yīng)不同高度的切口。如圖3-7為手術(shù)器械平移關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖，所設(shè)計滾珠絲桿的行程為400mm。平移關(guān)節(jié)設(shè)計采用無刷電機(jī)驅(qū)動，絲桿的轉(zhuǎn)動使螺母實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動，運(yùn)動平臺固定在螺母上，與其一起運(yùn)動。圖3-7平移關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖3.4冗余關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3-8為冗余關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，冗余關(guān)節(jié)設(shè)計集圓弧結(jié)構(gòu)與模塊化驅(qū)動于一體，下部驅(qū)動實(shí)現(xiàn)功能，上部接口與轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)相連便于安裝遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，圖3-9展示其旋轉(zhuǎn)軸在遠(yuǎn)心點(diǎn)交匯，創(chuàng)新性擴(kuò)展操作空間，簡化術(shù)前定位，有效避免多臂碰撞，顯著提高手術(shù)精度與安全性。圖3-8冗余關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖圖3-9冗余關(guān)節(jié)設(shè)計示意圖3.5遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)部分的電機(jī)選用3.5.1主動臂移動關(guān)節(jié)的電機(jī)選型電機(jī)輸出功率滿足：其中K為工況系數(shù)，在工作平穩(wěn)的系統(tǒng)中，取K=1.1~1.2，此處取K=1.2。在上文中，當(dāng)時，在長臂勻速移動階段，有最大功率P=34.1W，則電機(jī)輸出軸功率為，代入下式：可求得：在考量了性能、選擇MaxonEC-系列電機(jī)為核心動力源，結(jié)合行星齒輪箱、增量式編碼器ENC16及蝸桿減速器，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向與自鎖，提升響應(yīng)速度，如圖3-10。表3.2詳細(xì)列出電機(jī)參數(shù)。圖3-10MaxonEC-i40表3.2主動臂移動關(guān)節(jié)電機(jī)參數(shù)表電機(jī)型號額定電壓（V)額定電流（A)額定轉(zhuǎn)矩(Nm)額定轉(zhuǎn)速(rpm)減速器EC-i40482.390.2224390GP32A23:13.5.2平移探入關(guān)節(jié)的電機(jī)選型直線模組與絲杠滾珠螺母副實(shí)現(xiàn)精確直線傳動，連接移動螺母、滑塊和平板，適用于手術(shù)器械和內(nèi)窺鏡等醫(yī)療設(shè)備，確保高效、精準(zhǔn)的操作與運(yùn)動控制。針對手術(shù)器械0.6千克、內(nèi)窺鏡0.35千克的重量設(shè)計，我們評估并確定工作物總重量，以確保設(shè)備在實(shí)際使用中的高效性和準(zhǔn)確性。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際分析可得到平移探入關(guān)節(jié)傳動情況以及運(yùn)行條件，整理得出如下表3.3所示的驅(qū)動機(jī)構(gòu)規(guī)格及運(yùn)行條件。表3.3平移探入關(guān)節(jié)驅(qū)動規(guī)格及運(yùn)行條件驅(qū)動規(guī)格及運(yùn)行條件參數(shù)工作物總質(zhì)量工作臺移動速度滾珠絲杠傾斜角滾珠絲杠全長滾珠絲杠軸徑滾珠絲杠導(dǎo)程滾珠絲杠傳動效率滾珠絲杠材料及密度鐵，預(yù)壓螺母內(nèi)部摩擦系數(shù)滑動面的摩擦系數(shù)工作時間（間歇運(yùn)行）規(guī)劃加減速時間運(yùn)行情況反復(fù)啟停，停止時需保持負(fù)載根據(jù)上述要求對電機(jī)進(jìn)行選型計算，采用電機(jī)通過聯(lián)軸器和絲桿直接相連，減速比為，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：運(yùn)行方向的負(fù)載為：滾珠絲杠的預(yù)負(fù)載為：負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：取安全系數(shù)，則：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為：工作的轉(zhuǎn)動慣量為：求出經(jīng)過電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：所需的額定功率為：加速功率為：選擇Maxon品牌EC45flat70W無刷電機(jī)作為驅(qū)動直線模組的最優(yōu)方案，該電機(jī)配備霍爾傳感器與具備2通道2048次脈沖的MILE編碼器，具體配置參見圖3-11。圖3-11MaxonEC45flat70W無刷電機(jī)3.6腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計最終構(gòu)型圖3-12與圖3-13直觀展示了腹腔內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的最終設(shè)計，該設(shè)計針對多關(guān)節(jié)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制手部操作的三個自由度：繞遠(yuǎn)心點(diǎn)的俯仰、偏轉(zhuǎn)以及沿軸線的移動，通過巧妙增加自由度，確保多臂協(xié)同工作時的穩(wěn)定與靈活性，有效解決了相互干擾，并適應(yīng)了微創(chuàng)手術(shù)的嚴(yán)格要求，顯著提升了手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。圖3-12腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)圖3-13遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖3.7本章小結(jié)本文首度深入分析傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)操作與工作區(qū)域規(guī)范，對比傳統(tǒng)機(jī)械遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)利弊，提出改進(jìn)與創(chuàng)新，融合齒輪齒條、帶傳動優(yōu)勢及冗余關(guān)節(jié)設(shè)計，研發(fā)新型遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)，旨在增強(qiáng)機(jī)構(gòu)靈活性、穩(wěn)定性和可靠性，提升機(jī)械工程應(yīng)用潛力與實(shí)用性。成功完成腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)精細(xì)設(shè)計，構(gòu)建其終態(tài)結(jié)構(gòu)模型。第4章腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計的運(yùn)動分析運(yùn)動學(xué)主要研究機(jī)器人運(yùn)動特性，解析動作屬性與運(yùn)動規(guī)律，通過精確計算幾何參數(shù)及相對位置，預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)動軌跡。逆運(yùn)動學(xué)則側(cè)重于反向計算，以確定機(jī)器人關(guān)節(jié)參數(shù)調(diào)整，掌握幾何配置與終端姿態(tài)的變化。運(yùn)動學(xué)作為機(jī)器人學(xué)關(guān)鍵分支，專注于解析機(jī)器人運(yùn)動屬性，涵蓋位姿、速度與加速度，為精確控制、高效設(shè)計與復(fù)雜軌跡規(guī)劃提供理論基礎(chǔ)，是構(gòu)建靈活、精準(zhǔn)且適應(yīng)性強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的基石，在工業(yè)自動化、服務(wù)機(jī)器人及探索領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力[51]。4.1腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計的運(yùn)動學(xué)分析4.1.1D-H建立正運(yùn)動學(xué)模型本文采用改良D-H參數(shù)化方法進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，以實(shí)現(xiàn)更精確、高效的系統(tǒng)描述。改進(jìn)型DH法改進(jìn)型DH法的機(jī)器人建模步驟如下：構(gòu)建連桿坐標(biāo)系{i}的關(guān)鍵是，以關(guān)節(jié)軸i與i-1的共軛線相交點(diǎn)作為其原點(diǎn)；規(guī)定zi軸沿關(guān)節(jié)軸i方向指向；定義坐標(biāo)軸xi沿公共垂線方向，若關(guān)節(jié)軸i與i+1相交，則xi垂直于由關(guān)節(jié)軸i和i-1確定的平面；按照右手定則確定yi軸。改進(jìn)DH方法通過四維參數(shù)描述坐標(biāo)系位置與姿態(tài)，定義公垂線長度為連桿長度d，夾角為連桿扭角，間距為連桿偏移，旋轉(zhuǎn)角度為關(guān)節(jié)角，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角可變，移動關(guān)節(jié)僅允許連桿偏距變化，三個參數(shù)恒定。通過引入冗余關(guān)節(jié)優(yōu)化術(shù)前定位調(diào)整流程，大幅縮短時間，預(yù)防多臂碰撞，使用制動器鎖定已完成定位的冗余手臂，確保操作期間精確穩(wěn)定，重點(diǎn)在于手術(shù)末端器械通過俯仰、偏轉(zhuǎn)和平移實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)心運(yùn)動，因此在構(gòu)建運(yùn)動學(xué)模型時剔除冗余關(guān)節(jié)額外自由度，以簡化模型并確保分析結(jié)果精準(zhǔn)有效。本文設(shè)計的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)通過固定幾何關(guān)系確保系統(tǒng)參數(shù)恒定，采用優(yōu)化簡化后的運(yùn)動學(xué)模型，旨在精簡正運(yùn)動學(xué)分析，提升計算效率與準(zhǔn)確性。通過改進(jìn)型D-H法建立關(guān)節(jié)與工具坐標(biāo)系關(guān)系，得到簡化遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)模型，如圖4-1所示。圖4-1遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)簡化模型并得到相應(yīng)D-H參數(shù)，如表4-1所示。表4-1D-H參數(shù)表連桿連桿偏置/mmi關(guān)節(jié)角度/rad連桿長度/mm連桿扭曲/rad關(guān)節(jié)類型1000revolve(0)200revolve(0)300prismatic(1)4.1.2D-H建立正運(yùn)動學(xué)模型計算坐標(biāo)系{i-1}通過以下四個步驟可以變換成坐標(biāo)系{i}:1、坐標(biāo)系{i-1}繞著旋轉(zhuǎn)使得和平行；2、坐標(biāo)系{i-1}沿著平移的距離使和共線；3、坐標(biāo)系{i-1}繞軸旋轉(zhuǎn)，使和重合；4、坐標(biāo)系{i-1}沿Z軸移動d，使兩個坐標(biāo)系完全重合。經(jīng)過上述四個步驟的變換可以從坐標(biāo)系{i-1}得到坐標(biāo)系{i}，根據(jù)上一節(jié)描述的坐標(biāo)系變換關(guān)系，得到坐標(biāo)系{i}相對于坐標(biāo)系{i-1}的齊次變換矩陣為由此可得，所以相對基坐標(biāo)系的矩陣變換為：其中,共同組成一個位置矢量，用以表示空間中每個點(diǎn)的坐標(biāo)位置。4.2腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計工作空間分析微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人工作空間性能關(guān)乎手術(shù)成敗、器械操作能力及整體系統(tǒng)效能與安全性。機(jī)器臂工作空間是末端執(zhí)行器可到達(dá)的所有空間點(diǎn)集合，關(guān)乎機(jī)器人操作靈活性與可達(dá)性基礎(chǔ)。工作區(qū)域分為兩類：靈巧工作空間與可達(dá)工作空間。當(dāng)末端執(zhí)行器位于其可達(dá)工作空間時，表示運(yùn)動學(xué)逆解存在，且機(jī)構(gòu)設(shè)計能實(shí)現(xiàn)預(yù)定工作空間。MonteCarlo方法高效應(yīng)用于揭示復(fù)雜情境下的決策信息[52]，提升對機(jī)器人運(yùn)動路徑的理解與預(yù)測，解決機(jī)械臂工作空間問題，其核心步驟包括概率抽樣、關(guān)節(jié)隨機(jī)選取、正運(yùn)動學(xué)轉(zhuǎn)換與采樣點(diǎn)坐標(biāo)化，構(gòu)建展現(xiàn)機(jī)械臂工作能力的工作空間模型[53]。利用D-H參數(shù)表，結(jié)合MATLAB中RoboticsSystemToolbox插件的Link函數(shù)及SerialLink類，構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)實(shí)體化三維空間中機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型，如圖4-2。圖4-2matlab模型在SolidWorks中，精確計算機(jī)械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動極限是確保性能與安全的關(guān)鍵，隨后運(yùn)用動態(tài)仿真生成關(guān)節(jié)運(yùn)動動畫，全面評估活動范圍與效能，基于D-H坐標(biāo)系與MATLAB，通過分析連桿運(yùn)動范圍并使用rand函數(shù)模擬不同工作條件下的動態(tài)響應(yīng)。通過teach函數(shù)啟動機(jī)械臂操作示教，重點(diǎn)運(yùn)用SerialLink系列中的.fkine函數(shù)解決運(yùn)動學(xué)正問題，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位姿坐標(biāo)的標(biāo)記與三維空間內(nèi)運(yùn)動軌跡的可視化，增強(qiáng)對機(jī)械臂動態(tài)行為理解，為后續(xù)優(yōu)化和控制提供直觀依據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-3和圖4-4所示。圖4-3極限位置圖4-4工作空間云圖基于第2章分析，為確保精準(zhǔn)與靈活性，手術(shù)機(jī)器人工具需能圍繞200mm半徑、60度錐角范圍內(nèi)的微小切口執(zhí)行復(fù)雜手術(shù)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更高精度與安全性的操作。實(shí)際提供手術(shù)器械操作空間需大于理論計算值以確保安全與效率。構(gòu)建的工作環(huán)境完全滿足微創(chuàng)手術(shù)的嚴(yán)格需求。腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)分析機(jī)器人動力學(xué)分析分為靜態(tài)與動態(tài)兩部分[54]。通過ADAMS軟件精確計算得出關(guān)節(jié)所需最大扭矩與角速度參數(shù)，為選擇合適偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)提供依據(jù)。直接測量手術(shù)器械平移機(jī)構(gòu)補(bǔ)償距離，驗(yàn)證設(shè)計機(jī)構(gòu)原理的有效性，確保系統(tǒng)理論與實(shí)踐協(xié)調(diào)可靠。利用Solidworks進(jìn)行有限元分析，精確評估并調(diào)整關(guān)鍵部件的強(qiáng)度與剛度特性，滿足高精度微創(chuàng)手術(shù)需求。5.1關(guān)鍵部件有限元分析利用有限元分析的方法，我們深入探究了遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)里關(guān)鍵組件的性能特性，發(fā)現(xiàn)這些特性均穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)區(qū)間內(nèi)，把設(shè)計的關(guān)鍵組件的三維模型導(dǎo)入Solidworks軟件，開展有限元分析，選用6061鋁合金作為材料類型，執(zhí)行靜力分析方法，然后設(shè)置合適的邊界條件，模仿實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中裝配固定的狀況，保證模型能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)真實(shí)工況下的約束情況，針對模型施加符合實(shí)際工作場景的載荷，采用集中載荷的方式，精確模擬外部作用力的影響，執(zhí)行網(wǎng)格劃分，把模型離散化，從而做到對局部應(yīng)力和應(yīng)變的精確計算，通過比較分析得到的應(yīng)力和應(yīng)變值同鋁合金的屈服強(qiáng)度以及最大允許應(yīng)變值，來判定設(shè)計是否符合功能和安全性能的要求。我們詳細(xì)剖析了遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)組件，把鋁合金6061當(dāng)作主要材料，這個材料的彈性模數(shù)E設(shè)成69吉帕斯卡（GPa），泊松比取作0.33，它的屈服極限被規(guī)定為55.13兆帕斯卡（MPa），轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)的一頭同主動臂協(xié)作結(jié)合起來，另一頭則連著冗余臂，通過分析可知，此部件所承擔(dān)的力和限制情況如下：其一，安裝孔處在這端便起到固定約束點(diǎn)的作用，其二，關(guān)節(jié)中間部位以及另外那端的安裝孔各自要承受來自主動臂的負(fù)載以及別的相關(guān)部件施加的壓力。給模型加上這些條件之后，經(jīng)過分析我們得到了轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)的位移和應(yīng)力分布情形，直觀顯示出來的樣子見圖5-1和圖5-2，憑借位移云圖的分析，轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)最大形變發(fā)生在自由邊緣角部分，數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1毫米，表現(xiàn)出很好的剛性，再用應(yīng)力云圖去查看，這個零件的屈服應(yīng)力到了50兆帕，這個結(jié)果清楚顯示了所選材料的強(qiáng)度特性，保證設(shè)計符合預(yù)期的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。圖5-1轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)位移云圖圖5-2轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)應(yīng)力云圖對冗余臂進(jìn)行分析，采用鋁合金6061，最終可得其位移、應(yīng)力云圖分別如圖5-3和圖5-4所示。圖5-3冗余臂位移云圖圖5-4冗余臂應(yīng)力云圖對于手術(shù)器械平移探入機(jī)構(gòu)上的升降機(jī)架，將升降機(jī)架上用于推動手術(shù)器械移動的槽孔作為固定約束，取手術(shù)器械重量為其上的負(fù)載。設(shè)計階段，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定又經(jīng)久耐用，我們選定鋁合金6061當(dāng)作主要原料，經(jīng)過一番仔細(xì)剖析與考量之后，得到了升降機(jī)架在真實(shí)使用期間出現(xiàn)的位移和應(yīng)力分布狀況，呈現(xiàn)出來的樣子就如圖5-5和圖5-6所示，可以很清楚地看出材料受到力時所表現(xiàn)出的各種特征，按照分析來看，升降機(jī)架最大形變之處位于它的邊緣部分，大小只有微不足道的0.0002毫米，而對應(yīng)產(chǎn)生的最大應(yīng)力大概是0.2兆帕，這樣的設(shè)計數(shù)據(jù)符合預(yù)期提出的各項(xiàng)需求及規(guī)范。圖5-5升降機(jī)架位移云圖圖5-6升降機(jī)架應(yīng)力云圖通過細(xì)致的分析可知，所有部件的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度界限值，而且預(yù)計的形變量也處于可接納范圍之內(nèi)，這就表明所選材料具有非常好的力學(xué)特性，可以承受微創(chuàng)手術(shù)時的高負(fù)荷需求，還可以保障很高的精度及穩(wěn)定度，所以完全符合此類手術(shù)對于材料性能的嚴(yán)格要求。5.2動力學(xué)分析由第2章幾何原理可知，本文設(shè)計的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)需要在手術(shù)器械的平移探入關(guān)節(jié)設(shè)置補(bǔ)償，補(bǔ)償距離可以由手術(shù)器械偏轉(zhuǎn)角度和遠(yuǎn)心點(diǎn)與轉(zhuǎn)動副之間的距離表示。其次，為確定含有冗余關(guān)節(jié)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所使用的機(jī)器人關(guān)節(jié)型號，必須根據(jù)該關(guān)節(jié)所需的最大扭矩和功率來選擇。由于機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，動態(tài)模型不容易計算，所以選擇將模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行分析，如圖5-7所示。圖5-7Adams模型5.2.1偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)選型首先，需要分析手術(shù)器械末端的受力情況。進(jìn)行如下假設(shè)：——不動點(diǎn)至手術(shù)器械末端的距離——手術(shù)器械沿基坐標(biāo)系x軸受到的作用力——手術(shù)器械沿基坐標(biāo)系y軸受到的作用力——手術(shù)器械沿基坐標(biāo)系z軸受到的作用力根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可以得到各個參數(shù)的最大值為：手術(shù)器械末端作用力對偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩為：體表切口皮膚對套管產(chǎn)生的力矩有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，使用ADAMS軟件，導(dǎo)入含有冗余關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的三維模型，并調(diào)整它的幾何參數(shù)和每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍。經(jīng)過動態(tài)分析，我們能夠獲取每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩分布情況，如圖5-8所示，偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)矩約為。圖5-8偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩分布圖相加得到總負(fù)載力矩為：偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在各位置的角速度分布圖，如圖5-9所示。圖5-9偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角速度分布圖由于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域有著特殊的需要，為了保證系統(tǒng)安全有效的運(yùn)作，我們選擇了零差云控公司的eRob80模塊化關(guān)節(jié)，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是每一個獨(dú)立關(guān)節(jié)都能保證達(dá)到所設(shè)定的最大扭矩，而且能夠保持非常高的工作效率，完全能夠滿足復(fù)雜手術(shù)操作所需要的準(zhǔn)確性和可靠性。機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩之最大值，啟停峰值扭矩為，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)30RPM，額定功率為126W。減速器選擇SHG-17-50諧波減速器，減速比為50。5.2.2手術(shù)器械平移補(bǔ)償由第2章原理圖可知，補(bǔ)償距離h有以下等式：使用ADAMS軟件，導(dǎo)入含有冗余關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的三維模型，并調(diào)整它的幾何參數(shù)和俯仰運(yùn)動的運(yùn)動范圍。經(jīng)過動態(tài)分析，我們能夠獲取手術(shù)器械的平移探入關(guān)節(jié)在遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)做俯仰運(yùn)動時，手術(shù)器械平臺上表面與升降滑軌端面的距離，即補(bǔ)償距離h的動態(tài)位移，如圖5-10所示。圖5-10手術(shù)器械平移機(jī)構(gòu)補(bǔ)償距離圖5.3本章小結(jié)用ADAMS軟件做動力學(xué)仿真，全面剖析手術(shù)器械在平移運(yùn)動中深入關(guān)節(jié)時的補(bǔ)償距離變化，把它當(dāng)作檢驗(yàn)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計原理正確性的關(guān)鍵依據(jù)，通過這個過程，既做到了對機(jī)構(gòu)動態(tài)特性的精確模仿，又保證了設(shè)計符合實(shí)際應(yīng)用的需求，很好地表現(xiàn)了遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)在提升手術(shù)器械操作精準(zhǔn)度方面的理論意義和實(shí)際價值，借助專門的軟件，精準(zhǔn)算出每個關(guān)節(jié)必須達(dá)到的最大扭矩和最大角速度參數(shù)，進(jìn)而給轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊化的機(jī)器人關(guān)節(jié)和相應(yīng)的電機(jī)挑選，還有平移關(guān)節(jié)的電機(jī)安排賦予嚴(yán)格的規(guī)范和技術(shù)支撐。借助Solidworks展開的有限元分析，可以精準(zhǔn)地評判并修正該器械關(guān)鍵部分的力學(xué)性能指標(biāo)，包含強(qiáng)度和剛度，從而保證全部部件都能符合并達(dá)到微創(chuàng)手術(shù)所要求的極高的精準(zhǔn)度標(biāo)準(zhǔn)。總結(jié)與展望6.1結(jié)論微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的架構(gòu)主要由主操作單元、從操作單元以及成像系統(tǒng)這三部分核心架構(gòu)組成。由于從操作手性能的好壞直接影響著微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的整體性能，而微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)又決定了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)空間以及作業(yè)的穩(wěn)定性，所以遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)是微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的核心組件，其性能的好壞對于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的功能發(fā)揮起著決定性作用。本文順利完成腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的核心設(shè)計工作，這項(xiàng)設(shè)計包含對遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)展開深入研究并加以創(chuàng)新設(shè)計，借助創(chuàng)建并剖析遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型，利用動力學(xué)