《基于Solidworks的微创外科手术机器人运动仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Solidworks的微创外科手术机器人运动仿真（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 【摘 要】 本文基于微创外科手术的要求，对微创外科手术机器人进行了总体结构方案设计，并用Microsoft Office Visio 2003绘制结构方案二维图，根据二维结构图采用Solidworks软件建立各个杆件的零部件图，按要求给各个零部件添加合适的约束，并对其进行装配。然后根据D-H(四参数法）和齐次坐标变换建立杆件坐标系，并建立运动学正解方程，并运用Matlab软件求出正解。然后将装配体添加到Motion运动模块中，给机器人添加载荷，配合以及驱动等关系，然后模拟机器人的运动，对其进行运动仿真，并检测机器人末端刀具的轨迹、速度、加速度等，最后运用Matlab编程，将驱动马达参数添加到
2、程序中，绘制出微创手术机器人的末端轨迹图，并将其与Motion运动模块仿真出的轨迹进行对比，进而确定正解的正确性。 【关键词】： 微创手术机器人 Solidworks 运动学正解 Motion仿真 【Abstract】 This paper, based on the minimally invasive surgery, at the request of minimally invasive surgical robot general structure design, and Microsoft Office Visio 2003 draw structure scheme 2 d f
3、igure, 2 d structure according to the setting the bar a Solidworks software components chart, according to the requirements of the appropriate to each parts add constraint, and carries on the assembly. And then based on the D-H (four parameters method) and homogeneous coordinate transform a coordina
4、te system established stem, and establish kinematics is solve the equation, and use of Matlab software for a positive solutions. And then to add to the assembly body Motion movement modules, give robots add load, cooperate and drivers, relationship, and then the movement simulation, and carry on the
5、 Motion simulation, and inspection robot end tool path, speed, acceleration, finally using Matlab programming, will drive motor parameter added to the program, rendering the minimally invasive surgery at the end of the robot path chart, and with the Motion of the trajectory simulation exercise modul
6、e is compared, and then determines the correctness of the positive solution. 【Keywords】: minimally invasive surgical robot Solidworks Kinematics positive solutions Motion simulation目 录1绪论11.1课题背景11.2国内外研究现状11.2.1国内研究现状11.2.2国外研究现状21.3本论文的主要内容42 微创手术机器人建模52.1当前机器人的常用结构52.2微创手术对机器人的要求62.3微创手术机器人结构方案确定
7、82.3Solidworks软件简介92.4微创手术机器人的三维模型92.5每个关节的功能153 微创手术机器人的运动学分析173.1杆件坐标系的建立173.1.1八种常见杆件的构型及其坐标系的建立方法173.1.2坐标系的确定原则253.1.3位置描述263.2杆件的变换矩阵283.2.1.坐标旋转变换283.2.2一般变换293.2.3齐次坐标和齐次变换293.2.4平移齐次坐标变换：293.2.5旋转齐次坐标变换：303.2.6复合齐次变换：303.3 D-H坐标系建立方法303.4 运动学正解313.5运动学逆解373.5.1 逆解概述373.5.2 机械手运动学逆解涉及的几个问题37
8、4运用motion运动模块进行运动仿真384.1 motion仿真软件介绍384.2仿真模型的建立404.2.3仿真模型建立414.3仿真及数据分析414.3.1仿真步骤414.3.2仿真结果及其分析415总结46致 谢47附录一：48附录二：49参考文献50III 1绪论1.1课题背景 社会科学的发展，提高了我们的生活水平，作为与人类切身相关的生命科学也在与时俱进。随着此类型的研究的不断深入，作为生命科学附属的医疗服务研究也有了实质性的进展。在现实中，患者对于手术的要求已经不仅仅局限于治疗好自身的疾病，同时还要尽可能减少术后痛苦，缩短恢复时间，减小手术留下的疤痕，这一系列的要求直接导致了基于
9、腹腔镜技术的微创外科手术的诞生。腹腔镜微创手术具的切口小、创伤轻、痛苦少、恢复快等优点满足了患者的需求，因而在外科的很多专业领域都得到了推广。随着微创手术设计的领域不断拓展，所应对的手术逐渐复杂，传统腔镜手术的发展遇到了瓶颈。（1） 传统腔镜微创手术的手术工具结构简单，只能实现在5个自由度(DOFs)上的运动，限制了医生手的灵活性；（2） 单一腔镜的二维图像缺乏深度信息；（3） 由于手术要求限制，腔镜由助手控制而不是由执行手术的医生控制。 这都降低了医生的手眼协调性，使得传统腔镜手术对医生的熟练度及对医生之间默契程度的要求大大提高，提升了手术风险。常规腹腔镜技术暴露出的这些局限性，阻碍了微创外
10、科的进一步发展。微创手术机器人的发明，突破了传统腔镜手术瓶颈，该技术糅合现代医学、生物力学、机械工程学、计算机与机器人学等诸多学科为一体。新型的微创手术机器人为主一从远程操作控制，从手加入了腕部动作，具有7个自由度，能够进行接近人手的复杂操作。医生通过一套主操作手遥控微创手术机器人前端从手的手术工具进行手术作业，并通过立体视觉系统进行观察，解决了传统腔镜手术操作灵活性低、手眼协调性差的缺点。微创手术机器人对它的操作者要求较高，医生必须经过大量的训练才能熟练掌握微创手术机器人的操作。因此，仿真训练系统对微创手术机器人的普及推广起着重要的作用。 微创手术机器人仿真系统是利用各种医学影像数据和虚拟现
11、实技术在计算机中建立一个虚拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术规划、训练，对实际手术过程也可以起到指导和预演的作用1。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状目前, 国内外的研究人员正在加紧研制各种手术机器人及其辅助设备、耗材。国内科研院所和大型综合性医院合作,联合研发国产的手术机器人, 试图打破技术壁垒, 已取得了可喜的成果。在我国，最早是北京航天航空大学与海军总医院联合研发的脑立体定向手术机器人系统,目前已完成第五代(CAS-BH5)的研制和临床应用,并已通过互联网成功实现了远程手术操作。但在扩大适用范围和提高实用性等方面还有不少问题需要解决。不久前, 由天津大学、南开大学和天津医科
12、大学总医院联合研制的妙手A0(MicroH and A)系统顺利通过成果鉴定, 该课题由国家8630计划和国家杰出青年科学基金重点支持, 历时数年不懈努力终获成功, 鉴定认为这是国内首次研制成功且具有自主知识产权的手术机器人, 达到国际领先水平。第三军医大学新桥医院与中科院沈阳自动化研究所联合研发的、具有完全自主知识产权的脊柱微创手术机器人在新桥医院投入前期临床试验,这是国际上首台专门用于脊柱微创手术的机器人系统, 它标志着我国在此领域的研究走在了世界前列。国内手术机器人的自主研发是我国降低手术机器人使用成本的主要途径之一, 对推动此技术在我国的推广应用具有重要意义。但是国外专利保护的障碍、研
13、发资金和技术的不足、研发与临床的结合都是目前手术机器人研发的主要障碍, 可以这样说，该领域发展的前景值得期待, 结果走向何方却尚难预料。总体而言, 遵循先易后难、循序渐进、以点带面、全面发展的原则, 从手术机器人的辅助设备和耗材入手, 并关注国外相关领域专利的有效期限, 制定合理的目标, 能取得事半功倍的效果,也更为现实可行2。1.2.2国外研究现状目前，国外微创手术机器人研究广泛采用主从操作模式，以腹腔镜手术为基础，由机械臂夹持器械，通过腹壁上的几个穿刺套管置入腹腔进行手术。系统体积大、造价贵、操控不方便，实际应用价值还十分有限。1999 年，Da Vinci(达芬奇)外科手术机器人系统由美
14、国ntuitive Surgical 公司研制成功，是最具代表性的商业化手术机器人。该系统包括医生操作平台、外科手术工作台、具有多自由度的腕形手术工具和腔镜图像系统。它已经应用于心脏外科手术、腹腔镜手术、胸科手术、泌尿外科手术、妇产科手术和儿科手术等。Da Vinci(达芬奇)外科手术机器人系统虽然具有振动过滤、动作缩放等主从操控能力，但手术医生在主操作臂缺乏力觉反馈功能，精细手术效率低，主从运动抗干扰能力弱，体积庞大，价格昂贵，见图1。 图1 达芬奇手术机器人 国外另一类商业化手术机器人的杰出代表，是美国Computer Motion公司开发的ZEUS(宙斯)机器人系统，该机器人已经应用于腔
15、镜外科手术等领域，例如著名的超远程胆囊摘除手术“林白手术”就是通过ZEUS 系统完成的。该系统采用主从式工作方式，从操作手的每个机械臂具有6+1个自由度，其中6个用于位姿调整，另外一个用于位置优化，可以完成复杂的手术操作。该系统从操作手的布局方式占用空间较大，工作空间较小，灵活性相对较低，成为制约其继续发展的关键因素，见图2。 图2 宙斯手术机器人 美国Johns Hopkins大学开发了一种基于支撑喉镜下的多自由度喉部的手术机器人。该手术机器人系统采用主从控制模式，可同时控制3个高灵敏度、高准确性的蛇形末端执行器，实现在咽喉内的遥操作，尤其是缝合动作。德国机器人与嵌入式系统研究中心和慕尼黑理工大学心脏治疗中心联合开展针对心脏手术的微创机器人系统力反馈评估研究，该主从系统的每个机械手臂具有8个自由度，可以进行套管针操作。 日本名古屋大学开发出面向耳鼻喉手术、食道手术等人体深处狭小空间的遥操作主从机器人外科手术系统。其从动臂具有7-DOF，灵活性好，能达到人体内部传统手术方式不能到达的部位进行手术操作，并进行了鸡肝脏缝合手术的动物实验3。1.3本论文的主要内容 此次论文研究了基于Solidworks的微创手术机器人运动仿真，
