介入手术医疗机器人末端执行器设计毕业设计(编辑修改稿)

介入手术医疗机器人末端执行器设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

步进电机驱动，通过齿轮传动将动力传递到主动滚轮上，然后通过摩擦传动的方式将主动滚轮的转动转化为导管直线进给运动 的动力。 图 33 轴向进给机构二维结构图 轴向进给部件如图 33所示 ， 主要包括 、 、 位齿轮、 、 、 、 型连杆、 块、 、。 整个轴向进给部件 是 用螺钉固定在大旋转盘的梯形槽 内 ，并且 应保证主动滚轮轮皮上圆弧形槽的圆心在旋转部件的轴线上。 图 34 进给部件传动示意图 济南大学毕业设计 12 由于血管介入手术 医疗 机器人 在 临床应用 时 的特殊环境以及对机器人电 子 设备的保护 [10]，要求进给部件的执行机构能 能够 与电器设备快速的分离，因此本 文中的 轴向进给机构的传动方式采用齿轮传动。 其传动装置 如图 9所示， 主要包括 四 个相同模数和齿数的传动齿轮。 在 传动过程 中， 步进电机带动第一齿轮，并通过第四齿轮把动力传递到左侧主动滚轮；同时，第二齿轮运动方向 改变 ，并由第三齿轮将动力传递到右侧主动滚轮，最 后 实现 左右 主动滚轮的同 步反转。 导管轴向距离检测部件的模块化设计 与血管介入手术机器人末端执行器的轴向进给部件原理相似，轴向距离检测部件也是由摩擦传动的方式实现的，但是与进给机构不同的是，进给机构由主动滚轮的转动通过传动转变为导管的直线进给运动，而检测部件的主动运动是通过导管的直线运动驱动从动滚轮，使其发生转动， 然后 由光电编码器记录从动滚轮的角度变化，再通过处理， 计算 得出导管的实际推进距离， 从而 实现手术过程中对导管的实时检测。 在 设计 检测部件的过程中，考虑到机器人临床应用的特殊环境以及对机器人电 子设备的保护等要求 ， 此 轴向距离检测机构也采用了齿轮传动 [11]的方式，以保证在对机器人进行处理时快速方便的分离机械结构和电器设备。 济南大学毕业设计 13 图 35 轴向距离检测部件 检测部件的具体结构如图 35所示，检测部件包括 、 动齿轮、 、 、 、 、 7.从动滚轮支架、 、 、。 整个检测部件通过螺钉被固定在大检测盘上，并确保从动滚轮轮皮上的圆弧形槽的圆心在旋转部件的轴线上。 为了能够快速更换并且适应不同型号的导管，检测机构设计了可变化中心距的导管夹持功能，就是通过改变两个从动滚轮的间距来快速的更换导管 [12]，并且具备适应不同型号的导管的功能。 旋转主轴的机构设计 在 介入 手术过程中与导管有直接接触的第三个零部件就是 末端执行器 的旋转主轴，由于旋转主轴是整个 末端执行器 旋转部件的支撑定位 构 件，是整个机 构 运动部件和支撑部件间的桥梁，它的拆卸涉及 到了 整个机构的各个零部件， 因此 要实现其整体的快速拆卸基本上 是 不可能。 我们对 末端执行器 的旋转主轴进行了嵌套式的结构设计。 其具体的结构如图 36所示。 济南大学毕业设计 14 图 36 轴向距离检测部件 1— 大旋转盘前支架、 2— 外层阶梯轴、 3— 中层轴套、 4— 大旋转盘后支架、 5— 内层离合式轴芯 末端执行器中导管的选择 本末端执行器推进的导管是一种细小的柔性中空软管，其具体的形状如图 37 所示。 主要结构包括前端弯曲导向段、中间等圆柱面过度段、末端与医疗设备的接口段三个部分。 不同型号的导管其长度范围一般在 800mm1500mm 之间，其进入人体的前端和中间部分 的 直径一般在 1mm4mm之间，末端与医疗设备的接口最大径向尺寸不超过15mm。 济南大学毕业设计 15 图 37 手术过程中使用的导管示意图 本章小结 本章根据血管介入手术在临床实践中的要求以及原有样机存在的问题，对血管介入手术机器人末端 执行器进行了优化设计，完善了末端执行器的各项功能，提高了精度。 对末端执行器的模块化设计使其能够实现三大基本功能；对推进机构的优化设计有助于提高手术的安全性能 [13]。 在机器人结构方面，我们分析了影响末端执行器 的各种因素，针对各种影响因素对机械结构进行了改进，最终绘制了机械 图纸，加工出的虚拟样例如图 38所示。 图 38 末端执行器虚拟样机 济南大学毕业设计 16 4 末端执行器运动控制系统开发 随着机器人 技术的不断进步，机器人在各行业中的应用越来越广泛。 在机器人的应用技术中，最为重要的部分就是机器人的运动控制系统 [14]。 控制系统方案 选择 本文 在了解了当前机器人的应用趋势，查阅了 相关 研究资料 的基础上，根据临床实践的具体要求，选择了可编程多轴运动控制器 PMAC。 PMAC是美国 Delta Tau 公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。 PMAC 内部使用了一片 Motorola DSP 56001 数字信号处理芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。 PMAC 内部使用了一片 Motorola DSP 56001 数字信号处理芯片，它 的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。 在控制器的设计过程中，首先要 确定控制系统的整体控制结构。 按结构方式划分机器人控制系统一般分三种：集中控制、主从控制和集散式控制。 集中控制是选则一台高性能的计算机来实现控制系统的全部控制功能。 在过去这种控制方式很常见，优点是容易实现，也比较经济；缺点是计算量大，控制效率低。 因此不选择这种控制系统。 主从式控制系统的结构如图 41所示，一级 计算 机为主机， 具有 管理系统、机器人语言编译和人机接口 的 功能，并定时地把运算结果送到公共内存， 然后 供二级计算机读取。 二级机完 成全部关节 位置的 数字控制，从公共内存中读取一级机的给定 数 值，将各关节实际位置 返 回 到 公共内存供一级机读取。 与 集中控制 结构相比，这类系统控制性能 更 高。 图 41 主从式控制结构 济南大学毕业设计 17 集散式结构是现代机器人控。