摘要
随着机器人技术的不断发展，机器人辅助手术已经越来越多的应用到外科手术中，并且已经取得了商业化的成功。尽管如此，在显微外科手术操作中，由于显微镜下受限的操作空间以及视线的受阻，使得现有的远程操作式和协作式手术机器人在显微外科手术中微米级精度的实现，仍然面临着很大的挑战。手持式手术机器人作为一种替代传统手术器械的新方案，可供外科医生灵活操控，同时保留了医生与病人之间的交互感，并具备震颤过滤和运动缩放功能。本文以视网膜手术为应用平台，开展了针对手持式显微外科手术机器人运动学与结构设计方面的研究工作。 首先，以视网膜剥离手术的动作为例，分析了机器人的性能需求并确定了本文的设计指标。在此基础上，介绍了预期的手术系统总体方案设计，并采用Gough-Stewart构型设计了手持式显微外科手术机器人，以下简称手持式机器人，同时建立了手持式机器人的理论模型。采用矢量分析法对该手持式机器人进行了基于远运动中心点的逆向运动学分析，以满足外科手术微创切口的需要，并基于ADAMS的虚拟样机技术建立了简化模型，验证了所建立逆运动学模型的正确性，同时采用Newton-Raphson数值迭代法进行了正向运动学分析，并对其正确性进行了验证。 其次，分析了并联机器人工作空间影响因素，并采用极坐标搜索法作为本文设计手持式机器人工作空间的搜索方法。以柔性铰链恰好不发生屈服为条件，分析了其运动范围，并在选定镍钛合金丝作为柔性铰链的基础上，分析了不同线径镍钛合金丝对手持式机器人工作空间的影响，根据运动范围设计指标，在确定所使用镍钛合金丝的线径为0.2mm后，完成了对所设计手持式机器人工作空间的绘制。 然后，在上述分析的理论基础上，对手持式机器人的结构进行具体设计，包括结构件的设计，压电电机的选型，驱动单元的结构设计等，并利用ANSYS软件对手持式机器人的整体结构进行有限元分析，在几种极限工况下对柔性铰链所受的应力进行分析，仿真结果表明，在承受外部载荷时，柔性铰链的受力不会超出屈服极限，手持式机器人整体不会发生不可恢复的变形。 最后，为验证设计的合理性，研制了手持式机器人的原理样机，并搭建了实验测试平台。对手持式机器人的分辨率和重复定位精度两个技术指标进行接地版本的测试，测试结果表明所设计手持式机器人的虚拟样机能够实现微米级运动，满足设计指标。
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