论文总字数：37151字

摘 要

随着机器人的发展，机器人逐渐运用于医学领域，而在医学领域的应用之中，安全成为了决定机器人能否胜任这项工作的关键，特别是在骨科手术中应用的机器人，原因就在于在骨科手术之中机器人要求的保持力矩很大，若直接采用机器人来进行难以提供那么大的力矩，所以姿态锁定就成为了解决这一问题的关键。本文在分析医用机器人要求的基础上，结合国内外医用机器人发展的现状，对应用于手术的医用机器人进行了设计和分析。

首先根据医用手术机器人的需求确定了机械臂的构型，确定所设计机械臂为7自由度SRS构型，确定了手术机器人中的关键技术关节锁定的方案。在现有机械臂的基础上确定了传动方案，进行了机械臂的结构设计，并运用SolidWorks绘制了所有零件的三维模型，进行了几何模型的构造、装配。

其次运用D-H法进行了所设计机械臂的数学模型构造，进行了正运动学以及雅可比矩阵的推导，表征了关节空间和工作空间之间的关系。

最后采用ADAMS虚拟样机技术对于所建立的模型进行了仿真分析，得出了所设计机械臂各关节的转矩，并对传动系统进行了仿真，推导了关节解耦的数学关系。

本文的工作及成果是对于医用手术机器人的结构设计以及锁定方式的探讨，为其结构设计提供了一种可行的方法。

关键词： 7自由度机械臂、结构设计、关节锁定、ADAMS仿真分析

Abstract

As a way to increase the efficiency and emancipate the labor force, robotics has received more and more attention. The application of surgical robots has attracted much more attention in recent years. Based on the analysis of the requirements of medical robots and the current status of the development of medical robots at home and abroad, this paper designs and analyzes the corresponding medical robots for surgery.
First, according to the needs of the surgical robot, the configuration of the robot arm was determined and the designed robotic arm was determined to be a 7-DOF SRS configuration. The key technologies in the surgical robot, the joint locking method were determined. Based on the existing robotic arm, the transmission scheme was determined, the mechanical arm was designed, and the 3D model of all parts was drawn using SolidWorks, and the geometric model was constructed and assembled.
Secondly, using D-H method to construct the mathematical model of the designed robotic arm, the deduction of positive kinematics and Jacobian matrix was performed, and the relationship between joint space and workspace was characterized.
Finally, the ADAMS virtual prototyping technology was used to simulate and analyze the established model. The torque of each joint of the designed manipulator was obtained. The transmission system was simulated and the mathematical relationship of decoupling was deduced.
The work and results of this paper are discussions of the structural design and locking methods of surgical robots and provide a feasible method for its structural design.

KEY WORDS: 7 DOF manipulator, Structural design, Joint locking, ADAMS simulation analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景以及研究意义 1

1.2 研究概况 1

1.2.1 串联机械臂的结构形式 1

1.2.2 手术机器人发展概况 2

1.2.3 关节锁定方式 4

1.2.4 冗余自由度研究 5

1.3 本文研究的内容 5

第二章 机械臂结构设计 7

2.1 机械臂构型 7

2.2 关节锁定方案 8

2.2.1 单关节锁定方案 8

2.2.2 多关节联合锁定方案 10

2.2.3 方案比较 10

2.3 整体结构以及传动方案 11

2.4 手腕关节设计 12

2.4.1 上臂传动结构设计 13

2.4.2 手腕单元结构设计 16

2.5 4DOF回转关节设计 21

2.6 本章小结 22

第三章 机械臂运动学分析 23

3.1 D-H连杆坐标系简介及其建立 23

3.2 机械臂D-H坐标确立及参数计算 24

3.3 机械臂正向运动学计算 25

3.4 机械臂逆向运动学推导 27

3.5 雅可比矩阵简介及其建立 28

3.6 本章小结 33

第四章 ADAMS仿真 34

4.1 模型的建立和导入 34

4.2 模型约束和仿真 35

4.2.1 整体仿真 35

4.2.2 手腕传动仿真 38

4.3 本章小结 40

第五章 总结与展望 41

5.1 工作总结 41

5.2 展望 41

致谢 43

参考文献 44

绪论

选题背景以及研究意义

随着机器人技术的不断进步和发展，机器人的应用越来越广泛，而机械臂也不再只是如同最初那样只应用于工业之中。目前，已经在很多医用的场合中采用了机器人来进行手术协作，例如腹腔微创手术，膝关节置换手术等。在这些手术中，如果采用传统方式进行手术的话对于医生的要求很高，因为在微创手术之中操作空间的限制，使得医生在操作时轻微的抖动就有可能影响到最终的手术结果，而在采用了手术机器人之后由于在机器人之上可以做信号采集的滤波处理所以可以免去由于医生持刀抖动的影响。而在膝关节置换手术之中，由于预先设计好的膝关节外形已经无法改变，所以在切去原有关节的时候就对于切除形状有着很高的要求，而通过机器人的实时规划以及精准定位使得这个问题可以得到解决。而在上述的手术之中，问题的关键其实是在于机器人构型的改变和锁定，例如在切除膝关节时，机器人在确定好切除位置时需要在指定的位置锁定，并在切除过程中确保受到切削力的情况下不能发生构型的改变，而实现这种锁定当然可以直接采用位置伺服来实现位置锁定，但是这样就大大增加了能耗并且如果发生断电的情况会导致机器人失去位置锁定的功能，若可以采用无源无级，或者有源可保持的关节锁定方式就可以解决上述问题。

很多研究已经表明，机器人若想在医用的场合大显身手，目前还只是可以作为辅助的存在，因为毕竟在手术之中面对的是活生生的病人而不是冰冷的机械，如果在手术中完全像是装配机械那样去进行手术的话，患者在心理上还是会有很大的抵触的。所以说，如何提高机器人在医用之中的辅助效用就成为了目前医用机器人面对的一大挑战，而辅助效用主要就体现在了如何可以使得手术机器人和医生之间可以协调地配合，这种协调配合对于机器人提出了更高的灵活性要求，再加上对于机器人本身安全性的要求，两者构成了医用机器人的设计需求。

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