微创手术中远程运动中心并联机器人设计及运动学研究

简介：
本研究致力于微创手术中的远程操作技术，特别关注并联机器人的设计及其运动学特性分析，旨在提升手术精度和医生的操作舒适度。 微创手术（Minimally Invasive Surgery, MIS）是一种通过微小切口进行的外科技术，与传统开放手术相比，它能显著减少患者的创伤并缩短恢复时间。然而，由于这些小型切口限制了医生的操作空间和视野，因此开发能够模拟医生操作动作的机器人显得尤为重要。 本研究的重点是设计一种具有远程中心运动（Remote Center of Motion, RCM）功能的并联机器人系统，以提高微创手术中的精确度与灵活性。相较于串联式结构，并联机器人的优势在于其紧凑的设计、卓越的方向均匀性以及更高的刚性和精度。 本段落提出了一种基于被动铰链跟随、平行四边形机构设计和多轴联动等原理的新类型RCM并联机器人设计方案，同时进行了运动学分析及优化设计工作。通过逆向动力学计算得出机器人的操作范围，并利用全局性能指数（Global Performance Index, GPI）作为评估标准，采用粒子群算法进行结构的最优化调整。 该研究旨在验证所设计系统的有效性与合理性，并为原型机开发奠定理论基础。主要内容涵盖机器人机械构造的设计、运动分析及优化策略的应用，这些成果不仅能支持实际手术操作需求，还能指导未来机器人的研发工作。 并联机器人通常由多个平行连接的链路组成，每个链条都附着于一个移动平台之上。它们具备快速响应和精确控制的特点，在执行重复性高精度任务方面表现出色，适用于工业加工、医疗辅助等领域中需要精准定位与操作的应用场景。 RCM并联机器人能够模仿医生在微创手术中的主要动作模式，并驱动相应工具进行二维或三维空间内的运动，从而提高手术的准确性和安全性。得益于其独特的结构特性，这种类型的机器人能提供更好的刚性及精度，在微创手术过程中确保器械精确到位和高效操控。 设计此类机器人的关键考量因素包括负载能力、速度、响应时间、操作范围以及精度等指标。通过逆向动力学计算确定工作空间有助于明确机器人在实际应用中的可达区域，这对于实现精准的定位至关重要。而借助粒子群优化算法对结构进行调优，则能确保设计方案更贴合性能评估标准，从而提升整体表现。 未来的技术进步将使基于RCM的并联机器人在精确度、稳定性和操作简便性等方面取得更大的突破，为微创手术带来革命性的改进，并可能扩展至其他需要高精度操作的应用领域。随着机器人辅助技术的发展成熟，预计将进一步降低手术风险，缩短患者康复时间，并减少术后并发症的发生率，从而实现医疗科技与患者健康的双重提升。