形状记忆合金驱动的微创手术腕式末端执行器研究

随着微创技术的发展，尤其是NOTES(经自然腔道腹腔手术)技术的出现对更加微型、灵活的微创外科机器人提出了需求。本课题利用形状记忆合金（SMA）驱动器具有较高的力输出体积比，并可实现自反馈的特点，针对传统微创外科机器人驱动系统庞大、等体积力输出功率小，以及传统腕式机构在有限空间内灵活性不够等问题，主要研究总结SMA的控制参数模型，建立自反馈的控制模型，并研究控制参数模型的标定方法；根据现有腕式机构在有限空间内灵活性不足的问题，设计适用于SMA驱动的新腕式机构，并完成其运动学和动力学分析；研发耦合SMA驱动、三自由度、力反馈微创手术腕式末端执行器的原理方案、理论模型、数字样机和物理样机，完成理论分析及方案优化，进行动物试验。本项目关键技术研究成功后，可以实现微创外科机器人执行系统的小型化，研制出更为灵巧的手术器械，从而促进NOTES微创技术发展，为微创外科机器人设计提供新的理论和方法。

随着微创技术和外科机器人技术发展，对整机体积小、成本低、适应性广的腹腔镜手术机器人提出了迫切需求，正在成为机器人领域一个研究热点。有必要探求解决现行外科机器人体积庞大、占有手术空间大、设备相对昂贵、窄小空间灵活性较差等问题，其中相关新材料、新驱动和新机构的设计研发是这方面的难点。本项目开展了基于形状记忆合金（SMA）驱动的微创手术腕式末端执行器相关设计理念、理论和方法研究，重点突破了SMA驱动器自反馈控制、控制参数优化、腕式末端执行器机构构型综合等关键技术；搭建了腹腔镜手术机器人实验样机，并开展了初步的临床动物实验。.本课题在分析腹腔镜手术机器人腕式末端执行器和智能驱动系统相关技术的基础上，利用SMA驱动、传感、执行为一体特征，提出了一种新型驱动器系统的研究思路和总体构架；分析了SMA驱动原理及相变所引起电阻变化，通过实验建立了SMA应变-应力-电阻关系三维图，重点分析在对抗性双丝SMA驱动器在非线性内应力变化下应变-电阻关系；运用优化预应变和内应力范围方法构建了该应变-电阻滞后曲线的多项式模型，并通过实验验证了该自反馈模型符合准确性和稳定性要求。.在分析微创手术腕式末端执行器工作模式和系统组成的基础上，提出该执行器构型综合和结构设计；通过机构力学分析、强度评估和工作空间分析优化了机构参数，并通过运动学分析得到了姿态控制转换矩阵。结合腹腔镜手术的性能要求，进一步对结合末端执行器的腹腔镜手术机器人总体设计方案和软硬件平台进行了集成研究。.基于上述研究成果，构建了基于自反馈腕式末端执行器的腹腔镜手术机器人系统；以腹腔镜手术为应用背景，通过进行体外模拟实验，验证了本课题涉及的机器人运动精度、响应频率和最大稳定力学输出等关键性能。在验证控制模型可行性的基础上，对于基于该腕式关节设计的响应频率不足和内应力过大等问题，通过模糊控制优化理论进行解决。最终通过临床动物实验，验证了该手术系统整体方案的可行性和有效性。