题目：基于形状记忆合金驱动的腔镜手术执行器设计研究

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主要难点。本文开展了基于形状记忆合金（SMA）驱动的微创手术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、前馈补偿、控制参数优化、驱动器设计优化和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。本文在分析腹腔镜手术机器人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、执行为一体的特征，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的方法构建了该应变-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。针对形状记忆合金自身的迟滞性能，为了抑制控制过程中可能出现的热超调或形变滞后问题，建立了基于热力学方程和材料本构模型的前馈补偿模型：在固定环境温度下，建立了热力学平衡方程，通过热积分得出实时SMA丝温度；基于SMA丝的形变-温度试验数据建立其模拟相变模型，其中采用了Duhem微分模型和Ikuta指数型模型作为本构模型基础；结合相变-形变关系式，进一步构建了温度-形变前馈模型；最后将理论模型和实验数据进行对比，结果显示根据模型所预测形变在趋势上与实际形变方向一致，可用于热超调现象的补偿。为了SMA驱动器设计方案的选型优化，针对驱动器有效行程、疲劳性能、可达反应频率、控制精度和外力干扰下的系统鲁棒性（无外部传感器）等五个关键性能，测试得到四类常见驱动器设计在最优参数设置下的关键性能指标。在进行驱动理论分析的基础上，建立了四类驱动器理想情况下的有效行程-预应力（预应变）-相变关系模型；根据模型所显示出的性能影响因子设置初始参数中关键变量，取得了各驱动器最优性能参数；最后横向对比四类驱动器的五项关键性能从而为设计最优驱动器奠定了基础。在分析外科手术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，构建了基于自反馈末端执行器系统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，验证了本文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，使用模糊控制优化理论解决了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；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。