● 摘要
近年来随着现代医学技术的发展，角膜移植手术的成功率居各种器官移植之首。尽管如此，在角膜移植手术过程中，由于操作对象微小，而且手术时间长，使得医生感觉非常疲惫，并易造成术后恢复期延长，愈合效果差。而医疗外科机器人具有运动精度高和稳定性好的特点，因此由机器人代替医生进行手术成为可能。在国家自然科学基金的资助下，本论文以角膜移植手术为对象，对显微外科打结机器人进行了设计与研究。 在充分研究显微外科打结技术的基础上，本文首先利用双目立体视觉技术对眼外科专家灵巧的缝合打结动作进行了运动捕捉。通过提取打结作业中的关键点，获得了医生缝合打结时手术器械末端实时的运动轨迹和工作空间。为了得到连续而理想的运动曲线，对所得的运动轨迹进行了分析和拟合。 然后，以打结作业运动轨迹和工作空间为依据，通过分析手术实施方案及过程，将角膜移植打结动作分解为机器人的标准动作序列。按照机构学设计理论，进行了打结机器人机构的选型和设计，提出了一种进行角膜缝合作业的打结机器人机构即双臂型多关节机器人机构。根据角膜移植手术打结过程特点和技术要求，结合打结机器人臂部和腕部的构型，设计了一套新型的多自由度末端夹持器，并对其结构和动作过程进行了分析。 利用SolidWorks软件建立了机器人的虚拟样机，在规划作业时间和协调双臂动作的基础上，对打结过程进行了运动仿真，仿真结果表明了本文所设计的双臂机器人能够完成打结作业，验证了机构方案的合理性和可行性。 最后，本文在建立机器人D-H坐标系的基础上，通过变换矩阵的求解对双臂机器人机构进行了运动学分析，得到了打结机器人的雅可比矩阵。为了使机器人具有更高的稳定性，本文基于关节刚度和关节阻尼的概念，采用拉格朗日方程推导了主机械臂末端关节的小位移干扰方程，通过渐近稳定性的分析和研究，得到了手术的最佳稳定区域。 本文的研究方法和设计思想为显微外科角膜移植机器人的设计、控制和手术规划奠定了基础，也可用于其他显微外科机器人和相关的医学外科手术缝合打结作业的研究。