微创外科手术器械末端执行器夹持力建模与分析

Abstract

针对主从微创外科手术机器人同一主手控制不同手术器械在相同开合角度下的夹持力安全问题，研究了手术器械末端执行器的夹持力，建立了一种求解末端夹持力的数学模型。所建立的模型考虑了钢丝绳与导向轮之间的非线性摩擦、指部与腕部的运动耦合以及钢丝绳在导向轮上的蠕动变形对夹持力的影响，得到了在相应开合角度下电机电流与手术器械末端执行器夹持力之间的映射关系；同时，对缝合针所受夹持力进行了受力分析，得到末端执行器对缝合针的夹持力以及末端执行器对缝合针的拉拔力与电机电流之间的关系。通过Matlab对夹持力模型进行仿真研究，得到手术器械末端执行器在考虑和不考虑摩擦与变形情况下的夹持力变化曲线，特别是得到了对缝合针的夹持力和拉拔力随电流变化的曲线图。仿真结果表明，所建立的夹持力数学模型更贴近实际情况，为后续有效和安全夹持力控制提供了理论依据