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微创外科是临床医学界的前沿发展方向,微创外科手术具有手术创伤小、疼痛轻、恢复快等特点,在越来越多的传统手术领域获得了革命性的成功,逐渐成为全球外科手术发展的主旋律。微创手术器械的机械结构、传动方式等方面的合理设计,将直接影响其灵活性、操作性、控制精确性等性能乃至手术效果。由于微创手术工作空间较小,而传统微创手术器械灵活性差,因此,为提高微创手术器械灵活性和操作柔性,弥补手术切口造成器械自由度的损失,本文根据腹腔手术及微创手术器械结构特点,设计一种绳牵引多自由度手持式微创手术器械。研究内容主要包括以下几个方面:(1)通过对微创手术过程、传统微创手术器械、手术操作力以及手术器械操作环境进行详细分析,确定新型多自由度手术器械的期望要求;根据器械所需完成目标任务映射其设计要求,得出手术器械最小自由度数为4;提出基于组合并联机构单元实现腕部关节俯仰、偏转运动方案,并采用钢丝绳、柔性杆以及软轴组合传动方式,设计4自由度手持式微创手术器械。(2)利用方位特征集理论对腕部关节组合并联机构单元进行机构综合,确定4SPS-1U为并联机构单元构型;基于手术器械尺寸设计要求以及并联机构单元结构,确定并联机构单元合理尺度参数,并分析并联机构单元转动角度和转动半径的范围;根据腕部关节所需实现工作空间范围,为腕部关节配置不同数目的并联机构单元。(3)基于尺度相容性条件,运用D-H矩阵构建4SPS-1U并联机构运动学方程,以牛顿迭代法求解位置正解;通过对运动学方程求导,获得速度、加速度雅克比矩阵,并建立速度、加速度运动学方程;利用ADAMS软件对该并联机构单元运动学和动力学进行仿真分析,求解并联机构单元动力学;构建末端腕部关节实验模型进行实验分析,以验证末端腕部关节机构设计的合理性以及钢丝绳牵引力的正确性。(4)针对钢丝绳传动进行受力分析,建立钢丝绳受力平衡方程,并对钢丝绳拉伸及弯曲状态进行应力分析,得出传动过程中钢丝绳危险点分布情况;利用Solid Works Simulation进行有限元仿真分析,求得钢丝绳传动过程中最大应力,并将有限元仿真结果与数学模型计算结果进行对比,以验证钢丝绳受力模型的正确性;通过对传动过程中钢丝绳摩擦磨损以及疲劳寿命进行分析,得出所选用钢丝绳对手术器械使用寿命影响极小。本文所设计的4自由度手持式微创手术器械,为进一步研制高性能微创手术器械提供理论基础。