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一种微创手术机器人末端传动空回特性研究

于永春 金晓怡 钱亚玮 牛羿博 孟盼盼

于永春, 金晓怡, 钱亚玮, 牛羿博, 孟盼盼. 一种微创手术机器人末端传动空回特性研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(3): 307-313. doi: 10.12299/jsues.24-0093
引用本文: 于永春, 金晓怡, 钱亚玮, 牛羿博, 孟盼盼. 一种微创手术机器人末端传动空回特性研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(3): 307-313. doi: 10.12299/jsues.24-0093
YU Yongchun, JIN Xiaoyi, QIAN Yawei, NIU Yibo, MENG Panpan. Research on transmission backlash characteristics of end-effector in minimally invasive surgical robots[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(3): 307-313. doi: 10.12299/jsues.24-0093
Citation: YU Yongchun, JIN Xiaoyi, QIAN Yawei, NIU Yibo, MENG Panpan. Research on transmission backlash characteristics of end-effector in minimally invasive surgical robots[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(3): 307-313. doi: 10.12299/jsues.24-0093

一种微创手术机器人末端传动空回特性研究

doi: 10.12299/jsues.24-0093
基金项目: 上海工程技术大学校企合作项目((21)JQ-059)
详细信息
    作者简介:

    于永春(1996 − ),男,硕士生,研究方向为手术机器人。E-mail:yycebs@163.com

    通讯作者:

    金晓怡(1966 − ),女,教授,博士,研究方向为仿生机器人、机构学及摩擦学。E-mail:teacherjxy@126.com

  • 中图分类号: TP242

Research on transmission backlash characteristics of end-effector in minimally invasive surgical robots

  • 摘要: 以一种微创手术机器人末端执行器为研究对象,提出一种新型旋转机构,并针对末端传动空回特性开展数值模拟与试验研究。通过理论推导建立传动空回计算模型,分析不同影响因素下传递偏差对输出转矩的影响。数值分析结果表明,当输出转矩为0 ~ 0.3 N·m时,传递偏差为0° ~ 0.04°。传动空回特性受预紧力和钢丝绳横截面积影响显著,受自由绳段长度影响较小。最后,制作实物模型并搭建试验平台进行跟踪试验,测得末端执行器旋转阈值为 ± 74.29°。模拟多次手术方向变换操作,对传动空回特性进行数据与误差分析。
  • 图  1  手术机器人末端旋转新机构

    Figure  1.  A novel end-effector rotating mechanism for surgical robots

    图  2  手术机器人末端执行器

    Figure  2.  End-effector of surgical robots

    图  3  旋转机构原理

    Figure  3.  Principle of rotating component

    图  4  旋转机构等效模型

    Figure  4.  Rotating component equivalent model

    图  5  滑动角与绳端拉力的关系

    Figure  5.  Relationship between sliding angle and cable tension

    图  6  滑动角与输出转矩的关系

    Figure  6.  Relationship between sliding angle and output torque

    图  7  不同影响因素下输出转矩与传递偏差的关系

    Figure  7.  Relationship between output torque and transmission deviation under different influencing factors

    图  8  手术机器人末端执行器装配件实物

    Figure  8.  Surgical robot end-effector assembly physical object

    图  9  手术机器人末端执行器试验台

    Figure  9.  Experimental bench for surgical robot end-effector

    图  10  末端执行器旋转部旋转阈值

    Figure  10.  End-effector rotating component rotation amplitude

    图  11  旋转机构输出角速度及拟合曲线

    Figure  11.  Rotating component output angular velocity and fitting curve

    图  12  旋转机构角位置曲线

    Figure  12.  The rotating component angular position curve

    表  1  旋转部模拟试验参数

    Table  1.   Rotating component simulation experiment parameter

    符号 参数 数值
    ra 从动轮半径/mm 5
    rb 主动轮半径/mm 15
    Lfree 自由绳段长度/mm 45
    A 钢丝绳横截面积/mm2 0.096 162 5e-6
    E 钢丝绳弹性模量/GPa 200
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    表  2  末端执行器旋转角度

    Table  2.   End-effector rotating component rotation angles

    角位移/mm 角度/(°) 角位移/mm 角度/(°)
    13.00 148.97 13.10 150.11
    13.00 148.97 13.00 148.97
    12.55 143.81 13.25 151.83
    12.60 144.39 13.05 149.54
    12.80 146.68 13.00 148.97
    12.35 141.52 13.50 154.70
    13.60 155.84 12.75 146.10
    12.95 148.40 12.97(平均值) 148.59(平均值)
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-28
  • 网络出版日期:  2025-12-22
  • 刊出日期:  2025-09-30

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