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第卷第期机器人∂ 年月ΡΟΒΟΤ∏ 文章编号222 基于压电陶瓷驱动的腹腔手术微型机器人 关节驱动部件研究Ξ 马记吴月华许杜华生杨杰 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系合肥 摘要本文简要介绍了一个基于压电陶瓷驱动的腹腔手术用微型机器人系统重点叙述了微型机器人关节 驱动部件的结构设计方案及其实现对所设计的柔性铰链进行了定量力学分析并通过实验证明采用柔性铰链来实 现驱动位移的放大是确实可行的 关键词微型机器人压电陶瓷柔性铰链 中图分类号×°文献标识码 ΣΤΥΔΨΟΝΤΗΕϑΟΙΝΤΔΡΙςΕΡΟΦΜΙΧΡΟΡΟΒΟΤΒΑΣΕΔΟΝ ΠΙΕΖΟΕΛΕΧΤΡΙΧΕΛΕΜΕΝΤΦΟΡΧΕΛΙΑΧΟΠΕΡΑΤΙΟΝ •≠∏2∏÷⁄∏2≠ ΔεπαρτμεντοφΠρεχισιονΜαχηινερψΠρεχισιονΙνστρυμεντΥνιϖερσιτψοφΣχιενχεανδΤεχηνολογψοφΧηιναΗεφειΧηινα Αβστραχτ×∏ √±∏√ ¬∏∞¬√¬∏ Κεψωορδσ¬∏∏ 1引言ΙντροδυχτιονΓΛ紧与定位以及驱动位移的放大 压电陶瓷具有体积小!重量轻!精度和分辨率 随着科技的迅猛发展利用微型机器人进行微 高!频响高!输出力大≈等优点可以很好地作为微小 创伤外科腹腔手术的要求越来越迫切迄今日本东 位移的驱动元件目前主要应用在精密光学干涉仪! 京大学和名古屋大学分别报道过腹腔手术机器人的 生物显微镜载物台!扫描隧道显微镜顶针装置等在 研究成果他们采用形状记忆合金或采用压电陶瓷 微型机器人的应用上也越来越为科研工作者所重 作为驱动元件可以实现手术器械的能动弯曲从最 视压电陶瓷变形非常小通常只有几个微米为了 合理的位置接近手术目标的功能但是实验中发现 满足腹腔手术机器人工作的需要必须将其步长位 形状记忆合金的输出力不能满足需要而采用的压 移量放大并通过一定的机构将位移方向发生转变 电陶瓷驱动方式存在着工作区间过窄的致命弱点 使机器人实现转向的功能 作者利用压电陶瓷作为驱动装置精心设计了一个 根据文献在一般转角不大的情况下柔性铰链 微型多节蛇形游动机构并装配以≤≤⁄摄像系统! 不但可以实现驱动位移的放大而且可以消除间隙! 手术器械以及智能控制系统使得微型机构的关节≈ 机械摩擦保证机构的稳定性本文采用柔性铰链 之间可实现?β的转角且最大速度不低于βχ 作为压电陶瓷微位移的放大装置并实现机构的锁 其实现的关键是压电陶瓷应用于驱动元件的锁 紧作用 Ξ基金项目本课题系国家自然科学基金资助项目资助 收稿日期 机器人年月 2关节驱动原理Δριϖινγμεχηανισμοφτηε驱动部件的大范围运动 ϕοιντδριϖερ3关节驱动部件结构设计Στρυχτυρεδεσιγν 本文采用压电陶瓷型号是∞⁄尺寸为οφτηεϕοιντδριϖερ ≅≅它实际上是由许多片的 31总体方案 压电陶瓷层叠后封装在一起在推荐电压∂作用 图为驱动部件的原理示意图 下的变形为Λ?作者设计的驱动机构的驱 动原理如图所示≤为同型号的压电陶瓷 图驱动部件原理示意图 ƒ∏√ 图中为锁紧机架为锁紧件它通过压紧导 杆来锁住压电陶瓷导杆通过环氧树脂与压电陶 瓷粘接在一起实现锁紧作