主操作手是微创外科手术机器人的关键组成部分,用于接收医生动作,并控制从操作手完成手术操作。在充分研究主操作手使用要求的基础上,分析了主操作手构型设计要求,完成了主操作手的构型设计。结合所设计主操作手的构型,应用Matlab Robotic Toolbox进行了空间运动轨迹规划仿真,得到主操作手关节位移、速度和加速度的变化曲线。结果表明,主操作手构型设计合理,运动平稳,为主操作手的进一步设计与优化奠定了理论基础。

作为连接手动操作和虚拟手术场景的桥梁,主操作手可再现多种腹腔镜手术动作,在虚拟手术系统中发挥着重要的作用。根据虚拟腹腔镜手术系统的应用需求,设计研发了一种6自由度被动式串联结构主操作手;通过运动学运算求得主操作手正运动学模型,在Matlab软件中对主操作手进行工作空间、轨迹规划分析;根据三维电磁跟踪系统采集的位置信息,对主操作手的运动学性能进行了定量与定性分析。结果表明,主操作手参数设计合理、运动学模型正确,工作空间分析与轨迹规划仿真结果满足虚拟腹腔镜手术的作业需求,为虚拟腹腔镜手术系统和主操作手的运动控制与术前手术规划奠定了基础。

为更好地提升机器人主操作手性能,减少由于机构重力导致的操作疲劳感并提高位置精度,设计了一款7自由度主操作手:大臂机构为一平行四边形机构,提供前后和左右自由度;小臂机构提供上下自由度;手腕机构提供俯仰和偏航自由度;末端操作器机构提供自转和开合自由度。为提高主操作手位置精度,在主操作手结构设计的基础上,应用旋量理论建立了主操作手的运动学及其误差模型,采用最小二乘法对运动学参数进行了辨识,并进行了标定实验。结果表明,经过运动学参数标定后,主操作手的最大位置误差改善了67.43%。