微创机器人辅助手术不仅具有创伤小、疼痛低和恢复快的优势,相比于传统微创手术还可以为医生手术提供更高的精度、灵活性和稳定性,能有效降低手术疲劳,因此微创机器人的应用日益广泛。而末端手术器械是微创机器人的核心部件,是直接进行手术操作的执行端,其性能的高低对于手术效果的影响极为关键。近几年来,对于末端手术器械的研究已成为微创手术机器人领域内的热点。钢丝传动具有易于小型化、传动方式灵活和传动平稳等优势,常被用于微创机器人手术器械的设计中。但随着研究的深入,也发现钢丝传动有刚度较低、传动比不固定和布线较为复杂的问题。相比而言,齿轮传动具有确定的传动比、高刚度和高效率等优势。因此本文将齿轮传动引入微创机器人手术器械的设计中,形成齿轮传动和钢丝传动组成的复合传动,进行了微创手术器械的设计。本文在对国内外关于微创手术机器人及其手术器械的研究情况进行综述的基础上,进行了微创手术器械的设计。从设计方案出发,完成器械各结构模块的详细设计,还进行了有限元分析、锥齿轮传动优化、模态分析、器械运动学分析和仿真的工作,此外还利用试制的样机进行了运动实验。首先,依据对腹腔镜下微创手术的流程和器械应用环境的分析,确定了微创手术对器械功能的具体要求。依据设计要求,选择利用更符合人手腕部自由度的RPY串联式构型进行结构设计。基于微创手术对器械灵活运动的要求,器械有四个自由度,并根据齿轮和钢丝的传动特点,进行自由度的配置和复合传动方案的设计。其次,对器械的具体结构进行模块化设计。器械整体分为末端钳爪、器械轴杆和传动接口部分三个模块。器械末端钳爪部分的尺寸限制较严,无法设计太多的传动环节,因此将复合传动的主要零件设计在后置的传动接口部分中。在传动接口部分中,用锥齿轮传递空间交错轴间的动力,完成腕部俯仰和器械轴杆自转;利用钢丝传动进行传动接口部分和末端钳爪间的传动,实现钳爪的开合与偏摆。还设计了预紧装置张紧钢丝,并选择合适的钢丝和电机型号。此外,通过对耦合现象的分析,利用控制解耦方法进行解耦设计。然后,对微创器械的钳爪、腕部锥齿轮和器械轴杆等关键零件进行力学仿真分析,验证了器械的可靠性。以腕部锥齿轮体积最小化为优化目标,对锥齿轮传动进行了优化设计。还基于对振动和安全性问题的考虑,采用模态分析方法对器械的振动特性进行了研究。最后,进行器械的运动学分析、仿真和实验。用“D-H”法进行运动学建模,解出器械的正运动学位姿变换矩阵,并算出逆运动学的解,还绘制了微创手术器械末端钳爪的工作空间。之后,对器械齿轮传动系的传动效果进行了运动仿真。用3D打印技术试制了样机,并进行了器械的运动实验,验证了设计的手术器械的合理性和可行性。