神經(jīng)外科是一門(mén)高、精、尖學(xué)科，伴隨著高質(zhì)量的神經(jīng)外科醫(yī)療服務(wù)需求的快速上升，用作手術(shù)輔助的精密機(jī)械臂成為熱點(diǎn)。雖然機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)械臂已經(jīng)發(fā)展至成熟階段，在精度、承載力方面有著突出的優(yōu)勢(shì)，但磁性金屬材料的使用并不適用輔助如腦深部電極植入手術(shù)這類(lèi)核磁環(huán)境下手術(shù)的全自動(dòng)化。機(jī)械傳動(dòng)間隙產(chǎn)生碰撞和摩擦帶來(lái)了作業(yè)過(guò)程中的振動(dòng)、噪音及精度的限制。本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一款具備高精度、快響應(yīng)、小尺寸、適應(yīng)核磁環(huán)境工作等特點(diǎn)的腦深部電極植入手術(shù)輔助機(jī)械臂，創(chuàng)新設(shè)計(jì)基于大氣負(fù)壓腔的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行功能驗(yàn)證。

在(負(fù)壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié))專(zhuān)利的基礎(chǔ)上對(duì)大氣/負(fù)壓驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析與建模，創(chuàng)新設(shè)計(jì)基于該驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行原理驗(yàn)證。

其次對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型及仿真的方式對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析與驗(yàn)證，隨后針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)目標(biāo)工作空間及可達(dá)工作空間仿真分析。

最后在搭建樣機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械臂路徑規(guī)劃進(jìn)行控制。

建立了大氣驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，基于數(shù)學(xué)模型的分析設(shè)計(jì)搭建了驅(qū)動(dòng)裝置，主要包括儲(chǔ)能、控制、執(zhí)行三個(gè)部分。在該裝置上實(shí)現(xiàn)了“并聯(lián)”、“串聯(lián)”兩種方式來(lái)利用儲(chǔ)存的負(fù)壓能量，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)了六自由度轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)工作空間分析、機(jī)械校核、動(dòng)力分析等對(duì)機(jī)械臂尺寸、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行多輪迭代優(yōu)化，滿(mǎn)足目標(biāo)工作空間要求且實(shí)現(xiàn)小尺寸與集成設(shè)計(jì)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分別通過(guò)建立機(jī)械臂系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及搭建仿真系統(tǒng)相互驗(yàn)證。

利用stm32單片機(jī)輸出PWM信號(hào)分別控制12路閥門(mén)的通斷情況，利用電位器式角度傳感器測(cè)量閥門(mén)打開(kāi)時(shí)擺動(dòng)缸的角度變化，結(jié)合控制算法實(shí)現(xiàn)了單關(guān)節(jié)閉環(huán)控制，并比較不同輸入PWM信號(hào)占空比下對(duì)應(yīng)單關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化。在通斷閥系統(tǒng)下利用控制輸入信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制，通過(guò)改變角度的方式調(diào)整機(jī)械臂的位姿。