發(fā)布時間：2020-09-27 18:20

　　 機器人微創(chuàng)手術(shù)不僅具有傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)創(chuàng)口小、疼痛輕、出血少及術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點，同時也解決了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中存在的諸多問題：如基于主從控制的手術(shù)方式能夠減輕醫(yī)生手術(shù)時的疲勞，并解決傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中存在的“筷子效應(yīng)”問題；機器人能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜精細(xì)的手術(shù)操作，可以極大地拓展醫(yī)生的手術(shù)能力。正是由于這些無可比擬的優(yōu)勢，機器人微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)得到了外科手術(shù)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可，國內(nèi)外眾多醫(yī)療機構(gòu)都對微創(chuàng)外科手術(shù)機器人表現(xiàn)出極大的使用欲望，研制和開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)不但具有很高的學(xué)術(shù)研究價值，同時也可以帶來巨大的社會經(jīng)濟效益，這是本文開展微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)研制工作的目的及意義所在。 通過對微創(chuàng)外科手術(shù)操作環(huán)境進行分析，提出了微創(chuàng)外科手術(shù)對機器人機構(gòu)設(shè)計的基本要求，并在此基礎(chǔ)上研制出了由手術(shù)機械臂系統(tǒng)及手術(shù)微器械組成的機器人執(zhí)行系統(tǒng)。為了滿足微創(chuàng)手術(shù)所需的術(shù)中空間不變點，本文對復(fù)合平行四邊形機構(gòu)進行改進，研制出一種基于鋼帶傳動的新型平行四邊形遠(yuǎn)心點運動機構(gòu)，并將該機構(gòu)用于本文的機械臂機構(gòu)設(shè)計中。此外，本文還研制出一種采用鋼絲驅(qū)動的單自由度關(guān)節(jié)，并將該關(guān)節(jié)用于手術(shù)微器械的腕部機構(gòu)設(shè)計中。實際的微器械腕部運動測試表明該單元關(guān)節(jié)具有較好的運動靈活性，完全能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)微器械腕部機構(gòu)設(shè)計要求。 為了滿足微創(chuàng)手術(shù)對機械臂術(shù)中運動靈活性的要求，采用機械臂雅可比矩陣的奇異值構(gòu)造了基于條件數(shù)和可操作度的綜合靈巧度評價指標(biāo)，并建立了基于該綜合評價指標(biāo)的機械臂靈巧度優(yōu)化模型。通過采用序列二次規(guī)劃算法對該優(yōu)化問題進行求解，實現(xiàn)了對機械臂術(shù)中運動靈巧度的優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明機械臂在其工作空間內(nèi)具有良好的各向同性及可操作度，能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)對其運動靈活性的要求。此外，本文采用擺位機構(gòu)的封閉逆解方程對梯度投影算法進行改進，并采用改進的梯度投影算法對機器人執(zhí)行系統(tǒng)進行了術(shù)前擺位規(guī)劃；雙器械機械臂在動物膽囊摘除手術(shù)中的實際操作性能表明該術(shù)前規(guī)劃方法對機器人系統(tǒng)的術(shù)前擺位具有較好的指導(dǎo)性作用。 針對所研制的微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)，提出了一種基于位姿分離的主從控制算法，該主從控制算法通過實現(xiàn)主從運動映射中的位置和姿態(tài)分離，將手術(shù)機械臂系統(tǒng)中的6自由度串聯(lián)機構(gòu)逆解問題簡化為兩個3自由度串聯(lián)機構(gòu)的逆解問題，極大地降低了機械臂系統(tǒng)的逆解求解難度。同時，本文采用該主從控制算法實現(xiàn)了基于主手位置增量的主從軌跡跟蹤控制，并成功解決了手術(shù)過程中的主從一致性問題、主從二次映射問題以及軌跡跟蹤過程中的位置指令平滑處理問題。此外，本文提出了基于器械末端位置不變的腕部姿態(tài)細(xì)分算法，該算法可實現(xiàn)術(shù)中手術(shù)器械的快速安全更換。 在上述研究基礎(chǔ)上，本文對所研制的手術(shù)機器人進行系統(tǒng)集成，并對機械臂系統(tǒng)中的遠(yuǎn)心點機構(gòu)進行標(biāo)定測試，測試數(shù)據(jù)表明該機構(gòu)能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)對遠(yuǎn)心點空間位置穩(wěn)定性的要求。同時，本文通過采集手術(shù)過程中的實際數(shù)據(jù)對提出的主從控制算法進行驗證，結(jié)果表明該主從控制算法能夠較好的實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的主從軌跡跟蹤控制。最后，本文通過實際的動物膽囊摘除手術(shù)對所研制的手術(shù)機器人整體操作性能進行驗證，手術(shù)結(jié)果表明該機器人系統(tǒng)具有較好的術(shù)中操作性能，并基本具備開展臨床手術(shù)的能力。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

第 1 章 緒論國微創(chuàng)外科手術(shù)機器人發(fā)展綜述 年，一臺經(jīng)過改進的 PUMA560 工業(yè)機器人在加州放射醫(yī)學(xué)中樣實驗[13]；1989 年，加州大學(xué)和 IBM 公司利用機器人開展了[14]；1994 年，美國 Computer motion 公司研發(fā)出外科手術(shù)機]，如圖 1-1 所示。該系統(tǒng)采用一條具有 6 個自由度的機械手臂腔鏡腔內(nèi)位姿，以獲得穩(wěn)定的腔內(nèi)手術(shù)場景圖像，AESOP 機器 FDA 認(rèn)證并用于實際臨床外科手術(shù)的機器人系統(tǒng)[16]，此后該增加了機械臂的語音控制功能。

FDA 認(rèn)證并用于實際臨床外科手術(shù)的機器人系統(tǒng)，此后該增加了機械臂的語音控制功能。圖 1-1 外科手術(shù)機器人系統(tǒng)：AESOP[16]Fig.1-1 Surgical robot system：AESOP[16]ESOP 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，Computer Motion公司研制出了能夠開展EUS 外科手術(shù)機器人系統(tǒng)[17,18]， 該系統(tǒng)包括醫(yī)生操作臺和機如圖 1-2 所示，醫(yī)生通過操作控制臺上的主手即可控制機械臂。機械臂系統(tǒng)中的兩條 7 自由度手術(shù)機械手臂可用于臨床手術(shù)械手臂可用于調(diào)整腔鏡的腔內(nèi)位姿，三條不同功能的機械臂系上，便于實現(xiàn)不同機械臂系統(tǒng)間的統(tǒng)一標(biāo)定。

圖 1-4 Columbia UniversitFig.1-4 Surgical robot system dev美國華盛頓大學(xué)的漢納福德和加州力于開發(fā)名為 Raven 的新型小型化微創(chuàng)外系統(tǒng)最初是由漢納福德和羅森為美國軍兩條用于手術(shù)操作的機械手臂以及一條系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，體積和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人系統(tǒng)；該系統(tǒng)主要定位于為從事相關(guān)器人硬件平臺，為便于各個研究機構(gòu)在用了基于 linux 的操作系統(tǒng)，所有的操要修改相應(yīng)的源代碼，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 孫立寧;張劍;杜志江;;一種基于圖像導(dǎo)航的骨外科手術(shù)機器人系統(tǒng)[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報;2006年02期

本文編號：2828209