腹腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、微創(chuàng)手術具有不開腹、創(chuàng)傷小、痛苦小和恢復快等優(yōu)點,因此在世界范圍內(nèi)得到了廣泛地應用。傳統(tǒng)微創(chuàng)手術因其不可避免的缺陷在一定程度上限制了微創(chuàng)手術的應用和發(fā)展:手術器械在切口處的“杠桿”作用使得醫(yī)生操作的手眼協(xié)調(diào)性較差;醫(yī)生長時間操作手術器械容易疲勞;醫(yī)生手部震顫在手術器械末端被放大,無法完成精細分離、縫合等手術操作。機器人技術與微創(chuàng)外科手術技術相結合,可以改善手術環(huán)境,提高手術質(zhì)量。針對腹腔微創(chuàng)手術的手術要求,本文進行了腹腔微創(chuàng)手術機器人系

2、統(tǒng)關鍵技術研究,具體內(nèi)容如下:
　　進行了腹腔微創(chuàng)手術機器人機械本體和控制系統(tǒng)的研究與設計。根據(jù)腹腔微創(chuàng)手術的特點,進行了腹腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)構型設計,機器人構型由機器人車和手術器械組成,手術器械安裝在機器人車的機械臂上進行手術操作;按照腹腔微創(chuàng)手術要求,進行了機器人車和手術器械詳細結構設計,并對機械臂臂長進行了優(yōu)化設計和對手術器械的結構性能進行了仿真分析;根據(jù)機器人工作特點,進行了控制系統(tǒng)結構設計,并從機械和控制兩方面進行了機

3、器人安全性設計。
　　進行了腹腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)的主從控制研究。通過分析主手和從手機器人構型,建立了主從運動映射關系,提出了笛卡爾空間控制和關節(jié)控制相結合的主從控制策略;根據(jù)機器人工作模式,采用等效微分加誤差補償?shù)姆椒ㄟM行了機器人運動學逆解的求解;為保證機器人運動的平穩(wěn)性,采用三次樣條插值法和滑動平均濾波法對機器人關節(jié)運動的軌跡規(guī)劃和主手運動的抖動濾波進行了研究。
　　進行了腹腔微創(chuàng)手術機器人關節(jié)控制方法研究。通過分析腹腔

4、微創(chuàng)手術機器人運動的動態(tài)特性,采用重力補償與模糊 PD控制相結合的方法進行關節(jié)運動控制,對關節(jié)控制器進行了詳細設計,并通過仿真實驗驗證了腹腔微創(chuàng)手術機器人關節(jié)控制的有效性。
　　研究了腹腔微創(chuàng)手術機器人術前機械臂臂形設置以及手術切口的位置選取。以典型腹腔微創(chuàng)手術膽囊切除術為例,建立了手術切口區(qū)域的數(shù)學模型。按照臂形設置的優(yōu)化要求,建立了機械臂臂形設置的目標優(yōu)化函數(shù),分析了機械臂定位關節(jié)和遠心機構的臂形設置;根據(jù)機械臂臂形設置,應用

5、全局同向性性能指標分析了切口的位置選取,并驗證了切口選取的有效性。
　　對腹腔微創(chuàng)手術機器人進行了系統(tǒng)集成和實驗研究。使用Optotrak Certus系統(tǒng)對腹腔微創(chuàng)手術機器人機械臂的遠心機構進行了遠心運動性能測試,對手術器械進行了解耦運動測試和關節(jié)運動誤差測試,并對機器人末端的重復定位精度進行了實驗測試,實驗驗證了腹腔微創(chuàng)手術機器人的機械性能和操作精度滿足手術要求;為驗證機器人系統(tǒng)的實際操作性能,實施了生物組織模擬膽囊切除實驗,