線驅(qū)軟體手術(shù)機(jī)器人形狀感知與控制.pdf

1、微創(chuàng)手術(shù)不僅可以減輕患者痛苦，縮短恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)可以在某種程度上緩解醫(yī)療資源緊張的問(wèn)題。但目前的微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，花費(fèi)不菲，而且體積龐大，操作臂由硬質(zhì)材料制成，存在比較大的風(fēng)險(xiǎn)，使得現(xiàn)在的微創(chuàng)手術(shù)器械使用率較低。軟體機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，它的靈感來(lái)源于動(dòng)物界的軟體動(dòng)物或動(dòng)物器官，比如章魚、象鼻等。仿照動(dòng)物的這些特點(diǎn)，用硅膠和拉線制成的軟體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)類似于章魚手臂的靈活運(yùn)動(dòng)。
　　針對(duì)上述微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，結(jié)合

2、軟體機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，本課題組設(shè)計(jì)了軟體手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。本文主要探討軟體機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，針對(duì)軟體機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)中應(yīng)用存在的問(wèn)題展開一系列研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)主要有：
　　本文根據(jù)臨床手術(shù)的要求，改進(jìn)了現(xiàn)有的軟體手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)展，并使驅(qū)動(dòng)裝置與機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化。開發(fā)了一套全新的操作界面，將重要數(shù)據(jù)和視頻信息顯示在操作界面上，便于醫(yī)生及時(shí)判斷機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)上位

3、機(jī)軟件具有報(bào)警功能，當(dāng)判斷機(jī)器人出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警并采取緊急措施，最大限度降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為了與上位機(jī)軟件進(jìn)行配合，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)軟件，用于執(zhí)行上位機(jī)軟件下發(fā)的指令并將運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)上報(bào)。手術(shù)系統(tǒng)的可行性和安全性通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，胸腔和肺部的活檢手術(shù)、心耳結(jié)扎手術(shù)以及心臟消融手術(shù)在跳動(dòng)心臟上的成功進(jìn)行不僅說(shuō)明了手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性，同時(shí)也對(duì)說(shuō)明了手術(shù)系統(tǒng)的可行性和安全性。
　　本文提出了一套光纖布拉格光柵形狀感知算法。針對(duì)手術(shù)過(guò)程

4、中存在的無(wú)法實(shí)時(shí)感知軟體機(jī)器人手臂形狀，僅依靠前端攝像頭的反饋，可能對(duì)醫(yī)生進(jìn)行下一步操作造成誤判的問(wèn)題，提出了形狀感知算法，通過(guò)在手臂內(nèi)部嵌入光纖布拉格光柵傳感器的方式對(duì)手臂的實(shí)時(shí)形狀進(jìn)行感知。通過(guò)光纖布拉格光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以測(cè)得軟體機(jī)器人手臂的形變，進(jìn)而獲得軟體機(jī)器人手臂在傳感器測(cè)量點(diǎn)處的三維曲率和撓率信息，通過(guò)插值算法得到整個(gè)手臂的曲率和撓率信息，進(jìn)而通過(guò)估計(jì)算法計(jì)算出軟體手臂中心線的形狀。形狀感知算法的有效性通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

5、
　　最后，本文提出一種關(guān)于軟體機(jī)器人手臂的形狀控制算法。發(fā)展了連續(xù)體機(jī)器人在形狀控制方面的研究，結(jié)合軟體機(jī)器人彎曲的特點(diǎn)，提出了一套軟體機(jī)器人手臂形狀控制算法。基于常曲率的假設(shè)，對(duì)軟體機(jī)器人手臂的形狀在三維空間中的描述進(jìn)行分析，找到描述軟體機(jī)器人手臂三維形狀所需要的參數(shù)。通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，建立軟體機(jī)器人手臂三維形狀描述參數(shù)與軟體機(jī)器人手臂驅(qū)動(dòng)線之間的關(guān)系。根據(jù)兩者之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)控制器對(duì)軟體機(jī)器人手臂三維形狀進(jìn)行控制。為了驗(yàn)證控