微創(chuàng)手術(shù)機器人力檢測關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微創(chuàng)手術(shù)機器人克服了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)在觀察、宜人、操作、靈活等多方面的不足，在輔助醫(yī)生執(zhí)行外科手術(shù)時獲得了廣泛的應用。然而，現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機器人仍然缺少力反饋功能，它無法將手術(shù)器械與患者組織的接觸力反饋給醫(yī)生。醫(yī)生因而無法通過組織觸摸來鑒別組織屬性或病變，醫(yī)生在執(zhí)行一些精細操作時，想要施加精確的作用力也會變得非常困難。因此，微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境下的力檢測技術(shù)成為微創(chuàng)手術(shù)機器人研究的熱點和前沿。目前，對微創(chuàng)手術(shù)機器人力檢測的研究還存在測量維數(shù)不足、范圍

2、和精度較低、與器械兼容性差等問題，限制了機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)質(zhì)量和效率的進一步提高。
　　論文針對微創(chuàng)手術(shù)機器人力信息檢測中存在的問題，開展交互作用力分析，設(shè)計微型力傳感器，研制具有力感知的手術(shù)器械，并通過靜態(tài)標定、測試實驗以及體外實驗對所設(shè)計傳感器和手術(shù)器械的技術(shù)有效性進行驗證。論文的主要研究工作如下：
　　對手術(shù)器械與組織器官之間的交互作用力進行分析。對微創(chuàng)手術(shù)中手術(shù)器械上不同部位的作用力進行定性分析，明確在執(zhí)行組織觸摸、

3、鈍性分離等典型技術(shù)操作時才有檢測交互作用力的必要性。總結(jié)執(zhí)行典型技術(shù)操作時交互作用力的范圍大小和電阻式力傳感器的檢測原理，為微型傳感器設(shè)計提供設(shè)計要求。
　　面向微創(chuàng)手術(shù)組織觸摸，設(shè)計一套三維微型力傳感器。設(shè)計新型三腳架彈性體結(jié)構(gòu)，使用應變計來檢測三維正交力分量的大小和方向。推導出線性剛度矩陣和靈敏度矩陣，分別揭示傳感器承載能力和靈敏度與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)之間的關(guān)系。通過參數(shù)優(yōu)化的方法保證傳感器具有足夠的剛度和較高的靈敏度。靜態(tài)標定實驗

4、確定傳感器樣機的測量范圍和測量精度。體外實驗驗證該樣機在微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境下執(zhí)行組織觸摸任務的可行性。
　　面向微創(chuàng)手術(shù)典型技術(shù)操作，設(shè)計一套六維微型力/力矩傳感器。設(shè)計具有彈性鉸鏈的Stewart平臺，能夠檢測交互作用力的全部六維力/力矩分量。提出一種考慮廣義力和靈敏度各項同性度的參數(shù)優(yōu)化方法并使用非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)對Stewart平臺結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行多目標優(yōu)化，以最好地適應給定的外部載荷。靜態(tài)標定實驗確定傳感器樣機

5、的測量范圍和測量精度。
　　研制一套具有模塊化關(guān)節(jié)的六維力感知新型手術(shù)器械。在夾鉗機構(gòu)和手腕機構(gòu)之間集成六維微型力/力矩傳感器，通過一套張力分解機構(gòu)減輕夾鉗鋼絲張緊力對傳感器的干擾?；趩卧P(guān)節(jié)可重構(gòu)思想，設(shè)計模塊化手腕機構(gòu)既有利于微型傳感器的安裝測量，又可為手術(shù)器械提供俯仰和偏航兩自由度運動，而且能夠有效地解除腕部運動耦合。經(jīng)過測試實驗，獲取該樣機的運動范圍和重復定位精度。
　　在微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)中對手術(shù)器械力檢測的效果