腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微創(chuàng)手術(shù)具有不開腹、創(chuàng)傷小、痛苦小和恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn),因此在世界范圍內(nèi)得到了廣泛地應(yīng)用。傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)因其不可避免的缺陷在一定程度上限制了微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展:手術(shù)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(shù)器械容易疲勞;醫(yī)生手部震顫在手術(shù)器械末端被放大,無法完成精細(xì)分離、縫合等手術(shù)操作。機(jī)器人技術(shù)與微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)相結(jié)合,可以改善手術(shù)環(huán)境,提高手術(shù)質(zhì)量。針對腹腔微創(chuàng)手術(shù)的手術(shù)要求,本文進(jìn)行了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系

2、統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究,具體內(nèi)容如下:
　　進(jìn)行了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人機(jī)械本體和控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。根據(jù)腹腔微創(chuàng)手術(shù)的特點(diǎn),進(jìn)行了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì),機(jī)器人構(gòu)型由機(jī)器人車和手術(shù)器械組成,手術(shù)器械安裝在機(jī)器人車的機(jī)械臂上進(jìn)行手術(shù)操作;按照腹腔微創(chuàng)手術(shù)要求,進(jìn)行了機(jī)器人車和手術(shù)器械詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對機(jī)械臂臂長進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和對手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了仿真分析;根據(jù)機(jī)器人工作特點(diǎn),進(jìn)行了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并從機(jī)械和控制兩方面進(jìn)行了機(jī)

3、器人安全性設(shè)計(jì)。
　　進(jìn)行了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的主從控制研究。通過分析主手和從手機(jī)器人構(gòu)型,建立了主從運(yùn)動映射關(guān)系,提出了笛卡爾空間控制和關(guān)節(jié)控制相結(jié)合的主從控制策略;根據(jù)機(jī)器人工作模式,采用等效微分加誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的求解;為保證機(jī)器人運(yùn)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(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動的軌跡規(guī)劃和主手運(yùn)動的抖動濾波進(jìn)行了研究。
　　進(jìn)行了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制方法研究。通過分析腹腔

4、微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動的動態(tài)特性,采用重力補(bǔ)償與模糊 PD控制相結(jié)合的方法進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動控制,對關(guān)節(jié)控制器進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的有效性。
　　研究了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人術(shù)前機(jī)械臂臂形設(shè)置以及手術(shù)切口的位置選取。以典型腹腔微創(chuàng)手術(shù)膽囊切除術(shù)為例,建立了手術(shù)切口區(qū)域的數(shù)學(xué)模型。按照臂形設(shè)置的優(yōu)化要求,建立了機(jī)械臂臂形設(shè)置的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),分析了機(jī)械臂定位關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的臂形設(shè)置;根據(jù)機(jī)械臂臂形設(shè)置,應(yīng)用

5、全局同向性性能指標(biāo)分析了切口的位置選取,并驗(yàn)證了切口選取的有效性。
　　對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行了系統(tǒng)集成和實(shí)驗(yàn)研究。使用Optotrak Certus系統(tǒng)對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)進(jìn)行了遠(yuǎn)心運(yùn)動性能測試,對手術(shù)器械進(jìn)行了解耦運(yùn)動測試和關(guān)節(jié)運(yùn)動誤差測試,并對機(jī)器人末端的重復(fù)定位精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械性能和操作精度滿足手術(shù)要求;為驗(yàn)證機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際操作性能,實(shí)施了生物組織模擬膽囊切除實(shí)驗(yàn),