腹腔鏡操作機器人研制及其關鍵技術研究.pdf

1、隨著機器人技術的發(fā)展及其應用領域的不斷擴展，醫(yī)療機器人作為智能機器人的一個分支正逐步進入我們的生活，將機器人技術應用到現(xiàn)代醫(yī)學領域，極大的推動了現(xiàn)代醫(yī)療技術的發(fā)展，是現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生裝備的發(fā)展方向之一。目前，醫(yī)療機器人技術及其裝備正日益成為機器人領域的研究熱點，受到了各國科研機構的廣泛關注。
　　微創(chuàng)手術較傳統(tǒng)手術具有創(chuàng)傷小、傷口愈合時間短、術后恢復快、病人住院時間明顯縮短等優(yōu)點，提高了患者的生命健康品質(zhì)。而將機器人技術應用到微創(chuàng)手術

2、當中具有提高微創(chuàng)手術質(zhì)量，降低醫(yī)生勞動強度等優(yōu)點，被廣大醫(yī)師所日漸接受，因此需進一步研究微創(chuàng)手術機器人關鍵技術及其在微創(chuàng)手術中的應用。
　　本文針對“腹腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)研究”的國家“863”計劃資助項目，在綜述國內(nèi)外關于微創(chuàng)手術機器人研究狀況的基礎上，深入研究微創(chuàng)手術機器人的相關理論和關鍵技術。綜合利用精密機械、控制理論、傳感技術等學科技術，研制開發(fā)出適用于微創(chuàng)手術環(huán)境的腹腔鏡操作機器人，并對所涉及的腹腔鏡操作機器人相關關鍵技

3、術進行了深入研究。
　　本文首先研究腹腔鏡操作機器人機械本體、硬件控制系統(tǒng)及軟件控制系統(tǒng)。根據(jù)微創(chuàng)手術的應用環(huán)境，分析腹腔微創(chuàng)手術的作業(yè)需求，采用被動式腕部結構來實現(xiàn)腹腔鏡繞插入點運動，最終確定7自由度冗余機械臂作為腹腔鏡操作機器人構型。采用模塊化設計方法簡化機器人結構設計的復雜度，提高機器人的可維護性。研究基于運動控制卡開放式機器人控制器結構，設計機器人伺服系統(tǒng)及相應控制器硬件接口，采用面向?qū)ο蠹夹g和模塊化思想開發(fā)了系統(tǒng)控制軟件

4、，介紹了控制軟件的容錯性設計。
　　其次研究微創(chuàng)條件約束下腹腔鏡操作機器人運動學的分析方法?？紤]由于手術切口處隔肌厚度和病人呼吸等因素的影響，很難通過測量的方法獲取手術插入點的位置，利用腹腔鏡運動學參數(shù)，應用空間向量幾何關系計算腹腔鏡插入點的位置。求解機器人正逆位置運動學，并采用矢量積法求解機器人速度正運動學，應用腹腔鏡運動所滿足微創(chuàng)條件約束給出機器人速度逆運動學。使醫(yī)生獲取了同開放式手術中相同的笛卡爾控制方式，為腹腔鏡操作機器人

5、運動規(guī)劃及控制奠定了基礎。
　　然后研究腹腔鏡操作機器人的運動規(guī)劃技術。在分析腹腔微創(chuàng)手術任務的基礎上將機器人的操作規(guī)劃為4種基本的動作，并分別討論了實現(xiàn)4種動作的方法。在繞插入點運動中實時估計插入點的位置，提高了腹腔鏡末端點的控制精度。在研究梯度投影法求解冗余度機器人運動學的基礎上，結合位姿分解方法，提出了一種有效的7自由度冗余機器人運動學逆解求解方法。
　　再次研究腹腔鏡操作機器人術前位置規(guī)劃技術。微創(chuàng)手術中醫(yī)生需要操作

6、腹腔鏡來觀察病灶點的狀況，因此腹腔鏡末端能否到達相應的位置關系到手術能否順利的進行。因此，給出一種基于距離梯度投影搜索方法的機器人基座位置規(guī)劃方法，并結合腹腔鏡操作機器人靈活度空間分布，提出腹腔鏡操作機器人術前位置規(guī)劃算法。
　　最后，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO計腹腔鏡操作機器人虛擬仿真系統(tǒng)，對機器人術前位置規(guī)劃算法和運動規(guī)劃進行仿真。對建立的腹腔鏡操作機器人系統(tǒng)進行運動控制實驗研究，并進行實驗數(shù)據(jù)分析，驗證腹腔鏡操作機器人相關理論的有