腹腔鏡操作機(jī)器人研制及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，醫(yī)療機(jī)器人作為智能機(jī)器人的一個分支正逐步進(jìn)入我們的生活，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，極大的推動了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)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(jī)器人技術(shù)及其裝備正日益成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受到了各國科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。
　　微創(chuàng)手術(shù)較傳統(tǒng)手術(shù)具有創(chuàng)傷小、傷口愈合時間短、術(shù)后恢復(fù)快、病人住院時間明顯縮短等優(yōu)點(diǎn)，提高了患者的生命健康品質(zhì)。而將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到微創(chuàng)手術(shù)

2、當(dāng)中具有提高微創(chuàng)手術(shù)質(zhì)量，降低醫(yī)生勞動強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，被廣大醫(yī)師所日漸接受，因此需進(jìn)一步研究微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用。
　　本文針對“腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)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(guān)于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人研究狀況的基礎(chǔ)上，深入研究微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)。綜合利用精密機(jī)械、控制理論、傳感技術(shù)等學(xué)科技術(shù)，研制開發(fā)出適用于微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境的腹腔鏡操作機(jī)器人，并對所涉及的腹腔鏡操作機(jī)器人相關(guān)關(guān)鍵技

3、術(shù)進(jìn)行了深入研究。
　　本文首先研究腹腔鏡操作機(jī)器人機(jī)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(shù)的應(yīng)用環(huán)境，分析腹腔微創(chuàng)手術(shù)的作業(yè)需求，采用被動式腕部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)腹腔鏡繞插入點(diǎn)運(yùn)動，最終確定7自由度冗余機(jī)械臂作為腹腔鏡操作機(jī)器人構(gòu)型。采用模塊化設(shè)計方法簡化機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜度，提高機(jī)器人的可維護(hù)性。研究基于運(yùn)動控制卡開放式機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計機(jī)器人伺服系統(tǒng)及相應(yīng)控制器硬件接口，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)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(shè)計。
　　其次研究微創(chuàng)條件約束下腹腔鏡操作機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的分析方法。考慮由于手術(shù)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(shù)插入點(diǎn)的位置，利用腹腔鏡運(yùn)動學(xué)參數(shù)，應(yīng)用空間向量幾何關(guān)系計算腹腔鏡插入點(diǎn)的位置。求解機(jī)器人正逆位置運(yùn)動學(xué)，并采用矢量積法求解機(jī)器人速度正運(yùn)動學(xué)，應(yīng)用腹腔鏡運(yùn)動所滿足微創(chuàng)條件約束給出機(jī)器人速度逆運(yùn)動學(xué)。使醫(yī)生獲取了同開放式手術(shù)中相同的笛卡爾控制方式，為腹腔鏡操作機(jī)器人

5、運(yùn)動規(guī)劃及控制奠定了基礎(chǔ)。
　　然后研究腹腔鏡操作機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃技術(shù)。在分析腹腔微創(chuàng)手術(shù)任務(wù)的基礎(chǔ)上將機(jī)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(diǎn)運(yùn)動中實時估計插入點(diǎn)的位置，提高了腹腔鏡末端點(diǎn)的控制精度。在研究梯度投影法求解冗余度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合位姿分解方法，提出了一種有效的7自由度冗余機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解求解方法。
　　再次研究腹腔鏡操作機(jī)器人術(shù)前位置規(guī)劃技術(shù)。微創(chuàng)手術(shù)中醫(yī)生需要操作

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