機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)不僅具有傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)創(chuàng)口小、疼痛輕、出血少及術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中存在的諸多問(wèn)題：如基于主從控制的手術(shù)方式能夠減輕醫(yī)生手術(shù)時(shí)的疲勞，并解決傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中存在的“筷子效應(yīng)”問(wèn)題；機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜精細(xì)的手術(shù)操作，可以極大地拓展醫(yī)生的手術(shù)能力。正是由于這些無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)得到了外科手術(shù)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可，國(guó)內(nèi)外眾多醫(yī)療機(jī)構(gòu)都對(duì)微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人表現(xiàn)出極大的使用欲望，研制和開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微創(chuàng)外科機(jī)器人系統(tǒng)不但具有很高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值，同時(shí)也可以帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，這是本文開(kāi)展微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研制工作的目的及意義所在。 通過(guò)對(duì)微創(chuàng)外科手術(shù)操作環(huán)境進(jìn)行分析，提出了微創(chuàng)外科手術(shù)對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，并在此基礎(chǔ)上研制出了由手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)及手術(shù)微器械組成的機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)。為了滿(mǎn)足微創(chuàng)手術(shù)所需的術(shù)中空間不變點(diǎn)，本文對(duì)復(fù)合平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，研制出一種基于鋼帶傳動(dòng)的新型平行四邊形遠(yuǎn)心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并將該機(jī)構(gòu)用于本文的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。此外，本文還研制出一種采用鋼絲驅(qū)動(dòng)的單自由度關(guān)節(jié)，并將該關(guān)節(jié)用于手術(shù)微器械的腕部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。實(shí)際的微器械腕部運(yùn)動(dòng)測(cè)試表明該單元關(guān)節(jié)具有較好的運(yùn)動(dòng)靈活性，完全能夠滿(mǎn)足微創(chuàng)手術(shù)微器械腕部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。 為了滿(mǎn)足微創(chuàng)手術(shù)對(duì)機(jī)械臂術(shù)中運(yùn)動(dòng)靈活性的要求，采用機(jī)械臂雅可比矩陣的奇異值構(gòu)造了基于條件數(shù)和可操作度的綜合靈巧度評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立了基于該綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的機(jī)械臂靈巧度優(yōu)化模型。通過(guò)采用序列二次規(guī)劃算法對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂術(shù)中運(yùn)動(dòng)靈巧度的優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明機(jī)械臂在其工作空間內(nèi)具有良好的各向同性及可操作度，能夠滿(mǎn)足微創(chuàng)手術(shù)對(duì)其運(yùn)動(dòng)靈活性的要求。此外，本文采用擺位機(jī)構(gòu)的封閉逆解方程對(duì)梯度投影算法進(jìn)行改進(jìn)，并采用改進(jìn)的梯度投影算法對(duì)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了術(shù)前擺位規(guī)劃；雙器械機(jī)械臂在動(dòng)物膽囊摘除手術(shù)中的實(shí)際操作性能表明該術(shù)前規(guī)劃方法對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的術(shù)前擺位具有較好的指導(dǎo)性作用。 針對(duì)所研制的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，提出了一種基于位姿分離的主從控制算法，該主從控制算法通過(guò)實(shí)現(xiàn)主從運(yùn)動(dòng)映射中的位置和姿態(tài)分離，將手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)中的6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解問(wèn)題簡(jiǎn)化為兩個(gè)3自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解問(wèn)題，極大地降低了機(jī)械臂系統(tǒng)的逆解求解難度。同時(shí)，本文采用該主從控制算法實(shí)現(xiàn)了基于主手位置增量的主從軌跡跟蹤控制，并成功解決了手術(shù)過(guò)程中的主從一致性問(wèn)題、主從二次映射問(wèn)題以及軌跡跟蹤過(guò)程中的位置指令平滑處理問(wèn)題。此外，本文提出了基于器械末端位置不變的腕部姿態(tài)細(xì)分算法，該算法可實(shí)現(xiàn)術(shù)中手術(shù)器械的快速安全更換。 在上述研究基礎(chǔ)上，本文對(duì)所研制的手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)集成，并對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)中的遠(yuǎn)心點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明該機(jī)構(gòu)能夠滿(mǎn)足微創(chuàng)手術(shù)對(duì)遠(yuǎn)心點(diǎn)空間位置穩(wěn)定性的要求。同時(shí)，本文通過(guò)采集手術(shù)過(guò)程中的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)提出的主從控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該主從控制算法能夠較好的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的主從軌跡跟蹤控制。最后，本文通過(guò)實(shí)際的動(dòng)物膽囊摘除手術(shù)對(duì)所研制的手術(shù)機(jī)器人整體操作性能進(jìn)行驗(yàn)證，手術(shù)結(jié)果表明該機(jī)器人系統(tǒng)具有較好的術(shù)中操作性能，并基本具備開(kāi)展臨床手術(shù)的能力。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類(lèi)】：TP242
【部分圖文】：

第 1 章 緒論國(guó)微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人發(fā)展綜述 年，一臺(tái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的 PUMA560 工業(yè)機(jī)器人在加州放射醫(yī)學(xué)中樣實(shí)驗(yàn)[13]；1989 年，加州大學(xué)和 IBM 公司利用機(jī)器人開(kāi)展了[14]；1994 年，美國(guó) Computer motion 公司研發(fā)出外科手術(shù)機(jī)]，如圖 1-1 所示。該系統(tǒng)采用一條具有 6 個(gè)自由度的機(jī)械手臂腔鏡腔內(nèi)位姿，以獲得穩(wěn)定的腔內(nèi)手術(shù)場(chǎng)景圖像，AESOP 機(jī)器 FDA 認(rèn)證并用于實(shí)際臨床外科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)[16]，此后該增加了機(jī)械臂的語(yǔ)音控制功能。

FDA 認(rèn)證并用于實(shí)際臨床外科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)，此后該增加了機(jī)械臂的語(yǔ)音控制功能。圖 1-1 外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)：AESOP[16]Fig.1-1 Surgical robot system：AESOP[16]ESOP 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，Computer Motion公司研制出了能夠開(kāi)展EUS 外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[17,18]， 該系統(tǒng)包括醫(yī)生操作臺(tái)和機(jī)如圖 1-2 所示，醫(yī)生通過(guò)操作控制臺(tái)上的主手即可控制機(jī)械臂。機(jī)械臂系統(tǒng)中的兩條 7 自由度手術(shù)機(jī)械手臂可用于臨床手術(shù)械手臂可用于調(diào)整腔鏡的腔內(nèi)位姿，三條不同功能的機(jī)械臂系上，便于實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械臂系統(tǒng)間的統(tǒng)一標(biāo)定。

圖 1-4 Columbia UniversitFig.1-4 Surgical robot system dev美國(guó)華盛頓大學(xué)的漢納福德和加州力于開(kāi)發(fā)名為 Raven 的新型小型化微創(chuàng)外系統(tǒng)最初是由漢納福德和羅森為美國(guó)軍兩條用于手術(shù)操作的機(jī)械手臂以及一條系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，體積和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人系統(tǒng)；該系統(tǒng)主要定位于為從事相關(guān)器人硬件平臺(tái)，為便于各個(gè)研究機(jī)構(gòu)在用了基于 linux 的操作系統(tǒng)，所有的操要修改相應(yīng)的源代碼，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 孫立寧;張劍;杜志江;;一種基于圖像導(dǎo)航的骨外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào);2006年02期

本文編號(hào)：2828209