本文關(guān)鍵詞：微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：微創(chuàng)手術(shù)機(jī)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(shí)獲得了廣泛的應(yīng)用。然而,現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人仍然缺少力反饋功能,它無(wú)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(wú)法通過(guò)組織觸摸來(lái)鑒別組織屬性或病變,醫(yī)生在執(zhí)行一些精細(xì)操作時(shí),想要施加精確的作用力也會(huì)變得非常困難。因此,微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境下的力檢測(cè)技術(shù)成為微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)和前沿。目前,對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力檢測(cè)的研究還存在測(cè)量維數(shù)不足、范圍和精度較低、與器械兼容性差等問(wèn)題,限制了機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)質(zhì)量和效率的進(jìn)一步提高。論文針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力信息檢測(cè)中存在的問(wèn)題,開(kāi)展交互作用力分析,設(shè)計(jì)微型力傳感器,研制具有力感知的手術(shù)器械,并通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定、測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及體外實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)傳感器和手術(shù)器械的技術(shù)有效性進(jìn)行驗(yàn)證。論文的主要研究工作如下:對(duì)手術(shù)器械與組織器官之間的交互作用力進(jìn)行分析。對(duì)微創(chuàng)手術(shù)中手術(shù)器械上不同部位的作用力進(jìn)行定性分析,明確在執(zhí)行組織觸摸、鈍性分離等典型技術(shù)操作時(shí)才有檢測(cè)交互作用力的必要性�？偨Y(jié)執(zhí)行典型技術(shù)操作時(shí)交互作用力的范圍大小和電阻式力傳感器的檢測(cè)原理,為微型傳感器設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)要求。面向微創(chuàng)手術(shù)組織觸摸,設(shè)計(jì)一套三維微型力傳感器。設(shè)計(jì)新型三腳架彈性體結(jié)構(gòu),使用應(yīng)變計(jì)來(lái)檢測(cè)三維正交力分量的大小和方向。推導(dǎo)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(guò)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(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定傳感器樣機(jī)的測(cè)量范圍和測(cè)量精度。體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該樣機(jī)在微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境下執(zhí)行組織觸摸任務(wù)的可行性。面向微創(chuàng)手術(shù)典型技術(shù)操作,設(shè)計(jì)一套六維微型力/力矩傳感器。設(shè)計(jì)具有彈性鉸鏈的Stewart平臺(tái),能夠檢測(cè)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(xiàng)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-ΙΙ)對(duì)Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,以最好地適應(yīng)給定的外部載荷。靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定傳感器樣機(jī)的測(cè)量范圍和測(cè)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(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)之間集成六維微型力/力矩傳感器,通過(guò)一套張力分解機(jī)構(gòu)減輕夾鉗鋼絲張緊力對(duì)傳感器的干擾。基于單元關(guān)節(jié)可重構(gòu)思想,設(shè)計(jì)模塊化手腕機(jī)構(gòu)既有利于微型傳感器的安裝測(cè)量,又可為手術(shù)器械提供俯仰和偏航兩自由度運(yùn)動(dòng),而且能夠有效地解除腕部運(yùn)動(dòng)耦合。經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn),獲取該樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍和重復(fù)定位精度。在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中對(duì)手術(shù)器械力檢測(cè)的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。在主從模式下開(kāi)展組織觸摸實(shí)驗(yàn)和鈍性分離實(shí)驗(yàn),說(shuō)明該樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力檢測(cè)及力反饋的功能。
【關(guān)鍵詞】：微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人 微型力傳感器 彈性體結(jié)構(gòu) 參數(shù)優(yōu)化 手術(shù)器械
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TH777
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-31
• 1.1 課題背景及研究目的和意義14-17
• 1.2 微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3 力檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀20-29
• 1.3.1 力反饋必要性研究20-21
• 1.3.2 力檢測(cè)的兩個(gè)問(wèn)題21-22
• 1.3.3 力檢測(cè)的研究進(jìn)展22-29
• 1.4 力檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析29
• 1.5 課題來(lái)源及主要內(nèi)容29-31
• 第2章 微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)及交互作用力31-42
• 2.1 引言31
• 2.2 微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)31-34
• 2.3 醫(yī)學(xué)操作交互作用力分析34-38
• 2.4 交互作用力檢測(cè)原理38-40
• 2.5 微型傳感器設(shè)計(jì)要求40-41
• 2.6 小結(jié)41-42
• 第3章 面向組織觸摸的三維微型力傳感器42-63
• 3.1 引言42
• 3.2 微型傳感器彈性體結(jié)構(gòu)42-43
• 3.3 三腳架彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)43-50
• 3.3.1 彈性體結(jié)構(gòu)綜合43-45
• 3.3.2 基于剛度的參數(shù)優(yōu)化45-48
• 3.3.3 基于靈敏度的參數(shù)優(yōu)化48-50
• 3.4 彈性體結(jié)構(gòu)有限元分析50-53
• 3.5 微型力傳感器原理樣機(jī)53-56
• 3.6 傳感器樣機(jī)的靜態(tài)標(biāo)定56-60
• 3.6.1 標(biāo)定方法56-57
• 3.6.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)57-58
• 3.6.3 靜態(tài)解耦58-60
• 3.7 傳感器樣機(jī)的體外實(shí)驗(yàn)60-62
• 3.8 小結(jié)62-63
• 第4章 基于Stewart平臺(tái)的六維力/力矩傳感器63-81
• 4.1 引言63
• 4.2 Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征矩陣63-66
• 4.3 Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)各向同性66-68
• 4.4 Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)68-74
• 4.4.1 幾何參數(shù)的優(yōu)化68-72
• 4.4.2 彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)72-74
• 4.5 傳感器彈性體有限元分析74-76
• 4.6 六維微型傳感器原理樣機(jī)76-77
• 4.7 傳感器原理樣機(jī)靜態(tài)標(biāo)定77-80
• 4.7.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)77-78
• 4.7.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果78-80
• 4.8 小結(jié)80-81
• 第5章 具有模塊化關(guān)節(jié)的力感知手術(shù)器械81-101
• 5.1 引言81
• 5.2 手術(shù)器械設(shè)計(jì)要求81
• 5.3 器械腕部模塊化設(shè)計(jì)81-86
• 5.3.1 功能分析82-83
• 5.3.2 單元關(guān)節(jié)83-84
• 5.3.3 手腕設(shè)計(jì)84-86
• 5.4 手術(shù)器械力檢測(cè)單元86-90
• 5.4.1 夾鉗機(jī)構(gòu)86-89
• 5.4.2 干擾估計(jì)89-90
• 5.5 器械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)90-93
• 5.6 手術(shù)器械原理樣機(jī)93-96
• 5.6.1 系統(tǒng)總成93-95
• 5.6.2 衛(wèi)生與安全性95-96
• 5.7 手術(shù)器械性能測(cè)試與分析96-100
• 5.7.1 運(yùn)動(dòng)范圍96-98
• 5.7.2 重復(fù)定位精度98-100
• 5.7.3 器械性能對(duì)比分析100
• 5.8 小結(jié)100-101
• 第6章 微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)器械力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)101-112
• 6.1 引言101
• 6.2 主從控制策略101-103
• 6.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解103-106
• 6.4 組織觸摸實(shí)驗(yàn)106-109
• 6.5 鈍性分離實(shí)驗(yàn)109-111
• 6.6 小結(jié)111-112
• 結(jié)論112-114
• 參考文獻(xiàn)114-125
• 附錄 1 Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征矩陣125-127
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果127-130
• 致謝130-131
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷131

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