【摘要】：小型化微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究對促進(jìn)機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文密切結(jié)合我國對高端醫(yī)療器械的需求,圍繞小型化微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)理論展開研究。全文取得如下創(chuàng)造性成果:在對微創(chuàng)手術(shù)操作特性的研究基礎(chǔ)上,提出微創(chuàng)機(jī)器人設(shè)計(jì)基本方法。首先,全面分析了不同微創(chuàng)機(jī)器人及器械基本構(gòu)型對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響,為微創(chuàng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供構(gòu)型依據(jù)。其次,對現(xiàn)有絲傳動(dòng)方式進(jìn)行歸納綜合與優(yōu)缺點(diǎn)分析,并針對各種絲傳動(dòng)構(gòu)型建立對應(yīng)的基本傳動(dòng)模型,為微創(chuàng)機(jī)器人絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)建模提供了設(shè)計(jì)理論依據(jù)。通過對現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究,提出微創(chuàng)機(jī)器人小型化設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上,提出了小型化微創(chuàng)機(jī)器人可行的機(jī)構(gòu)構(gòu)型形式:兩自由度平面RCM機(jī)構(gòu)和切口自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。對所提出的新型機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特性分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評價(jià),為這些機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。其中,針對切口自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),提出一種運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)預(yù)估算法,為基于該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法的微創(chuàng)機(jī)器人主從運(yùn)動(dòng)映射的建立奠定了基礎(chǔ)。為匹配小型化微創(chuàng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)出一種具有末端自轉(zhuǎn)特性的新型絲傳動(dòng)手術(shù)器械,并建立了該器械的整體絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)模型。其中,針對開合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了可變曲率絲鞘傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)模型,并進(jìn)行了絲鞘傳動(dòng)特性優(yōu)化。此外,本文提出一種夾持力預(yù)補(bǔ)償建模方法,該方法可用于構(gòu)建器械夾持力補(bǔ)償模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人夾持力的穩(wěn)定輸出。在研究微創(chuàng)機(jī)器人主從運(yùn)動(dòng)映射基本要求與控制策略的基礎(chǔ)上,提出一種基于位姿分離、末端同構(gòu)映射方式的新型主從運(yùn)動(dòng)映射算法。該映射算法可有效降低主從運(yùn)動(dòng)映射的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算量,簡化控制系統(tǒng)復(fù)雜程度,進(jìn)而有利于實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)機(jī)器人小型化設(shè)計(jì)。隨后,針對微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人應(yīng)具備的器械快換、主、從手介入調(diào)整、碰撞預(yù)測與處理等功能建立了對應(yīng)的控制策略,解決了機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)中可能遇到的多種器械間更換、器械末端超出內(nèi)窺鏡視野、醫(yī)生操作不舒適、從手之間發(fā)生碰撞等問題。在小型化微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)方面,通過創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)采用“三指”式被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu),極大地簡化了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)尺寸。在對機(jī)器人各結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,成功開發(fā)了小型化微創(chuàng)機(jī)器人“MicroHand S”系統(tǒng)樣機(jī)。在實(shí)驗(yàn)研究方面,對該系統(tǒng)的從手運(yùn)動(dòng)特性、快換性能、器械夾持力與傳動(dòng)特性、主從運(yùn)動(dòng)映射等方面進(jìn)行了單元測試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地驗(yàn)證了所開發(fā)的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的綜合性能。
【圖文】：

即傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)階段和機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)階段。在傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)（圖1-1）中，醫(yī)生將胸、腹腔鏡等內(nèi)窺鏡以及細(xì)長的手術(shù)器械通過病人體表的微小切口伸入到體內(nèi)，通過觀察內(nèi)窺鏡的圖像指引手動(dòng)器械進(jìn)行手術(shù)操作。圖 1-1 傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)操作Figure 1-1 Traditional minimally invasive surgery (MIS)

有如下優(yōu)勢：1) 機(jī)器人提供三維立體視覺，使醫(yī)生能夠獲得術(shù)野的深度信增加了手術(shù)器械的自由度，使器械在患者體內(nèi)的動(dòng)作更加靈活，，降低手難度。3) 機(jī)器人定位準(zhǔn)確、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、能夠?yàn)V除醫(yī)生手部顫抖，提高手的安全性。4) 具有遠(yuǎn)程執(zhí)行手術(shù)的擴(kuò)展?jié)摿�。機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)是微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)，特別是醫(yī)療機(jī)術(shù)融合的產(chǎn)物，如圖 1-2 所示。機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)取代傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)的勢體現(xiàn)在將傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)不可能完成的術(shù)式可能化以及將傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)成的手術(shù)精準(zhǔn)化兩方面。隨著微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，其適用的不斷增多，不僅可以完成大部分傳統(tǒng)上只能通過開放式手術(shù)才能完成的病且許多開放式手術(shù)都難以完成的術(shù)式也可以在微創(chuàng)下通過手術(shù)機(jī)器人完成機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的這些優(yōu)勢，世界各國的研究機(jī)構(gòu)，包括美國約金斯大學(xué)、華盛頓大學(xué)等以及歐洲的帝國理工大學(xué)、意大利理工大學(xué)等一大學(xué)研究機(jī)構(gòu)專門對手術(shù)機(jī)器人及相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行了專門的研究。在亞洲等國也紛紛投入資金對大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究支持。開口手術(shù)早期微創(chuàng)手術(shù)現(xiàn)代微創(chuàng)手術(shù)
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH777;TP242

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本文編號：2619526