【摘要】：小型化微創(chuàng)手術機器人的研究對促進機器人輔助微創(chuàng)手術技術的發(fā)展具有重要意義。本文密切結合我國對高端醫(yī)療器械的需求,圍繞小型化微創(chuàng)手術機器人設計的若干關鍵技術與設計理論展開研究。全文取得如下創(chuàng)造性成果:在對微創(chuàng)手術操作特性的研究基礎上,提出微創(chuàng)機器人設計基本方法。首先,全面分析了不同微創(chuàng)機器人及器械基本構型對機器人運動性能的影響,為微創(chuàng)機器人機構設計提供構型依據。其次,對現有絲傳動方式進行歸納綜合與優(yōu)缺點分析,并針對各種絲傳動構型建立對應的基本傳動模型,為微創(chuàng)機器人絲傳動結構設計與傳動建模提供了設計理論依據。通過對現有微創(chuàng)手術機器人的研究,提出微創(chuàng)機器人小型化設計的機構實現方法。在此基礎上,提出了小型化微創(chuàng)機器人可行的機構構型形式:兩自由度平面RCM機構和切口自適應機構。對所提出的新型機構進行了結構特性分析與運動學性能評價,為這些機構的實際應用提供了機構設計理論基礎。其中,針對切口自適應機構的運動特點,提出一種運動支點預估算法,為基于該機構實現方法的微創(chuàng)機器人主從運動映射的建立奠定了基礎。為匹配小型化微創(chuàng)機器人的機構特點,設計出一種具有末端自轉特性的新型絲傳動手術器械,并建立了該器械的整體絲傳動結構與傳動模型。其中,針對開合傳動結構特點,建立了可變曲率絲鞘傳動結構的傳動模型,并進行了絲鞘傳動特性優(yōu)化。此外,本文提出一種夾持力預補償建模方法,該方法可用于構建器械夾持力補償模型,進而實現微創(chuàng)手術機器人夾持力的穩(wěn)定輸出。在研究微創(chuàng)機器人主從運動映射基本要求與控制策略的基礎上,提出一種基于位姿分離、末端同構映射方式的新型主從運動映射算法。該映射算法可有效降低主從運動映射的運動學計算量,簡化控制系統(tǒng)復雜程度,進而有利于實現微創(chuàng)機器人小型化設計。隨后,針對微創(chuàng)手術機器人應具備的器械快換、主、從手介入調整、碰撞預測與處理等功能建立了對應的控制策略,解決了機器人輔助微創(chuàng)手術中可能遇到的多種器械間更換、器械末端超出內窺鏡視野、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)手術機器人系統(tǒng)開發(fā)方面,通過創(chuàng)造性地設計采用“三指”式被動調整機構,極大地簡化了微創(chuàng)手術機器人的整體結構尺寸。在對機器人各結構單元進行詳細設計的基礎上,成功開發(fā)了小型化微創(chuàng)機器人“MicroHand S”系統(tǒng)樣機。在實驗研究方面,對該系統(tǒng)的從手運動特性、快換性能、器械夾持力與傳動特性、主從運動映射等方面進行了單元測試與實驗驗證,并通過動物實驗系統(tǒng)地驗證了所開發(fā)的微創(chuàng)手術機器人的綜合性能。
【圖文】：

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

有如下優(yōu)勢：1) 機器人提供三維立體視覺，使醫(yī)生能夠獲得術野的深度信增加了手術器械的自由度，使器械在患者體內的動作更加靈活，，降低手難度。3) 機器人定位準確、運動平穩(wěn)、能夠濾除醫(yī)生手部顫抖，提高手的安全性。4) 具有遠程執(zhí)行手術的擴展?jié)摿�。機器人輔助微創(chuàng)手術技術是微創(chuàng)手術技術與機器人技術，特別是醫(yī)療機術融合的產物，如圖 1-2 所示。機器人輔助微創(chuàng)手術取代傳統(tǒng)微創(chuàng)手術的勢體現在將傳統(tǒng)微創(chuàng)手術不可能完成的術式可能化以及將傳統(tǒng)微創(chuàng)手術成的手術精準化兩方面。隨著微創(chuàng)手術機器人技術的不斷進步，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才能完成的病且許多開放式手術都難以完成的術式也可以在微創(chuàng)下通過手術機器人完成機器人輔助微創(chuàng)手術技術的這些優(yōu)勢，世界各國的研究機構，包括美國約金斯大學、華盛頓大學等以及歐洲的帝國理工大學、意大利理工大學等一大學研究機構專門對手術機器人及相關的技術進行了專門的研究。在亞洲等國也紛紛投入資金對大學和研究機構進行研究支持。開口手術早期微創(chuàng)手術現代微創(chuàng)手術
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH777;TP242

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