【摘要】：微創(chuàng)手術(shù)具有創(chuàng)傷小、疼痛輕、康復(fù)快、住院時間短和術(shù)后并發(fā)癥少等優(yōu)點,因此在國內(nèi)外得到廣泛地應(yīng)用。但傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)存在以下問題:手術(shù)器械在切口處的“杠桿”作用使得醫(yī)生操作的手眼協(xié)調(diào)性差、手術(shù)器械操作的靈活性低、醫(yī)生長時間操作手術(shù)器械易疲勞、醫(yī)生手部震顫在手術(shù)器械末端被放大,無法完成精細手術(shù)操作。機器人技術(shù)與微創(chuàng)手術(shù)相結(jié)合可以改善手術(shù)環(huán)境,提高手術(shù)質(zhì)量。因此本文開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)從手機構(gòu)與控制的研究。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人遠心機構(gòu)綜合分析。提出一種兩自由度完全解耦和各向同性的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人并聯(lián)遠心機構(gòu),建立該機構(gòu)運動學(xué)模型,進行解耦性、各向同性、奇異性、緊湊性和工作空間分析。提出一種便于模塊化設(shè)計的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人串聯(lián)遠心機構(gòu),建立該機構(gòu)運動學(xué)模型。研究機構(gòu)參數(shù)與機構(gòu)性能指標(biāo)和約束條件關(guān)系。將改進全局運動學(xué)性能指標(biāo)、緊湊性能指標(biāo)、改進全局綜合剛度性能指標(biāo)和改進全局動力學(xué)性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),以工作空間、機構(gòu)參數(shù)和機構(gòu)質(zhì)量為約束條件,應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進行多目標(biāo)優(yōu)化。通過綜合對比選擇串聯(lián)遠心機構(gòu)用于腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人樣機研制。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人從手機械本體研究。為提高串聯(lián)遠心機構(gòu)剛度、降低遠心機構(gòu)碰撞機率以及為具體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo),將串聯(lián)遠心機構(gòu)參數(shù)和連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量,選用全局運動學(xué)性能指標(biāo)和全局綜合剛度性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo),應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進行多目標(biāo)優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人從手樣機設(shè)計。從手樣機設(shè)計包括被動臂設(shè)計、遠心機構(gòu)設(shè)計和手術(shù)器械設(shè)計。在遠心機構(gòu)設(shè)計中提出一種機械解耦方法,即三段式平臺設(shè)計,去除遠心機構(gòu)的平臺直線運動與手術(shù)器械驅(qū)動之間的運動耦合。在手術(shù)器械設(shè)計中提出一種機械解耦方法,即中空走線設(shè)計,去除手術(shù)器械腕部和小爪之間的運動耦合。最后對微創(chuàng)手術(shù)機器人進行安全性設(shè)計。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人關(guān)節(jié)非線性PID控制研究�；诶窭嗜辗椒ń⑽�(chuàng)手術(shù)機器人動力學(xué)模型并仿真驗證該模型正確性。為提高腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人關(guān)節(jié)控制的穩(wěn)定性和精度,提出含有新型飽和函數(shù)定義兩種非線性PID控制律。并分析控制律的全局漸進穩(wěn)定條件。將位置誤差絕對值積分和輸出力矩誤差的絕對值對時間積分作為優(yōu)化目標(biāo),以全局漸進穩(wěn)定性條件和電機額定輸出力矩為約束條件,應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明含有新型飽和函數(shù)的非線性PID控制律位置誤差要小于含有普通飽和函數(shù)的PID控制律誤差。研究兩種非線性PID控制律對模型不確定性、干擾和噪聲的魯棒性,最后選擇魯棒性最好的非線性PID控制律進行實驗驗證。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人主從控制研究�；谛坷碚摻⒊昼R臂和持械臂運動學(xué)模型并仿真驗證模型正確性。基于運動學(xué)模型推導(dǎo)腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人主從控制算法,該算法包含一致性運動控制、相對運動控制和比例運動控制。針對運動一致性控制,推導(dǎo)腹腔鏡下持鏡臂運動控制算法以及腹腔鏡下持械臂運動控制算法,并仿真驗證算法有效性。研究主從姿態(tài)配準(zhǔn)功能、術(shù)中手術(shù)器械更換功能和主從二次映射功能實現(xiàn)算法,仿真驗證算法有效性。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)集成與實驗研究。在完成整套腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)集成基礎(chǔ)上,進行微創(chuàng)手術(shù)機器人遠心點運動性能以及機器人絕對定位精度和重復(fù)定位精度測試實驗,實驗結(jié)果驗證上述設(shè)計有效性。進行解耦運動性能測試實驗,實驗結(jié)果驗證兩種機械解耦方法有效性。進行非線性PID控制算法實驗驗證,實驗結(jié)果驗證算法有效性。進行軌跡跟蹤、套環(huán)和穿線實驗,實驗結(jié)果驗證主從控制算法有效性。進行豬膽囊摘除和腎摘除實驗,成功地將豬的膽囊和腎切除驗證整套系統(tǒng)有效性。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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本文編號：2298632