【摘要】：和傳統(tǒng)外科手術比較,機器人輔助微創(chuàng)外科手術可以克服傳統(tǒng)手術的缺陷、讓醫(yī)生對器械進行精準控制、提高手術效率與成功率、減少患者手術痛楚、縮短術后恢復時間、拓展傳統(tǒng)手術應用范圍、可進行遠程手術等優(yōu)點。機器人微創(chuàng)外科手術已經得到了外科手術領域的廣泛認可,微創(chuàng)外科手術機器人正逐漸成為機器人研究領域的一個熱點。由于微創(chuàng)手術機器人從手系統(tǒng)的器械臂構型特殊(不滿足pieper準則)很難求得逆運動學精確解析解;此外,由于微器械體積和使用要求等原因,無法在微器械末端集成位置反饋元件而不能對其進行閉環(huán)位置控制,這些嚴重影響手術機器人的控制精度,同時由于微器械力覺感知能力缺失,使得手術操作過程繁瑣,醫(yī)生無法施加準確操作力而無法進行精細化操作。因此研究與之相關的手術機器人位置控制和力檢測的關鍵技術對外科手術機器人發(fā)展具有重要意義。本文在國家自然科學基金項目(61203358/F0306)、黑龍江省自然科學基金項目(F2015034)和中央高�；究蒲袠I(yè)務費重大項目(HEUCFZ1214)的資助下,針對微創(chuàng)手術機器人位置控制和微器械力檢測兩個方面,著力于手術機器人系統(tǒng)從手器械臂逆運動學解析解求解、微器械全閉環(huán)控制、微器械變參數(shù)動力學建模和辨識以及微器械外力間接檢測方法四個關鍵技術點展開理論分析和實驗研究。本文的具體工作包括:首先,對微創(chuàng)手術機器人從手系統(tǒng)進行簡要介紹,采用DH法對從手系統(tǒng)的持鏡臂進行正逆運動學建模,并完成仿真分析驗證;針對從手系統(tǒng)的器械臂逆運動解析解求解困難的問題,提出了一種全新的運動學建模方法—相鄰關節(jié)軸建立順序換位法,并對不同的機器人構型進行分類分析給出該方法的適用條件;利用相鄰關節(jié)軸建立順序換位法對微創(chuàng)手術機器人從手器械臂進行運動學建模,并求得其精確的解析解,并通過仿真分析驗證該方法的正確性和有效性。為手術機器人位置的準確控制打下基礎。其次,為了實現(xiàn)對繩索驅動微器械位置的準確控制,對微器械位置閉環(huán)控制策略和方法進行了研究;基于電機—彈簧不對稱機理設計了四自由度繩索驅動微器械驅動方案,并考慮關節(jié)耦合特性對微器械進行了整體運動學(電機轉角和微器械位置關系)分析,給出了基于轉角估計器的微器械閉環(huán)控制策略;搭建單關節(jié)原理樣機,以單關節(jié)繩索驅動原理為基礎設計了單關節(jié)樣機的轉角估計器,并對其參數(shù)進行了實驗辨識、化簡和修正,得到精確地轉角估計器數(shù)學模型;將轉角估計器的輸出當做末端轉角反饋值對單關節(jié)原理樣機進行了位置閉環(huán)實驗研究,并和傳統(tǒng)開環(huán)控制方法進行對比,驗證該方法的正確性和有效性;最后對四自由度繩索驅動微器械的閉環(huán)控制性能進行了仿真研究。第三,建立了微器械的腕部動力學模型,并通過仿真驗證了腕部動力學模型的正確性,結合微器械驅動機構的特性,最終建立整個微器械系統(tǒng)的動力學模型;以單關節(jié)原理樣機為研究對象,在分部建模的基礎上建立了整個單關節(jié)原理樣機的動力學模型,并采用非線性模型和遺傳算法相結合的思路進行了關節(jié)動力學參數(shù)辨識,并與傳統(tǒng)加權最小二乘法辨識結果進行比較;建立單關節(jié)原理樣機的線性參數(shù)變化(LPV)二階狀態(tài)空間模型,將模型在很小的時間段內看做線性時不變(LTI)系統(tǒng),并采用遺傳算法(GA)和加權最小二乘法(WLS)相結合的方法實現(xiàn)對該LPV二階狀態(tài)空間模型的參數(shù)辨識,并通過實驗驗證模型的正確性,為微器械力控制和力交互打下基礎。最后,針對微器械力檢測問題,提出微器械三維外力和夾持力估計策略;以單關節(jié)原理樣機為研究對象,建立了電機—減速器—繞繩輪阻尼模型和繩索張力模型,并結合狀態(tài)擾動觀測器設計了外力估計器;對電機—減速器—繞繩輪系統(tǒng)阻尼模型和繩索張力模型參數(shù)進行實驗辨識,在此基礎上進行了單關節(jié)原理樣機外力檢測實驗研究驗證了外力估計方法的正確性及有效性,為進一步開發(fā)具有力檢測功能的4自由度微器械提供了技術基礎。
【圖文】：

力交互控制可以實現(xiàn)施加適當?shù)牟僮髁�，能夠大幅提高手術操作果。，本文以手術機器人研究為背景，以實現(xiàn)手術機器人精確位置控，促進手術機器人的手術質量效率，提高我國手術機器人自主創(chuàng)產業(yè)的發(fā)展，降低國民醫(yī)療成本，具有重要經濟和社會意義。外科手術機器人系統(tǒng)國內外研究綜述1年倫敦帝國理工學院的B.Davies開發(fā)了用于泌尿外科前列腺切除經過將近30余年的發(fā)展，外科手術機器人系統(tǒng)已經發(fā)展成為一個業(yè)[1]。世界各地的學者們競相展開了對微創(chuàng)外科手術機器人的研外科手術機器人國外研究綜述，，美國的Computer Motion 公司獲得美國食品及藥物管理局tion, FDA）批準研制出了能自動控制腹腔鏡位置的器械臂[6] system for optimal positioning, AESOP-1000）如圖1.1所示。

第 1 章 緒論00微創(chuàng)手術輔助機器人是世界上第一臺采用語音控制的手術機器，醫(yī)生可以通過給機器人發(fā)出語音指令讓機器人像醫(yī)生助手一樣來態(tài)調節(jié)視窗[13]。AESOP-3000微創(chuàng)手術輔助機器人是一個具有七.3所示，其運動的靈巧度進一步增加，可以有效的抓取各種腹腔鏡
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

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本文編號：2635265