【摘要】：微創(chuàng)手術(shù)機器人是機器人技術(shù)應(yīng)用到微創(chuàng)外科手術(shù)中的創(chuàng)新進(jìn)展,該領(lǐng)域是集醫(yī)學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)、控制學(xué)、計算機圖形學(xué)等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域,具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)相比,采用機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)一方面可以借助于機器人技術(shù)解決傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中手眼不協(xié)調(diào)、手術(shù)器械靈活性低、醫(yī)生操作易疲勞等問題,提高醫(yī)生進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)的舒適度;另一方面,醫(yī)生基于主從方式控制機械臂進(jìn)行手術(shù)操作,既可以發(fā)揮醫(yī)生的手術(shù)經(jīng)驗,同時也提高了手術(shù)的安全性。對于腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人,其控制系統(tǒng)直接影響著操作者的體驗和手術(shù)質(zhì)量,研究其控制系統(tǒng)及控制方法有著至關(guān)重要的意義。針對實驗室自主研發(fā)的“華鵲II”腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人,對其主從控制的直覺性、精確性、安全性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,并搭建實驗平臺進(jìn)行性能驗證。通過分析腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人的性能需求和使用特點,對其控制系統(tǒng)的構(gòu)成與實現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)不同控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,確定采用分布式運算與I/O連接的主從式控制結(jié)構(gòu)。同時,為了提高實時性,設(shè)計以QNX實時操作系統(tǒng)為核心的控制系統(tǒng)。對QNX系統(tǒng)進(jìn)行配置,同時采用多線程編程技術(shù)進(jìn)行功能層級劃分、設(shè)置同步機制、優(yōu)先級選擇、調(diào)度方式選擇等操作,實現(xiàn)主從控制功能,并對控制系統(tǒng)響應(yīng)時間進(jìn)行驗證。對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人實現(xiàn)直覺的主從控制問題進(jìn)行研究。根據(jù)“華鵲II”的結(jié)構(gòu)特點和控制方式,建立了主從空間運動一致性映射關(guān)系,提出基于位姿分離的增量式持械臂和持鏡臂主從直覺性控制算法。應(yīng)用該算法實現(xiàn)醫(yī)生手眼協(xié)調(diào)的主從操作。此外,提出一種基于單目視覺的分體式持鏡臂與持械臂間相對姿態(tài)測量方法,以此來獲得它們之間的姿態(tài)關(guān)系。為了對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人進(jìn)行精準(zhǔn)定位控制,提出一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差標(biāo)定方法。建立距離誤差模型,并剔除運動學(xué)冗余參數(shù)誤差,利用卡爾曼濾波實現(xiàn)對幾何參數(shù)誤差的標(biāo)定。然后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立機械臂關(guān)節(jié)角與殘余位置誤差的非線性關(guān)系,通過辨識出的幾何參數(shù)和訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償末端位置誤差,實現(xiàn)精準(zhǔn)定位控制,從而提高主從跟蹤精度。針對手術(shù)器械的更換和主從初始姿態(tài)的匹配問題,提出一種基于分步式的器械關(guān)節(jié)復(fù)位和主從初始姿態(tài)匹配控制策略,以約束器械進(jìn)行相應(yīng)操作時末端位置不發(fā)生變化,避免對組織等造成意外傷害;同時,還提出一種基于力覺虛擬夾具的器械運動約束方法。利用該方法,操作者可以設(shè)置不同形狀的安全路徑或保護(hù)區(qū)域。一旦器械偏離路徑或進(jìn)入保護(hù)區(qū)域,虛擬夾具就會生成反饋力來阻止或引導(dǎo)操作者,直到器械退回到設(shè)定的運動范圍,以此提高系統(tǒng)的安全性�；谔岢龅姆椒ㄔO(shè)計一套完整的控制系統(tǒng),并將其應(yīng)用到“華鵲II”腹腔腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)中。驗證控制系統(tǒng)響應(yīng)時間、主從直覺性控制策略的有效性、基于虛擬夾具主從控制的有效性。此外,在誤差標(biāo)定與補償后,對腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人主從跟蹤性能進(jìn)行驗證。最后,進(jìn)行活體動物試驗,對整個控制系統(tǒng)的實時性、主從操作的直覺性、精確性和安全性進(jìn)行了驗證。
【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】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

第 1 章 緒 論第 1 章 緒 論及研究的目的和意義背景于“十二五”國家科技計劃重點項目“腹胸腔示范應(yīng)用”。術(shù)技術(shù)興起于 20 世紀(jì) 80 年代，該技術(shù)的應(yīng)革命。這種技術(shù)使得大部分的外科手術(shù)告別示，與傳統(tǒng)開放式外科手術(shù)相比，腹腔微創(chuàng)外個小孔，將腹腔鏡、胸腔鏡、以及手術(shù)器械等內(nèi)部，最后，在通過內(nèi)窺鏡提供的視覺顯示系的情況，一邊操作手術(shù)器械進(jìn)行切除、縫合等、術(shù)后恢復(fù)快、患者痛苦小等諸多優(yōu)點，有助

OP-2000 機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)可以識別醫(yī)生的語音控制命令，音就能控制內(nèi)窺鏡的運動。而 AESOP-3000 型則是一個具有七個自，該機器人進(jìn)一步改進(jìn)了內(nèi)窺鏡的運動性能。然而，由于需要不停指令，并且機械臂運動響應(yīng)慢，圖像運動與控制命令之間存在延遲幾種操作方式仍然感覺不便[16]。圖 1-2 為 AESOP 系列機器人輔助統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

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本文編號：2728058