發(fā)布時間：2020-12-25 08:00

　　機器人微創(chuàng)手術不但繼承了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術創(chuàng)口小,痛苦少,恢復快的優(yōu)點,而且能夠提供更靈活,精準的操作,克服手眼不協(xié)調(diào),減輕醫(yī)生疲勞。力反饋主手作為醫(yī)生與微創(chuàng)手術機器人交互的載體,一方面將醫(yī)生的操作動作傳遞給從端控制從手機械臂完成手術操作,另一方面將從手機械臂與患者組織的交互作用力反饋給醫(yī)生。力反饋主手性能的好壞直接影響到微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)的整體性能,進而影響到手術的安全性和可靠性。本文針對微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)中的力反饋主手,圍繞力反饋主手的設計與優(yōu)化,力反饋主手奇異回避與重力補償及摩擦補償,主手力反饋控制策略,以及微創(chuàng)手術機器人主從控制綜合實驗等多個方面開展研究。根據(jù)微創(chuàng)手術機器人的特點,研制了面向微創(chuàng)手術機器人應用的專用型力反饋主手。確定了手臂位置輸出機構采用平行四邊形將驅動裝置前移減小慣量,腕部姿態(tài)輸出機構采用具有冗余主動調(diào)整關節(jié)提高操作靈活性。通常力反饋主手以及微創(chuàng)手術機器人的控制周期達到上千Hz,針對力反饋主手控制的實時性要求,選用基于高速實時總線的控制系統(tǒng)架構,實現(xiàn)了對力反饋主手控制算法的集中式控制和關節(jié)驅動的分布式處理。該控制系統(tǒng)架構的優(yōu)點是能夠方便的進行擴展,將從機械臂集成到系... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：159 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

傳統(tǒng)微創(chuàng)手術Fig.1-1TraditionalMIS

雖然微創(chuàng)手術具有無比的優(yōu)越性，但是如圖1-1所示微創(chuàng)手術的操作示意圖：在進行微創(chuàng)手術時，醫(yī)生操作手術器械的運動自由度被約束為5個，并且醫(yī)生在操作的過程中存在杠桿效應，導致手眼不協(xié)調(diào)，容易使醫(yī)生在操作過程中產(chǎn)生疲勞，容易產(chǎn)生操作失誤，并且醫(yī)生學習曲線長。這些特點使得微創(chuàng)手術限制在相對簡單易操作的手術當中。醫(yī)生迫切期望通過輔助設備克服上述微創(chuàng)手術中的缺點，以便擴大微創(chuàng)手術的應用范圍，在更多的領域中開展復雜精細的微創(chuàng)手術，給患者和社會帶來福利[6]。圖1-1傳統(tǒng)微創(chuàng)手術Fig.1-1TraditionalMIS圖1-2機器人微創(chuàng)手術[7]Fig.1-2Roboticminimallyinvasivesurgery[7]主從式微創(chuàng)手術機器人是將機器人技術與傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術技術相結合的一種機器人系統(tǒng)，通常采用主從控制的方式。如圖1-2所示為典型微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)達芬奇Si，由三個部分組成：醫(yī)生操作臺，從機械臂系統(tǒng)和立體顯示系統(tǒng)[7]。其工作原理如圖1-3所示，醫(yī)生通過操作微創(chuàng)手術機器人主控制端的力反饋主手對從手(從端機械臂和手術器械)進行控制，并借助腹腔鏡觀察到的患者病灶視野進行手術操作，而從手與患者組織的相互作用力（如果能夠感知）則由主操手反饋給醫(yī)生，使醫(yī)生感受到對患者組織的作用力[8]。主從式

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文-2-微創(chuàng)手術機器人的出現(xiàn)使得醫(yī)生可以采用比較舒適的姿勢進行手術操作，減輕了醫(yī)生操作手術的疲勞；手術機器人從端手術器械的自由度更多，操作更靈活，可進行更加復雜的手術操作；主從控制能夠通過手眼協(xié)調(diào)控制算法為醫(yī)生提供直覺控制，降低醫(yī)生學習曲線；機器人操作更加穩(wěn)定精準，提高手術質(zhì)量；能夠提供立體視覺以及具有遠程操作的潛力[9]。圖1-3主從式微創(chuàng)手術機器人的系統(tǒng)工作原理Fig.1-3MISroboticsystemworkingprinciple由主從式微創(chuàng)手術機器人進行手術操作的過程可以得出，力反饋主手是微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)的重要組成部分，是醫(yī)生與微創(chuàng)手術機器人交互的關鍵設備以及進行人機交互的載體，是機器人微創(chuàng)手術能否成功的關鍵。力反饋主手一方面作為輸入裝置將醫(yī)生手部的操作動作傳遞給從端控制從手完成手術操作，另一方面作為輸出裝置能夠將從手與手術環(huán)境的交互作用力反饋給醫(yī)生實現(xiàn)臨場力感覺。力反饋主手性能的好壞直接影響到微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)的整體性能，決定了能否將完整準確的醫(yī)生操作動作舒適的傳遞給從手，并且使得醫(yī)生感知從手與患者組織的交互作用力，進而影響到手術的安全性和可靠性。力反饋主手的深入研究必將對微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)性能的提高和技術的擴展起到積極的推動作用。因此，研制一款符合微創(chuàng)手術機器人應用需求的力反饋主手是非常必要的。本章以下小節(jié)通過微創(chuàng)手術機器人以及力反饋主手在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析力反饋主手的相關核心技術以及本文的主要研究內(nèi)容。1.2微創(chuàng)手術機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國際上，從20世紀90年代開始，腹腔鏡設備開始和機器人技術結合起來形成腹腔鏡操作機器人應用于微創(chuàng)手術的研究當中[10]。約翰霍普金斯大學的RussellTaylor教授和他的團隊開發(fā)了一個名叫“

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]腹腔微創(chuàng)手術機器人控制系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 艾躍.哈爾濱工業(yè)大學 2019
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[3]腹腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)從手機構與控制的研究[D]. 牛國君.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[4]面向主從式微創(chuàng)外科手術機器人的遙操作運動控制策略研究[D]. 唐奧林.上海交通大學 2014
[5]微創(chuàng)腹腔外科手術機器人執(zhí)行系統(tǒng)研制及其控制算法研究[D]. 馬如奇.哈爾濱工業(yè)大學 2013
[6]微創(chuàng)機器人機構設計方法與主從映射策略研究[D]. 李建民.天津大學 2012
[7]腹腔微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 馮美.哈爾濱工業(yè)大學 2012
[8]腹腔鏡操作機器人研制及其關鍵技術研究[D]. 潘博.哈爾濱工業(yè)大學 2009

碩士論文
[1]面向機器人輔助腹腔鏡手術的力反饋型主操作手研究[D]. 李勇.哈爾濱工業(yè)大學 2012
[2]力反饋型主操作手設計及其控制策略研究[D]. 張林安.天津大學 2010



本文編號：2937253