采用穿刺手術進行組織活檢與腫瘤消融是一種比較常見的診療方案,傳統(tǒng)穿刺手術需要醫(yī)生手動進行,在多點穿刺的情況下,工作強度大且容易疲勞。機器人輔助穿刺手術具有能夠提高穿刺精度,降低醫(yī)生的勞動強度等諸多優(yōu)點。實際上醫(yī)療機器人也是一種人機協(xié)作機器人,因此使機械臂具有力擺位拖拽功能是醫(yī)療機器人中比較必要的選擇。本文結合穿刺手術的特點設計了一款結構上具有位姿解耦特點同時具有力擺位拖拽功能的穿刺手術機械臂系統(tǒng)。首先分析了位姿解耦的結構設計方案,將機械臂分為臂部和腕部兩部分,臂部主要完成位置確定,腕部主要完成姿態(tài)確定。采用經(jīng)典的D-H法建立機械臂的運動學方程,獲得逆運動學解析解,給出了機械臂的工作空間,計算了機械臂的雅可比矩陣,分析了機械臂的靜力學。通過引入廣義變量解決由解耦機構帶來的關節(jié)數(shù)多于自由度數(shù)的問題,在機械臂建模過程中對各部分原理依據(jù)廣義變量均進行一定程度的修正。章節(jié)的最后通過Matlab/Robotics Tool Box仿真工具進行仿真驗證。其次完成機械臂的加工裝配以及控制系統(tǒng)的軟硬件搭建,控制系統(tǒng)采用倍福Twin CAT3自動化控制軟件。建立機械臂控制系統(tǒng)的狀態(tài)機,分析了伺服控制原理,... 

【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)】：124 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

MRI兼容穿刺機器人系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-3-術機器人[9]，如圖1-3，該機器人末端安裝了六維力/力矩傳感器，用于檢測穿刺手術中的接觸力。機器人采用3自由度笛卡爾移動平臺進行接近定位，穿刺操作由額外4個自由度參與，包含2自由度的RCM機構。其XYZ移動精度可達2μm，末端穿刺精度可達5μm。該機器人完成了生物學實驗，可實現(xiàn)直徑80μm的靜脈插管操作。接下來該實驗室由對其進行改進得到EyeRoBot2[10]和EyeRoBot2.1[11]，如圖1-4。新改進的機器人穿刺針俯仰角達到了60，而第一代僅為30，并且對人機交互性進行了優(yōu)化。圖1-3AMIRo的眼部手術機器人a）EyeRoBot2b）EyeRoBot2.1圖1-4AMIRo的EyeRobot2澳大利亞的ARCSeibersdorf機器人實驗室設計了一款基于超聲導航的組織活檢穿刺機器人B-Robot-I[12]。如圖1-5，整個系統(tǒng)具有7個自由度，包含4個粗定位自由度和3個精定位自由度。粗定位機構包含笛卡爾坐標系提供的3個直線自由度和1個旋轉自由度，精定位為機構為3自由度的NPU機構，系統(tǒng)最終的定位精度為1.48mm±0.62mm。手術機器人導航方面主要由CT，超聲和MRI等幾種，為了兼容MRI和CT，穿刺機器人通常會采用非常規(guī)的驅動方式，比如氣動，超聲電機驅動等。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-4-同時為了方便在MRI和CT室內進行手術，穿刺機器人還會采用可以安裝在病人身上的小型結構。圖1-5ARCSeibersdorf機器人實驗室的B-Robot-I法國的TIMC-IMAG實驗室2016年設計了一款CT和MRI兼容的LPR[13]穿刺機器人，如圖1-6。該機器人擁有5個自由度，采用全氣動的驅動方式，小型化的結構能夠跨在病人的軀干上做一些胸部和腹部的穿刺手術。同樣美國國家兒童健康中心在2018年也設計了一款MRI兼容的可以安裝在病人身上的穿刺機器人[14]，該機器人用來給肩部骨折的兒童做手術，如圖1-7。該機器人更加小型化，采用超聲電機驅動，同樣采用2個自由度來確定位置，2自由度的RCM機構保證姿態(tài)。缺陷是其RCM機構的遠心點與皮膚之間有一定的距離，并非完全貼合。圖1-6TIMC-IMAG實驗室的LPR圖1-7美國國家兒童健康中心的肩部穿刺機器人國內穿刺手術機器人相對國外起步較晚，但是發(fā)展較塊，有的已經(jīng)完成了

【參考文獻】：
期刊論文
[1]北京某醫(yī)院1999年至2013年腎癌患者構成和變化分析[J]. 李紀賓,林華,鐘雪梅,陳舒蘭,李麗,周珊珊,鄒小農.  中國腫瘤臨床與康復. 2019(06)
[2]Remebot機器人輔助下立體定向腦組織活檢術的護理配合[J]. 吳黎琨,張敏慧,崔姣,吳世強,舒凱,趙體玉.  護理學雜志. 2018(02)
[3]面向微創(chuàng)外科手術機械臂的主動力擺位控制策略[J]. 王偉,杜志江,閆志遠,王偉東.  哈爾濱工程大學學報. 2017(12)
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[5]基于有限狀態(tài)機的優(yōu)化電梯控制算法的設計和實現(xiàn)[J]. 覃園芳.  科技創(chuàng)新與應用. 2016(17)
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[7]面向直接示教的機器人零力控制[J]. 游有鵬,張宇,李成剛.  機械工程學報. 2014(03)
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[9]基于蒙特卡洛法的噴涂機器人工作空間分析及仿真[J]. 蔡蒂,謝存禧,張鐵,鄒焱飚.  機械設計與制造. 2009(03)
[10]雙平行四桿型遠程運動中心機構的設計[J]. 宗光華,裴旭,于靖軍,畢樹生,孫明磊.  機械工程學報. 2007(12)

博士論文
[1]基于三維超聲圖像的穿刺手術機器人輔助系統(tǒng)研究[D]. 孫銀山.哈爾濱工業(yè)大學 2011

碩士論文
[1]平行連桿式穿刺手術機器人研究[D]. 劉潤田.北京工業(yè)大學 2017
[2]脊柱手術機器人力擺位及磨削力控制研究[D]. 毛大超.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[3]1P2R前列腺活檢機器人結構設計及仿真[D]. 王曉飛.哈爾濱理工大學 2014



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