具有缝合功能的喉部微创手术机器人系统设计及实现

论文摘要

喉部微创手术是医生借助手术工具,通过喉镜狭小腔道实施的喉部手术。受到喉镜狭小空间的限制,该类手术仍无法进行复杂的手术操作。针对喉部狭小空间特点,本论文设计开发了一套具有七自由度的冗余手术机器人系统。该机器人采用主从控制模式,其末端工具的冗余自由度可有效解决喉镜空间限制,在狭小空间内实现手术缝合操作。本文以喉部微创手术机器人系统为研究对象,在以下几方面取得创新性成果:1)喉部微创手术机器人机械系统设计。针对喉部微创手术特点,将机器人分为末端工具、主动支架和被动支架三部分进行模块化设计。将末端工具的弯曲自由度与开合动作合成,简化了机构;采用“类曲柄滑块机构”保证工具具有较大的挟持力。主动支架采用远端回转中心机构保证微创口的安全;将内窥镜固定在主动支架上,提高了机器人在图像下的配准精度。被动支架设计具有重力补偿功能,方便医生对机器人手动定位。2)针对具有冗余特性的喉部微创手术机器人系统,提出了一套适用于实时操作的冗余机器人逆运动算法。该算法通过对末端工具的弯曲关节加入扰动的办法获得冗余逆运动学的解空间。再利用多优化指标融合的办法对冗余逆运动学解排序,从而得到最优逆解。针对喉镜约束特点设计的优化指标,可以充分利用末端工具弯曲自由度避免末端工具与喉镜之间的碰撞,实现狭小空间内的手术缝合操作。3)喉部微创手术机器人狭小空间内缝合动作的验证。基于开源机器人仿真软件包,构建了喉部微创手术机器人仿真开发平台,进行了逆运动学算法进行调试和狭小空间内缝合操作的验证。并将逆运动学算法在喉部微创手术机器人样机上实现,在真实环境下验证了机器人的缝合功能。4)设计并实现了基于PC机的主从“异构”型机器人控制系统。采用分层结构的实时控制算法,通过微小扰动建立主从操作手之间的对应关系,减小了计算量;通过增加反馈环节,减小近似计算误差;采用样条插值方法减轻人手抖动。并最终实现了主从“异构”机器人精确的位置控制。设计了一系列实验对喉部微创手术机器人系统的各项性能指标进行测量。实验表明该机器人具备了临床手术对精度及灵活度的要求,可进行临床试验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 引言
• 1.2 外科手术机器人系统
• 1.3 微创手术机器人的发展及研究现状
• 1.4 喉部微创手术机器人系统
• 1.5 课题研究的背景与意义
• 1.6 喉部微创手术机器人系统开发中面临的问题
• 1.7 全文概述
• 第二章喉部微创手术机器人机械系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 支撑喉镜下的微创手术介绍
• 2.2.1 支撑喉镜下喉部手术
• 2.2.2 支撑喉镜下喉部手术设备及其布置
• 2.2.3 支撑喉镜下喉部手术过程
• 2.2.4 支撑喉镜手术操作的工作空间
• 2.2.5 手术动作分析
• 2.2.6 支撑喉镜手术中的力分析
• 2.3 喉部微创手术机器人系统设计任务
• 2.4 喉部微创手术机器人末端工具的设计
• 2.4.1 末端工具的概念设计
• 2.4.2 末端工具的详细设计
• 2.5 喉部微创手术机器人主动支架设计
• 2.5.1 喉部微创手术机器人主动支架概念设计
• 2.5.2 喉部微创手术机器人主动支架的详细设计
• 2.6 喉部微创手术机器人被动支架的设计
• 2.6.1 被动支架的概念设计
• 2.6.2 喉部微创手术机器人被动支架的详细设计
• 本章小结
• 第三章喉部微创手术机器人运动学计算
• 3.1 引言
• 3.2 喉部微创手术机器人的正运动学计算
• 3.3 冗余机器人逆运动学计算
• 3.3.1 冗余机器人速度水平上逆运动学求解
• 3.3.2 冗余机器人位置水平上逆运动学求解
• 3.4 具有冗余特性的喉部微创手术机器人逆运动学计算
• 3.4.1 新型的直接搜索算法
• 3.4.2 非冗余部分逆运动学解法
• 3.4.3 具有冗余特性的喉部微创手术机器人优化指标
• 3.4.4 喉镜手术机器人冗余多优化指标的融合
• 本章小结
• 第四章喉部微创手术机器人缝合动作验证
• 4.1 引言
• 4.2 缝合动作的数学描述
• 4.3 喉部微创手术机器人缝合动作的仿真验证
• 4.3.1 P.I. Corke 的机器人仿真软件包
• 4.3.2 具有冗余特性的喉部微创手术机器人仿真研究
• 4.4 喉部微创手术机器人缝合动作的验证
• 4.4.1 喉部微创手术机器人逆运动学算法实现
• 4.4.2 轨迹规划
• 4.4.3 喉部微创手术机器人缝合动作验证
• 本章小结
• 第五章喉部微创手术机器人主从控制算法
• 5.1 引言
• 5.2 喉部微创手术机器人系统的主从对应关系
• 5.3 主从式喉部微创手术机器人系统主从对应原则
• 5.3.1 喉部微创手术机器人从操作手的标定
• 5.3.2 主操作手控制台的标定
• 5.4 主从“异构”型机器人控制算法
• 5.5 主从控制算法的单元实验验证
• 本章小结
• 第六章喉部微创手术机器人实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 主从式喉部微创手术机器人系统实验台
• 6.3 喉部微创手术机器人性能指标测试实验
• 6.4 喉部微创手术机器人主从延时实验
• 6.5 主从操作模式下的喉部微创手术机器人缝合实验
• 6.5.1 竖直缝合实验
• 6.5.2 水平缝合实验
• 本章小结
• 第七章全文总结
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录A：喉部微创手术机器人工程图与样机
• 附录B：机器人DH 建模方法
• 致谢