線驅軟體手術機器人形狀感知與控制.pdf

1、微創(chuàng)手術不僅可以減輕患者痛苦，縮短恢復時間，同時可以在某種程度上緩解醫(yī)療資源緊張的問題。但目前的微創(chuàng)手術系統(tǒng)主要依賴進口，花費不菲，而且體積龐大，操作臂由硬質材料制成，存在比較大的風險，使得現(xiàn)在的微創(chuàng)手術器械使用率較低。軟體機器人是一種新型的機器人，它的靈感來源于動物界的軟體動物或動物器官，比如章魚、象鼻等。仿照動物的這些特點，用硅膠和拉線制成的軟體機器人可以實現(xiàn)類似于章魚手臂的靈活運動。
　　針對上述微創(chuàng)手術系統(tǒng)存在的問題，結合

2、軟體機器人的優(yōu)點，本課題組設計了軟體手術機器人系統(tǒng)。本文主要探討軟體機器人在微創(chuàng)手術領域的應用，針對軟體機器人在微創(chuàng)手術中應用存在的問題展開一系列研究。本文的主要研究內容和創(chuàng)新點主要有：
　　本文根據(jù)臨床手術的要求，改進了現(xiàn)有的軟體手術機器人系統(tǒng)的機械結構，對現(xiàn)有系統(tǒng)進行了發(fā)展，并使驅動裝置與機械結構結合在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)模塊化。開發(fā)了一套全新的操作界面，將重要數(shù)據(jù)和視頻信息顯示在操作界面上，便于醫(yī)生及時判斷機器人運行狀態(tài)。同時上位

3、機軟件具有報警功能，當判斷機器人出現(xiàn)異常時，會自動報警并采取緊急措施，最大限度降低手術風險。為了與上位機軟件進行配合，設計驅動軟件，用于執(zhí)行上位機軟件下發(fā)的指令并將運行狀態(tài)及時上報。手術系統(tǒng)的可行性和安全性通過動物實驗進行了驗證，胸腔和肺部的活檢手術、心耳結扎手術以及心臟消融手術在跳動心臟上的成功進行不僅說明了手術系統(tǒng)應用的廣泛性，同時也對說明了手術系統(tǒng)的可行性和安全性。
　　本文提出了一套光纖布拉格光柵形狀感知算法。針對手術過程

4、中存在的無法實時感知軟體機器人手臂形狀，僅依靠前端攝像頭的反饋，可能對醫(yī)生進行下一步操作造成誤判的問題，提出了形狀感知算法，通過在手臂內部嵌入光纖布拉格光柵傳感器的方式對手臂的實時形狀進行感知。通過光纖布拉格光柵傳感器網(wǎng)絡，可以測得軟體機器人手臂的形變，進而獲得軟體機器人手臂在傳感器測量點處的三維曲率和撓率信息，通過插值算法得到整個手臂的曲率和撓率信息，進而通過估計算法計算出軟體手臂中心線的形狀。形狀感知算法的有效性通過實驗進行了驗證。

5、
　　最后，本文提出一種關于軟體機器人手臂的形狀控制算法。發(fā)展了連續(xù)體機器人在形狀控制方面的研究，結合軟體機器人彎曲的特點，提出了一套軟體機器人手臂形狀控制算法?；诔Ｇ实募僭O，對軟體機器人手臂的形狀在三維空間中的描述進行分析，找到描述軟體機器人手臂三維形狀所需要的參數(shù)。通過正運動學關系，建立軟體機器人手臂三維形狀描述參數(shù)與軟體機器人手臂驅動線之間的關系。根據(jù)兩者之間的關系，設計控制器對軟體機器人手臂三維形狀進行控制。為了驗證控