微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)研制及其控制算法研究.pdf

1、機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)不僅具有傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)創(chuàng)口小、疼痛輕、出血少及術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也解決了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中存在的諸多問題:如基于主從控制的手術(shù)方式能夠減輕醫(yī)生手術(shù)時(shí)的疲勞,并解決傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中存在的“筷子效應(yīng)”問題;機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜精細(xì)的手術(shù)操作,可以極大地拓展醫(yī)生的手術(shù)能力。正是由于這些無可比擬的優(yōu)勢,機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)得到了外科手術(shù)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可,國內(nèi)外眾多醫(yī)療機(jī)構(gòu)都對微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人表現(xiàn)出極大的使用欲望,研制和開發(fā)具有自主

2、知識產(chǎn)權(quán)的微創(chuàng)外科機(jī)器人系統(tǒng)不但具有很高的學(xué)術(shù)研究價(jià)值,同時(shí)也可以帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,這是本文開展微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研制工作的目的及意義所在。
　　通過對微創(chuàng)外科手術(shù)操作環(huán)境進(jìn)行分析,提出了微創(chuàng)外科手術(shù)對機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求,并在此基礎(chǔ)上研制出了由手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)及手術(shù)微器械組成的機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)。為了滿足微創(chuàng)手術(shù)所需的術(shù)中空間不變點(diǎn),本文對復(fù)合平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),研制出一種基于鋼帶傳動(dòng)的新型平行四邊形遠(yuǎn)心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),

3、并將該機(jī)構(gòu)用于本文的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。此外,本文還研制出一種采用鋼絲驅(qū)動(dòng)的單自由度關(guān)節(jié),并將該關(guān)節(jié)用于手術(shù)微器械的腕部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。實(shí)際的微器械腕部運(yùn)動(dòng)測試表明該單元關(guān)節(jié)具有較好的運(yùn)動(dòng)靈活性,完全能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)微器械腕部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。
　　為了滿足微創(chuàng)手術(shù)對機(jī)械臂術(shù)中運(yùn)動(dòng)靈活性的要求,采用機(jī)械臂雅可比矩陣的奇異值構(gòu)造了基于條件數(shù)和可操作度的綜合靈巧度評價(jià)指標(biāo),并建立了基于該綜合評價(jià)指標(biāo)的機(jī)械臂靈巧度優(yōu)化模型。通過采用序列二次規(guī)劃算

4、法對該優(yōu)化問題進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械臂術(shù)中運(yùn)動(dòng)靈巧度的優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果表明機(jī)械臂在其工作空間內(nèi)具有良好的各向同性及可操作度,能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)對其運(yùn)動(dòng)靈活性的要求。此外,本文采用擺位機(jī)構(gòu)的封閉逆解方程對梯度投影算法進(jìn)行改進(jìn),并采用改進(jìn)的梯度投影算法對機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了術(shù)前擺位規(guī)劃;雙器械機(jī)械臂在動(dòng)物膽囊摘除手術(shù)中的實(shí)際操作性能表明該術(shù)前規(guī)劃方法對機(jī)器人系統(tǒng)的術(shù)前擺位具有較好的指導(dǎo)性作用。
　　針對所研制的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng),提出

5、了一種基于位姿分離的主從控制算法,該主從控制算法通過實(shí)現(xiàn)主從運(yùn)動(dòng)映射中的位置和姿態(tài)分離,將手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)中的6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解問題簡化為兩個(gè)3自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解問題,極大地降低了機(jī)械臂系統(tǒng)的逆解求解難度。同時(shí),本文采用該主從控制算法實(shí)現(xiàn)了基于主手位置增量的主從軌跡跟蹤控制,并成功解決了手術(shù)過程中的主從一致性問題、主從二次映射問題以及軌跡跟蹤過程中的位置指令平滑處理問題。此外,本文提出了基于器械末端位置不變的腕部姿態(tài)細(xì)分算法,該算法可

6、實(shí)現(xiàn)術(shù)中手術(shù)器械的快速安全更換。
　　在上述研究基礎(chǔ)上,本文對所研制的手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)集成,并對機(jī)械臂系統(tǒng)中的遠(yuǎn)心點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定測試,測試數(shù)據(jù)表明該機(jī)構(gòu)能夠滿足微創(chuàng)手術(shù)對遠(yuǎn)心點(diǎn)空間位置穩(wěn)定性的要求。同時(shí),本文通過采集手術(shù)過程中的實(shí)際數(shù)據(jù)對提出的主從控制算法進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明該主從控制算法能夠較好的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的主從軌跡跟蹤控制。最后,本文通過實(shí)際的動(dòng)物膽囊摘除手術(shù)對所研制的手術(shù)機(jī)器人整體操作性能進(jìn)行驗(yàn)證,手術(shù)結(jié)果表明該機(jī)器人系