五自由度腹腔鏡虛擬手術(shù)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著外科手術(shù)水平的發(fā)展，傳統(tǒng)的臨床教學(xué)模式已經(jīng)難以達(dá)到教學(xué)實(shí)踐的目的。虛擬手術(shù)因?yàn)闊o創(chuàng)傷、可重復(fù)和低成本等優(yōu)點(diǎn)，很快成為了研究熱點(diǎn)。腹腔鏡虛擬手術(shù)是最為常見的一種虛擬手術(shù)。該領(lǐng)域目前大部分研究?jī)H限于仿真可視化階段，由于缺少人機(jī)交互接口，導(dǎo)致醫(yī)生使用時(shí)效果跟臨床環(huán)境差別很大。在開發(fā)腹腔鏡虛擬手術(shù)系統(tǒng)的過程中，為了使實(shí)習(xí)醫(yī)生的模擬訓(xùn)練更加貼近現(xiàn)實(shí)，選用機(jī)械手設(shè)備作為人機(jī)交互的接口非常有必要。
　　在臨床中，腹腔鏡手術(shù)器械的操作是一種繞

2、固定點(diǎn)作自旋、伸縮、角度開合和四個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的受限制運(yùn)動(dòng)。本文根據(jù)腹腔鏡虛擬手術(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出機(jī)械手設(shè)計(jì)原則，經(jīng)過尺寸計(jì)算和空間結(jié)構(gòu)布局，自主設(shè)計(jì)了一套五自由度的正交構(gòu)型機(jī)械手設(shè)備。該設(shè)備支持伸縮、旋轉(zhuǎn)、左右轉(zhuǎn)動(dòng)、上下轉(zhuǎn)動(dòng)和角度開合五個(gè)自由度的操作，各自由度采用正交構(gòu)型設(shè)計(jì)，符合醫(yī)生的操作方式，避免了用于虛擬手術(shù)系統(tǒng)時(shí)復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。根據(jù)手術(shù)過程中選擇手術(shù)器械及其它快捷鍵的需求設(shè)計(jì)了按鍵面板，并依據(jù)實(shí)際臨床情況加入了腳踏板作為按鍵面板的

3、補(bǔ)充。機(jī)械手通過采集傳感器捕獲操作者的空間運(yùn)動(dòng)信息，傳遞給虛擬手術(shù)系統(tǒng)。虛擬手術(shù)系統(tǒng)根據(jù)采集到的五個(gè)自由度的電壓幅值與機(jī)械位移量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成了姿態(tài)信息從機(jī)械手到虛擬器械的轉(zhuǎn)換過程，實(shí)現(xiàn)了通過機(jī)械手控制虛擬器械的目的，滿足了腹腔鏡虛擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手人機(jī)交互功能的需求。
　　本機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互來控制虛擬手術(shù)流程的功能，符合人體工程學(xué)，能夠滿足腹腔鏡虛擬手術(shù)系統(tǒng)中對(duì)手術(shù)器械實(shí)時(shí)操作的要求。該設(shè)備具有可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性和易操作等優(yōu)