面向主從式微創(chuàng)外科手術機器人的遙操作運動控制策略研究.pdf

1、當前，微創(chuàng)外科手術機器人正逐漸成為醫(yī)療機器人研究中的一個熱門研究領域。由于其特殊的機構設計及機器人技術的引入，微創(chuàng)手術機器人可克服傳統(tǒng)手動微創(chuàng)手術的運動限制與缺陷，極大地拓展醫(yī)生的能力，讓醫(yī)生實現(xiàn)對手術儀器前所未有的精準控制，進而充分發(fā)揮微創(chuàng)手術的優(yōu)勢。利用先進機器人技術結合傳統(tǒng)微創(chuàng)手術方法，不僅進一步提高了手術質量和安全性，減輕了病人的痛苦，而且擴展了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術技術的應用范圍，使得微創(chuàng)手術可應用于更加精密的手術領域。近些年來，微創(chuàng)外

2、科手術機器人得到了越來越多的關注，并且隨著人們對自身疾病治療的日趨重視以及對醫(yī)療質量要求的增高，微創(chuàng)外科手術機器人在未來的醫(yī)療服務中必將具有更加廣闊的應用前景。
　　在機器人輔助微創(chuàng)手術中，醫(yī)生主要通過主從式遙操作(Master-slave Teleoperation)的方式實施手術，即醫(yī)生只需要坐在主控制臺旁，雙手握住主操作手完成各種手術動作，遙操作系統(tǒng)將自動控制安裝在從機械臂末端上的手術器械忠實完整地復現(xiàn)醫(yī)生雙手的每一個動作，

3、輔以內窺鏡實時反饋的病灶區(qū)域圖像，醫(yī)生就可以遠程完成各種手術操作。因此，在一個微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)中，主從遙操作控制系統(tǒng)直接決定了整個系統(tǒng)的用戶體驗（評價）的好壞，主從遙操作控制系統(tǒng)的設計對于整個微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)的開發(fā)而言有著重要的意義。
　　本文將面向主從式微創(chuàng)外科手術機器人，對其遙操作控制系統(tǒng)設計中所涉及到的幾個主要問題，包括遙操作的實時性、直觀性以及安全可靠性進行探討和研究，進而提出一套完整的主從遙操作控制系統(tǒng)的設計方法

4、，并搭建相應的軟硬件平臺對其進行實驗驗證。本文的具體工作主要包含以下幾個方面:
　　(1)針對一種常見的主從異構式微創(chuàng)外科手術機器人，對其主從操作手分別進行了運動學建模，并求得了其正逆運動學解的所有顯式解析表達式，以實現(xiàn)實時控制。其中，針對相對復雜的從操作手（其結構不滿足Pierper準則）逆運動學求解問題，考慮到微創(chuàng)手術器械的結構特點，本文提出了一種兩步近似求解算法，只需簡單計算即可得到從手逆運動學近似解的解析表達式，再結合誤差

5、補償措施，就可輕松實現(xiàn)對結構上并不滿足Pierper準則的任意微創(chuàng)手術從操作手的實時精確逆運動學在線求解及相應遙操作控制。
　　(2)在實現(xiàn)了對主從手的實時求解控制之后，本文進一步探討了如何通過主操作手的運動自然直觀地控制從操作手運動。首先，文章對使用各種不同的醫(yī)生主操縱臺（不同的操縱臺布置方式）進行手術遙操作的過程進行了統(tǒng)一抽象建模，進而討論了為了提高操作者使用其進行手術遙操作的直觀感，達到“所動即所見”的自然操作效果，手術機器

6、人主從手之間應滿足的空間運動映射關系;本文提出基于廣義手眼協(xié)調準則來設計機器人主從操作手之間的空間運動映射關系，以使得醫(yī)生在遙操作過程中所觀察到的從手末端手術器械的運動始終完全符合其主觀感受，從而最大程度地保證遙操作的臨場感。
　　(3)在基于上述研究實現(xiàn)了實時直觀的主從遙操作控制之后，針對其實際應用中尚存在的安全性隱患（由于內窺鏡反饋深度信息不足且缺乏觸感反饋，醫(yī)生容易無意識地過度移動從機械手，導致尖銳的手術器械與病灶周圍其他一

7、些脆弱組織器官發(fā)生擦碰，對其造成意外傷害），本文提出了一種新的、簡單易用的、基于可自定義虛擬保護夾具的解決方法。利用該方法，醫(yī)生可以很方便地在術前甚至在手術過程中隨時根據(jù)需要定義相應的虛擬保護夾具，以此來約束機器人的運動，從而可以保護病灶區(qū)域的特定部位，防止手術誤動作對其造成意外損傷，極大地提高了手術遙操作的安全可靠性。
　　(4)搭建了微創(chuàng)外科手術機器人虛擬仿真以及硬件實驗平臺，并將上述各方法封裝成相應的軟件模塊，在實際操作任務

8、中進行測試，以驗證所提出方法的正確有效性。
　　本文所研究的手術機器人主從手運動學實時求解控制、主從手空間運動映射關系設計等內容基本涵蓋了手術機器人主從遙操作控制系統(tǒng)設計中所涉及到的主要技術問題，而基于可自定義虛擬保護夾具的機器人空間運動約束方法則可以進一步提高使用手術機器人實施微創(chuàng)手術的安全性和可靠性?；谶@些研究成果就可以為微創(chuàng)手術機器人設計一套精確實時、自然直觀、安全可靠的主從遙操作控制系統(tǒng)。此外，文中所提出的相關方法也可以