微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人柔性工具機(jī)構(gòu)綜合與主從控制策略研究.pdf

1、本文圍繞單孔和經(jīng)自然腔道手術(shù),針對(duì)手術(shù)特點(diǎn)和臨床需求,分析柔性工具微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人及手術(shù)工具特征,研究微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人柔性工具構(gòu)型設(shè)計(jì)方法及主從控制策略。本文取得如下創(chuàng)造性成果:
　　針對(duì)單孔/經(jīng)自然腔道手術(shù)的特點(diǎn),分析機(jī)器人的操作方式和操作模式。以所設(shè)計(jì)的泌尿鏡手術(shù)機(jī)器人和心臟超聲導(dǎo)管機(jī)器人為例,研究柔性工具微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的鋼絲傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)構(gòu)型,把運(yùn)動(dòng)學(xué)控制應(yīng)用到泌尿鏡手術(shù)機(jī)器人上,并分析了不同柔性工具的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題;提出對(duì)于柔性工具增

2、強(qiáng)剛性的單自由度雙驅(qū)動(dòng)方式,并分析了手術(shù)機(jī)器人的臨床需求對(duì)于機(jī)器人機(jī)構(gòu)上和控制上的要求。
　　本文引入螺旋理論,結(jié)合約束螺旋方法提出單自由度閉環(huán)鋼絲傳動(dòng)模塊機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合方法。建造一個(gè)基礎(chǔ)機(jī)構(gòu),通過(guò)約束螺旋方法約束出一個(gè)等腰梯形機(jī)構(gòu),保證關(guān)節(jié)模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)程中,有效鋼絲總長(zhǎng)度恒定不變。通過(guò)所提出的構(gòu)型綜合方法,綜合出一類(lèi)滿足要求的單自由度閉環(huán)鋼絲傳動(dòng)模塊關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu),并對(duì)該方法進(jìn)行了分析討論
　　以一個(gè)綜合所得的典型模塊關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)為實(shí)

3、例,對(duì)該模塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,對(duì)機(jī)構(gòu)模型通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為工程實(shí)際應(yīng)用關(guān)節(jié)模塊。并通過(guò)以該關(guān)節(jié)模塊為基礎(chǔ),組合設(shè)計(jì)出兩關(guān)節(jié)單自由度柔性工具以及四關(guān)節(jié)兩自由度柔性工具,并把該柔性工具應(yīng)用到微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人器械以及單孔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人中。
　　基于電磁感應(yīng)原理,提出直接操作手術(shù)器械控制手術(shù)機(jī)器人的全新主從操作方式。把傳統(tǒng)開(kāi)口手術(shù)的操作模式直接引入機(jī)器人主從操作中,醫(yī)生通過(guò)直接操作普通手術(shù)器械,即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主從控制操作,極大提高了手術(shù)的直覺(jué)沉

4、浸感,降低手術(shù)成本。本文分析并討論該操作方式的特點(diǎn),并提出磁感應(yīng)主從操作下的安全性控制策略,從控制算法上保證主從操作的安全性;同時(shí)比較分析了不同操作方式和不同操作主手的特點(diǎn)。
　　針對(duì)柔性器械的問(wèn)題,對(duì)手術(shù)機(jī)器人柔性工具進(jìn)行標(biāo)定,改進(jìn)現(xiàn)有柔性工具中存在的驅(qū)動(dòng)精度問(wèn)題,并利用所設(shè)計(jì)的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn);同時(shí)初步驗(yàn)證了柔性工具的雙驅(qū)動(dòng)可行性,驗(yàn)證了基于模塊關(guān)節(jié)的柔性工具的運(yùn)動(dòng)可操作性和縫合可行性;對(duì)磁感應(yīng)主從操作進(jìn)