面向喉部微創(chuàng)外科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)不僅可以拓展醫(yī)生的手術(shù)能力，而且可以提高手術(shù)質(zhì)量。本文針對(duì)支撐喉鏡下喉部手術(shù)，應(yīng)用機(jī)器人設(shè)計(jì)理念，借助線幾何和對(duì)偶數(shù)等數(shù)學(xué)工具，設(shè)計(jì)完成喉部微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)喉部手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、干涉分析、主從對(duì)應(yīng)操作分析、性能實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： 量化分析了傳統(tǒng)支撐喉鏡下喉部手術(shù)過(guò)程，提出了面向喉部手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)完成喉部手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)為主從操作模式。

2、從操作手為雙臂結(jié)構(gòu)，且位姿解耦。從操作手臂部機(jī)構(gòu)為平面轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)型，由絲傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；腕部機(jī)構(gòu)為三軸匯交于工作點(diǎn)的模式與避干涉機(jī)構(gòu)，能夠最小化喉鏡狹腔內(nèi)外的干涉問(wèn)題；外部圖像系統(tǒng)應(yīng)用了雙目立體視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)。 分析了外科手術(shù)機(jī)器人從操作手的工作空間與可操作性。工作空間分析采用蒙特卡羅方法，確定了末端工具的可達(dá)工作空間即為其定向靈活工作空間。采用雅可比矩陣的F范數(shù)分析了外科手術(shù)機(jī)器人的可操作性，其結(jié)果具有更廣泛的適用性。論文以最佳可

3、操作性和最大協(xié)作工作空間面積為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出從操作手關(guān)鍵部件的幾何尺度(桿長(zhǎng))和六個(gè)初始角度，并規(guī)劃出手術(shù)合理的布局方案。 分析了喉部手術(shù)機(jī)器人工具與喉鏡之間的干涉基本情況，提出了“線幾何-對(duì)偶數(shù)-關(guān)鍵點(diǎn)”的判斷干涉的方法。將手術(shù)工具之間的干涉檢驗(yàn)劃分為初判斷和終判斷兩種情況，以提高在線干涉檢驗(yàn)速度。對(duì)于工具與喉鏡之間的干涉檢驗(yàn)則采用四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和軸線的夾角約束方式，有效解決了支撐喉鏡下喉部手術(shù)中兩工具與喉鏡三者彼此之間的干

4、涉問(wèn)題。 建立了主從對(duì)應(yīng)操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?；谑噶拷馕龇ń⒘藱C(jī)器人從操作手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，基于DH法計(jì)算主從操作手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并應(yīng)用雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了喉鏡位姿的定位。通過(guò)模型分析可知，主從操作模式下，主從位置空間比例系數(shù)為4:1，主從姿態(tài)空間比例系數(shù)為1:1。 有效進(jìn)行了系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。性能實(shí)驗(yàn)包括基于雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的從操作手實(shí)驗(yàn)，虛擬環(huán)境下主操作手的干涉實(shí)驗(yàn)，主從對(duì)應(yīng)操作的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的干