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带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人研究

董九志  
【摘要】: 辅助腹腔镜手术机器人是用来代替腹腔镜手术中的持镜医生实现腹腔镜位置和姿态操作控制的机器人,根据主治医生观察患者病灶的需要进行相应的腹腔镜位姿控制,以获得平稳、清晰的腹腔镜图像。采用机器人操作腹腔镜不仅能够降低医生的劳动强度,而且提高了腹腔镜输出图像的质量和手术效率。目前,腹腔镜手术已经被广泛应用,随着人们对自身疾病的诊断、治疗给予越来越多的关注,辅助腹腔镜手术机器人在今后的医疗服务中具有广阔的应用前景。 论文主要研究带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人技术,包括机器人结构、驱动控制系统方案,主被动机器人运动学及腹腔镜工作空间和姿态空间分析,机器人工作区域规划,基于图像导航的腹腔镜穿刺孔定位和人机系统力学分析等,研制了实验样机,并进行了实验研究。 提出了带有主被动关节的新型辅助腹腔镜手术机器人结构,阐述了其结构特点和工作原理。研制了带有主被动关节的新型辅助腹腔镜手术机器人样机,设计了机器人的驱动控制系统方案。 建立了已知患者腹腔镜穿刺孔相对机器人基础坐标系位置的主被动机器人运动学方程,分别求解了机器人实现锥形位置空间和腹腔镜轴向位移的逆解。对机器人夹持下腹腔镜的工作空间、姿态空间、镜头光轴的姿态空间进行了研究,分析了为满足主治医生观察患者病灶的要求,机器人夹持腹腔镜进行的各种运动以及运动过程中腹腔镜、镜头光轴姿态角的变化。对机器人、患者、腹腔镜之间的空间布置进行了分析,规划了机器人的工作区域。 提出了基于图像导航的腹腔镜穿刺孔定位方法,通过两个红光激光器和一个微型CCD摄像头确定腹腔镜穿刺孔相对机器人基础坐标系的位置,通过几何关系求解腹腔镜的位姿,实现机器人对腹腔镜位姿的准确控制。建立了基于图像导航的腹壁穿刺孔定位模型,研究了机器人自动搜索、定位的方法。 建立了基于ADAMS的腹壁穿刺孔和机器人模型,分析了腹壁在人工气腹建立后腹腔镜进入腹腔前患者呼吸过程腹壁的受力,以及机器人控制腹腔镜绕穿刺孔转动工作过程中腹壁的受力,同时评估了机器人参与腹腔镜手术的安全性。对机器人被动关节动力学特性进行了分析,优化了被动关节推杆对球杆的预紧力,保证被动关节具有较高的灵活性的同时能够克服患者呼吸对腹腔镜位姿的干扰。 研制了带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人样机,介绍了驱动系统选型,机器人控制系统结构。对机器人样机进行了实验研究,包括CCD微型摄像头畸变校正实验,腹腔镜穿刺孔定位实验,机器人参与的模拟腹腔镜手术实验,验证了机器人的可行性。


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