腹腔镜操作机器人研制及其关键技术研究

【摘要】：随着机器人技术的发展及其应用领域的不断扩展,医疗机器人作为智能机器人的一个分支正逐步进入我们的生活,将机器人技术应用到现代医学领域,极大的推动了现代医疗技术的发展,是现代医疗卫生装备的发展方向之一。目前,医疗机器人技术及其装备正日益成为机器人领域的研究热点,受到了各国科研机构的广泛关注。 微创手术较传统手术具有创伤小、伤口愈合时间短、术后恢复快、病人住院时间明显缩短等优点,提高了患者的生命健康品质。而将机器人技术应用到微创手术当中具有提高微创手术质量,降低医生劳动强度等优点,被广大医师所日渐接受,因此需进一步研究微创手术机器人关键技术及其在微创手术中的应用。 本文针对“腹腔微创手术机器人系统研究”的国家“863”计划资助项目,在综述国内外关于微创手术机器人研究状况的基础上,深入研究微创手术机器人的相关理论和关键技术。综合利用精密机械、控制理论、传感技术等学科技术,研制开发出适用于微创手术环境的腹腔镜操作机器人,并对所涉及的腹腔镜操作机器人相关关键技术进行了深入研究。 本文首先研究腹腔镜操作机器人机械本体、硬件控制系统及软件控制系统。根据微创手术的应用环境,分析腹腔微创手术的作业需求,采用被动式腕部结构来实现腹腔镜绕插入点运动,最终确定7自由度冗余机械臂作为腹腔镜操作机器人构型。采用模块化设计方法简化机器人结构设计的复杂度,提高机器人的可维护性。研究基于运动控制卡开放式机器人控制器结构,设计机器人伺服系统及相应控制器硬件接口,采用面向对象技术和模块化思想开发了系统控制软件,介绍了控制软件的容错性设计。 其次研究微创条件约束下腹腔镜操作机器人运动学的分析方法。考虑由于手术切口处隔肌厚度和病人呼吸等因素的影响,很难通过测量的方法获取手术插入点的位置,利用腹腔镜运动学参数,应用空间向量几何关系计算腹腔镜插入点的位置。求解机器人正逆位置运动学,并采用矢量积法求解机器人速度正运动学,应用腹腔镜运动所满足微创条件约束给出机器人速度逆运动学。使医生获取了同开放式手术中相同的笛卡尔控制方式,为腹腔镜操作机器人运动规划及控制奠定了基础。 然后研究腹腔镜操作机器人的运动规划技术。在分析腹腔微创手术任务的基础上将机器人的操作规划为4种基本的动作,并分别讨论了实现4种动作的方法。在绕插入点运动中实时估计插入点的位置,提高了腹腔镜末端点的控制精度。在研究梯度投影法求解冗余度机器人运动学的基础上,结合位姿分解方法,提出了一种有效的7自由度冗余机器人运动学逆解求解方法。 再次研究腹腔镜操作机器人术前位置规划技术。微创手术中医生需要操作腹腔镜来观察病灶点的状况,因此腹腔镜末端能否到达相应的位置关系到手术能否顺利的进行。因此,给出一种基于距离梯度投影搜索方法的机器人基座位置规划方法,并结合腹腔镜操作机器人灵活度空间分布,提出腹腔镜操作机器人术前位置规划算法。 最后,采用面向对象的方法设计腹腔镜操作机器人虚拟仿真系统,对机器人术前位置规划算法和运动规划进行仿真。对建立的腹腔镜操作机器人系统进行运动控制实验研究,并进行实验数据分析,验证腹腔镜操作机器人相关理论的有效性,为该机器人的进一步应用奠定基础。