微创腹腔手术机器人从手系统机构设计与腹腔镜跟随/预测运动方法研究

摘要

随着机器人技术的不断发展与微创外科手术的广泛应用，以机器人技术和微创医学为支撑技术构建的微创腹腔手术机器人系统，具有目标定位精确、手术易于实现微创化、可进行主从控制与远程手术、大幅降低患者的手术痛楚与恢复时间等优点。
　　通过深入研究主从式微创腹腔手术机器人系统的构成，建立了系统总体方案，提出一种由2条器械臂和1条持镜臂组成的从手系统。在分析3条臂的手术操作空间基础上，为使从手系统机械臂具有良好的通用性，设计完成8自由度冗余通用机械臂和3自由度微操作器械，并试制完成实验样机。探讨了单臂8自由度机器人辅助腹腔镜导航系统和11自由度外科手术系统的组成，以及组合型3臂从手系统的构成方案。
　　根据8自由度持镜臂和11自由度器械臂的机构特点，使用D-H法分别建立运动学坐标系，推导正向运动学数学模型，根据主动关节运动范围求解逆向运动学的唯一逆解。使用Matlab软件Simulink工具箱分别搭建持镜臂和器械臂的运动学仿真模型，验证了正逆运动学的正确性，并分析了持镜臂和器械臂的工作空间。
　　提出一种腹腔镜视觉窗口自动跟踪器械臂标记点的运动方法，保证微操作器械在视窗区域内的分布比例，医生在手术进程中不用切换主从控制对象即可实现视窗的有效跟随运动。建立从手系统的全局基系，深入分析机器人运动学和空间解析几何关系，推导出腹腔镜跟随运动算法的数学表达式，使用Matlab软件m函数编写仿真程序，输入两组标记点的典型运动轨迹曲线，仿真输出腹腔镜末端的自动跟踪运动曲线，并通过判定角度条件验证了该运动方法的可行性和正确性。
　　建立一种腹腔镜预测运动方法，首先将标记点运动轨迹曲线离散化为时序列位置矢量，然后应用紧邻6元素Verhulst灰色模型预测标记点的位置矢量，再使用腹腔镜跟随算法计算腹腔镜末端的预测运动轨迹曲线。使用Matlab软件m函数编写仿真程序，分析不同离散化采用周期下的预测轨迹曲线和预测相对误差，仿真结果显示在运动轨迹拐点附近出现突变值，无法进行准确预测；为此，建立一种预测值修正算法，通过大量仿真验证，对比分析仿真结果，证明了修正算法的有效性和可行性，使腹腔镜预测运动轨迹曲线的精度大幅提高，曲线连续性和光滑性能够满足实际系统的使用要求。

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第1章 绪论

1.1 课题的目的及意义

1.2 微创腹腔手术机器人国内外研究现状及未来发展趋势

1.3 论文的主要研究内容

第2章 微创腹腔手术机器人从手系统机构设计

2.1 微创腹腔手术机器人从手系统总体方案

2.2 8自由度机械臂机构设计

2.3 3自由度微操作器械机构设计

2.4 组合型从手系统方案设计

2.5 本章小结

第3章 从手系统机构运动学建模及仿真分析

3.1 8自由度持镜臂正逆运动学建模与仿真分析

3.2 11自由度器械臂正逆运动学建模与仿真分析

3.3 本章小结

第4章 从手系统腹腔镜跟随运动方法研究

4.1 从手系统3臂全局基座坐标系的建立

4.2 腹腔镜跟随运动方法

4.3 仿真分析

4.4本章小结

第5章 从手系统腹腔镜预测运动方法研究

5.1 Verhulst灰色预测模型

5.2 腹腔镜预测运动方法

5.3 仿真与误差分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果表

致谢