人体腔内手术机器人扩张与操作技术的研究

摘要

随着社会的发展以及科技的进步，人们对疾病诊治手段提出了越来越高的要求。微创手术的出现在一定程度上颠覆了传统的开放式手术，大大缩短了创口的愈合时间。在微创手术基础上兴起的腔内手术机器人可望拓展微创手术的应用范围，促进该技术的进一步发展。然而腔内手术机器人的发展才刚刚起步，还存在诸多技术难点有待解决，真正实用的腔内手术机器人并不多。本文将针对目前腔内手术机器人领域存在的扩张和操作两大技术难点进行研究。
　　本文根据手术需要，设计了具有扩张和操作功能的人体腔内手术机器人。其中扩张器能够在进入人体器官后，将腔内器官撑开，以获得足够的视野和操作空间;操作器能够伸入器官内部进行观察、取样、手术诊治。借助solidworks三维设计软件，本文设计了组成整个腔内手术机器人的扩张器、拉紧机构、操作器、套索传动等结构，并制作出了样机。其中扩张器的撑开杆由多单元组合而成，兼具柔性和刚性。拉紧机构采用滑轮机构，只需单一动力源就能保证六根绳索的拉力近似相等。操作器采用预弯曲钛镍合金丝驱动内窥镜摆动，预弯曲的弹性管能驱动手术器械进行手术操作。
　　在完成结构设计的基础上，着重对扩张器和操作器进行了建模分析和仿真。在扩张器建模过程中，首先参考相关文献建立了套索传动的静态模型，确定了套索传动输入和输出之间的关系，然后对扩张器受力后的变形进行了分析，得到了不同初始拉力与扩张器扩张尺寸之间的关系，接着根据相关假设分析了器官和扩张器之间的相互作用，最后利用Matlab对所建数学模型进行了仿真分析。在操作器运动学分析过程中，首先根据D-H法建立了机械手连杆坐标系，然后在此基础上建立了机械手的正运动学和逆运动学方程，并利用蒙特卡洛法分析了机械手的操作空间，最后对预弯曲钛镍合金丝的末端位姿以及病灶定位进行了分析，从理论上确定了操作功能的可行性。
　　最后，针对套索传动设计了专用的拉力传感器，搭建了拉力采集系统，测量了扩张过程中绳索的拉力。在此基础上进行了模拟手术实验来验证相关功能，实验验证成功。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 微创手术机器人的发展现状与趋势

1．2．1 微创手术机器人系统的发展现状

1．2．2 单孔微创手术机器人系统的发展现状

1．3 课题研究的主要任务

1．4 本章小结

第二章 人体腔内手术机器人的机械结构设计

2．1 扩张器的设计

2．1．1 扩张器的必要性

2．1．2 扩张器的方案设计与选择

2．1．3 方案对比分析

2．1．4 扩张器的详细设计

2．2 拉紧机构的设计

2．2．1 均衡力拉线器的设计

2．2．2 绕线器的设计

2．3 操作器的设计

2．3．1 操作器的必要性

2．3．2 操作器的设计

2．4 套索传动简介

2．5 本章小结

第三章 器官扩张器建模分析

3．1 套索传动静态模型

3．2 器官扩张器建模

3．2．1 扩张器受力变形假设

3．2．2 扩张器受力分析

3．3 器官的力学特性分析

3．4 Matlab分析计算

3．5 关键零件的受力分析

3．6 本章小结

第四章 操作器的运动学分析

4．1 操作器末端位姿描述

4．1．1 机械手连杆坐标系的建立

4．1．2 机械手正运动学分析

4．1．3 机械手逆运动学分析

4．2 操作器末端工作空间分析

4．3 预弯曲钛镍合金丝末端位姿分析

4．4 病灶的定位分析

4．5 本章小结

第五章 机器人模拟手术实验

5．1 拉力采集系统

5．1．1 拉力传感器的设计

5．1．2 数据采集平台的搭建

5．1．3 采集软件的编写

5．1．4 传感器的标定

5．2 模拟手术实验

5．2．1 手术模拟实验设计

5．2．2 器官扩张模拟实验

5．2．3 手术操作模拟实验

5．2．4 模拟息肉切除手术

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献