磁共振兼容气动穿刺手术机器人的研究

摘要

经皮穿刺术是临床中常见的一种微创外科手术，为了提高穿刺的准确性与稳定性，近年来国内外越来越多科研机构开始研究磁共振兼容穿刺手术机器人，用于协助医生在术中磁共振实时影像引导下开展手术。与其它驱动方式相比，气压驱动具有磁共振兼容性好、功率-质量比大、清洁、结构简单、易于维护等优点，气压驱动的磁共振兼容穿刺手术机器人成为近年来国内外的研究热点之一。本文在国家自然科学基金项目的支持下，对用于腹腔穿刺手术的磁共振兼容气动穿刺手术机器人进行了研究，主要包括机器人设计、系统建模和控制方法等内容。 本论文分五章进行叙述，各部分主要内容如下： 第一章，阐述了本课题的选题背景及意义，指出了研究磁共振兼容气动穿刺手术机器人具有重要的理论和实际意义；概括了穿刺手术机器人的发展历史、国内外研究现状以及存在的缺点与不足，在此基础上提出了本论文的研究目标与研究内容。 第二章，从工作空间、结构、材料和驱动方面分析了用于腹腔穿刺手术的机器人设计要求，提出了一种气压驱动的6自由度磁共振兼容穿刺手术机器人设计方案，并选取了机器人驱动装置、传感器和本体加工材料；将机器人分为定位、定向和进针模块三个模块分别进行了详细设计，并建立了机器人三维虚拟样机模型，同时对其关键部位做了有限元仿真，最后完成了机器人实验样机制造。 第三章，建立了磁共振兼容气动穿刺手术机器人的详细数学模型，包括正运动学和逆运动学方程、转动关节与移动关节的动力学方程、长气管气动系统模型；利用MATLAB/Simulink 建立了机器人仿真模型，并通过机器人关节开环实验验证了模型的准确性。 第四章，将自动控制与主从控制相结合，提出了一种基于临床手术流程的机器人控制策略；设计了机器人关节自适应鲁棒控制器，通过自适应算法在线估计机器人关节驱动系统中的未知参数，用增益自适应smith预估补偿器补偿长气管给机器人关节驱动系统带来的延时影响，用基于反步法设计的非线性鲁棒控制器抑制关节驱动系统中的参数估计误差与其它模型不确定性和干扰的影响。最后，通过仿真与实验验证了控制器的性能与增益自适应smith预估补偿器的补偿效果。 第五章，对本论文的主要内容进行了总结与归纳，并对未来的研究进行了展望。

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