小型化微创手术机器人设计方法与运动映射策略研究

摘要

小型化微创手术机器人的研究对促进机器人辅助微创手术技术的发展具有重要意义。本文密切结合我国对高端医疗器械的需求，围绕小型化微创手术机器人设计的若干关键技术与设计理论展开研究。全文取得如下创造性成果： 在对微创手术操作特性的研究基础上，提出微创机器人设计基本方法。首先，全面分析了不同微创机器人及器械基本构型对机器人运动性能的影响，为微创机器人机构设计提供构型依据。其次，对现有丝传动方式进行归纳综合与优缺点分析，并针对各种丝传动构型建立对应的基本传动模型，为微创机器人丝传动结构设计与传动建模提供了设计理论依据。 通过对现有微创手术机器人的研究，提出微创机器人小型化设计的机构实现方法。在此基础上，提出了小型化微创机器人可行的机构构型形式：两自由度平面RCM机构和切口自适应机构。对所提出的新型机构进行了结构特性分析与运动学性能评价，为这些机构的实际应用提供了机构设计理论基础。其中，针对切口自适应机构的运动特点，提出一种运动支点预估算法，为基于该机构实现方法的微创机器人主从运动映射的建立奠定了基础。 为匹配小型化微创机器人的机构特点，设计出一种具有末端自转特性的新型丝传动手术器械，并建立了该器械的整体丝传动结构与传动模型。其中，针对开合传动结构特点，建立了可变曲率丝鞘传动结构的传动模型，并进行了丝鞘传动特性优化。此外，本文提出一种夹持力预补偿建模方法，该方法可用于构建器械夹持力补偿模型，进而实现微创手术机器人夹持力的稳定输出。 在研究微创机器人主从运动映射基本要求与控制策略的基础上，提出一种基于位姿分离、末端同构映射方式的新型主从运动映射算法。该映射算法可有效降低主从运动映射的运动学计算量，简化控制系统复杂程度，进而有利于实现微创机器人小型化设计。随后，针对微创手术机器人应具备的器械快换、主、从手介入调整、碰撞预测与处理等功能建立了对应的控制策略，解决了机器人辅助微创手术中可能遇到的多种器械间更换、器械末端超出内窥镜视野、医生操作不舒适、从手之间发生碰撞等问题。 在小型化微创手术机器人系统开发方面，通过创造性地设计采用“三指”式被动调整机构，极大地简化了微创手术机器人的整体结构尺寸。在对机器人各结构单元进行详细设计的基础上，成功开发了小型化微创机器人“MicroHand S”系统样机。在实验研究方面，对该系统的从手运动特性、快换性能、器械夹持力与传动特性、主从运动映射等方面进行了单元测试与实验验证，并通过动物实验系统地验证了所开发的微创手术机器人的综合性能。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 课题研究背景和意义

1.3 微创机器人关键技术研究状况

1.4 本文主要研究内容

第二章 微创手术机器人设计基本方法

2.1 引言

2.2 微创机器人设计基本要求

2.3 微创机器人操作模式分析

2.4 机器人及手术器械机构学构型分析

2.5 丝传动构型综合与传动特性分析

2.6 丝鞘传动特性分析

2.7 安全性设计

2.8 本章小结

第三章 小型化微创手术机器人机构实现方法研究

3.1 引言

3.2 小型化微创机器人设计要求与实现方法

3.3 基于双平行四边形的新型两自由度平面RCM机构

3.4 基于双被动关节的切口自适应机构

3.5 两种机构实现方式的对比研究

3.6 本章小结

第四章 丝传动手术器械设计与夹持力预补偿研究

4.1 引言

4.2 末端自由度布局分析

4.3 丝传动结构设计、分析与建模

4.4 丝鞘传动特性优化

4.5 夹持力预补偿建模方法

4.6 本章小结

第五章 主从运动映射算法与控制策略研究

5.1 引言

5.2 主从运动映射基本建模方法

5.3 基于位姿分离的主从运动映射算法

5.4 微创机器人主从控制策略

5.5 本章小结

第六章 实验研究

6.1 引言

6.2 “MicroHand S”样机系统

6.3 从手运动支点预估算法验证

6.4 快换性能测试

6.5 器械夹持力建模实验

6.6 开合传动精度测量

6.7 能量器械安全性测试

6.8 主从操作-缝合穿针

6.9 动物实验研究

6.10 本章小结

第七章 全文总结

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢