喉部手术机器人主从控制与实验系统的研究开发

摘要

本文所研究与开发的主从控制喉部手术机器人主要面向喉部微创外科手术。该系统能够在狭长的喉部空间内完成对病变组织的夹持、分离、切除、手术清淤等基本手术操作。 首先，分析了喉部手术的任务要求和手术的基本操作，并以此为依据，对喉部手术机器人的从手结构进行了具体分析和设计。其中，主要进行了从手位置机构、姿态机构和从手工具的设计。并且应用D-H方法对喉部手术机器人的主、从手分别建立了数学模型，最终完成支撑喉镜下主从对应运动的数学模型、进退刀数学模型的创建以及主从手工作空间分析。 其次，在提出的总体控制算法的基础上，设计和开发了喉部手术机器人主从控制系统，主要包括硬件系统整体结构确定以及各自由度电机选型、运动控制卡选择，与基本手术操作相对应的各运动单元程序设计以及虚拟仿真系统的人机界面设计。 再次，为了解决喉部手术机器人术前准备过程中机器人和病人之间定位难的问题，进行了定位系统设计。其基本思想为实现视觉导引下的快速移动定位。定位系统设计包括了视觉导引系统设计和手术床定位调整系统设计。 最后，设计并进行了该喉部手术机器人的主从控制性能研究测试，并在此基础上完成了猪的喉部声带肿物切除手术的动物实验。手术过程中，没有对正常组织造成任何伤害，基本达到预期效果。实验结果表明，该机器人系统具有较好的安全性、灵活性、稳定性和可靠性，其设计能够满足喉部手术的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2外科手术机器人的发展概述

1.2.1 国外外科手术机器人的发展状况

1.2.2 国内外科手术机器人的发展状况

1.2.3喉部手术机器人的研究动态

1.3本文的选题意义

1.4本文的设计任务分析

1.5本文的研究内容

第二章喉部手术机器人从手设计

2.1喉部手术的工作空间

2.1.1 喉部生理空间

2.1.2喉镜空间

2.1.3手术器械操作空间

2.2面向喉部手术的机器人从手设计要求

2.2.1喉部手术的基本动作分析

2.2.2机器人从手的设计要求

2.3机器人从手设计

2.3.1机器人从手臂部简介

2.3.2机器人从手腕部构型

2.3.3粗调位置调整机构

2.3.4机器人从手实验样机

2.4机器人手术工具设计

2.5本章小结

第三章喉部手术机器人系统数学模型与工作空间分析

3.1系统数学模型

3.1.1从手双臂数学模型

3.1.2主手数学模型

3.1.3支撑侯镜下主从对应运动学模型分析

3.1.4机器人进退刀数学模型

3.2系统主从手工作空间

3.2.1 主手的工作空间

3.2.2主手双手协调工作空间

3.2.3从手工作空间

3.3本章小结

第四章喉部手术机器人控制系统设计

4.1控制算法设计

4.2控制系统硬件设计

4.2.1控制系统硬件总体结构

4.2.2控制系统硬件选型以及构建

4.3控制系统软件设计

4.3.1 运动单元控制软件设计

4.3.2人机界面设计

4.4本章小结

第五章喉部手术机器人的定位系统设计

5.1视觉导引系统设计

5.1.1 喉部手术机器人的视觉系统构建

5.1.2双目视觉系统标定

5.1.3支撑喉镜的位置和姿态

5.1.4双目视觉导引

5.2移动定位系统设计

5.2.1手术床设计

5.2.2手术床模型计算

5.2.3视觉导引移动定位过程概述

5.3本章小结

第六章喉部手术机器人的实验系统研究

6.1主从操作性能研究

6.1.1主从测试内容

6.1.2主从测试过程

6.2动物实验研究

6.2.1 实验设备及环境

6.2.2喉支撑镜下机器人快速定位

6.2.3动物实验

6.3本章小结

第七章全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢