腹腔介入手术机器人主从运动控制研究

摘要

相比传统手术,介入手术(也称为微创手术)不仅对病人的生理、心理创伤小,患者痛苦减轻,而且大大缩短了康复时间。虽然介入手术有诸多优点,但对医生而言,仍存在较难克服的缺点,诸如在手术操作时缺乏灵活性、临场感和触觉反馈,以及易疲劳等。而介入手术机器人技术的发展和应用,极大地提高了介入手术的精确性与安全性,并在很大程度缓解了外科医生的疲劳度。因此,介入手术机器人的研究已经成为医疗机器人领域的研究热点,得到了科研人员的极大重视。
　　本文设计了一种遥操作介入手术机器人系统,并给出了一种基于主从控制的虚拟夹具算法。主从控制算法能够实现主从机器人的位姿跟随;在主从控制的基础上,又引入了虚拟夹具(Virtual Fixture,VF)算法,虚拟夹具算法有两种基本类型:引导型虚拟夹具(Guidance Virtual Fixture,GVF),引导手术沿规划路径运动;避障型虚拟夹具(Forbidden Regions Virtual Fixtures,FRVF),禁止手术工具进入危险区域或禁止区域。虚拟夹具算法以软件形式生成虚拟向导力,并结合外科医生的操作力共同作用手术工具,使之严格按照规划路径运动,而不用过多依赖医生经验就能够获得较高的手术精度与安全性。
　　本系统首先构建了以PC机和DMC运动控制器为基础的系统硬件平台,并对主从机器人进行了运动学方面的研究;其次,利用C/C++语言和面向对象的编程思想,在Windows XP操作系统下以及VS2005编程环境下设计了主从控制系统软件平台;最后,对主从控制算法和VF算法进行编程。本文主要工作是对给出的算法进行了半实物仿真实验,为最终控制算法的编程实现打下了基础。
　　半实物仿真结果表明,本文给出的主从控制算法使遥操作介入手术机器人系统获得了快速、稳定的主从跟随效果,改善了介入手术中医生缺乏灵活性和临场感的缺陷;基于线型VF算法和基于面型VF算法的主从控制半实物仿真结果证明了VF的算法合理性与有效性,VF算法能够提升遥操作系统的执行能力,提升手术操作的安全性与精确性。

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第一章 绪 论

§1.1课题来源

§1.2课题研究的目的及意义

§1.3国内外研究现状及发展趋势

§1.4课题主要研究内容与结构安排

第二章 遥操作系统硬件平台搭建及软件平台设计

§2.1引言

§2.2系统硬件平台的整体方案

§2.3系统软件平台的设计方案

§2.4本章小结

第三章 介入手术机器人结构及运动学分析

§3.1引言

§3.2机器人运动学数学基础

§3.3介入手术机器人结构及运动学分析

§3.4本章小结

第四章 主从控制系统研究

§4.1引言

§4.2主从控制系统研究

§4.3半实物仿真原理

§4.4半实物仿真结果

§4.5本章小结

第五章 虚拟夹具算法研究

§5.1引言

§5.2虚拟夹具的基本概念

§5.3虚拟夹具的几何分类

§5.4 Proxy的研究

§5.5具有虚拟向导功能的主从控制系统

§5.6半实物仿真结果

§5.7 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 本文总结

§6.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间主要研究成果

附录