微创手术机器人力检测关键技术研究

发布时间：2017-10-11 19:11

  本文关键词：微创手术机器人力检测关键技术研究

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【摘要】：微创手术机器人克服了传统微创手术在观察、宜人、操作、灵活等多方面的不足,在辅助医生执行外科手术时获得了广泛的应用。然而,现有微创手术机器人仍然缺少力反馈功能,它无法将手术器械与患者组织的接触力反馈给医生。医生因而无法通过组织触摸来鉴别组织属性或病变,医生在执行一些精细操作时,想要施加精确的作用力也会变得非常困难。因此,微创手术环境下的力检测技术成为微创手术机器人研究的热点和前沿。目前,对微创手术机器人力检测的研究还存在测量维数不足、范围和精度较低、与器械兼容性差等问题,限制了机器人辅助微创手术质量和效率的进一步提高。论文针对微创手术机器人力信息检测中存在的问题,开展交互作用力分析,设计微型力传感器,研制具有力感知的手术器械,并通过静态标定、测试实验以及体外实验对所设计传感器和手术器械的技术有效性进行验证。论文的主要研究工作如下:对手术器械与组织器官之间的交互作用力进行分析。对微创手术中手术器械上不同部位的作用力进行定性分析,明确在执行组织触摸、钝性分离等典型技术操作时才有检测交互作用力的必要性。总结执行典型技术操作时交互作用力的范围大小和电阻式力传感器的检测原理,为微型传感器设计提供设计要求。面向微创手术组织触摸,设计一套三维微型力传感器。设计新型三脚架弹性体结构,使用应变计来检测三维正交力分量的大小和方向。推导出线性刚度矩阵和灵敏度矩阵,分别揭示传感器承载能力和灵敏度与结构几何参数之间的关系。通过参数优化的方法保证传感器具有足够的刚度和较高的灵敏度。静态标定实验确定传感器样机的测量范围和测量精度。体外实验验证该样机在微创手术环境下执行组织触摸任务的可行性。面向微创手术典型技术操作,设计一套六维微型力/力矩传感器。设计具有弹性铰链的Stewart平台,能够检测交互作用力的全部六维力/力矩分量。提出一种考虑广义力和灵敏度各项同性度的参数优化方法并使用非支配排序遗传算法(NSGA-ΙΙ)对Stewart平台结构的几何参数进行多目标优化,以最好地适应给定的外部载荷。静态标定实验确定传感器样机的测量范围和测量精度。研制一套具有模块化关节的六维力感知新型手术器械。在夹钳机构和手腕机构之间集成六维微型力/力矩传感器,通过一套张力分解机构减轻夹钳钢丝张紧力对传感器的干扰。基于单元关节可重构思想,设计模块化手腕机构既有利于微型传感器的安装测量,又可为手术器械提供俯仰和偏航两自由度运动,而且能够有效地解除腕部运动耦合。经过测试实验,获取该样机的运动范围和重复定位精度。在微创手术机器人系统中对手术器械力检测的效果进行实验评价。在主从模式下开展组织触摸实验和钝性分离实验,说明该样机能够实现微创手术机器人力检测及力反馈的功能。
【关键词】：微创手术机器人 微型力传感器 弹性体结构 参数优化 手术器械
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH777
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-31
• 1.1 课题背景及研究目的和意义14-17
• 1.2 微创手术机器人的研究现状17-20
• 1.3 力检测技术研究现状20-29
• 1.3.1 力反馈必要性研究20-21
• 1.3.2 力检测的两个问题21-22
• 1.3.3 力检测的研究进展22-29
• 1.4 力检测技术对比分析29
• 1.5 课题来源及主要内容29-31
• 第2章 微创手术机器人系统及交互作用力31-42
• 2.1 引言31
• 2.2 微创手术机器人系统31-34
• 2.3 医学操作交互作用力分析34-38
• 2.4 交互作用力检测原理38-40
• 2.5 微型传感器设计要求40-41
• 2.6 小结41-42
• 第3章 面向组织触摸的三维微型力传感器42-63
• 3.1 引言42
• 3.2 微型传感器弹性体结构42-43
• 3.3 三脚架弹性体结构设计43-50
• 3.3.1 弹性体结构综合43-45
• 3.3.2 基于刚度的参数优化45-48
• 3.3.3 基于灵敏度的参数优化48-50
• 3.4 弹性体结构有限元分析50-53
• 3.5 微型力传感器原理样机53-56
• 3.6 传感器样机的静态标定56-60
• 3.6.1 标定方法56-57
• 3.6.2 标定实验57-58
• 3.6.3 静态解耦58-60
• 3.7 传感器样机的体外实验60-62
• 3.8 小结62-63
• 第4章 基于Stewart平台的六维力/力矩传感器63-81
• 4.1 引言63
• 4.2 Stewart平台结构特征矩阵63-66
• 4.3 Stewart平台结构各向同性66-68
• 4.4 Stewart平台结构优化设计68-74
• 4.4.1 几何参数的优化68-72
• 4.4.2 弹性体结构设计72-74
• 4.5 传感器弹性体有限元分析74-76
• 4.6 六维微型传感器原理样机76-77
• 4.7 传感器原理样机静态标定77-80
• 4.7.1 标定实验77-78
• 4.7.2 实验结果78-80
• 4.8 小结80-81
• 第5章 具有模块化关节的力感知手术器械81-101
• 5.1 引言81
• 5.2 手术器械设计要求81
• 5.3 器械腕部模块化设计81-86
• 5.3.1 功能分析82-83
• 5.3.2 单元关节83-84
• 5.3.3 手腕设计84-86
• 5.4 手术器械力检测单元86-90
• 5.4.1 夹钳机构86-89
• 5.4.2 干扰估计89-90
• 5.5 器械传动驱动设计90-93
• 5.6 手术器械原理样机93-96
• 5.6.1 系统总成93-95
• 5.6.2 卫生与安全性95-96
• 5.7 手术器械性能测试与分析96-100
• 5.7.1 运动范围96-98
• 5.7.2 重复定位精度98-100
• 5.7.3 器械性能对比分析100
• 5.8 小结100-101
• 第6章 微创手术机器人手术器械力检测实验101-112
• 6.1 引言101
• 6.2 主从控制策略101-103
• 6.3 运动学正逆解103-106
• 6.4 组织触摸实验106-109
• 6.5 钝性分离实验109-111
• 6.6 小结111-112
• 结论112-114
• 参考文献114-125
• 附录 1 Stewart平台结构特征矩阵125-127
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果127-130
• 致谢130-131
• 个人简历131

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本文编号：1014242