血管介入手术机器人机构设计与主从控制研究

发布时间：2020-04-14 11:05

【摘要】：心血管疾病死亡率占人类死亡原因的第一位并逐年增加,同时介入手术会对医生造成比较严重的伤害,这就迫切需要引入机器人技术辅助医生完成血管微创介入手术。具有力觉临场感的主从式手术机器人可以实现遥操作手术,具有非常广阔的市场前景和巨大的需求,对提高基层医疗水平具有探索性的意义。本文设计了一种新型的具有力反馈功能、主从同构型的血管微创介入手术机器人系统,针对现有血管介入手术机器人普遍存在的消毒、力反馈、递送精度等核心问题,展开了研究,主要工作和成果如下:首先,针对现有手术机器人存在的问题,结合手术的具体过程,采用模块化的设计方法,对主从操作血管介入手术机器人的主手端操作机构和从手端导丝递送机构进行了详细的构型设计和结构设计,并计算了整体性能参数。其次,研究了质量、刚度对递送机构动特性的影响,发现质量是影响递送机构动特性的关键因素,在此基础上利用有限元原理对移动指关键零件进行了轻量化分析,降低了移动指的质量,提高了递送机构的动特性。对不同形状、不同张开角的夹持爪进行了有限元分析,选择了一种最优的设计,并对其进行了不同工况的强度、刚度校核。最后,建立了操作机构和递送机构的动力学模型;针对递送机构受到导管/导丝阻力非线性、不确定扰动的问题,设计了具有很强鲁棒性的自适应滑模控制器,实现了主从位置跟踪的准确控制。通过对不同算法仿真结果的对比分析,得知自适应滑模控算法减小了不确定外界扰动对系统稳定性的影响,减小了控制偏差,提高了响应速度、系统的鲁棒性和精确性。
【图文】：

a) 6 自由度 AESOP 机器人 b) 手术场景图 1-1AESOP 机器人a) 从手端 b) 主手端图 1-2 外科手术机器人 ZEUS 系统Intuitive Surgical 公司 1997 年成功研制了手术机器人—Da Vinci 机器人系统 1-3 所示。Da Vinci 外科手术机器人是目前真正进入临床的、最具有代表手术机器人，，截止 2016 年，该系统全球装机量已达数千台，应用于泌尿外科、妇科和腹部外科等多种外科手术，累计完成达芬奇机器人手术 1.5 万是前列腺癌根治手术治疗的“金标准”[33]。

a) 从手端 b) 主手端图 1-2 外科手术机器人 ZEUS 系统Intuitive Surgical 公司 1997 年成功研制了手术机器人—Da Vinci 机器人系统[32]如图 1-3 所示。Da Vinci 外科手术机器人是目前真正进入临床的、最具有代表性的微创手术机器人，截止 2016 年，该系统全球装机量已达数千台，应用于泌尿外科心胸外科、妇科和腹部外科等多种外科手术，累计完成达芬奇机器人手术 1.5 万台而且是前列腺癌根治手术治疗的“金标准”[33]。图 1-3 Da Vinci 手术机器人
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242;TH77

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本文编号：2627229