面向微创介入手术的连续体机器人研究

发布时间：2020-05-05 06:17

【摘要】：传统的介入手术是以自然腔道为通路,在医学影像设备的引导下,将细长的内镜和导管等送到病变部位,实施必要的诊断和治疗的过程。在手术实施过程中,医生需要穿上厚重的铅服,手术过程极其不便,且易对人体造成损伤。利用机器人辅助医生实施介入手术,不仅可以大大降低工作强度,简化手术流程,而且能够提高手术的精度,减少射线对医患的辐射伤害。传统介入导管只能沿着导丝方向进行被动弯曲,易对人体血管造成损伤。针对传动介入导管的这些缺陷,本文研制了能够主动弯曲与捻转的微创介入手术机器人,采用多节连续体构型、通过绳索驱动,并由滑轮传动。针对驱动绳索运动过程中存在非线性摩擦力的问题,对滑轮-绳索系统传动特性进行研究,建立摩擦力与包角的函数关系,分析摩擦力与材料特性的关系。最后,利用拉力传感器对传动过程中绳索的输入、输出拉力进行测量,分析了包角对绳索系统摩擦力的影响,并通过实验验证了传动模型的准确性。针对心血管介入手术任务,对机器人在血管中的运动轨迹进行术前规划。首先研究了三维体素模型,利用并行拓扑细化算法对三维体素模型进行骨架提取;进而设计了一种基于切面中心的血管内壁骨架提取算法,用于获取离散的骨架曲线;对后续实验中血管放大模型进行骨架提取,拟合并生成机器人介入作业的运动轨迹,为后续的半自主介入实验奠定基础。对本文设计的连续体机器人进行运动学建模,分析了其驱动空间、操作空间和关节空间三者的映射关系;推导机器人的动力学模型,利用计算力矩法设计滑模控制器,对机器人进行轨迹跟踪控制仿真研究,分析其轨迹跟踪的效果。最后,提出了介入机器人系统主从控制策略,建立主从映射关系,并设计了机器人的控制模式—关节控制和点位控制。针对微创介入手术机器人原理样机,设计了多级分布式控制系统,编写了具有三维导航的机器人半自主运动控制软件,对具有4自由度的连续体机器人进行第一段和第二段弯曲捻转试验,验证其运动学模型的正确性;同时,利用主手控制机器人进行微创介入手术操作,并进行半自主介入模拟实验,验证了所提取模拟血管骨架的准确性。
【图文】：

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“妙手”微创外科手术机器人系统

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图 1.9 基于柔性弹簧基座的微创介入神经外科颅内机器人（结构设计和驱动系统）哈尔滨工业大学设计了一款利用 SMA 驱动的连续体机器人[23]，如图 1.10 所示，连续体机器人为四节 SMA 驱动的串联结构，每个单元由 SMA 驱动模块、偏置弹簧、连接头、硅胶管和导线构成。机器人在内管中的弯曲导向，主要依靠 SMA 驱动器伸缩变形来完成。SMA 驱动器
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242;TH789

【参考文献】