新型微创手术机器人从手设计与研究
发布时间：2022-01-20 04:47
微创手术机器人从手是微创手术机器人系统的核心组成部分之一,其机械结构设计的优劣直接影响了微创手术机器人的性能。本文紧密的结合微创手术的实际工作需求,阐述了一种新型微创手术机器人从手的设计过程。文中主要进行了微创手术机器人从手的结构设计、运动学分析、机构性能优化以及实验平台的搭建与实验验证。首先,在详细研究现有的微创手术机器人从手结构的基础上,结合腹腔微创手术的工作要求,设计了一种新型基于双平行四边形原理的钢带传动远心机构。该机构克服了双平行四边形机构的体积大、工作空间小的缺点,在减小机器人体积的同时扩大了工作空间。应用Solid Works软件对从手机构整体进行了详细的三维建模。其次,应用旋量法建立了微创手术机器人从手的正运动学模型,采用解析法建立了从手的逆运动学模型,通过软件仿真分析验证了机器人从手正逆运动学模型的正确性。推导得出了从手的雅克比矩阵,为从手机构的性能优化奠定了基础。此外对机器人的工作空间进行了分析,验证了机器人从手的工作空间满足微创手术要求。然后,在微创手术机器人从手的运动学分析基础上,结合雅克比矩阵,构造了基于全域可操作度和性能一致性的综合评价指标函数,根据工作空间...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZUES微创手术机器人系统
第一章绪论3图1-2ZUES微创手术机器人系统美国IntuitiveSurgical公司在2000年成功地研制出了daVinci微创手术机器人系统，该系统是微创手术机器人领域多年研究的结晶，使微创手术机器人系统得到了广泛的推广应用[20]。该系统由医生主操作台、3D立体成像设备和从操作手系统三部分组成，该系统拥有720P高清立体成像设备，可以为医生提供开阔的手术视角，系统主操作手实现了重力补偿及摩擦力补偿缓解了医生手术的疲劳感，并通过算法消除了医生手部的抖动，克服了手术过程的不安全因素。但是该系统术前调整复杂，需要较长的准备时间。其售价和后期维护成本都十分高昂，大大增加了手术成本。IntuitiveSurgical公司于2005年推出了daVinciS微创手术机器人系统，并在2009年研发出daVinciSi微创手术机器人系统，二者通过从手臂的结构优化及布局优化将术前调整时间缩小为原来的一半，并且增加了第四条手臂提高了手术的控制能力。立体成像设备的分辨率达到了1400*900，将主操作台与立体成像设备集成到一起，大大减少了设备体积，使得主手操控与成像调整可以同时进行[21]。如图1-3所示，daVinciSi系统设置了双控制台方案，两名医生可以同时进行手术操作，方便进行手术协助及手术操作技巧培训。图1-3DaVinciSi微创手术机器人系统IntuitiveSurgical公司在2014年发布了daVinciXi机器人系统[22,23]，如图1-4所示，该机器人从手系统拥有可旋转支架结构，使从手臂能够到达患者任何部位。该微创手术机器人系统的内窥镜可以安装到任何一个从手臂上从而扩大了成像
天津工业大学硕士学位论文4空间，系统拥有激光定位系统，能够根据手术类型的不同自动调整合适的手术姿态大大减少了术前调整的时间。图1-4daVinciXi微创手术机器人系统2018年，FDA批准了daVinciSP单孔微创手术系统（单端口手术）适用的第一类泌尿外科手术[24]。该微创手术机器人系统为单孔手术机器人，该系统包括一个多自由度3D高清摄像头和三个多关节的手术器械。相比于前几代机器人只需在腹部开一个微小切口即可进行手术，进一步减小了病人的手术创伤，是目前唯一商用化的单孔手术机器人系统。图1-5daVinciSP微创手术机器人系统图1-6为RAVEN外科手术机器人系统，该系统是专门用来做科学研究的微创手术机器人系统[25,26]。该系统由华盛顿大学的布雷克教授、汉纳福德和加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)的雅各布等人共同研制。具有紧凑、体积小和价格低的特点，其使用Linux作为操作系统，允许用户自行修改编写代码，开放了系统接口可以与其他设备进行连接交互，大大的方便了科研机构和高校的开发与应用。“RAVENⅡ”系统拥有两条手术器械臂和一条窥镜臂以及一个可以远程操作的主操作臂，其从手臂采用了球形并联结构，提高了从手灵活性，缩小了从手体积。
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国成功完成世界首例5G远程操控颅脑手术[J]. 微创医学. 2019(04)
[2]5G远程机器人手术动物实验研究[J]. 刘荣,赵国栋,孙玉宁,杨文龙,刘景丰,黄尧,谢武生,陈志强,赵伟,纪洪辰. 中华腔镜外科杂志(电子版). 2019(01)
[3]基于Matlab的遗传算法在结构优化设计中的应用[J]. 吴立华,白洁,左亚军,谭国所,刘永福,李克天. 机电工程技术. 2017(10)
[4]国产妙手S手术机器人首次临床应用经验[J]. 易波,蒋娟,宋智,李鹏洲,粟晗,朱晒红. 中华普通外科杂志. 2016 (06)
[5]腹腔镜在普外急腹症诊断与治疗中的应用[J]. 孟海港. 临床医药文献电子杂志. 2016(01)
[6]各种知识高度融合的两部划时代大作——戴建生教授的新著《机构学与机器人学的几何基础与旋量代数》与《旋量理论与李群、李代数》[J]. 邹慧君. 机械设计与研究. 2014(04)
[7]单侧钢带往复精密传动的方法研究[J]. 熊运昌,李国慧. 南阳理工学院学报. 2011(02)
[8]闭链级联式机器人基于旋量理论的运动学分析方法[J]. 张付祥,付宜利,王树国. 机械工程学报. 2006(04)
[9]显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 机器人. 2006(02)
[10]基于实值编码遗传算法的起重机伸缩臂结构优化[J]. 张东民,廖文和. 南京航空航天大学学报. 2004(02)
博士论文
[1]腹腔微创手术机器人系统从手机构与控制的研究[D]. 牛国君.哈尔滨工业大学 2017
[2]微创手术机器人图像系统设计方法与空间映射策略研究[D]. 苏赫.天津大学 2016
[3]具有力感知的腹腔镜微创手术从动机器人的研究[D]. 蒋峻.上海交通大学 2014
[4]微创腹腔外科手术机器人执行系统研制及其控制算法研究[D]. 马如奇.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]腹腔微创手术机器人远心机构设计及其视觉伺服控制[D]. 仲杰.哈尔滨工业大学 2018
[2]微创手术机器人震颤机理及其抑制方法研究[D]. 杨铖浩.天津工业大学 2017
[3]基于丝传动结构的微创手术工具设计与实验研究[D]. 张健.天津大学 2014
[4]腹胸腔微创手术机器人远心机构设计分析与阻力补偿研究[D]. 刘潇.哈尔滨工业大学 2013
[5]腹腔微创手术机器人手术器械研究[D]. 曹校铭.哈尔滨工业大学 2011
[6]腹腔手术机器人末端执行机构的设计和实现[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2008
[7]辅助腹腔镜手术机器人结构设计与控制系统研究[D]. 李艳生.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3598199
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ZUES微创手术机器人系统
第一章绪论3图1-2ZUES微创手术机器人系统美国IntuitiveSurgical公司在2000年成功地研制出了daVinci微创手术机器人系统，该系统是微创手术机器人领域多年研究的结晶，使微创手术机器人系统得到了广泛的推广应用[20]。该系统由医生主操作台、3D立体成像设备和从操作手系统三部分组成，该系统拥有720P高清立体成像设备，可以为医生提供开阔的手术视角，系统主操作手实现了重力补偿及摩擦力补偿缓解了医生手术的疲劳感，并通过算法消除了医生手部的抖动，克服了手术过程的不安全因素。但是该系统术前调整复杂，需要较长的准备时间。其售价和后期维护成本都十分高昂，大大增加了手术成本。IntuitiveSurgical公司于2005年推出了daVinciS微创手术机器人系统，并在2009年研发出daVinciSi微创手术机器人系统，二者通过从手臂的结构优化及布局优化将术前调整时间缩小为原来的一半，并且增加了第四条手臂提高了手术的控制能力。立体成像设备的分辨率达到了1400*900，将主操作台与立体成像设备集成到一起，大大减少了设备体积，使得主手操控与成像调整可以同时进行[21]。如图1-3所示，daVinciSi系统设置了双控制台方案，两名医生可以同时进行手术操作，方便进行手术协助及手术操作技巧培训。图1-3DaVinciSi微创手术机器人系统IntuitiveSurgical公司在2014年发布了daVinciXi机器人系统[22,23]，如图1-4所示，该机器人从手系统拥有可旋转支架结构，使从手臂能够到达患者任何部位。该微创手术机器人系统的内窥镜可以安装到任何一个从手臂上从而扩大了成像
天津工业大学硕士学位论文4空间，系统拥有激光定位系统，能够根据手术类型的不同自动调整合适的手术姿态大大减少了术前调整的时间。图1-4daVinciXi微创手术机器人系统2018年，FDA批准了daVinciSP单孔微创手术系统（单端口手术）适用的第一类泌尿外科手术[24]。该微创手术机器人系统为单孔手术机器人，该系统包括一个多自由度3D高清摄像头和三个多关节的手术器械。相比于前几代机器人只需在腹部开一个微小切口即可进行手术，进一步减小了病人的手术创伤，是目前唯一商用化的单孔手术机器人系统。图1-5daVinciSP微创手术机器人系统图1-6为RAVEN外科手术机器人系统，该系统是专门用来做科学研究的微创手术机器人系统[25,26]。该系统由华盛顿大学的布雷克教授、汉纳福德和加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)的雅各布等人共同研制。具有紧凑、体积小和价格低的特点，其使用Linux作为操作系统，允许用户自行修改编写代码，开放了系统接口可以与其他设备进行连接交互，大大的方便了科研机构和高校的开发与应用。“RAVENⅡ”系统拥有两条手术器械臂和一条窥镜臂以及一个可以远程操作的主操作臂，其从手臂采用了球形并联结构，提高了从手灵活性，缩小了从手体积。
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国成功完成世界首例5G远程操控颅脑手术[J]. 微创医学. 2019(04)
[2]5G远程机器人手术动物实验研究[J]. 刘荣,赵国栋,孙玉宁,杨文龙,刘景丰,黄尧,谢武生,陈志强,赵伟,纪洪辰. 中华腔镜外科杂志(电子版). 2019(01)
[3]基于Matlab的遗传算法在结构优化设计中的应用[J]. 吴立华,白洁,左亚军,谭国所,刘永福,李克天. 机电工程技术. 2017(10)
[4]国产妙手S手术机器人首次临床应用经验[J]. 易波,蒋娟,宋智,李鹏洲,粟晗,朱晒红. 中华普通外科杂志. 2016 (06)
[5]腹腔镜在普外急腹症诊断与治疗中的应用[J]. 孟海港. 临床医药文献电子杂志. 2016(01)
[6]各种知识高度融合的两部划时代大作——戴建生教授的新著《机构学与机器人学的几何基础与旋量代数》与《旋量理论与李群、李代数》[J]. 邹慧君. 机械设计与研究. 2014(04)
[7]单侧钢带往复精密传动的方法研究[J]. 熊运昌,李国慧. 南阳理工学院学报. 2011(02)
[8]闭链级联式机器人基于旋量理论的运动学分析方法[J]. 张付祥,付宜利,王树国. 机械工程学报. 2006(04)
[9]显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 机器人. 2006(02)
[10]基于实值编码遗传算法的起重机伸缩臂结构优化[J]. 张东民,廖文和. 南京航空航天大学学报. 2004(02)
博士论文
[1]腹腔微创手术机器人系统从手机构与控制的研究[D]. 牛国君.哈尔滨工业大学 2017
[2]微创手术机器人图像系统设计方法与空间映射策略研究[D]. 苏赫.天津大学 2016
[3]具有力感知的腹腔镜微创手术从动机器人的研究[D]. 蒋峻.上海交通大学 2014
[4]微创腹腔外科手术机器人执行系统研制及其控制算法研究[D]. 马如奇.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]腹腔微创手术机器人远心机构设计及其视觉伺服控制[D]. 仲杰.哈尔滨工业大学 2018
[2]微创手术机器人震颤机理及其抑制方法研究[D]. 杨铖浩.天津工业大学 2017
[3]基于丝传动结构的微创手术工具设计与实验研究[D]. 张健.天津大学 2014
[4]腹胸腔微创手术机器人远心机构设计分析与阻力补偿研究[D]. 刘潇.哈尔滨工业大学 2013
[5]腹腔微创手术机器人手术器械研究[D]. 曹校铭.哈尔滨工业大学 2011
[6]腹腔手术机器人末端执行机构的设计和实现[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2008
[7]辅助腹腔镜手术机器人结构设计与控制系统研究[D]. 李艳生.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3598199
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