腹腔微创手术机器人系统从手机构与控制的研究

发布时间：2018-10-29 19:44

【摘要】：微创手术具有创伤小、疼痛轻、康复快、住院时间短和术后并发症少等优点,因此在国内外得到广泛地应用。但传统微创手术存在以下问题:手术器械在切口处的“杠杆”作用使得医生操作的手眼协调性差、手术器械操作的灵活性低、医生长时间操作手术器械易疲劳、医生手部震颤在手术器械末端被放大,无法完成精细手术操作。机器人技术与微创手术相结合可以改善手术环境,提高手术质量。因此本文开展腹腔微创手术机器人系统从手机构与控制的研究。开展腹腔微创手术机器人远心机构综合分析。提出一种两自由度完全解耦和各向同性的腹腔微创手术机器人并联远心机构,建立该机构运动学模型,进行解耦性、各向同性、奇异性、紧凑性和工作空间分析。提出一种便于模块化设计的腹腔微创手术机器人串联远心机构,建立该机构运动学模型。研究机构参数与机构性能指标和约束条件关系。将改进全局运动学性能指标、紧凑性能指标、改进全局综合刚度性能指标和改进全局动力学性能指标作为优化目标函数,以工作空间、机构参数和机构质量为约束条件,应用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化。通过综合对比选择串联远心机构用于腹腔微创手术机器人样机研制。开展腹腔微创手术机器人从手机械本体研究。为提高串联远心机构刚度、降低远心机构碰撞机率以及为具体结构设计提供指导,将串联远心机构参数和连杆结构参数作为优化变量,选用全局运动学性能指标和全局综合刚度性能指标作为优化目标,应用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化。根据优化结果进行腹腔微创手术机器人从手样机设计。从手样机设计包括被动臂设计、远心机构设计和手术器械设计。在远心机构设计中提出一种机械解耦方法,即三段式平台设计,去除远心机构的平台直线运动与手术器械驱动之间的运动耦合。在手术器械设计中提出一种机械解耦方法,即中空走线设计,去除手术器械腕部和小爪之间的运动耦合。最后对微创手术机器人进行安全性设计。开展腹腔微创手术机器人关节非线性PID控制研究。基于拉格朗日方法建立微创手术机器人动力学模型并仿真验证该模型正确性。为提高腹腔微创手术机器人关节控制的稳定性和精度,提出含有新型饱和函数定义两种非线性PID控制律。并分析控制律的全局渐进稳定条件。将位置误差绝对值积分和输出力矩误差的绝对值对时间积分作为优化目标,以全局渐进稳定性条件和电机额定输出力矩为约束条件,应用NSGA-Ⅱ算法进行优化。优化结果表明含有新型饱和函数的非线性PID控制律位置误差要小于含有普通饱和函数的PID控制律误差。研究两种非线性PID控制律对模型不确定性、干扰和噪声的鲁棒性,最后选择鲁棒性最好的非线性PID控制律进行实验验证。开展腹腔微创手术机器人主从控制研究。基于旋量理论建立持镜臂和持械臂运动学模型并仿真验证模型正确性。基于运动学模型推导腹腔微创手术机器人主从控制算法,该算法包含一致性运动控制、相对运动控制和比例运动控制。针对运动一致性控制,推导腹腔镜下持镜臂运动控制算法以及腹腔镜下持械臂运动控制算法,并仿真验证算法有效性。研究主从姿态配准功能、术中手术器械更换功能和主从二次映射功能实现算法,仿真验证算法有效性。开展腹腔微创手术机器人系统集成与实验研究。在完成整套腹腔微创手术机器人系统集成基础上,进行微创手术机器人远心点运动性能以及机器人绝对定位精度和重复定位精度测试实验,实验结果验证上述设计有效性。进行解耦运动性能测试实验,实验结果验证两种机械解耦方法有效性。进行非线性PID控制算法实验验证,实验结果验证算法有效性。进行轨迹跟踪、套环和穿线实验,实验结果验证主从控制算法有效性。进行猪胆囊摘除和肾摘除实验,成功地将猪的胆囊和肾切除验证整套系统有效性。
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【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】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】