外科手术机器人位置控制和微器械力检测方法研究

发布时间：2020-04-21 02:41

【摘要】：和传统外科手术比较,机器人辅助微创外科手术可以克服传统手术的缺陷、让医生对器械进行精准控制、提高手术效率与成功率、减少患者手术痛楚、缩短术后恢复时间、拓展传统手术应用范围、可进行远程手术等优点。机器人微创外科手术已经得到了外科手术领域的广泛认可,微创外科手术机器人正逐渐成为机器人研究领域的一个热点。由于微创手术机器人从手系统的器械臂构型特殊(不满足pieper准则)很难求得逆运动学精确解析解;此外,由于微器械体积和使用要求等原因,无法在微器械末端集成位置反馈元件而不能对其进行闭环位置控制,这些严重影响手术机器人的控制精度,同时由于微器械力觉感知能力缺失,使得手术操作过程繁琐,医生无法施加准确操作力而无法进行精细化操作。因此研究与之相关的手术机器人位置控制和力检测的关键技术对外科手术机器人发展具有重要意义。本文在国家自然科学基金项目(61203358/F0306)、黑龙江省自然科学基金项目(F2015034)和中央高校基本科研业务费重大项目(HEUCFZ1214)的资助下,针对微创手术机器人位置控制和微器械力检测两个方面,着力于手术机器人系统从手器械臂逆运动学解析解求解、微器械全闭环控制、微器械变参数动力学建模和辨识以及微器械外力间接检测方法四个关键技术点展开理论分析和实验研究。本文的具体工作包括:首先,对微创手术机器人从手系统进行简要介绍,采用DH法对从手系统的持镜臂进行正逆运动学建模,并完成仿真分析验证;针对从手系统的器械臂逆运动解析解求解困难的问题,提出了一种全新的运动学建模方法—相邻关节轴建立顺序换位法,并对不同的机器人构型进行分类分析给出该方法的适用条件;利用相邻关节轴建立顺序换位法对微创手术机器人从手器械臂进行运动学建模,并求得其精确的解析解,并通过仿真分析验证该方法的正确性和有效性。为手术机器人位置的准确控制打下基础。其次,为了实现对绳索驱动微器械位置的准确控制,对微器械位置闭环控制策略和方法进行了研究;基于电机—弹簧不对称机理设计了四自由度绳索驱动微器械驱动方案,并考虑关节耦合特性对微器械进行了整体运动学(电机转角和微器械位置关系)分析,给出了基于转角估计器的微器械闭环控制策略;搭建单关节原理样机,以单关节绳索驱动原理为基础设计了单关节样机的转角估计器,并对其参数进行了实验辨识、化简和修正,得到精确地转角估计器数学模型;将转角估计器的输出当做末端转角反馈值对单关节原理样机进行了位置闭环实验研究,并和传统开环控制方法进行对比,验证该方法的正确性和有效性;最后对四自由度绳索驱动微器械的闭环控制性能进行了仿真研究。第三,建立了微器械的腕部动力学模型,并通过仿真验证了腕部动力学模型的正确性,结合微器械驱动机构的特性,最终建立整个微器械系统的动力学模型;以单关节原理样机为研究对象,在分部建模的基础上建立了整个单关节原理样机的动力学模型,并采用非线性模型和遗传算法相结合的思路进行了关节动力学参数辨识,并与传统加权最小二乘法辨识结果进行比较;建立单关节原理样机的线性参数变化(LPV)二阶状态空间模型,将模型在很小的时间段内看做线性时不变(LTI)系统,并采用遗传算法(GA)和加权最小二乘法(WLS)相结合的方法实现对该LPV二阶状态空间模型的参数辨识,并通过实验验证模型的正确性,为微器械力控制和力交互打下基础。最后,针对微器械力检测问题,提出微器械三维外力和夹持力估计策略;以单关节原理样机为研究对象,建立了电机—减速器—绕绳轮阻尼模型和绳索张力模型,并结合状态扰动观测器设计了外力估计器;对电机—减速器—绕绳轮系统阻尼模型和绳索张力模型参数进行实验辨识,在此基础上进行了单关节原理样机外力检测实验研究验证了外力估计方法的正确性及有效性,为进一步开发具有力检测功能的4自由度微器械提供了技术基础。
【图文】：

力交互控制可以实现施加适当的操作力，能够大幅提高手术操作果。，本文以手术机器人研究为背景，以实现手术机器人精确位置控，促进手术机器人的手术质量效率，提高我国手术机器人自主创产业的发展，降低国民医疗成本，具有重要经济和社会意义。外科手术机器人系统国内外研究综述1年伦敦帝国理工学院的B.Davies开发了用于泌尿外科前列腺切除经过将近30余年的发展，外科手术机器人系统已经发展成为一个业[1]。世界各地的学者们竞相展开了对微创外科手术机器人的研外科手术机器人国外研究综述，，美国的Computer Motion 公司获得美国食品及药物管理局tion, FDA）批准研制出了能自动控制腹腔镜位置的器械臂[6] system for optimal positioning, AESOP-1000）如图1.1所示。

第 1 章 绪论00微创手术辅助机器人是世界上第一台采用语音控制的手术机器，医生可以通过给机器人发出语音指令让机器人像医生助手一样来态调节视窗[13]。AESOP-3000微创手术辅助机器人是一个具有七.3所示，其运动的灵巧度进一步增加，可以有效的抓取各种腹腔镜
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;看手术机器人“妙手回春”[J];机器人产业;2018年06期

2 嵇武;黎介寿;;手术机器人的应用与研究新进展[J];手术;2016年03期

3 张顺心;王晓东;尹立轶;马志广;韩立;;六自由度植牙手术机器人设计及动态特性分析[J];河北工业大学学报;2017年04期

4 尹军;刘相花;唐海英;颜乐先;陈维平;徐力;周鑫;周林;;手术机器人的研究进展及其在临床中的应用[J];医疗卫生装备;2017年11期

5 ;工信部、国家卫计委联合召开医用手术机器人产业发展研讨会[J];仪器仪表标准化与计量;2016年02期

6 张颖;陈翔;刘蓉;刘波;;交互式微创手术机器人系统研究进展[J];北京生物医学工程;2014年06期

7 张军良;周幸;吴苏稼;;手术机器人系统在骨科的应用[J];中国矫形外科杂志;2015年22期

8 ;他让老外惊呼“神人”[J];少先队小干部;2017年Z1期

9 王戈;;人工智能+医疗 必将诞生下一个世界级独角兽[J];现代养生;2017年14期

10 ;人工智能+教育[J];中国教育网络;2017年08期

相关会议论文 前8条

1 缪妙;;手术机器人简介[A];2011年浙江省医学会医学工程学分会第九届学术年会论文汇编[C];2011年

2 人工智能辅助诊疗技术临床应用调研组;;手术机器人临床应用经济学分析[A];中国医疗设备新观察——融合医学与工程 服务医疗和设备[C];2012年

3 宁yN;高枫;;基于模糊算法的微创手术机器人驱动器控制研究[A];全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2010年

4 Geri Aston;刘海军;;手术机器人是否物超所值?[A];中国医疗设备新观察——融合医学与工程 服务医疗和设备[C];2012年

5 符庆吉;;手术机器人在泌尿外科应用现状[A];第五次全国中西医结合泌尿外科学术会议论文汇编[C];2005年

6 任成一;朱国昕;;基于模糊自适应PID控制的微创血管手术机器人驱动器控制研究[A];第十一届沈阳科学学术年会暨中国汽车产业集聚区发展与合作论坛论文集（信息科学与工程技术分册）[C];2014年

7 高江平;徐阿祥;董隽;王威;朱捷;崔亮;洪宝发;张旭;;机器人辅助腹腔镜前列腺癌根治性切除术(附16例报告)[A];第十五届全国泌尿外科学术会议论文集[C];2008年

8 ;中西医结合泌尿外科新技市学习班安排[A];第五次全国中西医结合泌尿外科学术会议论文汇编[C];2005年

相关重要报纸文章 前10条

1 动脉网 王晓行;手术机器人如何实现从研发到落地[N];中国医药报;2019年

2 本报记者 沈湫莎;研发手术机器人要让工程师“穿上白大褂”[N];文汇报;2017年

3 健康时报记者 尹薇 驻复旦大学附属中山医院特约记者 齐璐璐;肠癌手术机器人有了中国造[N];健康时报;2017年

4 本报记者 钟端浪;手术机器人一年手术破千台[N];江西日报;2018年

5 本报记者 李辉;让基层医院用上手术机器人[N];中国高新技术产业导报;2018年

6 中国青年报·中青在线见习记者 张均斌 实习生 莫昕楠;微创手术机器人先要理解医生“语言”[N];中国青年报;2018年

7 合肥晚报 ZAKER合肥记者 乐天茵子;合肥手术机器人曾参与亚丁湾护航[N];合肥晚报;2018年

8 首席记者 姚常房;手术机器人应用需加强质控[N];健康报;2018年

9 记者 杨艺 实习生 刘茜;“重庆造”手术机器人将亮相智博会[N];重庆日报;2018年

10 记者 刘肖勇;腔道手术机器人运动感知与控制研究获新进展[N];广东科技报;2018年

相关博士学位论文 前10条

1 王文杰;外科手术机器人位置控制和微器械力检测方法研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

2 孔康;小型化微创手术机器人设计方法与运动映射策略研究[D];天津大学;2017年

3 李坤;微创手术机器人力检测关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

4 张林安;微创手术机器人柔性工具机构综合与主从控制策略研究[D];天津大学;2014年

5 何超;微创手术机器人手术工具丝传动设计方法研究[D];天津大学;2014年

6 王惠娟;面向微创手术机器人系统的缝合打结行为研究[D];天津大学;2010年

7 苏赫;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];天津大学;2016年

8 李建民;微创机器人机构设计方法与主从映射策略研究[D];天津大学;2012年

9 鞠浩;腹腔镜微创外科手术机器人控制系统研究[D];南开大学;2009年

10 Syed Amjad Ali（阿姆扎德）;机器人手术中的力反馈[D];北京理工大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 王丽;微创手术机器人优化设计与路径规划研究[D];河北工程大学;2018年

2 张一;血管介入手术机器人输送机构设计与控制系统研究[D];吉林大学;2018年

3 袁小航;MRI导航的乳腺穿刺手术机器人结构设计与仿真分析[D];河北工程大学;2018年

4 陈旭;微创手术机器人力反馈型主手设计与控制研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

5 张长春;基于磁定位的柔性机器人末端追踪与形状重建的研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

6 丁兴旺;磁共振兼容气动穿刺手术机器人的研究[D];中国矿业大学;2018年

7 王晓东;六自由度植牙手术机器人设计及性能分析[D];河北工业大学;2017年

8 杨记鑫;穿刺手术机器人系统的设计[D];重庆大学;2018年

9 江竞宇;基于安全性的手术机器人机构与手术技巧评价[D];天津大学;2018年

10 陈超民;肺癌近距离放疗手术机器人远程控制平台的关键技术研究[D];天津大学;2018年

本文编号：2635265