腹腔微创手术机器人控制系统关键技术研究

发布时间：2020-06-24 15:45

【摘要】：微创手术机器人是机器人技术应用到微创外科手术中的创新进展,该领域是集医学、机械学、材料学、控制学、计算机图形学等诸多学科为一体的新型交叉研究领域,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。与传统微创手术相比,采用机器人辅助微创手术一方面可以借助于机器人技术解决传统微创手术中手眼不协调、手术器械灵活性低、医生操作易疲劳等问题,提高医生进行微创手术的舒适度;另一方面,医生基于主从方式控制机械臂进行手术操作,既可以发挥医生的手术经验,同时也提高了手术的安全性。对于腹腔微创手术机器人,其控制系统直接影响着操作者的体验和手术质量,研究其控制系统及控制方法有着至关重要的意义。针对实验室自主研发的“华鹊II”腹腔微创手术机器人,对其主从控制的直觉性、精确性、安全性等关键技术进行研究,并搭建实验平台进行性能验证。通过分析腹腔微创手术机器人的性能需求和使用特点,对其控制系统的构成与实现进行设计。根据不同控制系统的结构特点,确定采用分布式运算与I/O连接的主从式控制结构。同时,为了提高实时性,设计以QNX实时操作系统为核心的控制系统。对QNX系统进行配置,同时采用多线程编程技术进行功能层级划分、设置同步机制、优先级选择、调度方式选择等操作,实现主从控制功能,并对控制系统响应时间进行验证。对腹腔微创手术机器人实现直觉的主从控制问题进行研究。根据“华鹊II”的结构特点和控制方式,建立了主从空间运动一致性映射关系,提出基于位姿分离的增量式持械臂和持镜臂主从直觉性控制算法。应用该算法实现医生手眼协调的主从操作。此外,提出一种基于单目视觉的分体式持镜臂与持械臂间相对姿态测量方法,以此来获得它们之间的姿态关系。为了对腹腔微创手术机器人进行精准定位控制,提出一种基于扩展卡尔曼滤波和人工神经网络的误差标定方法。建立距离误差模型,并剔除运动学冗余参数误差,利用卡尔曼滤波实现对几何参数误差的标定。然后利用BP神经网络方法建立机械臂关节角与残余位置误差的非线性关系,通过辨识出的几何参数和训练好的神经网络补偿末端位置误差,实现精准定位控制,从而提高主从跟踪精度。针对手术器械的更换和主从初始姿态的匹配问题,提出一种基于分步式的器械关节复位和主从初始姿态匹配控制策略,以约束器械进行相应操作时末端位置不发生变化,避免对组织等造成意外伤害;同时,还提出一种基于力觉虚拟夹具的器械运动约束方法。利用该方法,操作者可以设置不同形状的安全路径或保护区域。一旦器械偏离路径或进入保护区域,虚拟夹具就会生成反馈力来阻止或引导操作者,直到器械退回到设定的运动范围,以此提高系统的安全性。基于提出的方法设计一套完整的控制系统,并将其应用到“华鹊II”腹腔腹腔微创手术机器人系统中。验证控制系统响应时间、主从直觉性控制策略的有效性、基于虚拟夹具主从控制的有效性。此外,在误差标定与补偿后,对腹腔微创手术机器人主从跟踪性能进行验证。最后,进行活体动物试验,对整个控制系统的实时性、主从操作的直觉性、精确性和安全性进行了验证。
【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】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

微创手术,外科手术

第 1 章绪论第 1 章绪论及研究的目的和意义背景于“十二五”国家科技计划重点项目“腹胸腔示范应用”。术技术兴起于 20 世纪 80 年代，该技术的应革命。这种技术使得大部分的外科手术告别示，与传统开放式外科手术相比，腹腔微创外个小孔，将腹腔镜、胸腔镜、以及手术器械等内部，最后，在通过内窥镜提供的视觉显示系的情况，一边操作手术器械进行切除、缝合等、术后恢复快、患者痛苦小等诸多优点，有助

微创手术,机器人辅助,图像运动,运动性能

OP-2000 机器人辅助微创手术系统可以识别医生的语音控制命令，音就能控制内窥镜的运动。而 AESOP-3000 型则是一个具有七个自，该机器人进一步改进了内窥镜的运动性能。然而，由于需要不停指令，并且机械臂运动响应慢，图像运动与控制命令之间存在延迟几种操作方式仍然感觉不便[16]。图 1-2 为 AESOP 系列机器人辅助统。

【参考文献】