面向自主操作的微创手术机构运动分析与控制方法研究

发布时间：2020-07-10 11:24

【摘要】：随着机器人智能化程度的不断提高,利用外科手术机器人自主完成繁琐且耗时的手术操作,如缝合、打结等,不仅能够拓展医生的技能,而且可代替部分医生的工作,对于缩短手术时间、减少手术操作失误、提高手术质量具有重要意义。为了解决机器人辅助微创手术普遍存在的操作直观性差、力反馈功能缺失、医生容易因疲劳而误操作等问题,提高微创手术机器人的智能操作水平,最终实现自主操作微创手术的目的。本文设计了一种面向自主操作的新型微创手术机构,并对该机构进行了运动学分析及轨迹检测研究,提出利用BP神经网络训练获取微创手术机构自主操作策略的控制方法,基于搭建的实验平台验证了微创手术机构设计的合理性和控制方法的可行性。首先,综述了微创手术机器人技术、微创手术机构和自主操作微创手术控制方法在国内外的研究现状,分析了现有的微创手术机器人系统方面存在的不足;在分析面向自主操作的微创手术机器人系统工作原理的基础上,根据微创手术机构的设计原则和技术要求,设计了一种面向自主操作的对称型丝传动微创手术机构;分析微创手术机构的构型和传动方案,并对它的结构和传动方案进行详细设计。其次,对微创手术机构进行正逆运动学分析,利用MATLAB中的机器人工具箱构建微创手术机构的仿真模型,验证了正逆运动学分析的正确性;构建微创手术机构快换装置驱动轮检测角与关节角之间的模型,实现微创手术机构轨迹检测的目的。然后,提出基于神经网络的自主操作控制方法。利用BP神经网络对微创手术机构驱动轮检测关节角与末端轨迹进行自学习训练,获取微创手术机构的自主操作控制策略;利用构建的仿真系统验证所获取的自主操作控制策略的正确性。最后,研制了微创手术机构的样机模型,搭建微创手术机构自主操作实验平台;通过关节灵活性实验、运动实验验证了微创手术机构设计的合理性和良好的运动性能;通过自主操作控制实验验证了控制方法的可行性。
【学位授予单位】：河南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R61;TP242
【图文】：

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（a）开口手术（b）传统微创手术（c）机器人辅助微创手术图 1 外科手术的发展微创外科手术(Minimally Invasive Surgery)简称 MIS。它于20世纪80年代开始兴起合了临床医学、材料科学、信息科学等各个学科。微创外科手术指的是在病人身体几个小切口，通过小切口将手术工具及内窥镜等插入病人病患处，临床医生可以通维高清的视觉成像系统，操作单个或者多个可编程控制的精密机械手，施行靶点定位灶损毁、药物注入等手术任务，可以让外科手术的伤口更小，设备更智能，仪器更信息数字化[11]。微创手术机器人系统结构如图 2 所示。

微创手术,机器人系统结构

）开口手术（b）传统微创手术（c）机器人辅图 1 外科手术的发展术(Minimally Invasive Surgery)简称 MIS。它于20世纪8、材料科学、信息科学等各个学科。微创外科手术指的通过小切口将手术工具及内窥镜等插入病人病患处，临成像系统，操作单个或者多个可编程控制的精密机械手注入等手术任务，可以让外科手术的伤口更小，设备更]。微创手术机器人系统结构如图 2 所示。

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图 3 UCB/UCSF RTW 微创手术机器人96 年，美国 Computer Motion 公司推出具有强大功能的 ZEUS 机器人系统示。该系统的 3 个从操作臂安装于手术台上，在手术时，两个机械臂用来工具，另外一个是用来夹持内窥镜。每个从手都采用 7 自由度设计，利用自由度的主动运动，2 个自由度是被动的关节，另一个自由度用来固定从用这种设计保证机械臂的阻力最小。被动关节使从手机械臂实现远心运动个圆形的主动操作装置，医生可以用主手来控制从手的工作，这样从手的配，使得医生在良好的环境中快速精确的完成手术操作。

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