微创手术机器人力反馈主手系统研究
发布时间：2020-12-25 08:00
机器人微创手术不但继承了传统微创手术创口小,痛苦少,恢复快的优点,而且能够提供更灵活,精准的操作,克服手眼不协调,减轻医生疲劳。力反馈主手作为医生与微创手术机器人交互的载体,一方面将医生的操作动作传递给从端控制从手机械臂完成手术操作,另一方面将从手机械臂与患者组织的交互作用力反馈给医生。力反馈主手性能的好坏直接影响到微创手术机器人系统的整体性能,进而影响到手术的安全性和可靠性。本文针对微创手术机器人系统中的力反馈主手,围绕力反馈主手的设计与优化,力反馈主手奇异回避与重力补偿及摩擦补偿,主手力反馈控制策略,以及微创手术机器人主从控制综合实验等多个方面开展研究。根据微创手术机器人的特点,研制了面向微创手术机器人应用的专用型力反馈主手。确定了手臂位置输出机构采用平行四边形将驱动装置前移减小惯量,腕部姿态输出机构采用具有冗余主动调整关节提高操作灵活性。通常力反馈主手以及微创手术机器人的控制周期达到上千Hz,针对力反馈主手控制的实时性要求,选用基于高速实时总线的控制系统架构,实现了对力反馈主手控制算法的集中式控制和关节驱动的分布式处理。该控制系统架构的优点是能够方便的进行扩展,将从机械臂集成到系...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传统微创手术Fig.1-1TraditionalMIS
虽然微创手术具有无比的优越性，但是如图1-1所示微创手术的操作示意图：在进行微创手术时，医生操作手术器械的运动自由度被约束为5个，并且医生在操作的过程中存在杠杆效应，导致手眼不协调，容易使医生在操作过程中产生疲劳，容易产生操作失误，并且医生学习曲线长。这些特点使得微创手术限制在相对简单易操作的手术当中。医生迫切期望通过辅助设备克服上述微创手术中的缺点，以便扩大微创手术的应用范围，在更多的领域中开展复杂精细的微创手术，给患者和社会带来福利[6]。图1-1传统微创手术Fig.1-1TraditionalMIS图1-2机器人微创手术[7]Fig.1-2Roboticminimallyinvasivesurgery[7]主从式微创手术机器人是将机器人技术与传统的微创手术技术相结合的一种机器人系统，通常采用主从控制的方式。如图1-2所示为典型微创手术机器人系统达芬奇Si，由三个部分组成：医生操作台，从机械臂系统和立体显示系统[7]。其工作原理如图1-3所示，医生通过操作微创手术机器人主控制端的力反馈主手对从手(从端机械臂和手术器械)进行控制，并借助腹腔镜观察到的患者病灶视野进行手术操作，而从手与患者组织的相互作用力（如果能够感知）则由主操手反馈给医生，使医生感受到对患者组织的作用力[8]。主从式
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-微创手术机器人的出现使得医生可以采用比较舒适的姿势进行手术操作，减轻了医生操作手术的疲劳；手术机器人从端手术器械的自由度更多，操作更灵活，可进行更加复杂的手术操作；主从控制能够通过手眼协调控制算法为医生提供直觉控制，降低医生学习曲线；机器人操作更加稳定精准，提高手术质量；能够提供立体视觉以及具有远程操作的潜力[9]。图1-3主从式微创手术机器人的系统工作原理Fig.1-3MISroboticsystemworkingprinciple由主从式微创手术机器人进行手术操作的过程可以得出，力反馈主手是微创手术机器人系统的重要组成部分，是医生与微创手术机器人交互的关键设备以及进行人机交互的载体，是机器人微创手术能否成功的关键。力反馈主手一方面作为输入装置将医生手部的操作动作传递给从端控制从手完成手术操作，另一方面作为输出装置能够将从手与手术环境的交互作用力反馈给医生实现临场力感觉。力反馈主手性能的好坏直接影响到微创手术机器人系统的整体性能，决定了能否将完整准确的医生操作动作舒适的传递给从手，并且使得医生感知从手与患者组织的交互作用力，进而影响到手术的安全性和可靠性。力反馈主手的深入研究必将对微创手术机器人系统性能的提高和技术的扩展起到积极的推动作用。因此，研制一款符合微创手术机器人应用需求的力反馈主手是非常必要的。本章以下小节通过微创手术机器人以及力反馈主手在国内外发展现状，分析力反馈主手的相关核心技术以及本文的主要研究内容。1.2微创手术机器人国内外研究现状国际上，从20世纪90年代开始，腹腔镜设备开始和机器人技术结合起来形成腹腔镜操作机器人应用于微创手术的研究当中[10]。约翰霍普金斯大学的RussellTaylor教授和他的团队开发了一个名叫“
【参考文献】：
期刊论文
[1]微创外科手术机器人技术研究进展[J]. 付宜利,潘博. 哈尔滨工业大学学报. 2019(01)
[2]六关节机器人位姿精度测量与误差分析[J]. 王海霞,吴清锋,刘仲义,蒋建辉,王清忠. 制造技术与机床. 2018(06)
[3]紧凑型微创手术机器人的设计与实现[J]. 孔康,王树新,张淮锋,李建民. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(11)
[4]基于遗传算法的伺服系统摩擦参数辨识与仿真[J]. 张来福,田赟,姜敏,郝丽花,刘宏. 计算机应用. 2016(S1)
[5]一种改进的机器人动力学参数辨识方法[J]. 黎柏春,王振宇,Alexey Demin,于天彪,王宛山. 中国工程机械学报. 2015(05)
[6]腹腔镜外科手术机器人发展概况综述[J]. 王伟,王伟东,闫志远,杜志江,何史林,陈广飞,周丹. 中国医疗设备. 2014(08)
[7]达芬奇手术机器人系统技术分析[J]. 杜志江. 机器人技术与应用. 2011(04)
[8]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[9]基于速度闭环的自适应力位控制算法[J]. 孔民秀,游玮,杜志江,孙立宁. 哈尔滨工业大学学报. 2010(03)
[10]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)
博士论文
[1]腹腔微创手术机器人控制系统关键技术研究[D]. 艾跃.哈尔滨工业大学 2019
[2]小型化微创手术机器人设计方法与运动映射策略研究[D]. 孔康.天津大学 2017
[3]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
[4]面向主从式微创外科手术机器人的遥操作运动控制策略研究[D]. 唐奥林.上海交通大学 2014
[5]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
[6]微创机器人机构设计方法与主从映射策略研究[D]. 李建民.天津大学 2012
[7]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
[8]腹腔镜操作机器人研制及其关键技术研究[D]. 潘博.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]面向机器人辅助腹腔镜手术的力反馈型主操作手研究[D]. 李勇.哈尔滨工业大学 2012
[2]力反馈型主操作手设计及其控制策略研究[D]. 张林安.天津大学 2010
本文编号：2937253
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传统微创手术Fig.1-1TraditionalMIS
虽然微创手术具有无比的优越性，但是如图1-1所示微创手术的操作示意图：在进行微创手术时，医生操作手术器械的运动自由度被约束为5个，并且医生在操作的过程中存在杠杆效应，导致手眼不协调，容易使医生在操作过程中产生疲劳，容易产生操作失误，并且医生学习曲线长。这些特点使得微创手术限制在相对简单易操作的手术当中。医生迫切期望通过辅助设备克服上述微创手术中的缺点，以便扩大微创手术的应用范围，在更多的领域中开展复杂精细的微创手术，给患者和社会带来福利[6]。图1-1传统微创手术Fig.1-1TraditionalMIS图1-2机器人微创手术[7]Fig.1-2Roboticminimallyinvasivesurgery[7]主从式微创手术机器人是将机器人技术与传统的微创手术技术相结合的一种机器人系统，通常采用主从控制的方式。如图1-2所示为典型微创手术机器人系统达芬奇Si，由三个部分组成：医生操作台，从机械臂系统和立体显示系统[7]。其工作原理如图1-3所示，医生通过操作微创手术机器人主控制端的力反馈主手对从手(从端机械臂和手术器械)进行控制，并借助腹腔镜观察到的患者病灶视野进行手术操作，而从手与患者组织的相互作用力（如果能够感知）则由主操手反馈给医生，使医生感受到对患者组织的作用力[8]。主从式
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-微创手术机器人的出现使得医生可以采用比较舒适的姿势进行手术操作，减轻了医生操作手术的疲劳；手术机器人从端手术器械的自由度更多，操作更灵活，可进行更加复杂的手术操作；主从控制能够通过手眼协调控制算法为医生提供直觉控制，降低医生学习曲线；机器人操作更加稳定精准，提高手术质量；能够提供立体视觉以及具有远程操作的潜力[9]。图1-3主从式微创手术机器人的系统工作原理Fig.1-3MISroboticsystemworkingprinciple由主从式微创手术机器人进行手术操作的过程可以得出，力反馈主手是微创手术机器人系统的重要组成部分，是医生与微创手术机器人交互的关键设备以及进行人机交互的载体，是机器人微创手术能否成功的关键。力反馈主手一方面作为输入装置将医生手部的操作动作传递给从端控制从手完成手术操作，另一方面作为输出装置能够将从手与手术环境的交互作用力反馈给医生实现临场力感觉。力反馈主手性能的好坏直接影响到微创手术机器人系统的整体性能，决定了能否将完整准确的医生操作动作舒适的传递给从手，并且使得医生感知从手与患者组织的交互作用力，进而影响到手术的安全性和可靠性。力反馈主手的深入研究必将对微创手术机器人系统性能的提高和技术的扩展起到积极的推动作用。因此，研制一款符合微创手术机器人应用需求的力反馈主手是非常必要的。本章以下小节通过微创手术机器人以及力反馈主手在国内外发展现状，分析力反馈主手的相关核心技术以及本文的主要研究内容。1.2微创手术机器人国内外研究现状国际上，从20世纪90年代开始，腹腔镜设备开始和机器人技术结合起来形成腹腔镜操作机器人应用于微创手术的研究当中[10]。约翰霍普金斯大学的RussellTaylor教授和他的团队开发了一个名叫“
【参考文献】：
期刊论文
[1]微创外科手术机器人技术研究进展[J]. 付宜利,潘博. 哈尔滨工业大学学报. 2019(01)
[2]六关节机器人位姿精度测量与误差分析[J]. 王海霞,吴清锋,刘仲义,蒋建辉,王清忠. 制造技术与机床. 2018(06)
[3]紧凑型微创手术机器人的设计与实现[J]. 孔康,王树新,张淮锋,李建民. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(11)
[4]基于遗传算法的伺服系统摩擦参数辨识与仿真[J]. 张来福,田赟,姜敏,郝丽花,刘宏. 计算机应用. 2016(S1)
[5]一种改进的机器人动力学参数辨识方法[J]. 黎柏春,王振宇,Alexey Demin,于天彪,王宛山. 中国工程机械学报. 2015(05)
[6]腹腔镜外科手术机器人发展概况综述[J]. 王伟,王伟东,闫志远,杜志江,何史林,陈广飞,周丹. 中国医疗设备. 2014(08)
[7]达芬奇手术机器人系统技术分析[J]. 杜志江. 机器人技术与应用. 2011(04)
[8]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[9]基于速度闭环的自适应力位控制算法[J]. 孔民秀,游玮,杜志江,孙立宁. 哈尔滨工业大学学报. 2010(03)
[10]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)
博士论文
[1]腹腔微创手术机器人控制系统关键技术研究[D]. 艾跃.哈尔滨工业大学 2019
[2]小型化微创手术机器人设计方法与运动映射策略研究[D]. 孔康.天津大学 2017
[3]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
[4]面向主从式微创外科手术机器人的遥操作运动控制策略研究[D]. 唐奥林.上海交通大学 2014
[5]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
[6]微创机器人机构设计方法与主从映射策略研究[D]. 李建民.天津大学 2012
[7]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
[8]腹腔镜操作机器人研制及其关键技术研究[D]. 潘博.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]面向机器人辅助腹腔镜手术的力反馈型主操作手研究[D]. 李勇.哈尔滨工业大学 2012
[2]力反馈型主操作手设计及其控制策略研究[D]. 张林安.天津大学 2010
本文编号：2937253
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/2937253.html
