应用于微创手术场景的机械臂建模及约束运动控制研究
发布时间：2021-12-21 23:18
随着技术的发展,医疗机器人逐渐成为重点的研究对象,尤其是应用于微创手术的机器人。而人工微创手术存在着许多不稳定因素,比如医生长时间操作内窥镜引起肌肉颤震从而使得内窥镜视野不稳定,除此还存在着医生与助手之间沟通操作不协调的弊端。因此夹持内窥镜或夹持手术器械的半自动、全自动手术机器人逐渐成为机器人在医疗场景下的研究热点。但目前大部分手术机器人为专用手术机器人,其系统设计成本高,搭建周期长,研究门槛较高,而通用型连杆机械臂运动精度高,结构尺寸较小巧,价格适中,应用在医疗领域是一个不错的选择。因此,本文对使用通用型连杆机械臂实现医疗手术操作展开研究。为了解专用手术机器人与通用型机械臂之间的区别,本文根据现有的一台专用持镜手术机械臂,分析了该机构的特性,以此对比手术机器人与通用型机械臂应用于微创手术场景的利弊,由此研究使用通用型机械臂代替专用手术机器人实现手术内窥镜夹持操作的方法。本文分析了现有的用于夹持手术内窥镜机器人的运动学模型,得到了应用于微创手术场景下机器人所受到约束条件。同时分析了通用型机械臂的运动学模型,并根据运动学模型,能够实现在通用机械臂示教模式下,无需外部传感器,而仅仅由机械臂...
【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】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统微创手术[2]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-微创手术机器人平台开发一直是研究热点，但专用手术系统搭建平台与系统验证周期长，成本高，其研究准入门槛较高，且专用性强，缺乏灵活性。本文则根据腹腔微创手术背景，研究通过通用型连杆机械臂实现微创手术应用，完成特定手术操作的方法。如今通用型协作机械臂如AUBO、UR、KUKA[5]的成本相对专用手术机器人系统的研发成本低，且此类通用型机械臂的集成性高与交互性强，控制难度相对比单独开发的专用型机器人要低，也更加易于实现，精度也更可靠，能够实现同一个机械臂在不同手术场景下应用与操作，灵活性强。搭建基于通用型机械臂平台的手术系统，为通用型机械臂更成熟应用于腹腔微创手术的研究提供一定参考，也能够方便地进行不依赖于真实手术环境下的手术机器人研究，如通过此平台研究内窥镜视野中手术工具定位，内窥镜三维重建调整内窥镜位姿可以借助此平台，因而此种上能够方便研究验证多元医疗场景下手术机器人的创新理论。图1-1传统微创手术[2]图1-2使用持镜机器人的微创手术[2]1.2微创手术机器人国内外研究现状虽然医疗机器人从时间跨度上来说得到巨大的发展，但从质量与应用上来说，发展并没有非常迅猛，全球的市场上仅有少数医疗机器人产品能够用于临床。这是因为医疗机器人相对于传统的机器人的特殊性：医疗机器人对于患者和医护人员的安全性；操作工具消毒和无菌处理。医疗机器人主要用于护理、辅助康复、辅助手术等。在手术机器人领域，有用于腹部、胸部手术操作机器人[6]，有用于脑部、眼部区域的手术操作机器人[7]，有用于自然腔道(所谓自然腔道，即人体自然形成的通道如鼻腔)的手术机器人[8]，也有用于骨科辅助治疗的机器人，也有进入血液的微型或纳米型智能手术机器人[9,10]。
iXI系统，如图1-5所示。该系统由四部分组成，即符合人机工程学的医生控制台、从手系统、全景3D视觉成像技术、系列手术器械。从手由安装在可调底座上3-4个彼此独立控制的机械臂。从手持镜臂上全景高清3D相机将三维图像实时传输给主控台的影像监视器，让医生能够看到分辨率高3D图像，提供患者解剖学的逼真影像。其余几个操作臂也能够很好地实现夹娶切割、缝合等手术操作。DaVinci是市场上最成功的商业外科手术机器人，但其价格昂贵，造价高达150万美元，维护成本高，在操作过一定次数后不能再使用，且缺乏力反馈[13,14]。图1-3AESOP机器人[11]图1-4ZEUS机器人[12]华盛顿大学联合加州大学研制了名为Raven的主从式手术机器人系统，它是第一款能够使用ROS等平台进行控制开发的开源手术机器人系统，如图1-6所示。BenKehoe等人已经利用Raven机器人完成了腹腔清创手术模拟实验[15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]骨科手术机器人研究进展[J]. 郭硕,郭征. 武警医学. 2018(10)
[2]面向微创外科手术机械臂的主动力摆位控制策略[J]. 王伟,杜志江,闫志远,王伟东. 哈尔滨工程大学学报. 2017(12)
[3]国产机器人妙手S系统远程手术实验研究[J]. 李爱民,李进华,李建民,张涛,杨瑞林,邢元,刘全达,王树新. 腹部外科. 2016 (06)
[4]机器人手术系统在早期卵巢恶性肿瘤手术中的临床应用[J]. 姚元庆,李秀丽,杨怡卓,刘忠宇,晏红,闫志凤,陈黎,王晶. 中华妇产科杂志. 2015 (08)
[5]骨科手术机器人及其导航技术[J]. 宋国立,韩建达,赵忆文. 科学通报. 2013(S2)
[6]基于动态视觉引导的外科手术机器人器械臂运动方法[J]. 于凌涛,王正雨,于鹏,王涛,宋华建. 机器人. 2013(02)
[7]Zeus robot-assisted laparoscopic cholecystectomy in comparison with conventional laparoscopic cholecystectomy[J]. Han-Xin Zhou, Yue-Hua Guo, Xiao-Fang Yu, Shi-Yun Bao, Jia-Lin Liu, Yue Zhang and Yong-Gong Ren Department of Minimally Invasive Surgery, Shenzhen People’s Hospital, Jinan University 2nd Clinical Medicine College, Shenzhen 518020. China Department of Anesthesia, Shenzhen People’s Hospital, Jinan University 2nd Clinical Medicine College, Shenzhen 518020, China. Hepatobiliary & Pancreatic Diseases International. 2006(01)
[8]机器人腹腔镜手术及其应用前景[J]. 朱江帆. 外科理论与实践. 2002(03)
博士论文
[1]带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人研究[D]. 董九志.哈尔滨工程大学 2009
[2]鼻内镜蝶鞍、翼腭窝及相关区域手术解剖及外科技术研究[D]. 冯国栋.中国协和医科大学 2008
硕士论文
[1]基于视觉的AUBO机器人标定方法研究[D]. 曹继项.长安大学 2018
[2]基于增强现实的微创手术机器人术前摆位优化研究[D]. 邱耀.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于无标定视觉伺服的机器人视觉引导装配作业研究[D]. 陆雪强.哈尔滨工业大学 2017
[4]腹腔微创手术机器人机械臂的设计及研究[D]. 董光友.吉林大学 2016
[5]鼻内镜手术辅助机器人系统设计研发[D]. 侯西龙.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3545359
【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】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统微创手术[2]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-微创手术机器人平台开发一直是研究热点，但专用手术系统搭建平台与系统验证周期长，成本高，其研究准入门槛较高，且专用性强，缺乏灵活性。本文则根据腹腔微创手术背景，研究通过通用型连杆机械臂实现微创手术应用，完成特定手术操作的方法。如今通用型协作机械臂如AUBO、UR、KUKA[5]的成本相对专用手术机器人系统的研发成本低，且此类通用型机械臂的集成性高与交互性强，控制难度相对比单独开发的专用型机器人要低，也更加易于实现，精度也更可靠，能够实现同一个机械臂在不同手术场景下应用与操作，灵活性强。搭建基于通用型机械臂平台的手术系统，为通用型机械臂更成熟应用于腹腔微创手术的研究提供一定参考，也能够方便地进行不依赖于真实手术环境下的手术机器人研究，如通过此平台研究内窥镜视野中手术工具定位，内窥镜三维重建调整内窥镜位姿可以借助此平台，因而此种上能够方便研究验证多元医疗场景下手术机器人的创新理论。图1-1传统微创手术[2]图1-2使用持镜机器人的微创手术[2]1.2微创手术机器人国内外研究现状虽然医疗机器人从时间跨度上来说得到巨大的发展，但从质量与应用上来说，发展并没有非常迅猛，全球的市场上仅有少数医疗机器人产品能够用于临床。这是因为医疗机器人相对于传统的机器人的特殊性：医疗机器人对于患者和医护人员的安全性；操作工具消毒和无菌处理。医疗机器人主要用于护理、辅助康复、辅助手术等。在手术机器人领域，有用于腹部、胸部手术操作机器人[6]，有用于脑部、眼部区域的手术操作机器人[7]，有用于自然腔道(所谓自然腔道，即人体自然形成的通道如鼻腔)的手术机器人[8]，也有用于骨科辅助治疗的机器人，也有进入血液的微型或纳米型智能手术机器人[9,10]。
iXI系统，如图1-5所示。该系统由四部分组成，即符合人机工程学的医生控制台、从手系统、全景3D视觉成像技术、系列手术器械。从手由安装在可调底座上3-4个彼此独立控制的机械臂。从手持镜臂上全景高清3D相机将三维图像实时传输给主控台的影像监视器，让医生能够看到分辨率高3D图像，提供患者解剖学的逼真影像。其余几个操作臂也能够很好地实现夹娶切割、缝合等手术操作。DaVinci是市场上最成功的商业外科手术机器人，但其价格昂贵，造价高达150万美元，维护成本高，在操作过一定次数后不能再使用，且缺乏力反馈[13,14]。图1-3AESOP机器人[11]图1-4ZEUS机器人[12]华盛顿大学联合加州大学研制了名为Raven的主从式手术机器人系统，它是第一款能够使用ROS等平台进行控制开发的开源手术机器人系统，如图1-6所示。BenKehoe等人已经利用Raven机器人完成了腹腔清创手术模拟实验[15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]骨科手术机器人研究进展[J]. 郭硕,郭征. 武警医学. 2018(10)
[2]面向微创外科手术机械臂的主动力摆位控制策略[J]. 王伟,杜志江,闫志远,王伟东. 哈尔滨工程大学学报. 2017(12)
[3]国产机器人妙手S系统远程手术实验研究[J]. 李爱民,李进华,李建民,张涛,杨瑞林,邢元,刘全达,王树新. 腹部外科. 2016 (06)
[4]机器人手术系统在早期卵巢恶性肿瘤手术中的临床应用[J]. 姚元庆,李秀丽,杨怡卓,刘忠宇,晏红,闫志凤,陈黎,王晶. 中华妇产科杂志. 2015 (08)
[5]骨科手术机器人及其导航技术[J]. 宋国立,韩建达,赵忆文. 科学通报. 2013(S2)
[6]基于动态视觉引导的外科手术机器人器械臂运动方法[J]. 于凌涛,王正雨,于鹏,王涛,宋华建. 机器人. 2013(02)
[7]Zeus robot-assisted laparoscopic cholecystectomy in comparison with conventional laparoscopic cholecystectomy[J]. Han-Xin Zhou, Yue-Hua Guo, Xiao-Fang Yu, Shi-Yun Bao, Jia-Lin Liu, Yue Zhang and Yong-Gong Ren Department of Minimally Invasive Surgery, Shenzhen People’s Hospital, Jinan University 2nd Clinical Medicine College, Shenzhen 518020. China Department of Anesthesia, Shenzhen People’s Hospital, Jinan University 2nd Clinical Medicine College, Shenzhen 518020, China. Hepatobiliary & Pancreatic Diseases International. 2006(01)
[8]机器人腹腔镜手术及其应用前景[J]. 朱江帆. 外科理论与实践. 2002(03)
博士论文
[1]带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人研究[D]. 董九志.哈尔滨工程大学 2009
[2]鼻内镜蝶鞍、翼腭窝及相关区域手术解剖及外科技术研究[D]. 冯国栋.中国协和医科大学 2008
硕士论文
[1]基于视觉的AUBO机器人标定方法研究[D]. 曹继项.长安大学 2018
[2]基于增强现实的微创手术机器人术前摆位优化研究[D]. 邱耀.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于无标定视觉伺服的机器人视觉引导装配作业研究[D]. 陆雪强.哈尔滨工业大学 2017
[4]腹腔微创手术机器人机械臂的设计及研究[D]. 董光友.吉林大学 2016
[5]鼻内镜手术辅助机器人系统设计研发[D]. 侯西龙.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3545359
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