發(fā)布時間：2020-04-21 02:41

【摘要】：和傳統(tǒng)外科手術(shù)比較,機器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)可以克服傳統(tǒng)手術(shù)的缺陷、讓醫(yī)生對器械進行精準控制、提高手術(shù)效率與成功率、減少患者手術(shù)痛楚、縮短術(shù)后恢復時間、拓展傳統(tǒng)手術(shù)應(yīng)用范圍、可進行遠程手術(shù)等優(yōu)點。機器人微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)得到了外科手術(shù)領(lǐng)域的廣泛認可,微創(chuàng)外科手術(shù)機器人正逐漸成為機器人研究領(lǐng)域的一個熱點。由于微創(chuàng)手術(shù)機器人從手系統(tǒng)的器械臂構(gòu)型特殊(不滿足pieper準則)很難求得逆運動學精確解析解;此外,由于微器械體積和使用要求等原因,無法在微器械末端集成位置反饋元件而不能對其進行閉環(huán)位置控制,這些嚴重影響手術(shù)機器人的控制精度,同時由于微器械力覺感知能力缺失,使得手術(shù)操作過程繁瑣,醫(yī)生無法施加準確操作力而無法進行精細化操作。因此研究與之相關(guān)的手術(shù)機器人位置控制和力檢測的關(guān)鍵技術(shù)對外科手術(shù)機器人發(fā)展具有重要意義。本文在國家自然科學基金項目(61203358/F0306)、黑龍江省自然科學基金項目(F2015034)和中央高�；�本科研業(yè)務(wù)費重大項目(HEUCFZ1214)的資助下,針對微創(chuàng)手術(shù)機器人位置控制和微器械力檢測兩個方面,著力于手術(shù)機器人系統(tǒng)從手器械臂逆運動學解析解求解、微器械全閉環(huán)控制、微器械變參數(shù)動力學建模和辨識以及微器械外力間接檢測方法四個關(guān)鍵技術(shù)點展開理論分析和實驗研究。本文的具體工作包括:首先,對微創(chuàng)手術(shù)機器人從手系統(tǒng)進行簡要介紹,采用DH法對從手系統(tǒng)的持鏡臂進行正逆運動學建模,并完成仿真分析驗證;針對從手系統(tǒng)的器械臂逆運動解析解求解困難的問題,提出了一種全新的運動學建模方法—相鄰關(guān)節(jié)軸建立順序換位法,并對不同的機器人構(gòu)型進行分類分析給出該方法的適用條件;利用相鄰關(guān)節(jié)軸建立順序換位法對微創(chuàng)手術(shù)機器人從手器械臂進行運動學建模,并求得其精確的解析解,并通過仿真分析驗證該方法的正確性和有效性。為手術(shù)機器人位置的準確控制打下基礎(chǔ)。其次,為了實現(xiàn)對繩索驅(qū)動微器械位置的準確控制,對微器械位置閉環(huán)控制策略和方法進行了研究;基于電機—彈簧不對稱機理設(shè)計了四自由度繩索驅(qū)動微器械驅(qū)動方案,并考慮關(guān)節(jié)耦合特性對微器械進行了整體運動學(電機轉(zhuǎn)角和微器械位置關(guān)系)分析,給出了基于轉(zhuǎn)角估計器的微器械閉環(huán)控制策略;搭建單關(guān)節(jié)原理樣機,以單關(guān)節(jié)繩索驅(qū)動原理為基礎(chǔ)設(shè)計了單關(guān)節(jié)樣機的轉(zhuǎn)角估計器,并對其參數(shù)進行了實驗辨識、化簡和修正,得到精確地轉(zhuǎn)角估計器數(shù)學模型;將轉(zhuǎn)角估計器的輸出當做末端轉(zhuǎn)角反饋值對單關(guān)節(jié)原理樣機進行了位置閉環(huán)實驗研究,并和傳統(tǒng)開環(huán)控制方法進行對比,驗證該方法的正確性和有效性;最后對四自由度繩索驅(qū)動微器械的閉環(huán)控制性能進行了仿真研究。第三,建立了微器械的腕部動力學模型,并通過仿真驗證了腕部動力學模型的正確性,結(jié)合微器械驅(qū)動機構(gòu)的特性,最終建立整個微器械系統(tǒng)的動力學模型;以單關(guān)節(jié)原理樣機為研究對象,在分部建模的基礎(chǔ)上建立了整個單關(guān)節(jié)原理樣機的動力學模型,并采用非線性模型和遺傳算法相結(jié)合的思路進行了關(guān)節(jié)動力學參數(shù)辨識,并與傳統(tǒng)加權(quán)最小二乘法辨識結(jié)果進行比較;建立單關(guān)節(jié)原理樣機的線性參數(shù)變化(LPV)二階狀態(tài)空間模型,將模型在很小的時間段內(nèi)看做線性時不變(LTI)系統(tǒng),并采用遺傳算法(GA)和加權(quán)最小二乘法(WLS)相結(jié)合的方法實現(xiàn)對該LPV二階狀態(tài)空間模型的參數(shù)辨識,并通過實驗驗證模型的正確性,為微器械力控制和力交互打下基礎(chǔ)。最后,針對微器械力檢測問題,提出微器械三維外力和夾持力估計策略;以單關(guān)節(jié)原理樣機為研究對象,建立了電機—減速器—繞繩輪阻尼模型和繩索張力模型,并結(jié)合狀態(tài)擾動觀測器設(shè)計了外力估計器;對電機—減速器—繞繩輪系統(tǒng)阻尼模型和繩索張力模型參數(shù)進行實驗辨識,在此基礎(chǔ)上進行了單關(guān)節(jié)原理樣機外力檢測實驗研究驗證了外力估計方法的正確性及有效性,為進一步開發(fā)具有力檢測功能的4自由度微器械提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
【圖文】：

力交互控制可以實現(xiàn)施加適當?shù)牟僮髁�，能夠大幅提高手術(shù)操作果。，本文以手術(shù)機器人研究為背景，以實現(xiàn)手術(shù)機器人精確位置控，促進手術(shù)機器人的手術(shù)質(zhì)量效率，提高我國手術(shù)機器人自主創(chuàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，降低國民醫(yī)療成本，具有重要經(jīng)濟和社會意義。外科手術(shù)機器人系統(tǒng)國內(nèi)外研究綜述1年倫敦帝國理工學院的B.Davies開發(fā)了用于泌尿外科前列腺切除經(jīng)過將近30余年的發(fā)展，外科手術(shù)機器人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為一個業(yè)[1]。世界各地的學者們競相展開了對微創(chuàng)外科手術(shù)機器人的研外科手術(shù)機器人國外研究綜述，，美國的Computer Motion 公司獲得美國食品及藥物管理局tion, FDA）批準研制出了能自動控制腹腔鏡位置的器械臂[6] system for optimal positioning, AESOP-1000）如圖1.1所示。

第 1 章 緒論00微創(chuàng)手術(shù)輔助機器人是世界上第一臺采用語音控制的手術(shù)機器，醫(yī)生可以通過給機器人發(fā)出語音指令讓機器人像醫(yī)生助手一樣來態(tài)調(diào)節(jié)視窗[13]。AESOP-3000微創(chuàng)手術(shù)輔助機器人是一個具有七.3所示，其運動的靈巧度進一步增加，可以有效的抓取各種腹腔鏡
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

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本文編號：2635265