具有力感知的腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)從動機器人的研究.pdf

1、目前，微創(chuàng)外科手術(shù)機器人已成為機器人研究領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一。微創(chuàng)外科手術(shù)機器人具有創(chuàng)口小，靈活性高，精度高、減輕醫(yī)生疲勞感等優(yōu)點，為世界上多個科研機構(gòu)重視。但是目前已有的微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)普遍缺乏力感知功能。缺乏力感知的手術(shù)操作會對組織器官帶來意外的損傷，同時亦會缺失只有力覺感知才能得到的器官組織是否病變的信息。缺少力覺感知已經(jīng)大大增加了醫(yī)生手術(shù)操作的難度，影響了手術(shù)的操作精度，被公認為是當今制約手術(shù)機器人技術(shù)發(fā)展的主要影響因素之一。<

2、br>　　針對目前微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)缺乏力感知的問題，本文提出了研制適用于腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)從動機器人微小尺寸要求的六維力/力矩傳感器并將其集成于從動機器人的研究方案，圍繞從動機器人機械本體構(gòu)建及運動學分析，適用于微創(chuàng)手術(shù)從動機器人微小尺寸要求的彈性體設(shè)計方案，微型力覺傳感器的研制，從動機器人力覺感知實驗等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。根據(jù)微創(chuàng)外科手術(shù)特點，成功研制了一款具有力感知的腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)從動機器人。
　　以勝任腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)操作為

3、目標，設(shè)計了能夠前端集成自主研制的微型六維力傳感器的具有力感知的微創(chuàng)手術(shù)從動機器人，并制造出了樣機。將該樣機設(shè)計成支撐機構(gòu)與末端執(zhí)行器機構(gòu)兩部分，樣機擁有七個自由度，保證從動機器人在病患體內(nèi)靈活的手術(shù)操作。設(shè)計了平行四邊形機構(gòu)保證從動機器人在手術(shù)時不撕扯病患體表的手術(shù)創(chuàng)口。設(shè)計了末端執(zhí)行器快速拆裝機構(gòu)滿足了手術(shù)醫(yī)生在手術(shù)中對快速更換手術(shù)鉗、手術(shù)剪等手術(shù)器械的實際操作要求，以保證手術(shù)順利安全地進行?？紤]到末端執(zhí)行器狹小的空間，設(shè)計了一套適

4、用于狹小空間傳動的線纜-導輪傳動機構(gòu)，實現(xiàn)了通過狹小空間進行運動傳遞的效果?；贒-H理論對設(shè)計的手術(shù)機器人機械從手進行正、逆運動學分析，并分別給出正、逆運動學方程?；趯φ\動學模型的模擬仿真得出了從動機器人在體內(nèi)的工作范圍。
　　提出了適用于微創(chuàng)手術(shù)從動機器人尺寸要求的無維間耦合的彈性體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。由于安裝空間限制，考慮到設(shè)計的線纜-導輪傳動機構(gòu)中的傳動線纜需要無損害地穿過彈性體，因此將彈性體設(shè)計成十字梁形狀。無維間耦合對

5、于多維力覺信息的精準辨析十分重要，但在腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)中，由于狹小空間的限制，實現(xiàn)無維間耦合的彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個難點。將敏感六維分力的彈性體結(jié)構(gòu)分解成兩個微型的可敏感三維分力的滑移十字梁式的彈性體結(jié)構(gòu)，這樣實現(xiàn)了直接結(jié)構(gòu)解耦，避免了復雜的計算解耦。
　　基于提出的滑移十字梁式彈性體設(shè)計方案，自主研制了一款適用于腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境力覺信息采集的六維力覺傳感器，其尺寸為9.8mm(直徑)×6mm(高)，克服了目前最小的商業(yè)化六維力覺傳

6、感器NANO-17因尺寸過大不能應用于微創(chuàng)手術(shù)機器人的局限性。通過有限元分析，設(shè)計的傳感器最大維間耦合誤差為3.8％。提出了該傳感器的加工誤差模型，保證了該傳感器可順利加工。對該傳感器進行了力覺標定實驗，試驗結(jié)果證明其能清晰地分辨六維力覺信息。
　　通過與從動機器人一體設(shè)計的機械安裝裝置將研制的微型六維傳感器集成于所研制從手前端，使傳感器成為末端執(zhí)行器的一部分，而傳感器采用的十字梁彈性體結(jié)構(gòu)保證了傳動線在傳感器內(nèi)部的自由運動。使用