【摘要】：微創(chuàng)手術(shù)具有創(chuàng)傷小、疼痛輕、康復(fù)快、住院時(shí)間短和術(shù)后并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn),因此在國內(nèi)外得到廣泛地應(yīng)用。但傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)存在以下問題:手術(shù)器械在切口處的“杠桿”作用使得醫(yī)生操作的手眼協(xié)調(diào)性差、手術(shù)器械操作的靈活性低、醫(yī)生長時(shí)間操作手術(shù)器械易疲勞、醫(yī)生手部震顫在手術(shù)器械末端被放大,無法完成精細(xì)手術(shù)操作。機(jī)器人技術(shù)與微創(chuàng)手術(shù)相結(jié)合可以改善手術(shù)環(huán)境,提高手術(shù)質(zhì)量。因此本文開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)從手機(jī)構(gòu)與控制的研究。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)綜合分析。提出一種兩自由度完全解耦和各向同性的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人并聯(lián)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu),建立該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,進(jìn)行解耦性、各向同性、奇異性、緊湊性和工作空間分析。提出一種便于模塊化設(shè)計(jì)的腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人串聯(lián)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu),建立該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。研究機(jī)構(gòu)參數(shù)與機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)和約束條件關(guān)系。將改進(jìn)全局運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)、緊湊性能指標(biāo)、改進(jìn)全局綜合剛度性能指標(biāo)和改進(jìn)全局動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),以工作空間、機(jī)構(gòu)參數(shù)和機(jī)構(gòu)質(zhì)量為約束條件,應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。通過綜合對比選擇串聯(lián)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)用于腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人樣機(jī)研制。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手機(jī)械本體研究。為提高串聯(lián)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)剛度、降低遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)碰撞機(jī)率以及為具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),將串聯(lián)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)參數(shù)和連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量,選用全局運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)和全局綜合剛度性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo),應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手樣機(jī)設(shè)計(jì)。從手樣機(jī)設(shè)計(jì)包括被動(dòng)臂設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和手術(shù)器械設(shè)計(jì)。在遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出一種機(jī)械解耦方法,即三段式平臺設(shè)計(jì),去除遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的平臺直線運(yùn)動(dòng)與手術(shù)器械驅(qū)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)耦合。在手術(shù)器械設(shè)計(jì)中提出一種機(jī)械解耦方法,即中空走線設(shè)計(jì),去除手術(shù)器械腕部和小爪之間的運(yùn)動(dòng)耦合。最后對微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人關(guān)節(jié)非線性PID控制研究�；诶窭嗜辗椒ń⑽�(chuàng)手術(shù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型并仿真驗(yàn)證該模型正確性。為提高腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的穩(wěn)定性和精度,提出含有新型飽和函數(shù)定義兩種非線性PID控制律。并分析控制律的全局漸進(jìn)穩(wěn)定條件。將位置誤差絕對值積分和輸出力矩誤差的絕對值對時(shí)間積分作為優(yōu)化目標(biāo),以全局漸進(jìn)穩(wěn)定性條件和電機(jī)額定輸出力矩為約束條件,應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明含有新型飽和函數(shù)的非線性PID控制律位置誤差要小于含有普通飽和函數(shù)的PID控制律誤差。研究兩種非線性PID控制律對模型不確定性、干擾和噪聲的魯棒性,最后選擇魯棒性最好的非線性PID控制律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主從控制研究�；谛坷碚摻⒊昼R臂和持械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并仿真驗(yàn)證模型正確性�；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)模型推導(dǎo)腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主從控制算法,該算法包含一致性運(yùn)動(dòng)控制、相對運(yùn)動(dòng)控制和比例運(yùn)動(dòng)控制。針對運(yùn)動(dòng)一致性控制,推導(dǎo)腹腔鏡下持鏡臂運(yùn)動(dòng)控制算法以及腹腔鏡下持械臂運(yùn)動(dòng)控制算法,并仿真驗(yàn)證算法有效性。研究主從姿態(tài)配準(zhǔn)功能、術(shù)中手術(shù)器械更換功能和主從二次映射功能實(shí)現(xiàn)算法,仿真驗(yàn)證算法有效性。開展腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)集成與實(shí)驗(yàn)研究。在完成整套腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)集成基礎(chǔ)上,進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)性能以及機(jī)器人絕對定位精度和重復(fù)定位精度測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)有效性。進(jìn)行解耦運(yùn)動(dòng)性能測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證兩種機(jī)械解耦方法有效性。進(jìn)行非線性PID控制算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證算法有效性。進(jìn)行軌跡跟蹤、套環(huán)和穿線實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證主從控制算法有效性。進(jìn)行豬膽囊摘除和腎摘除實(shí)驗(yàn),成功地將豬的膽囊和腎切除驗(yàn)證整套系統(tǒng)有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2298632