【摘要】：和傳統(tǒng)外科手術(shù)比較,機(jī)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(duì)器械進(jìn)行精準(zhǔn)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(fù)時(shí)間、拓展傳統(tǒng)手術(shù)應(yīng)用范圍、可進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)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(rèn)可,微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人正逐漸成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。由于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手系統(tǒng)的器械臂構(gòu)型特殊(不滿足pieper準(zhǔn)則)很難求得逆運(yùn)動(dòng)學(xué)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(duì)其進(jìn)行閉環(huán)位置控制,這些嚴(yán)重影響手術(shù)機(jī)器人的控制精度,同時(shí)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(zhǔn)確操作力而無法進(jìn)行精細(xì)化操作。因此研究與之相關(guān)的手術(shù)機(jī)器人位置控制和力檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)外科手術(shù)機(jī)器人發(fā)展具有重要意義。本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61203358/F0306)、黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F2015034)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重大項(xiàng)目(HEUCFZ1214)的資助下,針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人位置控制和微器械力檢測(cè)兩個(gè)方面,著力于手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)從手器械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析解求解、微器械全閉環(huán)控制、微器械變參數(shù)動(dòng)力學(xué)建模和辨識(shí)以及微器械外力間接檢測(cè)方法四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)展開理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。本文的具體工作包括:首先,對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,采用DH法對(duì)從手系統(tǒng)的持鏡臂進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建模,并完成仿真分析驗(yàn)證;針對(duì)從手系統(tǒng)的器械臂逆運(yùn)動(dòng)解析解求解困難的問題,提出了一種全新的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法—相鄰關(guān)節(jié)軸建立順序換位法,并對(duì)不同的機(jī)器人構(gòu)型進(jìn)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(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從手器械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模,并求得其精確的解析解,并通過仿真分析驗(yàn)證該方法的正確性和有效性。為手術(shù)機(jī)器人位置的準(zhǔn)確控制打下基礎(chǔ)。其次,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)微器械位置的準(zhǔn)確控制,對(duì)微器械位置閉環(huán)控制策略和方法進(jìn)行了研究;基于電機(jī)—彈簧不對(duì)稱機(jī)理設(shè)計(jì)了四自由度繩索驅(qū)動(dòng)微器械驅(qū)動(dòng)方案,并考慮關(guān)節(jié)耦合特性對(duì)微器械進(jìn)行了整體運(yùn)動(dòng)學(xué)(電機(jī)轉(zhuǎn)角和微器械位置關(guān)系)分析,給出了基于轉(zhuǎn)角估計(jì)器的微器械閉環(huán)控制策略;搭建單關(guān)節(jié)原理樣機(jī),以單關(guān)節(jié)繩索驅(qū)動(dòng)原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了單關(guān)節(jié)樣機(jī)的轉(zhuǎn)角估計(jì)器,并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)辨識(shí)、化簡(jiǎn)和修正,得到精確地轉(zhuǎn)角估計(jì)器數(shù)學(xué)模型;將轉(zhuǎn)角估計(jì)器的輸出當(dāng)做末端轉(zhuǎn)角反饋值對(duì)單關(guān)節(jié)原理樣機(jī)進(jìn)行了位置閉環(huán)實(shí)驗(yàn)研究,并和傳統(tǒng)開環(huán)控制方法進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證該方法的正確性和有效性;最后對(duì)四自由度繩索驅(qū)動(dòng)微器械的閉環(huán)控制性能進(jìn)行了仿真研究。第三,建立了微器械的腕部動(dòng)力學(xué)模型,并通過仿真驗(yàn)證了腕部動(dòng)力學(xué)模型的正確性,結(jié)合微器械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性,最終建立整個(gè)微器械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型;以單關(guān)節(jié)原理樣機(jī)為研究對(duì)象,在分部建模的基礎(chǔ)上建立了整個(gè)單關(guān)節(jié)原理樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型,并采用非線性模型和遺傳算法相結(jié)合的思路進(jìn)行了關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí),并與傳統(tǒng)加權(quán)最小二乘法辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行比較;建立單關(guān)節(jié)原理樣機(jī)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(shí)間段內(nèi)看做線性時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)該LPV二階狀態(tài)空間模型的參數(shù)辨識(shí),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)微器械力檢測(cè)問題,提出微器械三維外力和夾持力估計(jì)策略;以單關(guān)節(jié)原理樣機(jī)為研究對(duì)象,建立了電機(jī)—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(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)了外力估計(jì)器;對(duì)電機(jī)—減速器—繞繩輪系統(tǒng)阻尼模型和繩索張力模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)辨識(shí),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單關(guān)節(jié)原理樣機(jī)外力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了外力估計(jì)方法的正確性及有效性,為進(jìn)一步開發(fā)具有力檢測(cè)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(shí)現(xiàn)施加適當(dāng)?shù)牟僮髁Γ軌虼蠓岣呤中g(shù)操作果。，本文以手術(shù)機(jī)器人研究為背景，以實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人精確位置控，促進(jìn)手術(shù)機(jī)器人的手術(shù)質(zhì)量效率，提高我國手術(shù)機(jī)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(jì)和社會(huì)意義。外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)國內(nèi)外研究綜述1年倫敦帝國理工學(xué)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(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)業(yè)[1]。世界各地的學(xué)者們競(jìng)相展開了對(duì)微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的研外科手術(shù)機(jī)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(zhǔn)研制出了能自動(dòng)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(jī)器人是世界上第一臺(tái)采用語音控制的手術(shù)機(jī)器，醫(yī)生可以通過給機(jī)器人發(fā)出語音指令讓機(jī)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(jī)器人是一個(gè)具有七.3所示，其運(yùn)動(dòng)的靈巧度進(jìn)一步增加，可以有效的抓取各種腹腔鏡
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;看手術(shù)機(jī)器人“妙手回春”[J];機(jī)器人產(chǎn)業(yè);2018年06期

2 嵇武;黎介壽;;手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用與研究新進(jìn)展[J];手術(shù);2016年03期

3 張順心;王曉東;尹立軼;馬志廣;韓立;;六自由度植牙手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析[J];河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2017年04期

4 尹軍;劉相花;唐海英;顏樂先;陳維平;徐力;周鑫;周林;;手術(shù)機(jī)器人的研究進(jìn)展及其在臨床中的應(yīng)用[J];醫(yī)療衛(wèi)生裝備;2017年11期

5 ;工信部、國家衛(wèi)計(jì)委聯(lián)合召開醫(yī)用手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)[J];儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量;2016年02期

6 張穎;陳翔;劉蓉;劉波;;交互式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研究進(jìn)展[J];北京生物醫(yī)學(xué)工程;2014年06期

7 張軍良;周幸;吳蘇稼;;手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在骨科的應(yīng)用[J];中國矯形外科雜志;2015年22期

8 ;他讓老外驚呼“神人”[J];少先隊(duì)小干部;2017年Z1期

9 王戈;;人工智能+醫(yī)療 必將誕生下一個(gè)世界級(jí)獨(dú)角獸[J];現(xiàn)代養(yǎng)生;2017年14期

10 ;人工智能+教育[J];中國教育網(wǎng)絡(luò);2017年08期

相關(guān)會(huì)議論文 前8條

1 繆妙;;手術(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)介[A];2011年浙江省醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)分會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編[C];2011年

2 人工智能輔助診療技術(shù)臨床應(yīng)用調(diào)研組;;手術(shù)機(jī)器人臨床應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)分析[A];中國醫(yī)療設(shè)備新觀察——融合醫(yī)學(xué)與工程 服務(wù)醫(yī)療和設(shè)備[C];2012年

3 寧yN;高楓;;基于模糊算法的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器控制研究[A];全國先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨第九屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2010年

4 Geri Aston;劉海軍;;手術(shù)機(jī)器人是否物超所值?[A];中國醫(yī)療設(shè)備新觀察——融合醫(yī)學(xué)與工程 服務(wù)醫(yī)療和設(shè)備[C];2012年

5 符慶吉;;手術(shù)機(jī)器人在泌尿外科應(yīng)用現(xiàn)狀[A];第五次全國中西醫(yī)結(jié)合泌尿外科學(xué)術(shù)會(huì)議論文匯編[C];2005年

6 任成一;朱國昕;;基于模糊自適應(yīng)PID控制的微創(chuàng)血管手術(shù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器控制研究[A];第十一屆沈陽科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)暨中國汽車產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)發(fā)展與合作論壇論文集（信息科學(xué)與工程技術(shù)分冊(cè)）[C];2014年

7 高江平;徐阿祥;董雋;王威;朱捷;崔亮;洪寶發(fā);張旭;;機(jī)器人輔助腹腔鏡前列腺癌根治性切除術(shù)(附16例報(bào)告)[A];第十五屆全國泌尿外科學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

8 ;中西醫(yī)結(jié)合泌尿外科新技市學(xué)習(xí)班安排[A];第五次全國中西醫(yī)結(jié)合泌尿外科學(xué)術(shù)會(huì)議論文匯編[C];2005年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 動(dòng)脈網(wǎng) 王曉行;手術(shù)機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)從研發(fā)到落地[N];中國醫(yī)藥報(bào);2019年

2 本報(bào)記者 沈湫莎;研發(fā)手術(shù)機(jī)器人要讓工程師“穿上白大褂”[N];文匯報(bào);2017年

3 健康時(shí)報(bào)記者 尹薇 駐復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院特約記者 齊璐璐;腸癌手術(shù)機(jī)器人有了中國造[N];健康時(shí)報(bào);2017年

4 本報(bào)記者 鐘端浪;手術(shù)機(jī)器人一年手術(shù)破千臺(tái)[N];江西日?qǐng)?bào);2018年

5 本報(bào)記者 李輝;讓基層醫(yī)院用上手術(shù)機(jī)器人[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2018年

6 中國青年報(bào)·中青在線見習(xí)記者 張均斌 實(shí)習(xí)生 莫昕楠;微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人先要理解醫(yī)生“語言”[N];中國青年報(bào);2018年

7 合肥晚報(bào) ZAKER合肥記者 樂天茵子;合肥手術(shù)機(jī)器人曾參與亞丁灣護(hù)航[N];合肥晚報(bào);2018年

8 首席記者 姚常房;手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用需加強(qiáng)質(zhì)控[N];健康報(bào);2018年

9 記者 楊藝 實(shí)習(xí)生 劉茜;“重慶造”手術(shù)機(jī)器人將亮相智博會(huì)[N];重慶日?qǐng)?bào);2018年

10 記者 劉肖勇;腔道手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)感知與控制研究獲新進(jìn)展[N];廣東科技報(bào);2018年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 王文杰;外科手術(shù)機(jī)器人位置控制和微器械力檢測(cè)方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

2 孔康;小型化微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)方法與運(yùn)動(dòng)映射策略研究[D];天津大學(xué);2017年

3 李坤;微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

4 張林安;微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人柔性工具機(jī)構(gòu)綜合與主從控制策略研究[D];天津大學(xué);2014年

5 何超;微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人手術(shù)工具絲傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法研究[D];天津大學(xué);2014年

6 王惠娟;面向微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的縫合打結(jié)行為研究[D];天津大學(xué);2010年

7 蘇赫;微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與空間映射策略研究[D];天津大學(xué);2016年

8 李建民;微創(chuàng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與主從映射策略研究[D];天津大學(xué);2012年

9 鞠浩;腹腔鏡微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D];南開大學(xué);2009年

10 Syed Amjad Ali（阿姆扎德）;機(jī)器人手術(shù)中的力反饋[D];北京理工大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王麗;微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃研究[D];河北工程大學(xué);2018年

2 張一;血管介入手術(shù)機(jī)器人輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究[D];吉林大學(xué);2018年

3 袁小航;MRI導(dǎo)航的乳腺穿刺手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[D];河北工程大學(xué);2018年

4 陳旭;微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力反饋型主手設(shè)計(jì)與控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

5 張長(zhǎng)春;基于磁定位的柔性機(jī)器人末端追蹤與形狀重建的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

6 丁興旺;磁共振兼容氣動(dòng)穿刺手術(shù)機(jī)器人的研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2018年

7 王曉東;六自由度植牙手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及性能分析[D];河北工業(yè)大學(xué);2017年

8 楊記鑫;穿刺手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D];重慶大學(xué);2018年

9 江競(jìng)宇;基于安全性的手術(shù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與手術(shù)技巧評(píng)價(jià)[D];天津大學(xué);2018年

10 陳超民;肺癌近距離放療手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2635265