采用穿刺手術(shù)進(jìn)行組織活檢與腫瘤消融是一種比較常見(jiàn)的診療方案,傳統(tǒng)穿刺手術(shù)需要醫(yī)生手動(dòng)進(jìn)行,在多點(diǎn)穿刺的情況下,工作強(qiáng)度大且容易疲勞。機(jī)器人輔助穿刺手術(shù)具有能夠提高穿刺精度,降低醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上醫(yī)療機(jī)器人也是一種人機(jī)協(xié)作機(jī)器人,因此使機(jī)械臂具有力擺位拖拽功能是醫(yī)療機(jī)器人中比較必要的選擇。本文結(jié)合穿刺手術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)上具有位姿解耦特點(diǎn)同時(shí)具有力擺位拖拽功能的穿刺手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)。首先分析了位姿解耦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,將機(jī)械臂分為臂部和腕部?jī)刹糠?臂部主要完成位置確定,腕部主要完成姿態(tài)確定。采用經(jīng)典的D-H法建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,獲得逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析解,給出了機(jī)械臂的工作空間,計(jì)算了機(jī)械臂的雅可比矩陣,分析了機(jī)械臂的靜力學(xué)。通過(guò)引入廣義變量解決由解耦機(jī)構(gòu)帶來(lái)的關(guān)節(jié)數(shù)多于自由度數(shù)的問(wèn)題,在機(jī)械臂建模過(guò)程中對(duì)各部分原理依據(jù)廣義變量均進(jìn)行一定程度的修正。章節(jié)的最后通過(guò)Matlab/Robotics Tool Box仿真工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其次完成機(jī)械臂的加工裝配以及控制系統(tǒng)的軟硬件搭建,控制系統(tǒng)采用倍福Twin CAT3自動(dòng)化控制軟件。建立機(jī)械臂控制系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī),分析了伺服控制原理,... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

MRI兼容穿刺機(jī)器人系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-術(shù)機(jī)器人[9]，如圖1-3，該機(jī)器人末端安裝了六維力/力矩傳感器，用于檢測(cè)穿刺手術(shù)中的接觸力。機(jī)器人采用3自由度笛卡爾移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行接近定位，穿刺操作由額外4個(gè)自由度參與，包含2自由度的RCM機(jī)構(gòu)。其XYZ移動(dòng)精度可達(dá)2μm，末端穿刺精度可達(dá)5μm。該機(jī)器人完成了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)直徑80μm的靜脈插管操作。接下來(lái)該實(shí)驗(yàn)室由對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)得到EyeRoBot2[10]和EyeRoBot2.1[11]，如圖1-4。新改進(jìn)的機(jī)器人穿刺針俯仰角達(dá)到了60，而第一代僅為30，并且對(duì)人機(jī)交互性進(jìn)行了優(yōu)化。圖1-3AMIRo的眼部手術(shù)機(jī)器人a）EyeRoBot2b）EyeRoBot2.1圖1-4AMIRo的EyeRobot2澳大利亞的ARCSeibersdorf機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一款基于超聲導(dǎo)航的組織活檢穿刺機(jī)器人B-Robot-I[12]。如圖1-5，整個(gè)系統(tǒng)具有7個(gè)自由度，包含4個(gè)粗定位自由度和3個(gè)精定位自由度。粗定位機(jī)構(gòu)包含笛卡爾坐標(biāo)系提供的3個(gè)直線自由度和1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，精定位為機(jī)構(gòu)為3自由度的NPU機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)最終的定位精度為1.48mm±0.62mm。手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航方面主要由CT，超聲和MRI等幾種，為了兼容MRI和CT，穿刺機(jī)器人通常會(huì)采用非常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式，比如氣動(dòng)，超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-同時(shí)為了方便在MRI和CT室內(nèi)進(jìn)行手術(shù)，穿刺機(jī)器人還會(huì)采用可以安裝在病人身上的小型結(jié)構(gòu)。圖1-5ARCSeibersdorf機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的B-Robot-I法國(guó)的TIMC-IMAG實(shí)驗(yàn)室2016年設(shè)計(jì)了一款CT和MRI兼容的LPR[13]穿刺機(jī)器人，如圖1-6。該機(jī)器人擁有5個(gè)自由度，采用全氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，小型化的結(jié)構(gòu)能夠跨在病人的軀干上做一些胸部和腹部的穿刺手術(shù)。同樣美國(guó)國(guó)家兒童健康中心在2018年也設(shè)計(jì)了一款MRI兼容的可以安裝在病人身上的穿刺機(jī)器人[14]，該機(jī)器人用來(lái)給肩部骨折的兒童做手術(shù)，如圖1-7。該機(jī)器人更加小型化，采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同樣采用2個(gè)自由度來(lái)確定位置，2自由度的RCM機(jī)構(gòu)保證姿態(tài)。缺陷是其RCM機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)心點(diǎn)與皮膚之間有一定的距離，并非完全貼合。圖1-6TIMC-IMAG實(shí)驗(yàn)室的LPR圖1-7美國(guó)國(guó)家兒童健康中心的肩部穿刺機(jī)器人國(guó)內(nèi)穿刺手術(shù)機(jī)器人相對(duì)國(guó)外起步較晚，但是發(fā)展較塊，有的已經(jīng)完成了

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