面向主從式微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的遙操作運(yùn)動控制策略研究.pdf

1、當(dāng)前，微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人正逐漸成為醫(yī)療機(jī)器人研究中的一個熱門研究領(lǐng)域。由于其特殊的機(jī)構(gòu)設(shè)計及機(jī)器人技術(shù)的引入，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人可克服傳統(tǒng)手動微創(chuàng)手術(shù)的運(yùn)動限制與缺陷，極大地拓展醫(yī)生的能力，讓醫(yī)生實(shí)現(xiàn)對手術(shù)儀器前所未有的精準(zhǔn)控制，進(jìn)而充分發(fā)揮微創(chuàng)手術(shù)的優(yōu)勢。利用先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)方法，不僅進(jìn)一步提高了手術(shù)質(zhì)量和安全性，減輕了病人的痛苦，而且擴(kuò)展了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的應(yīng)用范圍，使得微創(chuàng)手術(shù)可應(yīng)用于更加精密的手術(shù)領(lǐng)域。近些年來，微創(chuàng)外

2、科手術(shù)機(jī)器人得到了越來越多的關(guān)注，并且隨著人們對自身疾病治療的日趨重視以及對醫(yī)療質(zhì)量要求的增高，微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人在未來的醫(yī)療服務(wù)中必將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
　　在機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)中，醫(yī)生主要通過主從式遙操作(Master-slave Teleoperation)的方式實(shí)施手術(shù)，即醫(yī)生只需要坐在主控制臺旁，雙手握住主操作手完成各種手術(shù)動作，遙操作系統(tǒng)將自動控制安裝在從機(jī)械臂末端上的手術(shù)器械忠實(shí)完整地復(fù)現(xiàn)醫(yī)生雙手的每一個動作，

3、輔以內(nèi)窺鏡實(shí)時反饋的病灶區(qū)域圖像，醫(yī)生就可以遠(yuǎn)程完成各種手術(shù)操作。因此，在一個微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，主從遙操作控制系統(tǒng)直接決定了整個系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)（評價）的好壞，主從遙操作控制系統(tǒng)的設(shè)計對于整個微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)而言有著重要的意義。
　　本文將面向主從式微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人，對其遙操作控制系統(tǒng)設(shè)計中所涉及到的幾個主要問題，包括遙操作的實(shí)時性、直觀性以及安全可靠性進(jìn)行探討和研究，進(jìn)而提出一套完整的主從遙操作控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

4、，并搭建相應(yīng)的軟硬件平臺對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的具體工作主要包含以下幾個方面:
　　(1)針對一種常見的主從異構(gòu)式微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人，對其主從操作手分別進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模，并求得了其正逆運(yùn)動學(xué)解的所有顯式解析表達(dá)式，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。其中，針對相對復(fù)雜的從操作手（其結(jié)構(gòu)不滿足Pierper準(zhǔn)則）逆運(yùn)動學(xué)求解問題，考慮到微創(chuàng)手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了一種兩步近似求解算法，只需簡單計算即可得到從手逆運(yùn)動學(xué)近似解的解析表達(dá)式，再結(jié)合誤差

5、補(bǔ)償措施，就可輕松實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)上并不滿足Pierper準(zhǔn)則的任意微創(chuàng)手術(shù)從操作手的實(shí)時精確逆運(yùn)動學(xué)在線求解及相應(yīng)遙操作控制。
　　(2)在實(shí)現(xiàn)了對主從手的實(shí)時求解控制之后，本文進(jìn)一步探討了如何通過主操作手的運(yùn)動自然直觀地控制從操作手運(yùn)動。首先，文章對使用各種不同的醫(yī)生主操縱臺（不同的操縱臺布置方式）進(jìn)行手術(shù)遙操作的過程進(jìn)行了統(tǒng)一抽象建模，進(jìn)而討論了為了提高操作者使用其進(jìn)行手術(shù)遙操作的直觀感，達(dá)到“所動即所見”的自然操作效果，手術(shù)機(jī)器

6、人主從手之間應(yīng)滿足的空間運(yùn)動映射關(guān)系;本文提出基于廣義手眼協(xié)調(diào)準(zhǔn)則來設(shè)計機(jī)器人主從操作手之間的空間運(yùn)動映射關(guān)系，以使得醫(yī)生在遙操作過程中所觀察到的從手末端手術(shù)器械的運(yùn)動始終完全符合其主觀感受，從而最大程度地保證遙操作的臨場感。
　　(3)在基于上述研究實(shí)現(xiàn)了實(shí)時直觀的主從遙操作控制之后，針對其實(shí)際應(yīng)用中尚存在的安全性隱患（由于內(nèi)窺鏡反饋深度信息不足且缺乏觸感反饋，醫(yī)生容易無意識地過度移動從機(jī)械手，導(dǎo)致尖銳的手術(shù)器械與病灶周圍其他一

7、些脆弱組織器官發(fā)生擦碰，對其造成意外傷害），本文提出了一種新的、簡單易用的、基于可自定義虛擬保護(hù)夾具的解決方法。利用該方法，醫(yī)生可以很方便地在術(shù)前甚至在手術(shù)過程中隨時根據(jù)需要定義相應(yīng)的虛擬保護(hù)夾具，以此來約束機(jī)器人的運(yùn)動，從而可以保護(hù)病灶區(qū)域的特定部位，防止手術(shù)誤動作對其造成意外損傷，極大地提高了手術(shù)遙操作的安全可靠性。
　　(4)搭建了微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人虛擬仿真以及硬件實(shí)驗(yàn)平臺，并將上述各方法封裝成相應(yīng)的軟件模塊，在實(shí)際操作任務(wù)

8、中進(jìn)行測試，以驗(yàn)證所提出方法的正確有效性。
　　本文所研究的手術(shù)機(jī)器人主從手運(yùn)動學(xué)實(shí)時求解控制、主從手空間運(yùn)動映射關(guān)系設(shè)計等內(nèi)容基本涵蓋了手術(shù)機(jī)器人主從遙操作控制系統(tǒng)設(shè)計中所涉及到的主要技術(shù)問題，而基于可自定義虛擬保護(hù)夾具的機(jī)器人空間運(yùn)動約束方法則可以進(jìn)一步提高使用手術(shù)機(jī)器人實(shí)施微創(chuàng)手術(shù)的安全性和可靠性?；谶@些研究成果就可以為微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人設(shè)計一套精確實(shí)時、自然直觀、安全可靠的主從遙操作控制系統(tǒng)。此外，文中所提出的相關(guān)方法也可以