微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人克服了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)在觀察、宜人、操作、靈活等多方面的不足，在輔助醫(yī)生執(zhí)行外科手術(shù)時(shí)獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人仍然缺少力反饋功能，它無(wú)法將手術(shù)器械與患者組織的接觸力反饋給醫(yī)生。醫(yī)生因而無(wú)法通過(guò)組織觸摸來(lái)鑒別組織屬性或病變，醫(yī)生在執(zhí)行一些精細(xì)操作時(shí)，想要施加精確的作用力也會(huì)變得非常困難。因此，微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境下的力檢測(cè)技術(shù)成為微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)和前沿。目前，對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力檢測(cè)的研究還存在測(cè)量維數(shù)不足、范圍

2、和精度較低、與器械兼容性差等問(wèn)題，限制了機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)質(zhì)量和效率的進(jìn)一步提高。
　　論文針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力信息檢測(cè)中存在的問(wèn)題，開(kāi)展交互作用力分析，設(shè)計(jì)微型力傳感器，研制具有力感知的手術(shù)器械，并通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定、測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及體外實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)傳感器和手術(shù)器械的技術(shù)有效性進(jìn)行驗(yàn)證。論文的主要研究工作如下：
　　對(duì)手術(shù)器械與組織器官之間的交互作用力進(jìn)行分析。對(duì)微創(chuàng)手術(shù)中手術(shù)器械上不同部位的作用力進(jìn)行定性分析，明確在執(zhí)行組織觸摸、

3、鈍性分離等典型技術(shù)操作時(shí)才有檢測(cè)交互作用力的必要性。總結(jié)執(zhí)行典型技術(shù)操作時(shí)交互作用力的范圍大小和電阻式力傳感器的檢測(cè)原理，為微型傳感器設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)要求。
　　面向微創(chuàng)手術(shù)組織觸摸，設(shè)計(jì)一套三維微型力傳感器。設(shè)計(jì)新型三腳架彈性體結(jié)構(gòu)，使用應(yīng)變計(jì)來(lái)檢測(cè)三維正交力分量的大小和方向。推導(dǎo)出線性剛度矩陣和靈敏度矩陣，分別揭示傳感器承載能力和靈敏度與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)之間的關(guān)系。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化的方法保證傳感器具有足夠的剛度和較高的靈敏度。靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

4、確定傳感器樣機(jī)的測(cè)量范圍和測(cè)量精度。體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該樣機(jī)在微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境下執(zhí)行組織觸摸任務(wù)的可行性。
　　面向微創(chuàng)手術(shù)典型技術(shù)操作，設(shè)計(jì)一套六維微型力/力矩傳感器。設(shè)計(jì)具有彈性鉸鏈的Stewart平臺(tái)，能夠檢測(cè)交互作用力的全部六維力/力矩分量。提出一種考慮廣義力和靈敏度各項(xiàng)同性度的參數(shù)優(yōu)化方法并使用非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)對(duì)Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以最好地適應(yīng)給定的外部載荷。靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定傳感器樣機(jī)

5、的測(cè)量范圍和測(cè)量精度。
　　研制一套具有模塊化關(guān)節(jié)的六維力感知新型手術(shù)器械。在夾鉗機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)之間集成六維微型力/力矩傳感器，通過(guò)一套張力分解機(jī)構(gòu)減輕夾鉗鋼絲張緊力對(duì)傳感器的干擾?；趩卧P(guān)節(jié)可重構(gòu)思想，設(shè)計(jì)模塊化手腕機(jī)構(gòu)既有利于微型傳感器的安裝測(cè)量，又可為手術(shù)器械提供俯仰和偏航兩自由度運(yùn)動(dòng)，而且能夠有效地解除腕部運(yùn)動(dòng)耦合。經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲取該樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍和重復(fù)定位精度。
　　在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中對(duì)手術(shù)器械力檢測(cè)的效果