单孔手术机器人的系统设计与控制方法研究

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题名	单孔手术机器人的系统设计与控制方法研究
作者	周圆圆
答辩日期	2019-11-28
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	王志东 ; 刘浩
关键词	单孔手术连续体机器人常曲率建模结构优化机器人主从控制
学位名称	博士
其他题名	System Design and Control Method Research of Single Port Laparoscopy Robot
学位专业	机械电子工程
英文摘要	单孔手术由单一创口向腹腔置入多个器械开展手术，相比传统的多孔腔镜手术具有更加微创、恢复快、以及手术美容等诸多优点。但依赖于传统硬性腔镜器械的单孔腔镜手术存在“直线视野、操作三角丧失、器械干涉”等诸多难题。在多孔腹腔镜手术领域，达芬奇手术机器人已经取得了巨大的成功，单孔腔镜手术也必然朝着机器人化操作的方向迈进。与达芬奇手术机器人相比，单孔手术机器人具有操作灵巧度高、集成度高、可适应狭窄腔道等诸多优点，具有良好的临床应用前景和竞争力。本文是在国家重点研发计划、国家自然基金以及中国科学院等相关项目的资助下，进行单孔手术机器人的系统设计与精准控制方法研究。从系统总体设计、连续体手术臂构型创成、力学建模与运动控制等多个方面开展了深入研究，最终搭建起了单孔手术机器的样机，并进行相关实验验证与任务操作，验证所提出的设计与方法的可行性。进行了单孔手术机器人的本体结构设计。设计了三种连续体机器人的骨架结构：第一种是镍钛切槽弹性铰链骨架结构，可以实现骨架大变形的同时保证整体的连续变形，较好的平衡了机器人的末端负载能力与灵巧性。第二种是关节型连续体骨架，可以在较短尺寸下具有较好的灵活性。第三种是十字交叉盘式骨架，具有较好弯曲性能与轴向抗压缩能力，比较适用于类似镍钛丝等驱动与骨架复合型连续体机器人中。最后进行了外部悬挂机械臂的构型设计，设计了模块化手术臂，并进行了集成驱动机构设计，实现手术器械术中可更换，最终搭建起了单孔手术机器人的样机。对连续体机器人的力学驱动进行了建模研究。首先针对连续体机器人中常用的腱鞘驱动力学传递特性进行了分析，在经典的腱鞘驱动力学模型的基础上，对驱动过程中的驱动速度以及腱鞘直径比对力学传递的影响进行了研究，并对模型进行了修正，提出了一种考虑腱鞘直径比的力学传递模型，最终进行了相关的实验验证。随后对关节型连续体骨架进行力学驱动建模，在考虑摩擦内力的条件下对每个关节建立力与力矩平衡方程，求解弯曲的关节角度。该模型可以模拟弯曲和恢复过程中滞回现象，提高了建模精度，同时具有较好的计算效率。最后对镍钛切槽弹性铰链连续体骨架基于Cosserat梁理论进行了建模，通过求解连续体中柔性梁的静力学、运动学以及本构模型三组常微分方程组，可以求解出柔性梁的弯曲变形，并获得整个连续体的形状。通过实验验证了模型在三维空间中末端位置与指向具有较好的精度。并基于梁模型对切槽参数进行了优化设计，使得连续体结构在弯曲过程中能够尽量接近圆弧，可以提高控制精度。设计了一种两段型连续体机器人，具有7个自由度，以两段镍钛切槽连续体骨架串联组成。采用常曲率模型建立了机器人的正运动学，基于逆雅可比的控制方法建立机器人的逆运动学学控制。基于运动学模型，以连续体机器人的操作灵活性为目标，以关节形变能力为约束，提出了一种优化设计连续体机构形变段几何参数的方法。最后进行了相关实验，测试机器人的控制精度。提出了一种联动型的连续体机器人构型方案，可以实现多段连续体间的驱动解耦和末端位置与姿态控制解耦，并且在驱动与骨架复合型连续体机器人中可以实现由远及近的刚度加强，能够提高末端负载能力。基于该构型采用十字交叉盘式骨架，以镍钛丝作为驱动腱，设计实现了一款联动型连续体机器人。基于常曲率模型建立了机器人的正运动学，并且基于机器人的末端位置与姿态解耦特性，求解了其解析逆运动学。最后进行了相关实验，验证了联动构型的多段驱动解耦能力以及基于解析逆运动学的控制精度。进行单孔手术机器人的系统集成与实验。搭建了单孔手术机器人的软硬件平台，并基于7自由度主手设计绝对式与增量式两种主从映射的控制方法。进行了主从操作的控制精度实验，对连续体机器人的重复定位精度与末端指向精度进行了测试，对机器人的负载能力进行了测试。最后进行了套圈、缝合、打结等典型腹腔手术训练操作任务，充分验证了本文所研究的方法和结构的可行性。综上所述，本文主要是进行了单孔手术机器人的系统结构设计与控制方法研究。包括连续体机器人的构型设计、力学建模与运动学建模控制，最终形成了一套单孔手术机器人系统，并进行了相关的实验验证本文所设计的结构与提出的方法的可行性。本文的研究工作对单孔手术机器人的理论研究与工程化实现具有重要的参考意义，在单孔手术机器人面向临床应用的道路上又向前推进了一步。
语种	中文
产权排序	1
页码	123页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/25946]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	周圆圆. 单孔手术机器人的系统设计与控制方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2019.