腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究.pdf

天津大学
硕士学位论文
腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究
姓名:周文亮
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:王树新
20090601
摘要腹腔镜微创外科手术机器人是医疗机器人的一个重要研究领域,用机器人技术结合医生的经验,不仅提高了手术质量和安全性,减轻了病人的痛苦,缩短了术后恢复时间,而且使微创手术技术应用于更精密的手术领域,扩展了微创技术的应用范围。本文以腹腔镜微创外科手术机器人的主操作手为研究对象,针对机器人主从操作手“异构”的特点以及腹腔镜微创手术要求,研究了主手的构型,并设计实验进行精度标定。本文工作主要包括以下内容:首先,在保证主手工作空间的前提下,对主手的构型和尺寸参数进行了综合分析。主手前三个关节采用问剑涞诙偷谌亟诟顺ざ扔】赡芟嗟龋后三个关节均为回转关节,其旋转中心汇交于一点。根据确定的构型和尺度,结合主手自重平衡的要求,对主手进行了总体结构设计。其次,设计实验对主手进行精度标定。最后,设计了机器人主一从操作手运动控制实验,对机器人系统的主从映射的操作模式作了验证。关键词:微创外科手术;主操作手;主从操作;构型尺度;精度标定
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调魄学位论文作者签名:痉Ω签字日期:伽阥月午日汇日独创性声明学位论文版权使用授权书发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得基鲞盘堂或其他教育机构的学本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。年‘月年日特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检的研究成果,除了文中特别加以标注和致访ν猓畚闹胁话渌艘丫本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签字日期:索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。C艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌ㄋ得学位论文作者签名:导师签名:冢
引言第一章绪论课题研究背景和意义主从式医疗手术机器人概述伴随着当今生活节奏的加快,人们的健康问题逐渐成为公众关注的焦点问题;同时随着社会进步和人们生活水平的提高,人们对医疗手段也提出了更高的要求,除了关注治疗效果外,还对康复速度提出了要求。传统的手术由于需要大创口来暴露手术视野,手术操作给患者带来巨大的痛苦,同时导致术后康复速度很慢,已不能满足人们的需要。为了提高医疗诊断的准确性和治疗的质量,人们尝试将传统医疗器械与信息、微电子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机结合,医疗机器人为此应运而生,现己成为当今世界发展速度最快的高科技产业之一。医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械工程学、材料学、计算机科学、机器人技术等诸多学科为一体的新型交叉研究领域,已经成为国际机器人领域的一个研究热点口】,因此,许多国家的政府和学术界都给予了极大关注,并投入了大量的人力和财力,进行医疗机器人的研究与开发陷D壳埃搅苹魅说难芯主要集中在外科手术机器人、康复机器人、服务机器人和微型机器人等几个方面。本文主要针对外科手术机器人中的主从式机器人进行分析和论述。主从式机器人应用于手术方面主要开始于上世纪的年代。短短年间,主从式手术机器人得到了迅猛的发展。主从式手术机器人一般包括两个子系统:主操作系统和从操作系统。主操作系统包括一个/对主手和监视器。医生可以由监视器观察到摄像头拍摄到的手术情况,并根据需要操作主手。从操作系统由几个机器人手臂构成,用于定位和实际手术。手术过程中,医生操作主手,向远端从手发送指令,控制从手运动,完成手术Ⅲ。同时,从手将所需信息反馈给主手。系统构成如图荆.
。除腹腔手术外,⑴偕耸术绫牟所示。著名的超远程胆囊摘除手术“林白手术”就是通过系统完成的⋯。然而,尽管机器人系统安全性高,术前机器人安装准备时间少,,灵活性相对较低,成为制约其继续发展的关键因素”A硗猓孟低巢痪弑噶π畔⒎蠢」δ堋由美国公司开发的质趸魅讼低匙隳壳拔J多的商品化机器人之一,通过美国现ぁ挥V鞔邮绞质趸魅搜芯的一个里程碑,如图卜尽低晨梢晕R缴峁┩?谑质跻谎直觉控制、运动范暖和组织处理能力,同时该系统具有自动纠错功能,可以克服低郴鼓够进行心脏外科、秘尿外科和耳鼻喉外科等多种领域的微创手术。该系统还具有第一章绪论阁卜鞔邮绞质趸魅外科手术机器人系统图卜
罔《《毫贰粝低提供详细的三维图像信息,叉可以为医生提供能展示手术场景全貌的二维图像信低炒嬖诨古哟蟆⒓鄹癜汗蟆⑷狈αΩ芯醯任侍猓邮种及处理费用约需美元。其最主要的优势是手术过程