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外科手术机器人缝合打结研究


A Novel Method for Knot Tying of
Suture with Surgical Robot







一级学科： 机 械 工 程
学科专业： 机械电子工程
研 究 生： 岳 龙 旺
指导教师： 王树新 教授




天津大学机械工程学院
二零零六年六月
独创性声明

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签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日
摘 要
外科手术机器人系统充分利用医生的经验以及机器人定位精确、运行稳定、
操作精度高等特性，可以使外科医生以舒适的操作环境完成精细的手术动作，极
大地拓展了医生的技能，提高手术质量与安全性，缩短治疗时间，降低医疗成本。
缝合打结是外科手术机器人不可缺少的功能。由于缝合线本身的非线性变形特
征，在运用机器人进行缝合打结时，缝合线的形状难以控制，大大延长了手术时
间。研究机器人缝合打结规律对于提高机器人精度和效率，加快机器人的临床应
用进程具有重要意义。
根据外科手术机器人设计原则和临床手术工作空间要求，设计出用于显微血
管手术的主从式机器人系统- “妙手”系统。从手采用 RCM （ Remote
Center-of-motion）的结构。姿态机构采用三轴交汇于一点的结构形式，位置机构
采用丝传动实现双四连杆机构形式。从结构上实现了姿态与位置的解耦，同时可
实现手术工具在末端点固定不动的情况下进行大范围的姿态调整。
以运动灵活度作为技术指标对从手机构进行了尺度综合，得出位置机构的杆
件长度及工作姿态：当位置机构三杆等长，且 1 杆和 3 杆互相垂直时，机构运动
灵活度指标取最大值。
根据主手和从手的运动学方程，运用蒙特卡罗法分别得出主手、从手的独立
工作空间及协同工作空间。以协同工作空间最大为优化目标，得出了最优的布置
方式，同时得出主手与从手之间的比例系数为 6:1。
根据机器人缝合打结时缝合线受力分析，建立缝合线长度计算模型，