多种入路甲状腺肿瘤手术机器人机电系统设计与运动控制技术研究

作     者：崔林林 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李海源

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：手术机器人 甲状腺微创手术 蛇形机械臂 丝传动 主从控制 

摘      要：近年来,随着外科手术技术的飞速发展,现代微创手术给传统手术带来了巨大的变革。微创手术作为一种被广泛使用的技术,其存在许多优势,例如减小患者创伤、缩短患者恢复时间等,但因其具有反杠杆效应、操作难度大等问题,亟需解决。将机器人技术与微创外科手术技术相结合,可以更好发挥传统微创手术的优势。本文着眼于甲状腺肿瘤切除术临床微创手术需求,设计一套经双侧乳晕入路兼顾其他多种入路方式的甲状腺微创手术机器人系统。论文具体内容包括四个方面。首先,开展了手术机器人临床术式分析,明确了甲状腺手术机器人构型设计要求。依据甲状腺肿瘤微创手术需求,开展了手术机器人总体设计、手术机械臂机构设计和驱动系统设计。其次,采用D-H参数法对手术机械臂进行运动学建模。开展了手术机械臂工作空间分析与优化。基于序列二次规划算法完成了手术机械臂逆运动学解算。为实现手术机械臂关节间的解耦,建立了单关节丝传动模型,并推导了多关节机械臂运动学解耦算法。为进一步提高手术机器人控制精度,推导了背隙补偿算法。然后,搭建了手术机器人主从控制系统,包括上位机软件和下位控制器软件,实现了手术机器人的主从异构遥操作控制。最后,集成了系统样机,开展了双侧乳晕入路仿真试验、基于虚拟现实技术的主从控制仿真试验、手术机械臂本体术中更换试验以及手术机械臂构型验证试验,证明手术机械臂设计合理,满足设计要求。进行了背隙补偿对比试验,验证了背隙补偿算法的正确性。测试了关节解耦算法和末端重复位置精度。试验表明,关节间的耦合影响被减小,且手术机械臂重复位置精度较高。最后开展甲状腺手术机器人主从运动控制研究,分别进行了主从轨迹运动试验和秋葵种子剥离试验,验证了手术机器人系统在主从控制中的运动一致性和稳定性。