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机器人 2013年第4期35卷 402-409页

作者：马如奇王伟东董为杜志江哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080

为满足微创手术对微器械结构尺寸、运动灵活性以及工作空间等方面的要求,设计了一种由钢丝驱动的模块化关节.通过对该关节运动特性及拓扑方式的研究,提出了一种采用模块关节配置器械腕部自由度的微器械设计方法.为验证该设计方法的可行... 详细信息

为满足微创手术对微器械结构尺寸、运动灵活性以及工作空间等方面的要求,设计了一种由钢丝驱动的模块化关节.通过对该关节运动特性及拓扑方式的研究,提出了一种采用模块关节配置器械腕部自由度的微器械设计方法.为验证该设计方法的可行性,研制了腕部包含4个单元关节的微创手术分离钳,并建立了统一的手术微器械运动学模型.测试实验证明,该分离钳腕部具有很好的灵活性,能够满足微创手术操作对器械运动范围及空间灵活性的要求.

关键词：微创外科手术手术微器械机构设计钢丝驱动

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手术微器械运动学和夹持力检测研究

手术微器械运动学和夹持力检测研究

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作者：曾浩华中科技大学

学位级别：硕士

微创外科手术相对于传统开放式手术能够体现出明显的优势,具有创口较小、疼痛感轻、能够快速恢复的特点,应用日益广泛。但其本身仍然存在一些不足,例如使用的微型腔镜透光性低、亮度不够,导致医生在手术过程中观察和操作受限,腔镜反馈... 详细信息

微创外科手术相对于传统开放式手术能够体现出明显的优势,具有创口较小、疼痛感轻、能够快速恢复的特点,应用日益广泛。但其本身仍然存在一些不足,例如使用的微型腔镜透光性低、亮度不够,导致医生在手术过程中观察和操作受限,腔镜反馈的二维图像也难以提供深度上的感知。将机器人技术应用到微创外科手术中有望解决这些问题,机器人能够为医生提供更好的运动自由度以及先进的三维影像,同时也能够减少人手的震颤,提高了手术的安全性和稳定性。现如今,机器人辅助手术系统中微器械与病人病灶直接接触完成手术任务,这对其运动精度和感知能力提出了较高的要求。因此,本文重点针对手术微器械运动学、夹持动作辨别以及夹持力估计的关键技术展开研究,具体的工作内容如下:1、手术微器械运动控制系统搭建。通过搭建执行模块、固定连接模块以及驱动控制模块,完成系统硬件平台构建。基于机器人操作系统ROS架构实现控制模块,完成系统软件平台集成。采用梯形速度规划算法设计电机的运动轨迹,并采用最小二乘法辨识电机的惯性阻尼参数,在此基础上采用双闭环PID算法实现电机的位置控制。运动控制系统的搭建是后续研究工作的基石。2、手术微器械运动学研究。分析微器械的内部传动模型,得出俯仰和偏摆关节之间的耦合关系。对于微器械正运动学,提出了一种末端姿态的计算方法,并基于BP神经网络算法通过数据驱动的方式来建立模型。由于模型的解析表达式过于复杂,采用自动微分算法求解分析雅可比矩阵,并基于雅可比矩阵建立微器械的逆运动学模型。所提出的方法在实际手术微器械平台上开展实验,结果证明正逆运动学建模精度误差在0.1rad以内。3、手术微器械夹持动作辨别研究。分析微器械夹持物体过程中驱动电机的位置、速度、电流以及末端夹钳接触力的变化特征,基于LSTM神经网络进行夹持动作辨别,由隐藏层神经元捕捉夹持数据的长时间依赖关系,在此基础上采用softmax算子完成分类任务。通过实验验证所提出的方法,主要囊括数据集的采集、预处理以及模型训练,结果表明该方法具有较高的夹持动作辨别准确率,对于夹持不同软硬程度的物体,分类准确率均在90%以上。4、手术微器械末端夹持力估计研究。分析微器械的动力学模型并在第四章的基础上提出了一种末端夹持力估计策略,对于微器械与物体的接触过程,采用高斯过程对数据信息进行回归分析从而建立力估计模型。所提出的策略与前馈神经网络算法在实际手术微器械平台上开展对比实验,结果证明对于夹持不同软硬程度的物体,该策略均具有较好的力估计性能,并且相比于前馈神经网络,最大估计误差减小了10%以上。

关键词：手术微器械平台搭建运动学建模夹持动作辨别夹持力估计

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基于柔索驱动的手术微器械设计与仿真分析

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医疗卫生装备 2023年第12期44卷 20-24页

作者：高炜帆胡明沈晓强袁凯杨景浙江理工大学机械工程学院杭州310018

目的:为了解决传统手术微器械自身影响微创外科手术精准操作的问题,设计一种基于柔索驱动的手术微器械并进行仿真分析。方法:首先,基于弹性元件和柔索驱动对手术微器械进行构型设计,并对柔索的布局进行设计,优化柔索传动方式。其次,基于... 详细信息

目的:为了解决传统手术微器械自身影响微创外科手术精准操作的问题,设计一种基于柔索驱动的手术微器械并进行仿真分析。方法:首先,基于弹性元件和柔索驱动对手术微器械进行构型设计,并对柔索的布局进行设计,优化柔索传动方式。其次,基于D-H法构建手术微器械的正逆运动学模型,利用MATLAB进行模型验证,并对手术微器械的工作空间和奇异形位进行分析。最后,结合软组织力学响应对手术微器械进行多工况的动力学仿真分析,并对器械-组织交互力对关节驱动力矩的影响敏感性进行分析。结果:经分析,构建的正逆运动学模型正确,工作空间和奇异形位满足手术需求,而且关节驱动力矩对器械-组织交互力是敏感的。结论:设计的手术微器械保证了柔索张紧状态,可满足实际微创手术精准操作的需要。

关键词：柔索驱动手术微器械运动学模型仿真分析

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