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单孔腹腔镜手术相比于传统多孔腹腔镜手术,对病人创伤更小,术后并发症发病率更低,恢复更迅速,能够达到更好的手术效果,因而也更具有研究价值,因此在近十年之间引起了学术界的广泛关注。单孔腹腔镜手术机器人系统的出现为外科医生提供了一种直观的单孔腹腔镜手术操作模式,降低了医生在单孔腹腔镜手术过程中使用人工器械执行手术任务的难度。 本硕士论文基于一项单孔腹腔镜手术机器人系统的开发项目。所述的手术机器人系统能在收拢状态下形成一个直径为12mm的圆柱体状腹腔镜,通过12mm内径的鞘套从病人腹部切口进入腹腔,然后外展立体视觉系统提供视觉引导,并伸出双支基于柔性连续体机构的手术机械臂以进行手术操作。 在简要介绍了该单孔腹腔镜手术机器人系统的整体设计后,本论文突出介绍了本手术机器人系统所使用的柔性机械臂及其驱动实现方法,着重描述了其基于双连续体机构的结构特性。在对该手术机械臂进行的运动学建模中,包括了定义运动坐标系、推导单节连续体机构的运动学和推导整支机械臂的运动学模型。不仅如此,本论文还比较了采用不同构型的连续体机械臂的运动学和刚度特性,为将来不同设计场合下使用不同机械臂结构提供了设计参考。 本论文还介绍了本手术机器人控制系统的设计和遥操作的实现。搭载基于xPC Target实时控制系统的工控机,配合模拟量输出板卡和计数板卡,实现了对整个机器人系统18个伺服电机的实时闭环控制。手术机械臂可以通过两种轨迹规划方式,完成在关节空间或者任务空间的受控运动。 本研究后续进行了立体视觉模块的校准,实现了成像测试。还阐述了通过驱动补偿实验,提高手术机械臂操作精度的方法。最后,本研究还对所开发的单孔腹腔镜手术机器人系统进行了功能性实验验证,通过组织穿针、缝线打结、剥葡萄皮以及组织切割等方面的实验,展示了该手术机器人系统的完整功能。