腰椎神经微创机器人柔性进针控制技术设计

目的针对周围神经微创医疗机器人存在的手术前端毫米级柔性精准微创的关键问题,重点针对腰椎神经区位微创技术要求,突破毫米级柔性精准微创机器人的控制技术,实现高精度的毫米亚毫米尺度微创手术。采用一种协作机器人+毫米级线控机器人耦合的柔性变路径进针控制技术,主要包括柔性变路径进针机器人控制系统、多自由度微创医疗协作机器人与柔性变路径进针机器人耦合联动的关键控制技术,通过上位机发布指令至协作机器人和线控机器人的驱动电机,激发精准脉冲控制,实现了柔性进针的精准控制,实验验证了微创医疗机器人系统的多位姿适应性微创的灵活稳定精准控制。

基于复合传动的微创机器人手术器械设计与研究

随着微创机器人的广泛应用,其配备的手术器械也成了研究热点。丝传动因有远程交错传动、小型化和传动平稳的特点常用于微创手术器械的研制中,但有变传动比和摩擦损失的问题。因此,基于复合传动理论引入能传递交错轴运动且有定传动比和传动平顺等特点的面齿轮,将丝传动与齿轮传动进行组合配置,进行微创机器人手术器械的研制。通过结构设计、运动学和工作空间分析以及样机的运动实验,验证了器械复合传动的合理性。

微创机器人手术器械研究进展

由于外科手术向精准、微创的方向发展,微创机器人技术的发展也不断完善,在手术中的应用也有所增加。在微创手术中,微创机器人上的手术器械是直接进行手术动作的部分,其性能的好坏直接影响到手术效果的优劣。为得到更好的器械环境,研究人员设计了各种新型器械。为梳理当前国内外不断动态发展的研究成果,利用调查对比分析的方法,从设计研究的角度对关节铰接式、连续体式、单孔集成式微创机器人手术器械和力检测技术进行介绍并展望它们的发展趋势。这些技术的研究改善了微创手术的工具条件,提高了手术效果,有极大的发展和应用前景。

具有震颤抑制的微创机器人主从控制系统设计

详述了一种用于抑制微创手术机器人震颤现象的主从控制系统,提出了针对人手生理震颤的新型零相位滤波方法及针对从操作臂关节"粘滑行为"的前馈补偿PD伺服算法。新型零相位滤波避免了传统低通滤波器容易造成延时和传统零相位滤波无法在线使用的缺点,前馈补偿PD伺服算法通过摩擦补偿克服了非线性摩擦对从操作臂运动造成的影响。最后,对系统进行仿真及实验,结果表明该方法能有效地抑制机器人手术工具末端的震颤现象。

腰椎神经微创机器人柔性进针控制技术设计研究

腰间盘突出、腰椎神经黏连问题多发生于我国老年人群体中。由于神经微创机器人具有手术创伤性小、微创精准性高的特点,且能在小空间内完成任何复杂手术,因此,临床骨科急需这一技术针对难以通过药物进行治疗的腰椎疾病开展手术。基于我国临床医疗现状,本文简要讲解神经微创机器人关键技术,其中包括神经微创临床技术、微创协作机器人技术以及柔性微创机器人技术,在此基础上,深入探究针对腰椎神经微创机器人柔性进针控制技术的设计。

基于动量观测器的微创手术机器人外力安全研究

为了解决机器人辅助微创手术中现有力检测和力反馈技术在实际应用中存在的安装受限、系统不稳定等问题,提出了一种基于动量观测器的微创手术机器人外力安全保障策略。基于动力学模型构建了二阶广义动量观测器,用于观测从手末端执行器上的外力信息。为提高外力观测精度,采用改进的Stri⁃beck摩擦模型并辨识了关节摩擦力矩参数。设计了外力安全保障策略,用于阻止从手末端执行器施加过大的外力。实验结果表明:所提出的外力安全保障策略能够控制从手末端执行器在设定的外力安全阈值内运动,进一步提高了机器人辅助微创手术的安全性。

变构型微创手术机器人系统设计与实现

高性能微创手术机器人有利于实施复杂危难手术,推动微创外科实现高质量发展.在深入分析现有手术机器人特点和临床需求的基础上,提出了一种变构型微创手术机器人系统.基于刚柔混合结构设计了构型可变的手术操作臂,通过构型变换可实现工作空间的变换,从而提高操作臂的灵活性.手术操作臂采用丝传动结构,针对变曲率丝鞘传动下的张力和弹性伸长量等问题进行了分析,确定了开合关节的丝鞘传动特性.基于刚体和柔性关节运动学,分析了手术操作臂在不同构型下的工作空间,通过调整伸缩关节移动量,实现操作臂工作空间可变功能.此外,设计了与操作臂适配的主手操作臂,该主手配置有两个主从调节关节,以保证主手与从手腕点姿态的一致性.随后,解析了主手与从手关节量之间的映射关系,并建立了基于位姿分离的主从运动映射算法,从而确保了操作舒适性与精准性.最后,研制了物理样机,进行了大工作空间下的刚性测试实验、运动性能、主从运动性能与缝合操作性能评价实验,全面验证了所提出的手术机器人系统的可行性.

微创介入手术机器人推进机构驱动阻力的自适应控制研究

由于机器人推进机构驱动中导管、导丝、支架结构对应坐标系统的多维性,导致操作臂关节间产生驱动阻力,增加导丝平移和递送精度误差,为此文章提出微创介入手术机器人推进机构驱动阻力自适应控制方法。将目标点的球面坐标转换为定子三相绕组坐标系,提高目标位置信息精确度。根据机器人推进机构驱动坐标的转换结果,补偿推进机构驱动的重力矩、惯性力矩和摩擦力矩。将补偿力矩作为控制目标,通过连续波脉冲器输出个体适应度搭建系统状态观测器,完成微创介入手术机器人推进机构等效阻力矩模型构建,实现微创介入手术机器人推进机构驱动阻力自适应控制。测试结果表明,文章方法导丝总平移误差为0.80 mm;关节正转和反转平稳;递送精度平均误差为0.20 mm。由此证明,文章方法能够提高微创介入手术机器人的反向驱动效果,并具有较好的稳定性。

机器人辅助与视频辅助微创食管癌根治术的系统回顾和荟萃分析

目的探讨机器人辅助(RAMIE)与视频辅助微创食管癌根治术(VAMIE)的安全性及近期效果。方法从建库到2022年2月1日,对PubMed、Cochrane、Embase、万方和中国知网(CNKI)这5个大型数据库进行了系统检索。检索到的文献由2位独立的研究者根据纳入、排除标准进行筛选整理后,共筛选出13篇合格文献,这项荟萃分析纳入了随机对照试验(RCTs)和回顾性队列研究(RCSs),通过观察术后吻合口瘘、术后乳糜漏、术后肺炎、术后30 d死亡人数,比较了RAMIE和VAMIE的短期临床结果,采用Review Manager 5.4软件进行统计分析。结果经过筛选,最后有13篇文章,共计4631例患者被纳入,包括RAMIE组2321例患者和VAMIE组2310例患者。RAMIE组的术后30 d死亡率低于VAMIE组(OR=0.69,95%CI:0.50~0.96,P=0.03)。与VAMIE组相比,RAMIE组的术后肺炎发病率显著降低(OR=0.72,95%CI:0.55~0.95,P=0.02)。结论RAMIE组与VAMIE组的短期术后效果相似,但在术后肺炎发生率及术后30 d死亡率方面体现出优势。

腹腔微创机器人远心定位机构优化设计

提出一种新型的三角形远心定位机构用于腹腔微创手术,该机构简单,刚度高.为得到综合性能较优的三角形远心定位机构,提出了一种新型的多目标优化模型,该模型中包含4个优化目标函数:全局运动学性能指标、机构紧凑性指标、全局刚度综合性能指标和全局动力学性能指标;3个约束条件:工作空间约束、机构参数约束和质量约束;2个设计变量:2个关节之间夹角.应用非支配遗传算法求解多目标优化问题.根据优化结果建立了三角形远心定位机构实物模型.实验验证了该三角形远心定位机构的有效性.

神经微创医疗机器人关键技术发展综述

随着人们生活水平的不断提高,国内不良饮食习惯和身体素质的亚健康状态日益严峻,特别是常见的周围神经病与日俱增,例如面瘫、坐骨神经痛、神经炎、急性感染性多发性神经根神经炎、臂丛神经损伤、尺神经损伤、桡神经损伤、正中神经损伤、胫神经损伤、腓总神经损伤、股外侧皮神经炎、肋间神经痛等,这些疾病发病人群庞大,极大地危害了广大人民群众的正常生活。

腹腔微创手术机器人远程控制平台开发及实验

机器人辅助远程手术是将微创手术机器人技术应用于远程诊疗,有助于解决我国医疗资源分布不均的现状.基于腹腔微创手术机器人技术及远程控制需求,搭建了远程控制平台.利用最新H.264视频编解码技术及高效视频压缩/解压缩设备解决图像传输延时问题,并采用TCP/IP传输协议与上位机校验机制相结合的方法,保证远程控制数据的准确性与可靠性.结合现有MicroHand微创手术机器人与已开发远程控制平台在北京和天津之间建成机器人辅助远程微创手术示范环境.在远程手术机器人系统集成基础上开展两地之间多个时段网络环境测试及远程套环实验.经测试,两地之间控制信号单向平均网络延时最大为12.3,ms,系统双向总延时最大为302.6,ms,数据包丢失比率最大为4.10%.套环实验表明,所开发远程控制平台具有较好的主从控制性能以及远程可操作性,可进一步开展远程手术系统开发.

用于微创外科手术机器人的多维力传感器解耦方法研究

在微创外科手术机器人系统中,力反馈功能的实现可以提高外科医生在手术中的灵活性,降低患者组织和器官损伤的风险。为实现手术过程中力的检测,设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的微创外科手术机器人多维力传感器并研究其解耦方法。该多维力传感器由3条间隔120°的光纤布拉格光栅沿轴向粘贴于手术工具杆末端构成。首先在对传感器应力分析的基础上使用最小二乘法解耦,但由于装配等因素使传感器输入输出之间增加了非线性成分,因此使用前馈神经网络对多维力传感器进行非线性解耦。其次从理论和实验两方面分析了穿刺器的平移对解耦之后的力的影响。实验结果表明,前馈神经网络解耦多维力传感器的效果较好,3个相互垂直方向上的平均误差分别为0.05, 0.07和0.18 N;穿刺器平移后力检测的最大平均误差为0.036 N,可以忽略不计。设计的传感器、解耦方法以及对穿刺器平移影响的分析均具有很强的实用性。

紧凑型微创手术机器人的设计与实现

紧凑型微创手术(MIS)机器人的开发对微创手术技术的推广具有重要意义.在深入分析造成da Vinci微创机器人体积庞大的原因的基础上,开发了一种紧凑型微创手术机器人系统.通过添加双被动关节的方式实现了机器人从操作手的紧凑设计,并提出了与该从操作手相匹配的运动支点预估算法;针对从操作手的应用需求,设计出一种具有末端自转功能的新型微创器械,该器械有助于降低机器人辅助微创手术的操作难度;结合器械的构型特点,设计了机器人主操手,并建立了微创机器人主从运动映射模型,解决了传统微创手术中存在的眼手运动不一致问题.利用所开发的系统样机进行了系列验证性实验以及动物实验,充分验证了所提出的微创手术机器人设计方案的可行性.

微创手术机器人定位系统的实用设计

针对目前微创手术机器人定位系统中,由于电磁定位技术在实际应用中出现定位误差大的问题,提出了一种六自由度电磁定位系统的实用设计。对在设计的空间范围内进行仿真,分析了激励系统中线圈在空间产生的磁场及其几何尺寸的优化,利用四元数的快速迭代特性和计算过程无奇异解的特性实现线圈姿态变换,创建了定位系统设计的操作平台,并进行计算仿真比较,结果表明,改进实用模型可行可靠,定位系统可以达到1 mm的定位精度,可有效地克服线圈的有限长效应引起的偏差大,并能够提高微创手术定位的实用性。

微创外科机器人手腕灵活性的研究

为了能够按照手术最佳姿态完成机器人路径规划,从几何角度对微创外科机器人手腕灵活性进行研究.根据微创外科机器人末端工具的结构和安装特点,运用末端工具姿态球解析法分析手腕灵活性.研究工具的预置位姿对手腕灵活性的影响,证明工具轴线与末关节轴线垂直时,二自由度手腕可以获得满足微创手术要求的灵活性.研究关节轴向偏距对手腕灵活性的影响,证明当存在Z轴方向偏距的情况下,末端工具可以实现全方位的姿态.在此基础上,提出了二自由度手腕成为灵活手腕的必要条件.依据这一条件可以简化微创外科机器人手腕结构.

CT导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究

分析了目前微创外科机器人关节锁紧机构的发展现状和存在的问题,讨论了机器人关节摩擦力矩产生的机理以及影响摩擦力矩的因素.针对当前医疗机器人锁紧结构不足之处,基于关节摩擦理论,提出并设计了三种不同形式的CT导航微创外科机器人关节锁紧结构,分别阐述了它们的工作原理和实现形式.通过对不同结构的性能对比实验,确定采用基于外摩擦环的机器人关节锁紧结构,并初步验证基于该结构的机器人系统可以满足CT导航微创外科临床手术需求.

微创手术机器人主从运动控制系统设计

为满足微创手术机器人对主从控制系统的实时性、易扩展性和通用性要求,开发了基于工业计算机和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)控制器的运动控制系统。采用集中计算、分布控制结构,工业计算机作为主站完成主从臂的正逆运动学、主从映射和基于反向传播神经网络的PID控制算法,每个FPGA控制器作为从站可以控制4个有刷直流伺服电机,实现脉宽调制输出、电位器电压采集、编码器位置采集和速度反馈、数字输入和输出等功能。工业计算机和FPGA控制器采用Ethernet POWERLINK通讯。主从轨迹跟踪实验表明此控制系统是可行的,实现了控制系统的实时性、易扩展性和通用性,具有良好的稳定性和轨迹跟踪性能。

成人继发孔型房间隔缺损机器人微创外科修补术和经导管介入封堵术的临床对比研究

目的比较机器人微创外科手术与经导管介入封堵术治疗成人继发孔型房间缺损(ASD)的术后早期及近期随访结果,评估两种微创手术的安全性和有效性。方法选取2008年1月-2014年12月在解放军总医院接受机器人心脏不停跳ASD修补术的30例成年患者作为机器人组(TEASD-R),并采取1:1配对原则,选取同期接受经导管介入封堵术的30例成年患者作为介入组(TIASD-O)。对比两组患者术后早期并发症、住院相关情况、术后近期随访结果、术后30d及6个月的生活质量。结果两组手术成功率均为100%。TEASD-R组无术后早期及近期并发症(残余分流、心包积液、外周血管栓塞及新发心律失常等),而TIASD-O组存在相应并发症,其中两组术后新发心律失常、术后早期右心房大小、三尖瓣关闭不全、肺动脉高压及住院时间等差异有统计学意义(P<0.05)。SF-36生活质量调查量表结果显示,两组术后30d躯体疼痛差异有统计学意义(P<0.05),术后6个月比较两组差异无统计学意义(P>0.05)。结论机器人微创ASD修补术后近期无三尖瓣关闭不全及肺动脉高压等并发症,安全性及有效性较好,适应证较广,但也存在手术时间及住院时间长等缺点。

微创外科机器人灵活工作空间分析

微创手术给外科机器人提出了较高的灵活性要求,但是机器人很难具有完全灵活的工作空间.首先提出象限分割的方法,即把手术工作空间分割为8个象限,确定微创外科机器人所需灵活工作空间只需要为手术工作空间的1/8.然后,给出微创外科机器人灵活工作空间与工作空间之间的解析关系,从而确定机器人的运动学参数.在此基础上,对自行设计的微创外科机器人结构进行了运动学参数优化设计.这种方法有效降低了微创外科机器人的灵活性要求,解决了机器人结构尺寸与灵活性之间的矛盾.