微创手术机器人控制策略

在充分分析传统微创技术约束条件的基础上,对主从式微创手术机器人系统的控制策略进行了研究.结合微创手术机器人的运动特点及手术操作需求,建立了运动一致性控制、相对式运动控制及比例控制等控制策略,解决了手术过程中眼手运动不协调、运动比例变化及干涉等问题.基于"MicroHand A"系统,通过实验手段对所建立的控制策略进行了验证.结果表明,所建立的控制策略能够解决传统微创技术在操作上存在的问题,并可使复杂的手术操作变得简单,验证了所建立的控制策略的准确性和有效性.

基于多体理论的虚拟血管缝合分析

针对传统主从式医疗机器人在客观条件限制的情况下很难实现主从手之间的实时力反馈的问题,提出了通过虚拟现实技术实现虚拟力反馈以替代真实力反馈的方法．以“妙手”系统为研究对象,在建立显微外科手术血管缝合过程中缝合线力学模型的基础上,根据多体系统动力学理论,对由人、互感装置和虚拟环境组成的广义多体系统进行了动力学分析,由凯恩方程建立了该系统的动力学方程．通过主手的仿真数据与从手缝合过程检测数据对比分析可知,主手和从手有相同的运动特性．证明借助虚拟环境的力反馈作用,操作者通过主手可以真实地感受到从手的运动特性．

“妙手”系统机械结构设计与优化

为了辅助医生更好地完成显微外科手术,开发了一种主从异构的显微外科手术机器人系统———“妙手”系统.“妙手”系统的主手为商业化的Phantom Desktop主手,从手为针对显微外科血管缝合而设计的“妙手”从手.从手包括位置机构和姿态机构.位置机构通过丝传动实现双四连杆机构的运动特性;姿态机构采用三轴交汇于一点的设计思想.通过分析双四连杆机构的运动特性,根据Angeles运动灵活度指标对双四连杆机构进行了优化.结果表明:当双四连杆机构前三级杆等长且I级杆与III级杆垂直时,机构运动灵活度取最大值.

基于工作空间的主从式机器人比例系数分析

传统的主从同构式医疗机器人系统不能同时满足对主手操作舒适性和从手专用性的要求。主从异构式医疗机器人系统可以根据主手操作舒适性和从手专用性分别设计主手和从手,满足了对主手和从手的不同要求。主从比例系数是主从异构式机器人系统的一个重要参数。以“妙手”系统为研究对象,在确保主手和从手均满足显微血管缝合手术工作空间要求的基础上,通过对主手协同工作空间和从手协同工作空间分析,确定了主手与从手的比例系数。该系数保证系统能够顺利完成手术动作。

辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”

本文以自主开发的面向腹腔微创手术的"MicroHand A"(妙手A)机器人系统为对象,研究包含主操作端和从操作端两大部分的主从式微创手术机器人各功能子系统的组成,并重点分析基于双路平面正交偏振影像分光法的立体视觉实现原理、实时主从运动控制的实现流程和手术仿真系统。多例大型动物实验的顺利完成验证了该系统的完整性及功能的有效性。

基于EM-GRA方法的机器人辅助手术操作技能评价

机器人辅助微创外科手术技术将传统微创外科手术的床旁操作方式转化为基于人机系统的遥操作方式,为外科医生带来了新的挑战.作为该系统中最重要的控制环节,医生的操作技能水平将直接决定整个机器人系统的运动性能,并对手术质量与疗效起到决定性的作用.目前,机器人操作技术的培训与评估主要依靠专家的主观判断,因此,如何从医生进行机器人操作所表现出来的运动特征中有效识别出其技能水平,为医务人员在机器人辅助微创外科手术培训及操作技能评价方面提供公正、客观的理论指导,对研究和改进机器人系统控制方法、帮助医务人员提高手术操作技能、确保手术操作的规范性和安全性方面具有十分重要的作用.本文使用了一种基于EM-GRA方法的机器人辅助微创外科手术操作技能评价方法,以“MicroHand S”机器人系统作为应用平台,简要地阐述了人机操作下的控制策略,并在此基础上构建了机器人操作技能评价模型,采集不同实验人员进行设定实验任务时机器人末端执行器输出的运动特征参数进行分析处理.通过与专家打分结果的相关性分析验证了指标的有效性,使用熵值法(entropy method,EM)确定各评价指标的权重,然后结合灰色关联分析(gray relation analysis,GRA)计算医生的最终得分与薄弱指标增长空间.最终实验结果表明,该评价模型指标与专家打分具有相关性,可有效识别出不同操作人员的水平差异和薄弱点,从而验证了该评价方法的可行性.

应用于机器人辅助微创外科手术的术前规划方法

机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术可帮助外科医生有效克服传统微创外科技术的不足,提高外科医生对手术的执行能力,其所带来的良好的临床效果已被广泛接受.对于机器人来说,术前规划工作相对于传统微创外科手术更为复杂,合理的术前规划可以有效避免机器人末端执行器之间的相互干涉,提高机器人辅助微创外科手术的可操作性、可达性和可视性等,这对手术效果至关重要.本文将微创外科手术规划临床经验与机器人操作性能知识相结合,提出了一种基于多目标粒子群优化算法(MOPSO)的术前规划方法,从机器人有效工作空间、碰撞干涉检测、机械臂与器械末端运动灵活性及手眼协调性几个方面入手,对机器人进行综合性的定量评价,并以此为依据通过计算求解得出以合理的患者体表手术切口位置与机器人初始设置位置为主要目标的方案.为验证该方法的有效性,以机器人辅助腹腔镜胆囊切除术为实验范例,应用"MicroHand S"手术机器人系统为实验设备,针对同一名病患,将外科医生的经验方案和由算法计算得出的术前规划方案进行比较分析,其结果证明了该方法的优越性.实验结果表明,由优化算法得到的术前规划方法优势明显,有效地解决了以往仅依靠临床经验进行机器人辅助微创外科手术术前规划所带来的问题,提高了手术的安全性和效率.