基于柔顺控制的智能神经导航手术机器人系统设计

机器人辅助微创手术,因其低侵袭性而变得越来越普遍。然而,因定向障碍和缺乏导航信息限制了其在经自然腔道手术的进一步应用。自然腔道解剖结构复杂,机器人末端的手术器械易损伤周围血管和神经。本研究设计了一种智能控制导航手术机器人系统,使用可靠和安全的定位技术、7自由度机械臂以及避免关节角度限制的逆运动学控制策略,以实现高灵活度的机械臂控制。基于患者术前影像进行手术导航与手术规划,并通过阻抗柔顺控制将患者与手术器械的接触力限制在一定范围内,实现保护患者的正常组织。为了提高手术精度并缓解医生的手术强度,智能语音控制实现术中手术器械位置和姿态的微小调整。基于体模和尸头实验进行系统的有效性验证。结果显示,本系统的定位误差小于1 mm,轨迹追踪角度误差小于2.5°,术中导航可进行实时手术靶点与器械跟踪,阻抗柔顺控制可将手术器械与患者之间的接触力降低在1.2 N以下,基于语音识别的精细调控可以满足术中对手术器械运动控制的要求。本研究的结果初步表明,所设计的手术机器人系统在机器人辅助微创手术中具有潜在的应用前景。