面向主从式微创外科手术机器人的遥操作运动控制策略研究

摘要

当前，微创外科手术机器人正逐渐成为医疗机器人研究中的一个热门研究领域。由于其特殊的机构设计及机器人技术的引入，微创手术机器人可克服传统手动微创手术的运动限制与缺陷，极大地拓展医生的能力，让医生实现对手术仪器前所未有的精准控制，进而充分发挥微创手术的优势。利用先进机器人技术结合传统微创手术方法，不仅进一步提高了手术质量和安全性，减轻了病人的痛苦，而且扩展了传统微创手术技术的应用范围，使得微创手术可应用于更加精密的手术领域。近些年来，微创外科手术机器人得到了越来越多的关注，并且随着人们对自身疾病治疗的日趋重视以及对医疗质量要求的增高，微创外科手术机器人在未来的医疗服务中必将具有更加广阔的应用前景。
　　在机器人辅助微创手术中，医生主要通过主从式遥操作(Master-slave Teleoperation)的方式实施手术，即医生只需要坐在主控制台旁，双手握住主操作手完成各种手术动作，遥操作系统将自动控制安装在从机械臂末端上的手术器械忠实完整地复现医生双手的每一个动作，辅以内窥镜实时反馈的病灶区域图像，医生就可以远程完成各种手术操作。因此，在一个微创外科手术机器人系统中，主从遥操作控制系统直接决定了整个系统的用户体验（评价）的好坏，主从遥操作控制系统的设计对于整个微创手术机器人系统的开发而言有着重要的意义。
　　本文将面向主从式微创外科手术机器人，对其遥操作控制系统设计中所涉及到的几个主要问题，包括遥操作的实时性、直观性以及安全可靠性进行探讨和研究，进而提出一套完整的主从遥操作控制系统的设计方法，并搭建相应的软硬件平台对其进行实验验证。本文的具体工作主要包含以下几个方面:
　　(1)针对一种常见的主从异构式微创外科手术机器人，对其主从操作手分别进行了运动学建模，并求得了其正逆运动学解的所有显式解析表达式，以实现实时控制。其中，针对相对复杂的从操作手（其结构不满足Pierper准则）逆运动学求解问题，考虑到微创手术器械的结构特点，本文提出了一种两步近似求解算法，只需简单计算即可得到从手逆运动学近似解的解析表达式，再结合误差补偿措施，就可轻松实现对结构上并不满足Pierper准则的任意微创手术从操作手的实时精确逆运动学在线求解及相应遥操作控制。
　　(2)在实现了对主从手的实时求解控制之后，本文进一步探讨了如何通过主操作手的运动自然直观地控制从操作手运动。首先，文章对使用各种不同的医生主操纵台（不同的操纵台布置方式）进行手术遥操作的过程进行了统一抽象建模，进而讨论了为了提高操作者使用其进行手术遥操作的直观感，达到“所动即所见”的自然操作效果，手术机器人主从手之间应满足的空间运动映射关系;本文提出基于广义手眼协调准则来设计机器人主从操作手之间的空间运动映射关系，以使得医生在遥操作过程中所观察到的从手末端手术器械的运动始终完全符合其主观感受，从而最大程度地保证遥操作的临场感。
　　(3)在基于上述研究实现了实时直观的主从遥操作控制之后，针对其实际应用中尚存在的安全性隐患（由于内窥镜反馈深度信息不足且缺乏触感反馈，医生容易无意识地过度移动从机械手，导致尖锐的手术器械与病灶周围其他一些脆弱组织器官发生擦碰，对其造成意外伤害），本文提出了一种新的、简单易用的、基于可自定义虚拟保护夹具的解决方法。利用该方法，医生可以很方便地在术前甚至在手术过程中随时根据需要定义相应的虚拟保护夹具，以此来约束机器人的运动，从而可以保护病灶区域的特定部位，防止手术误动作对其造成意外损伤，极大地提高了手术遥操作的安全可靠性。
　　(4)搭建了微创外科手术机器人虚拟仿真以及硬件实验平台，并将上述各方法封装成相应的软件模块，在实际操作任务中进行测试，以验证所提出方法的正确有效性。
　　本文所研究的手术机器人主从手运动学实时求解控制、主从手空间运动映射关系设计等内容基本涵盖了手术机器人主从遥操作控制系统设计中所涉及到的主要技术问题，而基于可自定义虚拟保护夹具的机器人空间运动约束方法则可以进一步提高使用手术机器人实施微创手术的安全性和可靠性。基于这些研究成果就可以为微创手术机器人设计一套精确实时、自然直观、安全可靠的主从遥操作控制系统。此外，文中所提出的相关方法也可以方便地直接移植应用到其他现有的微创手术机器人系统之中。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外主从式机器人辅助微创手术系统的发展及研究现状

1．2．1 国外主从式机器人辅助微创手术系统的发展及研究现状

1．2．2 国内主从式机器人辅助微创手术系统的发展及研究现状

1．3 本文主要研究内容、背景及其意义

1．4 本文拟解决关键性问题的国内外研究现状

1．4．1 拟解决关键性问题A的国内外研究现状

1．4．2 拟解决关键性问题B的国内外研究现状

1．4．3 拟解决关键性问题C的国内外研究现状

1．5 本文所采用研究方法及具体章节安排

第二章 “神刀华佗”主从式微创外科手术机器人系统介绍

2．1 引言

2．2 “神刀华佗”主从式微创外科手术机器人系统总体介绍

2．3 “神刀华佗”手术机器人主操作手介绍

2．3．1 微创手术机器人主操作手结构方案选型

2．3．2 七自由度并联式关节型力觉操作主手Omega7

2．4 “神刀华佗”手术机器人从操作手介绍

2．4．1 “神刀华佗”手术机器人从操作手的辅助定位臂结构

2．4．2 “神刀华佗”手术机器人从操作手的大臂结构

2．4．3 “神刀华佗”手术机器人从操作手的末端手腕关节结构

2．4．4 “神刀华佗”手术机器人从操作手的整体装配效果

2．5 “神刀华佗”手术机器人控制系统介绍

2．5．1 “神刀华佗”手术机器人控制系统硬件结构组成

2．5．2 “神刀华佗”手术机器人控制系统软件控制流程

2．6 本章小结

第三章 “神刀华佗”手术机器人主从手运动学建模分析及其快速求解

3．1 机器人运动学建模及求解方法选择

3．1．1 常用的机器人运动学建模方法及其对比

3．1．2 常用的机器人运动学快速求解方法

3．2 “神刀华佗”手术机器人主手运动学建模及其快速求解

3．2．1 主操作手DELTA并联机构的正运动学显式解析解求解

3．2．2 主操作手DELTA并联机构的逆运动学显式解析解求解

3．3 “神刀华佗”手术机器人从手运动学建模及其快速求解

3．3．1 从操作手的正运动学显式解析解求解

3．3．2 从操作手的逆运动学显式解析解求解

3．3．3 从操作手逆运动学两步近似求解算法精度分析及其误差补偿

3．3．4 从操作手逆运动学近似求解及其误差补偿计算的实时性检验

3．4 本章小结

第四章 基于手眼协调准则的微创手术机器人主从操作手空间运动映射关系设计

4．1 手眼协调准则

4．1．1 狭义上的手眼协调能力

4．1．2 广义上的手眼协调能力及遥操作中的手眼协调准则

4．2 基于手眼协调准则的主从操作手空间运动映射关系设计

4．2．1 使用任意方式布置的医生主操纵台进行手术遥操作过程的抽象建模

4．2．2 微创手术机器人主从操作手末端空间平移运动映射匹配

4．2．3 微创手术机器人主从操作手末端空间姿态映射匹配

4．3 主从遥操作控制策略自然直观性评估实验及其实验结果

4．3．1 基于OpenHRP3开源环境的虚拟仿真实验平台介绍

4．3．2 主从遥操作控制自然直观性评估实验设计及其实验结果

4．4 本章小结

第五章 基于可自定义虚拟夹具的微创手术机器人空间运动实时约束

5．1 一种新的交互式的虚拟夹具自定义生成方法

5．1．1 虚拟夹具技术简介及传统的虚拟夹具定义生成方法

5．1．2 新的交互式虚拟夹具自定义生成方法

5．2 从操作手末端手术器械到到多虚拟夹具之间最小距离快速求解算法

5．2．1 空间中一线段到一多面体的最小距离求解

5．2．2 基于最近点位置预测的求解算法加速处理

5．2．3 最小距离求解算法加速前后运算耗时对比

5．3 具有绕障引导功能的从操作手空间运动约束方法

5．3．1 所使用的两种虚拟辅助操作力的定义生成方法

5．3．2 主操作手虚拟辅助操作力反馈的实现

5．3．3 虚拟遥操作控制实验及其结果分析

5．4 对本章所提出方法的一些补充说明

5．5 一个具体应用实例

5．6 本章小结

第六章 “神刀华佗”样机实验结果

6．1 硬件实验平台

6．2 “神刀华佗”手术机器人从操作手快速求解控制实验

6．3 基于手眼协调准则的主从遥操作控制实验

6．3．1 实验一：O型圈拾取放置

6．3．2 实验二：套环-滑竿操作

6．3．3 实验三：缝合打结

6．3．4 实验四：剥红提皮

6．3．5 实验五：文字书写

6．4 基于可自定义虚拟夹具的遥操作辅助实验

6．5 实验总结

6．6 本章小结

第七章 全文总结与未来研究展望

7．1 全文研究总结

7．2 本文主要创新点

7．3 未来研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表的论文(第一作者)

攻读博士学位期间已发表的专利(第一发明人)

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢