（机械电子工程专业论文）辅助腹腔镜手术机器人建模与仿真研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i i iiii iii i ii iii ii iu l y 18 0 8 8 0 7 ao is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho na s s i s t a n t l a p a r o s c o p i cs u r g i c a l r o b o tm o d e la n di t ss i m u l a t i o n c a n d i d a t e ：l i ue r ji n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i n y u a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：纠脊竹 日期：- 功1 0 年易月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 啦授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：钏啊 日期：缈年月，珀 导师( 签字) ：多睡嗲铂 朋。年乡月步日 1 、 哈尔滨下程大学硕十学位论文 摘要 腹腔镜手术以其手术切口小、疼痛小、术后恢复快的优势，近年来得到 了迅速的发展。机器人参与腹腔镜手术是对传统开放性手术的一次重大变革， 目前该技术在西方发达国家已经较为成熟，在我国也逐渐被重视，开始研究 辅助腹腔镜手术机器人的科研单位越来越多。随着医疗技术的不断发展和人 们生活水平的不断提高，研究具有自主知识产权的腹腔镜手术机器人势在必 行。 论文在实验室第一代辅助腹腔镜手术机器人的基础上进行改进，设计一 种新型具有6 自由度的机器人，采用主被动方式。其中3 个为主动关节实现 腹腔镜的位置控制，由伺服电机驱动；3 个被动关节加光电编码器以检测其 位姿，实现腹腔镜的姿态变换。 建立机器人的运动学模型，并利用m a t l a b 软件仿真分析，以验证机 器人运动学模型的正确性，并为机器人的控制奠定基础。对机器人工作空间 进行分析，以验证辅助腹腔镜手术机器人能够达到手术空间的需要。 基于人体皮肤动态特性建立患者切口约束仿真模型，研究了被动关节弹 性阻尼系数对腹腔镜与切口间力的影响，确定被动关节的弹性阻尼系数，为 实际参数的设置提供理论依据。建立机器人控制仿真模型，对主动关节电机 控制参数进行选取。对机器人的运动轨迹进行规划并进行轨迹仿真验证，结 果表明机器人能够很好的跟踪轨迹，误差在允许范围内。 手术机器人；主被动关节；切口约束模型；控制仿真 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 a b s t r a c t _ i l a p a r o s c o p i cs u r g e r yh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e df o ri t sa d v a n t a g e so fs m a l l i n c i s i o n ，l i t t l ep a i na n dq u i c kp o s t o p e r a t i v er e c o v e r y r o b o t s i n v o l v e di n l a p a r o s c o p i cs u r g e r yi s am o m e n t o u sr e v o l u t i o n ，a n di th a sb e e nm a t u r e di n d e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dh a sd r e wm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni no u rc o u n t r yf o rt h e n u m b e ro fr e s e a r c hi n s t i t u t i o n ss t u d yi na s s i s t a n tl a p a r o s c o p i cs u r g e r yr o b o ti s ， i n c r e a s i n g a s t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm e d i c a lt e c h n o l o g ya n dt h e i m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，r e s e a c h e so nl a p a r o s c o p i cs u r g i c a l r o b o tw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g h t si si m p e r a t i v e t h i sp a p e rd e s i g n e dan e wt y p eo f6 - d o f ( d e g r e e so ff r e e d o m ) r o b o tw i t h a c t i v e - p a s s i v em o d e ，w h i c hw a sb a s e d o nt h ef l r s t g e n e r a t i o n o fa s s i s t a n t l a p a r o s c o p i cs u r g e r yr o b o ti nt h el a b o r a t o r y t h r e ea c t i v ej o i n t sw e r ed r i v e nb y s e r v om o t o r st or e a l i z et h et r a n s f o r m a t i o no fs p a t i a lp o s i t i o n so ft h er o b o t i ce n d s t h eo t h e r sw e r ep a s s i v ej o i n t s ，w o r k e dw i t ht h ep h o t o e l e c t r i ce n c o d e rt od e t e c t t h ep o s i t i o no ft h er o b o ta n da c c o m p l i s h e dt h ea t t i t u d ec h a n g eo ft h el a p a r o s c o p i c t h ek i n e m a t i c se q u a t i o nw a se s t a b l i s h e du s i n gd hm e t h o d t h er o b o t s m o t i o nw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e db ym a t l a bs o f t w a r e t h er e s u l t ss h o w e d t h ec o r r e c t n e s so fr o b o tk i n e m a t i c sm o d e l ，a n di th a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e c o n t r o lo fr o b o t s t h er o b o tw o r k s p a c ew a sa n a l y z e di no r d e rt ov e r i f yt h e s t r u c t u r eo ft h ea s s i s t a n tl a p a r o s c o p i cs u r g e r yr o b o tc o u l ds a t i s f ys u r g i c a ls p a c e n e e d s t h ei n c i s i o nc o n s t r a i n ts i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l tb a s e do nt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh u m a ns k i n ，a n dt h ei m p a c to ft h ed a m p i n gc o e f f i c i e n to f p a s s i v ej o i n t sb e t w e e nt h ee d g eo f t h ei n c i s i o na n dt h el a p a r o s c o p yw a sa n a l y z e d t h ef l e x i b i l i t yo fd a m p i n gc o e f f i c i e n to ft h e p a s s i v ej o i n t sw a sd e t e r m i n e dt o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 p r o v i dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ea c t u a lp a r a m e t e r t h ec o n t r o ls i m u l a t i o nm o d e lo f r o b o tw a se s t a b l i s h e dt oc h o o s et h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h ea c t i v ej o i n t sm o t o r t h er o b o t st r a j e c t o r yw a ss i m u l a t e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er o b o tc a nt r a c k the t r a j e c t o r ya c c u r a t e l ya n dt h ee r r o rw a sw i t h i nt h ea l l o w a b l er a n g e k e yw o r d s ：a s s i s t a n tl a p a r o s c o p i cs u r g e r yr o b o t ；a c t i v e a n dp a s s i v ej o i n t s ； t i n c i s i o nc o n s t r a i n tm o d e l ；c o n t r o ls i m u l a t i o n 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内发展概况7 1 3 本论文的主要内容1 0 第2 章机器人总体方案研究1 1 2 1 机器人机械方案研究1 1 2 1 1 机器人的设计要求1 1 2 1 2 机器人结构方案1 2 2 1 3 机器人尺寸参数”1 4 2 2 机器人控制方案确定1 4 2 2 1 驱动方案的确定1 4 2 2 2 机器人总体控制方案1 6 2 3 本章小结1 8 第3 章机器人运动学建模与仿真分析- 1 9 3 1 运动学建模”1 9 3 1 1 正运动学模型2 0 3 1 2 逆运动学模型”2 3 3 2 基于m a t l a b 运动学建模2 4 3 2 1 基于s i m u l i n k 建模与仿真分析2 4 3 2 2 基于s i m m e c h a n i c s 运动学仿真2 6 3 3 手术机器人雅可比矩阵分析2 9 3 4 手术机器人工作空间分析3 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 4 1 术前调整阶段机器人工作空间分析3 1 3 4 2 术中机器人工作空间分析3 2 3 5 本章小结3 4 第4 章基于皮肤动态特性的切口约束建模3 5 4 1 基于s i m m e c h a n i c s 的切口约束建模”3 5 4 1 1 质量转动惯量的计算3 5 4 1 2 基于s i m m e c h a n i e s 的切口约束建模3 6 4 2 基于人体皮肤特性的切口建模仿真- 3 7 4 3 被动关节阻尼参数对腹腔镜和切口之间力的影响3 9 4 4 本章小结4 2 第5 章机器人控制控制系统建模与仿真”4 3 5 1 控制系统原理”4 3 5 2 直流伺服系统建模与仿真4 5 5 2 1 直流速度伺服控制建模仿真4 8 5 2 2 直流位置伺服控制建模仿真4 9 5 3 机器人控制系统建模与仿真5 0 5 3 1 单关节速度伺服控制建模与仿真5 0 5 3 2 单关节位置伺服控制建模与仿真5 2 5 3 3 多关节协调控制建模与仿真”5 4 5 3 4 末端轨迹控制仿真分析5 6 5 4 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 7 弱c谢6 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 课题目的及意义 第1 章绪论 1 9 8 5 年p a y n e 和w i c k h a m 首次提出了微创外科( m i n i m a li n v a s i v es u r g e r y , m i s ) 的概念，目的是努力实现在诊断、治疗过程中对患者尽可能小的 损伤【1 1 。腹腔镜外科技术出现于1 9 8 7 年，它的优势在于不仅最大限度的减小 了切口，而且有效地降低了手术创伤，有利于患者术后的恢复。自问世以来 的二十几年间，该技术从普通外科扩展到多个外科领域。但在腹腔镜技术发 展过程中，有一些缺点始终难以克服：视讯系统仅能提供不够稳定的二维视 野，无法提供三维视野；视野视角偏小，内镜系统的放大效应常使手术者无 法感知器官的真实大小；最为重要的是，扶镜手与术者协调欠佳，反复调整 延长了手术时间，且扶镜手为配合主治医生不得不长时间以一种极不舒服的 姿态操作导致手部振颤的产生，严重影响到手术图像的效果【2 一”。这些缺点限 制了腹腔镜在高难度、高精度外科领域中的应用。 微创外科技术与现代信息工程技术、机器人技术相结合，导致了辅助腹 腔镜机器人的诞生，使上述问题得到了有效的解决。与传统开放性手术相比， 腹腔镜机器人具有下列优势：可消除手部振颤，使输出图像更加准确，腹腔 内操作灵活精确；传染疾病威胁小、手术人员较安全；脏器干扰小、切口小、 体壁神经和肌肉免遭切断，术后恢复快：便于多病联治，减轻手术造成的疲 劳，使一些复杂手术可望成为常规技术；机器人代替扶镜手避免了与主治医 生发生干涉，手术人员共睹同一画面，便于协作【s , 6 1 。辅助腹腔镜机器人技术 也有望成为一场新的革命，有助于实现真正的“微创化手术 。 腹腔镜手术分为气腹式和悬吊式。气腹式是向患者腹腔内注入c 0 2 或 n 2 形成气腹腔将腹壁和腹内脏器分开，从而暴露出手术操作空间如图1 1 所 示，要求穿刺孑l 密封性好，为补偿腹中气体量，手术中要持续充气，因此需 要一个充气瓶。悬吊式手术使用单钢针悬吊，去除了气腹法所必需的密封性 的操作孔，悬吊空间形状固定，悬吊的视野较大如图1 2 所示。但由于悬吊 式手术要使用钢针悬吊对患者造成多余的伤害，现在多采用气腹式进行腹腔 镜手术。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 气腹式腹腔镜手术 图1 2 悬吊式腹腔镜手术 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 9 3 年，英国a r m s t r o n gp r o j e c t s 公司研制成功e n d oa s s i s t 系统，如图 1 3 所示吲。它共具有4 个自由度，其运动由医生头部运动所控制，运动方向 的初始化可由医师的脚部踏板进行控制，这样对医生头部运动就有较严格要 求，如医生因无意识产生运动会导致机器人运动的误操作。随后，该公司又 研制出首台进行大脑手术的机器人p a t hf i n d e r i 引，如图1 4 所示。系统能准确 控制手术刀，从而使手术区域附近的组织损伤降至最低限度，p a t hf i n d e r 是 首台能分析x 光照片并在手术时据此校正方位的机器人。但其结构比较庞大， 手术中容易与医生发生干涉。 图1 3e n d oa s s i s t 机器人图1 4p a t hf i n d e r 机器人 1 9 9 4 年，美国c o m p u t e rm o t i o n 公司研制成功了a e s o p 1 0 0 0 型手术机 器人【9 1 。a e s o p 系统延承了介入手术减轻患者痛苦和损伤、康复快和花销低 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 的特点，能模仿人手臂的功能，提供比人为控制更精确、更一致的镜头运动， 为医生提供直接、稳定的手术视野，并取消了对扶镜人员手动控制内窥镜的 需要。在此基础上，c o m p u t e rm o t i o n 公司分别于1 9 9 6 年1 1 月和1 9 9 8 年1 月研制成功第一台用语音控制的a e s o p 2 0 0 0 型外科手术机器人和第一台具 有7 自由度的a e s o p 3 0 0 0 型外科手术机器人1 1 0 j ，如图1 5 所示。a e s o p 3 0 0 0 型通过医生的语音指令对机器人进行控制，使得机器人在运动性能方面得到 进一步改造，可抓住各种硬性腹腔镜器械，与人做扶镜手的传统的腹腔镜手 术相比，消除了手部疲劳产生的震颤，使图像更清晰稳定。但由于是语音控 制，会造成信号的延时，严重影响手术时间。 图1 5a e s o p - 3 0 0 0 型外科手术机器人 德国o m o t e 等人对a e s o p 进行进一步改进，设计了一种跟踪系统 ( s g r c c s ) ，使a e s o p 能自动跟踪腹腔镜器械上的彩色标记移动观察镜， 他们完成腹腔镜下胆囊切除术2 0 例，平均手术时间5 4 分钟，只为传统的腹 腔镜胆囊切除术手术时间的7 0 【1 1 1 。a e s o p 成功开创了机器人辅助手术时 代，它能可靠的代替扶镜手，技术熟练的医生使用a e s o p 即可单独完成某 些腹腔镜手术无需助手，但习惯常规腹腔镜手术方法的医生感觉难以适应。 但是使用声控a e s o p 手术需要术者不断发出指令，声控产生的延迟使图像 变动缓慢，严重影响手术时间。 1 9 9 6 年初，c o m p u t e rm o t i o n 公司利用研制a e s o p 系列机器人积累的关 键技术，开发出功能强大的z e u s 机器人外科手术系纠1 2 4 1 。z e u s 系统采 用主从遥操作技术，分为s u r g e o n s i d e 系统和p a t i e n t s i d e 系统两个子系统， 如图1 6 和图1 7 所示。s u r g e o n s i d e 系统由一对主手和监视器构成，医生可 以坐着操纵主手手柄，并通过控制台上的显示器观看由内窥镜获得的患者体 内情况。p a t i e n t s i d e 系统的每个机械臂都有6 + 1 个自由度，6 个用于姿态控 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 制，另外的一个用于位置优化。在6 个姿态控制自由度中，4 个由电机驱动， 另外两个无动力，这是第一台采用主被动驱动的腹腔镜手术机器人。z e u s 机器人于2 0 0 1 年美国f d a 认证，开始用于临床手术，著名的远程胆囊摘除 手术“林白手术 就是由它完成的【1 5 】。这个系统让外科医生突破了传统微创 手术的界限，将手术精度和水平提高到新的高度。但是，z e u s 系统末端工具 只有四个自由度，无法满足微创手术对灵活度的要求，已经不再继续生产。 图1 6z e u ss u r g e o n s i d e 系统图1 7z e u sp a t i e n t - s i d e 系统 1 9 9 9 年，美国i n t u i t i v es u 晒c a l 公司成功开发出d a v i n c i ( 达芬奇) 外科 手术机器人系统1 1 5 , 1 6 ，如图1 8 所示。并于2 0 0 1 年通过美国食物及药品管理 局( f d a ) 认证，它是目前为数不多的商品化的使用技术之一。采用主从控 制，主从对应关系如图1 9 所示。它包括一个医生控制平台、多功能手术床、 各种手术器械和图像处理设备。手术医生在控制台上通过主手操作机器人动 作，通过脚踏板来控制高质量的视觉系统。 图1 8d a v i n c i 夕b 科手术机器人系统图1 9d a v i n c i 主从对应关系 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 d a v i n c i 系统的优点是可以为医生提供和开放式手术一样的直觉控制、运 动范围和组织处理能力。如果医生在操纵控制杆时手臂发生颤抖，系统会自 动纠错，避免出现误操作。此外，机械臂还能完成一些人手无法完成的极为 精确的动作。手术切口小，从而缩短患者在手术后恢复的时间，节约手术费 用。现已用于多种微创手术，如胸外科、泌尿外科、腹腔镜、耳鼻喉外科、 妇产科、儿科等。但其结构也比较庞大，容易与医生发生干涉。 1 9 9 9 年，i b m 公司与琼斯霍普金斯大学医学院在1 9 9 5 年研制的h i s a r 机器人的基础上，研制出的l a r s 系统【1 7 l ，如图1 1 0 所示。该系统机械手安 装在位于可锁定的四轮小车上具有三维直线运动自由度的平台上。机械手末 端的机构可使机械手夹持内镜作四个相互解耦的运动：三个转动和一个直线 插入运动。该系统有两种控制方式：一种为通过专门设计的操纵杆进行遥控 操作，另一种为在医生参与下的主动视觉引导，医生通过安装于手术工具上 的微型操作杆对t v 显示器上的对象进行点取操作，系统将通过图象分析， 识别其中被选取的对象，并移动内镜，使被选取的对象位于视野中央，并能 进行跟踪和其它辅助操作等。目前该系统正处于临床试验阶段。 图1 1 0l a r s 系统 2 0 0 6 年，美国约翰霍普金斯( j o h n sh o p k i n s ) 大学研制成功一种基于支 撑喉镜下的多自由度微创手术机器人s n a k e 锄【1 8 l 。该机器人末端采用蛇形 执行器，共有3 4 个自由度，如图1 1 1 所示。采用主从控制模式，可以同时 控制三个高灵敏度、高准确性的蛇形末端执行器，实现在喉部的遥操作。其 特点是能在狭窄的喉部进行手术，切口小，尤其是缝合具有很高的灵活性和 精确性。其后又研制了一种稳定手系统，如图1 1 2 所示。为克服主治医生在 进行眼部药物注射时手部的自然抖动。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i 宣i i 眚i i i i i i i i i i 置i i i i i i i im 1i i i 宣i i i 图1 1 1 多自由度手术机器人 图1 1 2 稳定手系统 2 0 0 7 年，加拿大卡尔加利大学外科专家加内特萨瑟兰德博士带领的研究 小组与研制航天飞机机械手的m d a 公司合作，研制出名为“神经臂 的外 科手术机器人系统【1 9 l ，如图1 1 3 所示。据研究人员介绍，“神经臂 需要与 具有强磁场的核磁共振成像仪一起运行，它的开发是由包括医疗、物理、电 子、软件、光学和机械工程师等的合作进行的。“神经臂 系统极大地提高了 外科手术的精准率，使外科手术水平从器官级发展到细胞级。有关专家认为， 该系统将为外科手术带来变革，从而使显微手术产生革命性的突破。 2 0 0 8 年，美国卡内基梅隆大学开发的新型内窥镜c a r d i o a r m 蛇形机器 人，它的结构类似于蛇，用于心脏手术i 删，如图1 1 4 所示。正是由于采用了 这种独特的结构使得这款内窥镜具有了前所未有的灵活性。它的结构小，直 径1 2 m m ，长3 0 0 r a m ，共有1 0 2 个自由度，每个关节的跟随快速性非常好， 由计算机和操纵杆控制。其不足之处在于结构不能小到能进入血管血流中， 到达心脏病灶，移除问题组织。 。n 镪2镛 “神经臂”机器人系统 图1 1 4“机器蛇”内窥镜 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 除此之外，国外还有一些比较成功的研究成果，如法国j e a n a l e x a n d r e 等人研制的l e r 机器人，英国帝国大学研制开发的膝关节置换机器 a c r o b o t 机器人系统【2 2 1 ，荷兰p h m p s 公司开发的光电引导神经外科导航系统 e a s yg u i l dn e t r o 2 3 1 ，德国z e i s s 公司的脑神经显微外科机器人系统 m k m s m n u l ，日本i m m i 公司的神经外科机器人系统n e t r o m a t e 2 5 l ，瑞士 l e i c a 公司的神经外科手术机器人系统w i l d m 6 9 5 t 2 6 1 ，韩国在2 0 0 4 年研制 的k a l a r 腹腔镜机器人【2 7 】等。 1 2 2 国内发展概况 目前国内医疗机器人的应用大多依靠国外的整机进口，微创手术的内窥 镜自动定位系统“伊索”，已经在上海第一人民医院等医疗单位辅助外科大 夫成功的完成了诸如微创心脏瓣膜手术、心脏手术、胸科手术等高难度的手 术，并且著名的“达芬奇 和“宙斯 机器人手术系统已经走进中国。 北京航空航天大学机器人研究所王田苗教授、清华大学计算机图形图像 中心和海军总医院共同开发了遥操作远程医用机器人系统团l 。该系统主要由 影像获取传输，虚拟手术规划、智能机械臂、病人头部固定装置等部分组成， 可以完成确定手术靶点、重建三维病灶轮廓、引导定位器械、定向手术系统 等多个复杂步骤，治疗脑部纵深病变无需开颅。这一手术突破了传统脑外科 手术的定式，病人头上不必再戴厚重的金属框架以辅助定位，病人造成的创 伤面比传统手术小得多，定位也较传统手术精确。2 0 0 3 年该机器人系统在沈 阳完成了一例远程遥控机器人立体定向神经外科手术，如图1 1 5 所示。 图1 1 5 遥操作远程医用机器人系统 天津大学、南开大学联合研究的机器人辅助显微外科手术系统，r o b o t i c a s s i s t a n tm i c r o s u r g e r ys y s t e m ，简称洲s ( 名为“妙手 m i c r o h a n d ) 2 9 1 ，如 图1 1 6 所示。该系统是一个集图像处理、运动控制、夹持力感觉等功能于一 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 体的比较完整的主从方式的手术系统。该机器人可以消除医生操作时的抖动， 具有良好的超低速运动特性，能用来完成长时间稳定夹持微细血管、神经束 等助手完成的动作。2 0 0 4 年7 月2 5 日，以m i c r o h a n d 机器人系统作为主刀 医生，天津市人民医院的耳鼻喉主任医师张志见大夫作为助手，对兔子颈部 3 m m 动脉进行了血管吻合手术。手术过程中机器人利用开发的多种末端工具 在主手的帮助下，进行了兔子外皮切开、血管剪断、缝合打结、表皮缝合等 操作。 图1 1 6 机器人辅助显微外科手术系统 2 0 0 7 年，哈尔滨工业大学的付宜利等自行研制出内窥镜操作机器入例， 如图1 1 7 所示。机器人具有7 个关节，其中关节1 、2 、3 为s c a r a 型机械臂； 关节4 用于术前臂型优化；关节5 、6 在内窥镜插入患者体内后形成被动式关节 满足微创条件约束；关节7 主要使内窥镜绕自身轴线旋转调整输出图像方位。 提出的在微创条件约束下运动学算法不仅使医生避免了倒圆锥式操作获取同 开放式手术相同的笛卡尔操作方式，而且可使对内窥镜操作更加稳定。现已 加工出样机，并对其进行了实验研究。 2 0 0 7 年，哈尔滨工程大学机电一体化研究室在张立勋教授的带领下研制 开发了辅助腹腔镜手术机器人【3 1 】。该机器人具有6 个自由度，模仿了人手握 持并操作腹腔镜的动作，从而避免了手术中由于人手抖动造成的图像不清晰。 机器人采用了1 p 5 r 结构，由主动关节和被动关节两部分组成。其中主动关节 包括3 个自由度，由步进电机驱动，用于实现腹腔镜末端空间位置的调整；被 动关节为3 自由度的球形关节无驱动，安装在机器人小臂的末端。腹腔镜装卡 后，球形关节中心位于腹腔镜的轴线上，被动关节受到人体切口的约束并在 主动关节的带动下运动，实现腹腔镜位置和姿态的调整。且被动关节设计了 可拆卸机构，方便手术清洗和消毒。现已加工出样机，并对其进行了实验研 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 究，如图1 1 8 所示。 图1 1 7 内窥镜操作机器人图1 1 8 辅助腹腔镜手术机器人 2 0 0 7 年山东大学范国强副教授等人着重研究建立腹腔镜机器人持镜手臂 的虚拟样机【3 2 1 ，如图1 1 9 和图1 2 0 所示。该大学进行了动作模拟实现，系统 测试，并最终完成持镜手臂物理样机的详细设计。并提出了利用u g 对腹腔镜 机器人持镜手臂的零部件建模的方法，得出了持镜手臂零部件建模的步骤， 充分肯定了利用u g 建模的准确性、快速性。建立了腹腔镜机器人持镜手臂的 数学模型，并进行运动学、动力学分析，利用a d a m s 与m a t ia b s i m u l i n k 对持镜手臂的联合仿真，验证了模型的正确性。 图1 1 9 前端结构数学模型图1 2 0 虚拟样机 此外，其他一些大学和研究机构也在开发无损诊疗和辅助外科手术机器 人系统等。国内的一些典型研究包括：哈尔滨工业大学与北京航空航天大学 合作研制的遥操作辅助正骨机器人系统；南开大学研究的机器人辅助显微外 科手术系统；北京航空航天大学研制的角膜移植显微手术机器人；清华大学 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 研制的神经康复机器人；浙江大学研究的内窥镜系统技术【3 3 j 等。 1 3 本论文的主要内容 机器人参与外科手术的规划者是医生，其执行者是机器人，对象是病人。 若投入生产前对手术机器人和设计方案不经任何测试评估，而直接进行生产 将机器人直接应用进行手术的风险性非常高。经济适用的解决方法就是利用 虚拟现实仿真技术，按照机器人参与手术的实际情况进行虚拟仿真，不断地 发现不足，纠正错误，直到仿真效果达到预期目标时才最终确定手术机器人 的方案。通过虚拟现实仿真，节约机器人成本，使手术实施更加有效，做到 安全、微创和精确。因此本文主要利用虚拟现实仿真技术对机器人的性能进 行研究，主要工作如下： 1 机器人总体方案设计。通过分析持镜手医生的动作要求，在实验室第 一代机器人的基础上，对机器人结构进行优化，采用直流伺服电机进行驱动。 根据腹腔镜手术机器人的特点，设计机器人总体控制方案包括驱动方案及总 体控制方案。 2 运动学分析与仿真。利用d h 方法建立机器人运动学模型，对机器 人进行运动学正分析和逆分析。基于m a t l a b 软件进行运动学仿真，以验 证运动学模型的正确性。在此基础上对机器人的工作空间进行分析，以验证 机器人结构设计的合理性。 3 基于患者皮肤动态特性的穿刺孔约束建模与仿真分析。在分析患者切 口对腹腔镜约束的基础上，考虑实际工作中皮肤动态对腹腔镜的影响，建立 基于人体皮肤动态特性的约束模型，并对其进行仿真研究。在此基础上，研 究机器人被动关节阻尼变化对腹腔镜切口力的影响，为机器人被动关节弹性 阻尼系数的选择提供理论依据。 4 控制仿真分析。在研究控制原理及直流伺服电机模型的基础上，考虑 系统的非线性建立各个关节的控制仿真模型，进行速度位置双闭环控制仿真 分析，设计控制器。给定末端轨迹进行控制仿真，以验证运动学和切口建模 的正确性。 l o 为使腹腔镜手术机器人能够代替持镜医生夹持腹腔镜，并控制腹腔镜运 动，实现在手术过程中腹腔镜所需要达到的位姿，为主治医生提供清晰稳定 的病灶图像且避免与主治医生发生干涉，在满足作业空间要求的基础上机械 臂结构尺寸必须尽可能小，质量应尽可能轻；为保证手术安全，腹腔镜手术 机械臂在工作时必须静止，因此要求在工作时机器人能够自锁；腹腔镜手术 机器人的使用环境要求机器人必须有较高的精度，适用对象为人，所以机器 人的柔顺性要好，不能对患者造成不必要的伤害，且驱动能源一定要清洁， 不能对手术环境造成污染；整个机器人的噪声也要低，否则会影响医生正常 进行手术。 本文所设计的腹腔镜手术机器人主要用于外科手术时代替扶镜医生对腹 腔镜进行操控，在腹腔镜手术中腹腔镜通过患者体表切口进入患者腹腔内为 医生提供所要求器官不同角度的图像。通过分析持镜手的动作可知，腹腔镜 的运动分为通过切口沿镜鞘的直线运动、绕与切口相切平面两垂直轴线的转 动及绕自身轴线的转动，共有4 个自由度，如图2 2 所示。因此本文所设计 的辅助腹腔镜手术机器人末端在保证柔顺性的情况下必须能够实现以上动作 要求。由于不同的病患者病变位置不同，同时为了避免损伤重要腹部组织和 血管，需要机器人末端能够实现尽可能多的姿态要求。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摆动 图2 1 腹腔镜动作示意图 2 1 2 机器人结构方案 查阅相关资料得出，机器人一般采用两种结构方式：主动方式、主被动 结合方式【3 5 1 。 主动方式，与一般工业串联机器人一样，每个自由度都有驱动。对于腹 腔镜手术机器人而言，即不依赖人体切口对腹腔镜的约束作用，使每个关节 都为主动关节，通过计算机控制系统控制末端腹腔镜的运动。 主被动结合方式，即不完全约束，与合作机器人原理相同。对于腹腔镜 手术机器人而言，即利用人体对腹腔镜的约束作用，形成被动关节。通过控 制主动关节和人体切口对被动关节的约束作用，在主动和被动的共同作用下 实现机器人的控制目标。 本文所设计的辅助腹腔镜手术机器人，如果采用完全主动方式，比如常 用的串联机械手臂，为了实现腹腔镜4 个自由度的动作，至少需要4 个驱动 源。这样不仅使得机构和控制系统变得非常复杂，同时由于每个自由度都是 完全约束的，可能会对患者造成不必要的严重的伤害。因此完全主动方式不 能采用。如果合理利用腹部切口对腹腔镜的约束作用，采用主被动结合的方 式来实现腹腔镜动作，即利用主动驱动控制腹腔镜末端在空间的位置，同时 腹腔镜受到手术切口的约束作用，使得在腹腔镜插入人体切口后形成被动关 节，控制腹腔镜的姿态。而且主被动结合方式相比完全主动方式，具有机构 简单，控制容易，造价低，对患者安全的特点。通过以上分析，本课题采用 主被动结合方式实现。 为满足以上设计要求，在查阅相关文献的基础上，本文提出一种主从式 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 腹腔镜手术机械臂，结构图如图2 1 所示。有6 个自由度，其中关节1 、2 、3 为主动关节，为s c a r a 型机械臂，实现腹腔镜位置的调整，其中关节1 用 来调整腹腔镜的高度，以适应不同手术台高度和患者的腹腔厚度；关节2 和 关节3 用来调整腹腔镜的水平位置。关节4 、5 、6 为被动关节，在内窥镜插 入人体后由于患者切口的约束作用，通过改变主动关节的运动达到控制腹腔 镜的姿态，保证手术中的安全性，关节6 主要使内窥镜绕自身的轴线进行旋 转以调整输入图像的方位，便于医生监视。被动关节的设计使机器人更加灵 活，适应不同患者，不同病灶的使用要求。 图2 1 腹腔镜手术机器人结构图 腹腔镜手术机器人在插入患者切口后的可控性需要进行验证，机器人由 于患者皮肤切口的约束作用，相当于一个球铰链加上一个移动副。根据 k u t z b a c hg r u b l e r 空间机构自由度计算公式得 叠 f 一6 0 g 1 ) + 罗正 ( 2 - 1 ) 筒 其中：n 机构中的物体数； 譬运动副数目； 厂i 第f 个运动副的相对自由度数。 由式( 2 1 ) 得到腹腔镜插入患者皮肤切口后机器人的独立自由度数f = 3 ， 机器人的自由度数等于机器人的驱动数，所以在机器人腹腔镜插入患者皮肤 切口时，辅助腹腔镜手术机器人的运动时唯一的即机器人是可控的。验证了 机器人结构设计的合理性。 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 1 3 机器人尺寸参数 查阅相关资料外科可调手术台的高度为6 5 0 9 5 0 r a m ，宽度为5 0 0 r a m 左 右郾l 。人体平均厚度3 0 0 m m 。由上图2 1 可知，腹腔镜的末端离地面要高于 9 5 0 r a m 。腹腔镜的长度为3 0 0 r a m 左右，所以腹腔镜手术机器人的第一关节 即升降关节的长度应不低于1 2 5 0 r a m ，运动范围应不小于o 一3 0 0 m m 。考虑腹 腔镜末端和患者皮肤在调整阶段要留有间距故初步确定升降关节的长度为 1 3 0 0 m m ，运动范围取o - 3 0 0 m m 。 根据工作空间和上述分析确定腹腔镜手术机器人手臂总长为7 5 0 r a m ，具 体的结构参数范围如下表2 1 所示： 表2 1 机器人结构基本参数 参数名称尺寸和范围 机身高 1 3 0 0 m m 大臂长 4 0 0 r a m 杆长 小臂长 3 0 0 m m 被动关节臂总长 5 0 m m 机身升降 0 3 0 0 r a m 大臂回转 1 8 0 。一+ 1 8 0 。 各个关节转 小臂回转 1 8 0 。一+ 1 8 0 。 角范围 被动关节1 回转 4 5 。一+ 4 5 。 被动关节2 回转 - 4 5 。一+ 4 5 。 被动关节3 回转 1 8 0 。一+ 1 8 0 。 在机械臂构型确定的基础上，需要对机器人进行运动学和工作空间分析 以对总体方案进行机构参数优化。机构优化的作用在于一方面使机器人各自 由度具有足够的行程完成应用的操作，另一方面在满足操作要求的情况下结 构尺寸最小。通过运动学分析确定机器人是否能够提供足够手术操作的工作 空间，从而最终确定机械臂的结构尺寸参数。 2 2 机器人控制方案确定 2 2 1 驱动方案的确定 辅助腹腔镜手术机器人的驱动关节为三个主动关节，分别为升降关节1 ， 大臂转动关节2 和小臂回转关节3 。因此需要一个直线运动驱动和两个转动 1 4 哈尔滨下程大学硕十学位论文 运动的驱动。机器人的驱动形式可分为三大类：气压驱动、液压驱动以及电 动机驱动阳。本文辅助腹腔镜手术机器人为医疗器械，要求驱动源必须清洁， 显然液压驱动是不符合要求的。而气动的负载能力较差、定位精度不高，需 要专用的气压源，因此也不符合辅助腹腔镜手术机器人定位精度要求高的要 求，因此本文选用电机驱动形式。 1 升降关节的驱动 利用直线运动输出型伺服驱动元件可以直接