内窥镜操作机器人灵活性分析及仿真验证

在微创手术中为了使内窥镜的姿态满足外科手术的需求,借助于服务球、服务点、服务区的概念给出机器人灵活度空间的分布.根据七自由度内窥镜操作机器人结构特点,采用位姿分解方式求得位置运动学解析逆解.针对微创胸腹腔手术的临床需求,分析了该机器人的灵活性,提出了内窥镜操作机器人灵活度空间分布的分析方法,并通过数值方法对工作空间内任意点仿真得到机器人灵活度的空间分布.对机器人逆解和灵活度分布进行仿真验证,证明该方法的正确性,表明内窥镜操作机器人的灵活度满足实际的手术需求.掌握运动学和灵活度空间分布,为后续机器人控制方法的实现和术前的路径规划提供了必要的理论依据.     

可满足微创手术灵活工作空间的混联机器人研究

针对微创手术对机器人提出的高灵活性要求,设计出一种具有混联结构的微创外科手术机器人,并通过灵活工作空间分析进行结构优化。为合理布置手术切口及规划手术路径,利用末端手术工具服务球和服务区进行工作空间灵活性分析,通过数值解得到混联机器人工作空间内任意点的灵活度,并绘制出工作空间水平截面灵活性分布图,为手术切口位置和工具杆末端运动路径提供工作数据;再以工作空间水平截面灵活度大于0.85的灵活点数目作为评价指标,定量分析了姿态机构腕关节转角范围及手术工具杆长度对灵活性的影响,为微创外科混联机器人的结构优化提供了计算依据。仿真对比和优化后的实物实际运动结果均证明了该混联机器人可满足微创手术的灵活性要求。     

基于Mathematica的七自由度手术机器人运动学分析

随着微创手术在临床上的广泛应用,手术机器人在外科手术领域得到了飞速发展。首先基于Mathematica对七自由度手术机器人进行建模,给出其D-H表,然后推导运动学正逆解及雅可比矩阵,并据此进行运动特性分析,最后通过运动学仿真模拟手术机器人的运动过程,对其运动学特性及工作空间进行了验证,保证了设计的可靠性,为其动力学研究打下了基础。     

计算机辅助外科手术中医疗机器人技术研究综述

在计算机辅助手术领域中医疗机器人技术是目前一个研究热点。介绍医疗机器人技术的概念以及在计算机辅助手术中应用的必要性;针对医疗机器人技术在计算机辅助手术领域中的国内外研究现状,从骨外科、神经外科、窥镜外科和介入治疗等四个方面,分别进行了详细综述,并介绍具有代表性的外科手术机器人系统;通过分析医疗机器人当前的研究现状,指出内窥镜外科手术机器人将是未来医疗机器人的发展方向,通过探讨内窥镜外科手术机器人所涉及的四个亟待解决的问题,指出了需要进一步研究和发展的方向。     

面向微创外科手术机械臂的主动力摆位控制策略

为了实现微创外科手术机器人的主动手术姿态调整,针对微创手术机械臂的RCM机构特点以及主被动关节相结合的摆位方式,本文提出了基于关节力矩的虚拟工具控制算法以实现操作者与手术机械臂之间的力交互过程。该算法以在关节处安装力矩传感器的方式进行交互力的采集,并结合采样数据提出了一套完整的重力矩补偿方法。根据关节处的受力情况,力控制模型能够实时调整模型参数以响应主动力摆位不同阶段的动态要求。在自行研制的微创外科手术机器人样机上进行相关的实验验证,实验结果表明:各关节的重力矩补偿模型效果明显,基于关节力矩的虚拟工具模型能够实现柔顺自然的人机交互过程,并具有较高的可控性和稳定性,可以较好地完成微创外科手术机械臂的手术位姿调整。     

外科手术机器人技术发展现状及关键技术分析

外科诊疗是医疗机器人研究和应用最广泛也是比较成熟的领域,目前研究主要集中在脑神经外科、整形外科、介入式无损检测、角膜移植等领域.为促进我国医疗机器人技术的研究和发展,在充分论述医疗机器人研究意义的基础上,对国内外典型外科手术机器人的研究及应用状况作了详细介绍,并对研究医疗机器人所涉及的手术机器人机构、医学三维图像建模、虚拟手术仿真、遥操作网络传输等关键技术进行了详尽的分析,同时指出了今后的发展方向.     

Least Squares Support Vector Machine Kalman Filter for PhysiologicalTremor Suppression in Minimally Invasive Surgical Robot

一种用于微创外科手术机器人的最小二乘支持向量机卡尔曼震颤滤除滤波器

代剑东,杜志江,闫志远,梁云雷

（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨 150001）

摘 要：

本文研究了微创外科手术机器人的生理震颤滤波方法。外科医生手部的生理震颤会引起手术器械末端的振动,降低手术精度,限制手术机器人的应用。针对手部生理震颤引起的振动,本文提出一种最小二乘支持向量机卡尔曼滤波。该滤波算法利用卡尔曼滤波算法对震颤信号进行估计和建模,然后将其反向叠加到控制信号中,从而在不引起时间延迟的前提下对震颤信号进行滤波。估计震颤信号时用最小二乘支持向量机建立了过程噪声协方差和测量噪声协方差的回归模型,替换传统的卡尔曼滤波器中的这两个常数,使得滤波器在手术过程中可以动态地调整这些参数以提高卡尔曼滤波的精度。仿真结果表明,本文提出的算法能够有效地滤除震颤信号,克服了低通滤波带来时间延迟的问题,同时提高了卡尔曼滤波的精度,从而提高了微创外科手术机器人的操作精度。

关键词：生理震颤滤除,微创外科手术机器人,卡尔曼滤波,支持向量机

     

机器人辅助正骨手术系统虚拟环境精确建模方法

结合已经研制的机器人辅助正骨手术系统,研究在应用虚拟现实进行手术时,虚拟手术环境建模的实现.采用基于计算机图形和医学图像的混合建模方法对手术环境中复杂的机器人模型和患者、腿骨进行精确建模.利用建模工具Java3D和VTK开发机器人辅助正骨手术系统的三维虚拟环境模型及虚拟手术仿真系统.虚拟手术环境的精确建模,为在此基础上进行的手术培训、手术规划、手术预演和远程外科手术奠定了基础.     

外科手术机器人技术发展现状及关键技术分析

外科诊疗是医疗机器人研究和应用最广泛也是比较成熟的领域，目前研究主要集中在脑神经外科、整形外科、介入式无损检测、角膜移植等领域．为促进我国医疗机器人技术的研究和发展，在充分论述医疗机器人研究意义的基础上，对国内外典型外科手术机器人的研究及应用状况作了详细介绍，并对研究医疗机器人所涉及的手术机器人机构、医学三维图像建模、虚拟手术仿真、遥操作网络传输等关键技术进行了详尽的分析，同时指出了今后的发展方向．     

六自由度植牙手术机器人设计及动态特性分析

植牙手术机器人将是医疗外科手术领域一个全新的突破,但是现有植牙手术机器人结构繁杂,末端缺乏灵活性,难以顺利地实现口腔内的钻孔操作.紧密结合植牙手术要求,设计了一种结构更加紧凑、末端灵活性更高地六自由度植牙手术机器人.然后建立了植牙手术机器人的有限元模型,利用ANSYS Workbench分析其动态特性,主要包括模态分析和谐响应分析,其中模态分析得到了植牙手术机器人固有频率,谐响应分析得到了植牙手术机器人的结构在频率105 Hz和844 Hz处容易发生共振,为工况下防止出现共振现象提供了重要的科学依据.     

基于多目标结构参数优化的微创手术机器人设计

为提高手术机器人的通用性,根据不同微创手术工作空间要求和操作要求设计了一种具有8自由度的通用性微创手术机器人,构造了包含运动学和动力学特性的多目标优化函数,利用遗传算法对含有运动学和动力学的双响应指标进行优化获得了具有较高灵活度的结构参数,为后续结构设计提供了良好的理论基础。     

全局约束下超声图像微器械轮廓提取方法

为实现超声设备与手术机器人系统的配准,提出一种全局约束下的参数活动轮廓(Snake)分割算法,该算法能以高精度分割超声图像中的手术器械轮廓.将已知的手术器械轮廓信息作为先验知识,以归一化傅里叶描述子的形式表述,并利用该描述子定义泛能量,用来约束分割过程,达到最优解.求解过程中,通过计算泛能量相对于各变量的雅可比矩阵,可以获得能量最小化时的偏微分方程,差分离散化后可以获得其欧拉形式的迭代方程,通过数值方法获得分割轮廓.实验结果表明,使用基于已知轮廓的先验Snake方法对超声图像中的手术器械进行分割,能以较高精度提取超声图像中的微器械轮廓,轮廓形状与实际器械形状更加相似.先验Snake法能对曲线进行全局约束,避免了传统Snake分割方法中容易陷入局部极值的缺陷,具有较大的应用前景.     

四自由度微创手术器械的机构综合及运动学分析

以夹持器为例,设计由伺服电机驱动和钢丝线轮传动的四自由度微创手术器械. 手术器械末端采用微型化设计,以适于远距离传动的钢丝驱动,改善手术器械在狭窄工作空间中的灵活度. 描述手术器械的构型原理和尺度设计,包括腕部、夹钳和器械轴;分析钢丝线轮传动机构的工作原理及腕部与夹钳的运动耦合. 研究手术器械的运动学特性,包括运动学正解、工作空间分析、速度雅克比变换和奇异性分析. 测试手术器械和驱动平台的原理样机表明,该器械能够满足微创手术相关技术操作的要求.     

面向髓内钉闭合穿钉手术的机器人系统

为了辅助医生完成髓内钉闭合穿钉手术,实现在医生直接控制下的微创骨科手术,研制了由机器人子系统、导航子系统、遥操作子系统和手术仿真子系统组成的机器人辅助髓内钉闭合穿钉手术系统。该手术系统可以在X光图像的引导下,完成断骨牵引复位和髓内钉远端锁定操作,从而提高复位的效果,降低医生的工作强度。同时系统的遥操作功能使医生在非手术地点可遥控系统完成一系列的手术操作,减少医生在X射线下的暴露时间。实验表明,机器人手术系统满足手术要求,可以准确完成手术动作。     

Hand-Held Surgical Instrument with the Function of Self-Locking for Minimally Invasive Surgery

In order to improve the flexibility of the surgical instruments, a wire-driven wrist-like structure is proposed in this paper. The instrument has three degrees of freedom (DOFs) of rotation, yaw, opening and closing. Furthermore, we also acknowledge no coupling motion for each DOF. Moreover, the self-locking motion contributes to sustaining joint posture under external force. A static analysis for the end effector was conducted using the ANSYS software. At the end of this paper, a series of experiments for the prototype was performed. The results revealed that for the same surgical task, the proposed instrument had higher flexibility and the completion time of the operation tasks was obviously less than that of the traditional instrument. The results of the self-locking and operating force test showed that the surgical instruments perform well in maintaining joint posture under the force of 8.2N. The proposed surgical instrument meets the requirements of minimally invasive surgery (MIS).     

微创手术机器人远程运动中心机构的设计和实现

在对微创手术的作业要求及运动自由度等参数分析的基础上,提出了一种新型的RCM机构方案并对其进行详细的机械结构设计;运用D-H法进行机械臂的正运动学求解,并以此绘制机械臂的工作空间;基于对微创手术过程的分析,利用三维软件UG对远程运动中心机构典型运动过程进行了虚拟仿真,并用有限元分析软件ANSYS对重要部件进行强度分析。实验结果表明,所设计的远程运动中心机构能够较好地完成手术规划,满足微创手术要求。     

冗余复合构型微创手术机器人定位方法研究

根据冗余复合构型微创手术机器人兼具冗余关节和被动关节的特点,提出了一种针对此类复杂多自由度机器人的定位方法。首先分析了机器人构型特点,然后利用D-H法建立了机器人运动学方程,并结合临床实际,确定冗余关节角,将运动方程进行退化,得到合理的运动学逆解和定位角。利用微型磁定位传感器进行被动关节臂实时位形测定,开发出机械臂定位界面,提示操作者进行定位和臂形设置。实验结果表明,定位方法可行,可视化效果好,适于临床操作。