【摘 要】
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手术是疾病治疗的方式之一。目前大多数手术操作是通过医生手动来完成,而手术过程中长期的站立以及重复的操作不仅会损害医生健康,同时也会降低手术精度从而增加手术风险。手术操作机器人化是提高疾病治疗效率的有效方法之一,也是医学发展趋势。柔性机器人具有灵活性强和适应性广等优点,能够在狭小复杂的手术环境中作业。因此,研究柔性手术机器人具有潜在的重要医学价值。本文提出两种柔性手术机器人系统设计,即连续型柔性手术
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手术是疾病治疗的方式之一。目前大多数手术操作是通过医生手动来完成,而手术过程中长期的站立以及重复的操作不仅会损害医生健康,同时也会降低手术精度从而增加手术风险。手术操作机器人化是提高疾病治疗效率的有效方法之一,也是医学发展趋势。柔性机器人具有灵活性强和适应性广等优点,能够在狭小复杂的手术环境中作业。因此,研究柔性手术机器人具有潜在的重要医学价值。本文提出两种柔性手术机器人系统设计,即连续型柔性手术机器人和生长型柔性手术机器人。首先,根据应用场景设计柔性机器人机械系统。连续型柔性机器人采用三线肌腱驱动方式,可在空间上自由弯曲,机器人主骨干预留通道,不仅使机器人可从弹性构件的自然状态下伸缩,还可放置医疗器械和微型影像设备,从而使其功能多样化;生长型柔性机器人采用四线驱动方式,可在空间任意方向上弯曲,机器人通过尖端外翻向前延伸,使其具备良好的探测能力。然后,建立两种柔性机器人系统的运动学模型和动力学模型,并设计轨迹跟踪控制器。根据分段恒曲率假设,建立了两种柔性机器人的运动学模型;采用欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)法,建立两种柔性机器人的动力学模型;采用滑模控制方法设计轨迹跟踪控制器。最后,仿真验证两种柔性机器人的运动学和动力学模型以及受控系统的轨迹跟踪性能;搭建两种机器人实验平台并开展了一系列实验。本文所提出的两种柔性手术机器人系统可以完成轨迹跟踪、腔道探测和双柔性机器人活检取样等模拟手术任务。
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