鼻内镜手术辅助机器人设计与实验研究

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鼻内镜手术是彻底治愈鼻内疾病的有效方法,鼻腔结构特殊以及和眼眶,颅脑比邻使得该类手术风险性较高。传统的鼻内镜手术通常是医生左手持镜,右手进行手术操作,这种模式使医生不能双手配合完成复杂的手术操作,大大的降低了手术质量。因此,国内外的研究者提出了使用机器人代替医生左手持镜以提高手术质量。针对该类手术模式存在的问题,本文在分析了国内外持镜机器人系统的基础上,实现了基于光学定位系统和人体肢体运动信息的控制方法来控制持镜机器人的运动,该持镜机器人系统可以代替医生左手持镜并能主动的调节自身位姿给医生提供清晰稳定的手术视野,使医生在手术中始终使用双手完成手术操作。此外,和鼻孔入口处重合的远程运动中心不动点和安装在鼻内镜基座处的六维力/力矩传感器可以最大限度的保证手术的安全。本文对微创手术中常用的运程运动中心机构进行了静力学和动力学研究,在分析了鼻内镜手术工作空间的基础上,采用了带精英策略的非支配排序遗传算法对该机构的参数进行优化设计,使得优化后的机构更加适用于临床需求。针对鼻内镜手术的特点,实现了使用医生脚部的运动信息来控制机器人运动的控制方式,在分析了人体脚部运动自由度的基础上,搭建了采集脚部运动信息的硬件平台并将采集到的数据实时发送给机器人控制系统,控制系统根据事先约定的控制逻辑来控制相应关节的运动。针对鼻内镜手术中的特定场合和现有的鼻内镜手术辅助机器人的特点,实现了鼻内镜自动跟随手术器械的调节方法,采用光学定位系统来获取术中手术器械的位姿并将位姿信息转化成笛卡尔坐标系下的分运动,通过分运动来控制机器人相应关节的运动实现鼻内镜的自动调节。这两种交互方法使得医生在手术的过程中可以始终使用双手进行手术操作,极大的提高了手术的质量。为了确保手术的安全性,基于Qt平台完成了机器人控制系统软件的开发,使得助手可以随时监测和控制机器人的运动并在3D打印鼻腔的模型下开展了相关的实验研究。鼻内镜手术辅助机器人将彻底的改变鼻内镜手术的手术方式,使鼻内镜手术向更加微创更加安全的方向发展,为了使该机器人系统可以走向临床使用,后续还需要做相关的临床实验研究。
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