介入手术医疗机器人定位臂控制系统毕业设计论文.doc

济南大学毕业设计 2 - 毕业设计 题 目 介入手术医疗机器人定位臂 控制系统设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0703 学 生 顾巡巡 学 号 20070403055 指导教师 赵洪华 二〇一一 年 月 日 PAGE 1 前言 1.1 医疗机器人研究的目的及意义 随着先进机器人技术的快速发展，医疗机器人技术随之也得到极大的发展。医疗机器人的主要应用对象是以机器人操作手术刀或者其他医疗设备来完成机器人辅助外科手术，为患者提供整套或者部分外科手术的医疗过程。随着高精度控制技术、数字图像处理技术等相关技术的发展以及微小创伤手术技术的出现，机器人辅助外科手术过程的可行性越来越变得现实可行[1]。 与传统的的外科手术相比，机器人辅助外科手术具有以下优点： 避免了医生长期在射线环境下手术，从而保护了医生的身体健康； 运动精度和定位精度高，刚性、稳定性好，解决了传统手术稳定性差，手工操作容易抖动等缺点； 避免了传统手术间断性监控存在的潜在性风险； 利用VR技术，开展培训，解决了操作技巧性强，培训时间长等缺点。 微创外科手术机器人与传统工业机器人相比较，前者在结构设计上具有更强的针对性。通常情况下，每一种手术操作设计都有具体的机器人结构形式。对于主从式医疗机器人,在手术中,医生的决策通过主手传递到从手,并通过监视从手的运动情况,来调整控制以达到预期的效果,最后实现微创手术。从手系统直接作用于患者,所以它的性能高低会直接影响整个系统的性能、手术的质量以及系统的安全性[2]。 由于微小创伤手术的小切口路径致使医生的手工操作受到空间大小的极大限制，微创手术通过小直径的管道切口来进行治疗，使得原本非常灵活的手工操作变得不易操作。由于受到手术切口的空间大小及形状的限制，医生的动作只能是上下、左右、进出、沿器械轴的旋转和末端执行器的张合等，从而限制了医生动作的协调性，而且由于长时间进行小空间的手术操作，使得医生很容易产生疲劳，由疲劳带来的手的颤动不可避免，因而会影响手术的质量。 另外，与传统手术相比较，医生采用微小创伤技术进行外科手术时，很难感受到肌肉组织的作用力，这样就很容易损伤患者肌肉组织。这些因素不仅延长了手术的时间，而且还增加病人在手术过程中的危险性。在小创伤切口中，医生很难看清楚病灶的实际位置，因此微小创伤手术的发展成为当务之急[3]。 医疗辅助机器人技术的出现，解决了这些在微创手术过程中遇到的问题。目前，医疗机器人的实际应用主要集中在外科手术领域。机器人做手术的精确性是外科大夫无法比拟的，一个神经外科大夫的误差精度一般能达到2毫米，而机器人的精度却可以很容易的达到微米级，在追求MIS的今天，其好处是显而易见的。 1.2 医疗机器人国内外发展现状 目前, 对医疗机器人的研究主要集中在外科领域, 包括神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、整形外科、泌尿科和无损诊疗等[4]。在国外，2006年，日本名古屋大学设计出血管介入手术机器人。2006年，以色列海法医学院开发的心血管介入手术机器人进行实验。2007年，英国汉森科技公司设计出主从血管介入手术机器人[5-6]。在国内, 医疗机器人的研究越来越受到各方面的重视, 并且取得了一系列的成果。北京航空航天大学机器人研究所开发了远程遥感操作医用机器人系统。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（病灶） 固定装置等部分组成, 可以完成三维病灶轮廓重建、定位器械引导、手术靶点确定、手术系统定向等多个复杂步骤。这一手术改变了传统脑外科手术的固定模式,摘掉了做手术时病人头上起辅助定位作用的厚重的金属框架, 定位也较传统手术精确。该系统现已实现多例临床手术。上海交通大学成功研制出的微型智能介入式诊断系统,主要用于人体消化道的无创检测, 解决了插管式检测创伤大、检测部位不全、患者异常疼痛等弊端。系统包括生物遥测胶囊、体外便携式记录仪、数据处理站等, 可以实现压力、温度、电阻值的检测。上海大学、重庆大学、中国科学院合肥智能机械研究所等也在进行类似的研究工作。此外, 国内的一些典型研究包括:南开大学研究的机器人辅助显微外科手术系统；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；北京航空航天大学研制的角膜移植显微手术机器人；清华大学研制的神经康复机器人, 以及其他一些大学和研究机构开发的无