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脊柱内镜手术机器人系统设计与精准位置控制研究.pdf

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摘要

随着人口老龄化进程的加快以及现代社会人们生活、工作方式的变化,脊

柱退行性疾病的发病率与日俱增,其防治已成为我国乃至全球的重大医疗保健

问题之一。经皮脊柱内镜手术是目前公认的最为微创的脊柱外科治疗手段,在

内镜直视下可完整摘除突出或脱垂髓核、清除增生骨质及韧带,治疗椎间盘突

出、椎管狭窄等病症。然而由于操作空间狭小、解剖环境复杂、术中水环境下

视野不清、传统刚性器械灵活性不足等问题,使得手术面临操作难度大、术中

风险高等临床挑战。针对临床脊柱内镜微创手术需求和难点,研制了一款新型

脊柱内镜手术机器人系统样机,并对机器人末端精准位置控制开展了研究和实

验验证。

针对脊柱内镜手术中狭小操作空间下传统器械空间可达性和灵活性不足的

问题,根据手术需求对机器人绳驱连续体机械臂、可快换驱动接口、直线滑台

三部分进行了详细的结构设计。刚性离散体和柔性材料共同构成的连续体段以

及末端操作器械结构使机器人能较好地实现灵巧操作;通过可快换驱动接口使

机器人结构进一步紧凑。

为了对设计加工好的机器人进行运动控制,对其进行了运动学分析和仿真

验证。基于改进D-H法建立杆件坐标系,并对机械臂连续体段采用合理的常曲

率模型假设,得到机器人完整的四自由度正、逆运动学模型。考虑到机器人末

端位置仅由三个定位关节控制,分别采用多层感知机和数值法推导出机器人三

关节运动逆运动学模型,并通过仿真验证以上运动学模型的正确性。

为了提高机器人末端定位精度和重复定位精度,对机器人精准位置控制方

法进行了研究。提出一种基于直觉映射的主从控制策略,能给医生提供更好的

操作体验和安全性。利用多层感知机对机器人无负载下连续体段关节非线性误

差进行运动补偿;同时设计一种模糊PID控制器进一步提高机器人自适应性和

末端位置精度。

完成了机器人系统集成和实验平台搭建,并在此基础上开展了机器人四自

由度功能验证、末端位置重复定位精度和定位精度验证实验以及精准位置控制

实验。实验结果表明机器人具有较好的运动性能,同时验证了所提出的精准位

置控制方法的有效性。

关键词:脊柱内镜微创手术;手术机器人;绳驱连续体机械臂;模糊PID控制

Abstract

Withtheaccelerationoftheagingprocessofthepopulationandthechanges

inthewaypeopleliveandworkinmodernsociety,theincidenceofspinal

degenerativediseasesisincreasingdaybyday,anditspreventionandtreatment

hasbecomeoneofthemajorhealthcareproblemsinChinaandevenintheworld.

Percutaneousspinalendoscopicsurgeryiscurrentlyrecognizedasthemost

minimallyinvasivespinalsurgicaltreatment.Underthedirectvisionofthe

endoscope,itcancompletelyremovethenucleuspulposusherniatedorprolapsed,

removehyperplasticboneandligament,andtreatdischerniation,spinalcanal

stenosisandotherdiseases.However,duetothenarrowoperatingspace,complex

anatomicalenvironment,unclearfieldofvisioninwaterenvironment,and

insufficientflexibilityoftraditionalrigidinstruments,theoperationisfacedwith

clin

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