喉部手术机器人主从控制与实验系统的研究开发

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1、中文摘要本文所研究与开发的主从控制喉部手术机器人主要面向喉部微创外科手术。该系统能够在狭长的喉部空间内完成对病变组织的夹持、分离、切除、手术清淤等基本手术操作。首先，分析了喉部手术的任务要求和手术的基本操作，并以此为依据，对喉部手术机器人的从手结构进行了具体分析和设计。其中，主要进行了从手位置机构、姿态机构和从手工具的设计。并且应用D．H方法对喉部手术机器人的主、从手分别建立了数学模型，最终完成支撑喉镜下主从对应运动的数学模型、进退刀数学模型的创建以及主从手工作空间分析。其次，在提出的总体控制算法的基础上，设计和开发了喉部手

2、术机器人主从控制系统，主要包括硬件系统整体结构确定以及各自由度电机选型、运动控制卡选择，与基本手术操作相对应的各运动单元程序设计以及虚拟仿真系统的人机界面设计。再次，为了解决喉部手术机器人术前准备过程中机器人和病人之间定位难的问题，进行了定位系统设计。其基本思想为实现视觉导引下的快速移动定位。定位系统设计包括了视觉导引系统设计和手术床定位调整系统设计。最后，设计并进行了该喉部手术机器人的主从控制性能研究测试，并在此基础上完成了猪的喉部声带肿物切除手术的动物实验。手术过程中，没有对正常组织造成任何伤害，基本达到预期效果。实验结

3、果表明，该机器人系统具有较好的安全性、灵活性、稳定性和可靠性，其设计能够满足喉部手术的要求。关键字：喉部手术机器人主手从手主从控制控制系统定位系统．动物实验ABSTRACTAmaster-slavecontrolsurgicalrobotsystemwasdevelopedforminimallyinvasivelaryngealsurgeryinthisdissertation．Thesystemisabletoperformbasicsurgicaloperations，suchasgrasping，separating

4、，cuttingandsuctioninthelongandnarrowspaceofthroat．Firstly,analysisWasdonebasedontherequirementsandthegeneraloperationsforlaryngealsurgery．AnddetaildesignandanalysisoftheslavemanipulatorWasdiscussed，mainlyincludingthedesignoftheslavemanipulator’Salms，wristsandtools．

5、WithDenavit-Hartenbergmethod，themathematicmodelswereestablishedformastermanipulatorandslavemanipulatorseparately．Thenthemaster-slavemodelinsidethelaryngoscope，theenteringandquittingmodelforthetools，theworkspacesforthemasterandtheslavewereanalyzed．Secondly,amaster-s

6、lavecontrolsystemforlaryngealsurgicalrobotWasdevelopedbasedonthegeneralcontrolalgorithmproposedbyUS，includingtheoverallarchitectureofthehardwareandtheselectionforeachmotorandmotioncontrolcard，themotionprogrammingtoeverysurgeryoperationandthevirtualemulatingsystemfo

7、rhuman-machineinterface．Thirdly,locationsystemWasdesignedtosolvethepositioningproblembetweentherobotandthepatientbeforetheoperation．Fast—movingpositioningusingthevisionguidanceistheessentialidea．Itmainlyincludesthedesignsofvisionguidancesystemandsurgerybedadjusting

8、system．Finally,testsweredesignedandexecutedtoconfirmtherelevantperformancesofthemaster-slavecontrolsystem．Theexperiment,cuttingknubtissuefromvoca