微创手术机器人培训系统关键技术研究

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1、摘要摘要先进机器人技术在医疗领域的广泛应用，拓展了医生的手术能力，提高了手术的质量。然而，这些先进技术的应用对医生的操作要求越来越高，给医生的培训带来巨大困难。针对此类问题，本文结合项目自行研制的多自由度微创手术机器人，对手术机器人培训系统的设计展开研究。主要工作包括以下内容：1、结合所研制的机器人系统的特点与操作要求，分析了机器人本体及其多种手术工具的几何建模与关节运动控制等问题。对由人体器官二维医学图像到三维模型的多种重建算法进行研究，介绍了MarchingCube(MC)算法的实现流程。2、分析了虚拟手术中碰撞检测和软组织形变的

2、实现算法，结合PhysX物理引擎给出具体实现流程。另外，对软组织形变较大时出现的奇异现象进行分析，提出了两种解决方案。3、分析了手术机器人主操作手各关节运动控制信号的采集流程。对主操作手和机器人的运动学模型进行分析，给出了主操作手控制手术工具末端位姿的具体实现方案，并实现了虚拟的从操作手与实际的主操作手的随动功能。4、对主操作手的动力学模型进行分析，给出了用于求解关节控制力的力雅克比矩阵的推导过程，初步实现了力反馈效果，并通过多轴力传感器对反馈力进行了标定。以上工作是项目组研制的腹腔微创手术机器人系统的一部分，这部分的功能通过机器人系

3、统的工作过程表现出来，并通过各种实验得到了验证。关键字：虚拟手术PhysX三维重建碰撞检测软组织仿真力反馈AbstractAdvancedrobottechnologyhasbeenwidelyusedinthemedicalfield，expandsthedoctor'ssurgicalcapacityandimprovesthequalityofsurgery．However,theapplicationoftheseadvancedtechnologiesincreasesthedifficultyofdoctors’opera

4、tionandthetrainingofmedics．Tosolvetheseproblems，thispaperstudiesthesurgicaltrainingsystemformulti—DOFminimalinvasivesurgeryrobot，whichhasbeendevelopedbyUS．Maincontributionincludesthefollowing：First，accordingtothecharacteristicsofdevelopedrobotsystemandoperatingrequireme

5、nts，thepaperanalyzestheproblemsofgeometricalmodelingforrobotanditsvarioussurgicaltools，thecontrolofjoint’SmovementandSOon．Forthemodelingofhumanorgansfromtwo-dimensionalmedicalimagetothree-dimensionalmodel，westudysome3Dreconstructionalgorithmandintroducetheprocessoftheim

6、plementationofMarchingCube(MC)algorithm．Second，thepaperstudiesthealgorithmofcollisiondetectionandsofttissuedeformationandsolvesbothofthemonPhysXSDK．Inaddition，thesingularphenomenoninthesofttissuedeformationiSstudiedandtwosolutionsareproposed．Third，theacquisitionprocesso

7、fthesurgicalrobotmastermanipulatorjoints’movementcontrolsignalisstudied．Thecontrolofsurgicaltoolbymainmanipulatorisachievedonbothmastermanipulatorandrobot’Skinematicsmodelanalysis．Fourth，thedynamicmodelofmainmanipulatorisstudiedandthederivationoftheforceJacobianmatrixis

8、given．Initially,theeffectofforcefeedbackisachieved．Andthefeedbackforceiscalibratedbymulti—axisforcesensor．Abov