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应用于脑外科的同心管手术机器人研究

类型:工程论文 时间:2016年5月13日

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

在脑外科疾病中,脑卒中(脑中风)是世界第二位死亡原因。其中,由动脉阻塞引起的缺血性脑卒中的发病率远高于颅内动脉出血引起的出血性脑卒中,占脑卒中总数的 70%到 80%,患者年龄多在 40 岁以上,且男性患病率稍高于女性。缺血性脑卒中有四种类型:短暂性脑缺血;可逆性神经功能障碍;进展性脑卒中;完全性脑卒中。在这些患者当中,主要是由直径 2mm 左右直径较大的脑血管堵塞引起的,致死率在 75%左右,我国每年脑卒中发病数达200 万,每年约 150 万人死于脑卒中。一项统计资料指出,近年来我国急性脑出血的发病率连年下降,且下降的趋势比较明显,但是急性脑血栓的发病率却在连年上升。脑血栓等脑血管疾病(如图 1-1 所示)已经是目前我国占据第一位的导致死亡原因。我国脑血管病的发病率和复发率与其他国家相比较高,我国每年用于治疗脑血栓的医疗费用大概是 300 亿元,巨额的医疗费用给患者家庭带来了巨大的压力,因此临床医生和患者迫切的需要一种高效经济的治疗和降低脑血管疾病的治疗方式。目前的研究理论认为:缺血性脑卒中患者如果在其缺血组织损害到达最严重之前能够在保证安全的前提下迅速恢复组织的供血,患者可以得到治愈。如果血栓已经形成,血管内血流减少甚至中断,这会导致血栓中心区域坏死,发生不可逆损害。但是如果周围较大范围内组织如果能及时恢复供血,则会减少坏死组织区域的大小,使损害尽可能减小,从而降低了脑卒中的致死率和致残率。因此,在保证安全的前提下如何尽早的使血管再通是治疗这种疾病的关键。目前,医生大都采用药物溶栓等方法抑制血栓继续增长或扩张血管等保守的内科治疗方法,而且可以接受药物治疗的患者比例较低,且会大部分患者在接受药物治疗后会产生脑出血或再次形成血栓等后遗症,不能从根本上治愈脑血栓。而且人脑是中枢神经系统的最高级部分,脑部手术一直以来是最复杂最精细的手术,对医生的经验技术要求很高。因此高安全、高精度、高稳定的手术机器人系统已成为脑外科手术发展的必然趋势。本课题来源于新加坡某生物医疗实验室,本课题的目标是研制一个应用于脑外科手术的同心管手术机器人,对机器人进行运动学分析,建立机器人遥操作控制算法。

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1.2 国内外研究现状

随着机器人技术的发展,近几年来一类新型的仿生机器人:连续型机器人应运而生。与传统的离散型机器人不同,连续性机器人采用与章鱼触角和象鼻子等生物器官类似的“无脊椎”柔性结构[1],机器人不具有任何离散关节和刚性连杆。与传统离散型机器人相比,这种新型机器人优良弯曲性能,可以柔顺而灵活的改变自身的形状,对与如鼻腔这种狭小的工作空间和非平整形状的环境具有较强的适应能力。本课题应用于脑外科的同心管手术机器人正是连续型机器人的一种。同心管机器人,也称作可以活动的套管,是广泛的连续型机器人家族中尺寸最小的成员之一。他们是由几段管一个接一个连续的嵌套在一起。这些管是预弯曲的管,由易弯曲的材料制成,通常选用的是超弹性材料镍钛诺。当每个管各自的基底端固定,线性的将每段管按尺寸嵌入其他管中,管之间弯曲旋转相互作用,这样的结果就会形成一个针一样大小的机器人,可以像微型触角一样以某种方式伸缩弯曲。近几年来,国外许多科研机构及院校对连续型机器人进行了研究,同心管的模型建立在过去的几年已经得到很好发展。 美国 Johns Hopkins 大学的 Simaan 等人[2]研制了一种蛇形连续型机器人,该机器人可用于喉咙外科手术当中,其结构如图 1-2 所示。这种机器人自由度数为 5,由三根超弹性的 NiTi 合金管支撑等距分布的圆盘,在机器人末端附有可控制的夹持装置,这种装置采用线驱动的方式。机器人有两个关节,第一个关节是NiTi合金管支撑部分,通过对合金管的控制可以实现第一关节的弯曲。

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第2章 同心管手术机器人原型结构设计

2.1 引言

同心管机器人,也称作可以活动的套管,是广泛的连续型机器人家族中尺寸最小的成员之一。他们是由几段管一个接一个连续的嵌套在一起。这些管是预弯曲的管,由易弯曲的材料制成,通常选用的是超弹性材料镍钛诺。当每个管各自的基底端固定,线性的将每段管按尺寸嵌入其他管中,管之间弯曲旋转相互作用,这样的结果就会形成一个针一样大小的机器人,可以像微型触角一样以某种方式伸缩弯曲。在未来它可能应用于医疗之中。 手术过程中手术器械的常用工具主要可以分为三类。 第一是连续的柔性针(如图 2-1),连续的刚性管相互铰接在一起,并且在其远端出附有医用钳或者导引导管(如图 2-2)。柔性针经常被用于经皮肤的手术中(通过皮肤穿刺进入身体内部),其导航通过对它的尖端施加侧向力实现,使针头向期望的方向弯曲。此外,由于柔性针最初的针尖是直的,皮肤组织的反作用力使柔性针要沿着弯曲的路径嵌入组织。柔性针的针尖是非对称的,可以设计成多种非对称的尖端。其设计可以是被动式的,如设计成有斜面的、扭结的、预弯曲的或者挠曲的尖端。对于被动式设计,柔性针尖端方向的偏转可以在嵌入组织过程中通过针的末端轴的转动实现。

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2.2 同心管机器人设计中的挑战

在设计曲线通道的微创手术机器人过程中,有一些期望的特点需要包含到机器人的设计当中[17].首先,它需要有能力在狭小的弯曲通路中进行导航并且在进入组织中时施加尽可能小的侧向力。其次,末端执行机构可以独立于临近的链接进行操作。第三,在手术部位,复杂的组织手术需要通过机器人的远端执行。最后,机器人需要兼容多种末端执行器及医用设备以易于进行医学应用。举例说明,如果机器人需要使用例如核磁共振的图像指引,它需要与核磁共振设备兼容。 在脑外科微创手术中,手术机器人到达指定的手术部位通常需要三个步骤。第一步是嵌入并且调整管的位置直到它粗略的到达手术部位,然后通过定位机构将机器人位置固定,通常描述为粗定位。接下来的步骤是微定位,通过相关控制系统精确控制机器人的末端链接使机器人到达指定手术部位。最后一步是精确控制末端执行器的完成所需的手术任务。为了设计出执行机构并且定义所需的运动学结构,同心管的数量、曲率和运动方式需要确定好。为了确定同心管的设计参数,必须要理解同心管结合起来相互之间的作用力。同心管之间的相互作用力有两种基本情形,它取决于同心管之间弯曲刚度的比率。 第一种情形是主宰刚度配合的同心管[21]。这种情形的同心管之间的配合,外管的弯曲刚度要远远的高于内管的弯曲刚度,即外管比内管更坚硬,这会使内管的曲率屈服于外管,与外管保持相同的曲率和形状。当内管延伸出外管的末端时,它会松弛变回它原始的预弯曲的曲率形状,当内管收回到外管内时,内管曲率会屈服于外管,和外管曲率相同,且内管曲率不影响外管的形状。这种情形由图 2-4 阐明。

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第 3 章 同心管手术机器人运动学分析 ....... 29

3.1 引言 .... 29

3.2 同心管手术机器人坐标系建立 ...... 30

3.3 同心管手术机器人曲率模型建立 ......... 31

3.4 同心管手术机器人运动学模型建立及遥操作算法 ..... 33

3.4.1 同心管手术机器人正向运动学模型建立 .......... 33

3.4.2 同心管手术机器人逆向运动学模型建立 .......... 36

3.5 本章小结 .... 38

第 4 章 同心管机器人控制系统搭建及实验验证 ..... 39

4.1 引言 .... 39

4.2 控制系统组成 .......... 39

4.3 控制系统元器件选择 ...... 40

4.3.1 电机及编码器的选择 ...... 40

4.3.2 伺服驱动器及运动控制卡的选择 ....... 42

4.4 同心管手术机器人控制平台搭建 ......... 43

4.5 同心管手术机器人遥操作验证实验 ...... 45

4.6 同心管手术机器人应用于脑外科的临床验证实验 ..... 48

4.7 本章小结 .... 50

第4章 同心管机器人控制系统搭建及实验验证

4.1 引言

上一章主要介绍了同心管手术机器人运动学分析,以便对其进行控制。本章主要介绍同心管机器人控制系统搭建,这章主要内容包括电机、驱动器、编码器、控制器的选择、机器人控制系统的控制原理和控制方法等。然后对机器人控制算法的有效性及效率进行了实验验证。

4.2 控制系统组成

伺服控制系统是一种能对试验装置的机械运动按预定要求进行自动控制的操作系统。在大部分情况下,伺服系统指的是系统输出量为速度、位移或加速度的反馈控制系统,其中,反馈系统的作用是确保实际输出的位移或转角可以准确的跟踪系统输入的位移或者转角。原则上,伺服系统的结构组成与其他形式的反馈系统类似。 伺服控制系统在机电一体化系统的应用中结构各异并且种类多样。但是如果从伺服控制系统理论角度来看,一个伺服控制系统一般由控制器、被控对象、执行环节、比较环节、检测环节等五部分组成。通常比较环节是由专门的电路或计算机来执行实现的,主要是比较输入信号和反馈信号,得到输出量与输入量之间的差值信号。控制器通常是对比较环节输出的差值信号进行变换处理,使系统的执行元件按照输入量动作,通常是由 PID 或计算机来控制电路的。执行环节一般是指各种类型的电机、液压马达、气动装置等执行元件按照控制信号的要求输出相应的机械能,使相对应的被控对象达到期望的状态。

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