鼻内镜手术辅助机器人机构设计与安全控制研究
发布时间：2020-12-15 11:44
鼻内镜手术是治疗鼻腔鼻窦炎症、彻底清除鼻腔鼻窦病灶的有效方法。由于人体鼻腔鼻窦与眼眶及颅脑毗邻,解剖结构复杂且手术区域狭小,使得鼻内镜手术具有较高风险。传统的鼻内镜手术,一般是医生左手持鼻内镜、右手操作手术器械,实施手术。由于手术通道狭窄细长,鼻内镜到达受术区过程严重依赖医生经验;医生长时间徒手持镜易疲劳抖动,产生误操作;此外对于一些复杂手术,需要助手医生辅助持镜、主刀医生双手操作手术器械,医生间操作易干涉,协调配合难。引入机器人来辅助医生把持鼻内镜,充当医生的第三只手,可以将机器人的突出优点和医生经验结合起来,使得主刀医生变单手操作为双手操作,增强操作稳定性、提高手术质量和安全性。本文针对鼻内镜手术辅助机器人的机构设计与安全控制展开研究,提出随动式鼻内镜手术辅助机器人系统,并对机器人的机构构型、运动规划和约束、安全控制等关键科学问题开展研究,为鼻内镜手术辅助机器人早日临床积累了经验。本文通过分析典型鼻内镜手术流程、内窥镜的工作空间特点以及术中机器人摆位要求等,提出适用于鼻腔狭小空间的机器人构型方案。对于机器人末端执行机构,设计基于远端中心运动(RCM)机构的构型方案;并在此基础上,提...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：160 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
鼻内镜手术的典型场景及鼻腔周边解剖结构示意图
术机器人和主动式手术机器人。1.2.1 被动式手术机器人被动式手术机器人由于结构简单，最早应用于鼻内镜手术中。上世纪 80 年代，德国 Karl Storz 公司研发了被动式手术机器人 Tiska[8]。该机器人主要用来代替医生在手术中把持内窥镜，系统关节全部采用被动式结构，通过电磁摩擦原理来实现各个关节的锁定和松止。随后，日本 Mitaka 公司研制了二款被动式持镜机器人 Point Setter 和 UniARM[9, 10]，主要用于脑外科内窥镜的夹持操作，也可以适用于鼻腔手术。UnitracArm 是 Aesculap 公司开发的用于手术中辅助医生夹持内窥镜或器械的持镜机器人，如图 1.2（a）所示[11, 12]。该机器人由三个模块化球关节组成，采用气动锁紧；当医生需要调节机器人末端内窥镜的位姿时，按下气动开关，各个球关节松开，机器人可以自由拖动到合适的位姿；松开开关，各个球关节锁止，机器人保持原位姿不动，辅助持镜，一定程度上减轻了医生的负担。
鼻内镜手术辅助机器人机构设计与安全控制研究日本 OLYMPUS 公司也研发了一款可用于脑外科、耳鼻喉和脊柱等手术镜机器人 EndoArm，如图 1.2（b）所示[13-16]。该机器人采用气动反向制动方式，通过操作开关的导通或者释放压缩氮气使关节解锁。该系统的操作手内窥镜做成一体，结构紧凑，便于医生单手操作。2014 年，中国科学院深进技术研究院与北京大学第三医院联合研发了用于鼻腔手术的被动式持镜人[17]。如图 1.3 所示，该机器人主要包括自适应导轨夹持机构、三自由度转节，二个球关节以及一个末端微调机构。系统采用气动反向制动技术，结构，调节灵活。动物离体实验表明该款机器人基本能够满足鼻腔手术要求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Savitzky-Golay算法的录井气测曲线滤波技术[J]. 王宝华. 西部探矿工程. 2017(06)
[2]基于特征参数与双协作空间的腹腔微创手术机器人术前规划[J]. 杨景,于凌涛,王岚,汤泽旭,李艳辉. 机器人. 2017(02)
[3]国产机器人妙手S系统远程手术实验研究[J]. 李爱民,李进华,李建民,张涛,杨瑞林,邢元,刘全达,王树新. 腹部外科. 2016 (06)
[4]基于协作空间与灵巧度的机器人辅助微创手术术前规划算法[J]. 王伟,王伟东,董为,杜志江,孙永平. 机器人. 2016(02)
[5]基于力反馈的颅颌面骨科手术机器人协调控制[J]. 张海青,栾楠,张诗雷,桂海军,袁斯辰. 机械与电子. 2012(05)
[6]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[7]虚拟手术仿真系统关键技术的研究[J]. 梁辉. 科技资讯. 2010(19)
[8]中国鼻咽癌流行概况[J]. 魏矿荣,余元龙,杨有业,季明芳,余炳辉,梁智恒,任小青. 实用预防医学. 2010(04)
[9]基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J]. 赵燕江,张永德,姜金刚,邵俊鹏. 机械科学与技术. 2009(12)
[10]基于外摩擦的医疗机器人关节锁紧结构实验研究[J]. 王洪建,曹彤,刘达,唐粲. 机器人. 2009(03)
博士论文
[1]腹腔微创手术机器人系统从手机构与控制的研究[D]. 牛国君.哈尔滨工业大学 2017
[2]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
[3]鼻内镜蝶鞍、翼腭窝及相关区域手术解剖及外科技术研究[D]. 冯国栋.中国协和医科大学 2008
硕士论文
[1]脊柱手术机器人的柔顺控制及骨削手术规划[D]. 郑小丽.湖南大学 2013
[2]腹腔微创手术机器人结构分析与术前规划虚拟建模及仿真[D]. 王莹.天津大学 2009
本文编号：2918210
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：160 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
鼻内镜手术的典型场景及鼻腔周边解剖结构示意图
术机器人和主动式手术机器人。1.2.1 被动式手术机器人被动式手术机器人由于结构简单，最早应用于鼻内镜手术中。上世纪 80 年代，德国 Karl Storz 公司研发了被动式手术机器人 Tiska[8]。该机器人主要用来代替医生在手术中把持内窥镜，系统关节全部采用被动式结构，通过电磁摩擦原理来实现各个关节的锁定和松止。随后，日本 Mitaka 公司研制了二款被动式持镜机器人 Point Setter 和 UniARM[9, 10]，主要用于脑外科内窥镜的夹持操作，也可以适用于鼻腔手术。UnitracArm 是 Aesculap 公司开发的用于手术中辅助医生夹持内窥镜或器械的持镜机器人，如图 1.2（a）所示[11, 12]。该机器人由三个模块化球关节组成，采用气动锁紧；当医生需要调节机器人末端内窥镜的位姿时，按下气动开关，各个球关节松开，机器人可以自由拖动到合适的位姿；松开开关，各个球关节锁止，机器人保持原位姿不动，辅助持镜，一定程度上减轻了医生的负担。
鼻内镜手术辅助机器人机构设计与安全控制研究日本 OLYMPUS 公司也研发了一款可用于脑外科、耳鼻喉和脊柱等手术镜机器人 EndoArm，如图 1.2（b）所示[13-16]。该机器人采用气动反向制动方式，通过操作开关的导通或者释放压缩氮气使关节解锁。该系统的操作手内窥镜做成一体，结构紧凑，便于医生单手操作。2014 年，中国科学院深进技术研究院与北京大学第三医院联合研发了用于鼻腔手术的被动式持镜人[17]。如图 1.3 所示，该机器人主要包括自适应导轨夹持机构、三自由度转节，二个球关节以及一个末端微调机构。系统采用气动反向制动技术，结构，调节灵活。动物离体实验表明该款机器人基本能够满足鼻腔手术要求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Savitzky-Golay算法的录井气测曲线滤波技术[J]. 王宝华. 西部探矿工程. 2017(06)
[2]基于特征参数与双协作空间的腹腔微创手术机器人术前规划[J]. 杨景,于凌涛,王岚,汤泽旭,李艳辉. 机器人. 2017(02)
[3]国产机器人妙手S系统远程手术实验研究[J]. 李爱民,李进华,李建民,张涛,杨瑞林,邢元,刘全达,王树新. 腹部外科. 2016 (06)
[4]基于协作空间与灵巧度的机器人辅助微创手术术前规划算法[J]. 王伟,王伟东,董为,杜志江,孙永平. 机器人. 2016(02)
[5]基于力反馈的颅颌面骨科手术机器人协调控制[J]. 张海青,栾楠,张诗雷,桂海军,袁斯辰. 机械与电子. 2012(05)
[6]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[7]虚拟手术仿真系统关键技术的研究[J]. 梁辉. 科技资讯. 2010(19)
[8]中国鼻咽癌流行概况[J]. 魏矿荣,余元龙,杨有业,季明芳,余炳辉,梁智恒,任小青. 实用预防医学. 2010(04)
[9]基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J]. 赵燕江,张永德,姜金刚,邵俊鹏. 机械科学与技术. 2009(12)
[10]基于外摩擦的医疗机器人关节锁紧结构实验研究[J]. 王洪建,曹彤,刘达,唐粲. 机器人. 2009(03)
博士论文
[1]腹腔微创手术机器人系统从手机构与控制的研究[D]. 牛国君.哈尔滨工业大学 2017
[2]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
[3]鼻内镜蝶鞍、翼腭窝及相关区域手术解剖及外科技术研究[D]. 冯国栋.中国协和医科大学 2008
硕士论文
[1]脊柱手术机器人的柔顺控制及骨削手术规划[D]. 郑小丽.湖南大学 2013
[2]腹腔微创手术机器人结构分析与术前规划虚拟建模及仿真[D]. 王莹.天津大学 2009
本文编号：2918210
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