显微外科手术机器人系统（MicroHand）的研究与开发

本文主要针对显微外科手术机器人(MicroHand)的控制系统进行了设计和开发。以PC计算机为平台建立了一个集运动控制、触觉感知、图像采集、实时通讯为一体的开放式控制系统;对主从异构型机器人的控制方法进行了深入的研究,取得了一定的研究成果,并将其成功的用在MicroHand系统中。 基于显微外科手术的基本操作和空间布局,以血管吻合显微手术操作为实际应用对象,对医生的动作进行了记录和量化分析,以此为标准设计了平面关节型的从手操作器。由于采用了巧妙的双四连杆机构,从机械结构上将机器人的位置和姿态解耦,大大简化了控制算法。在四连杆的实现机构上采用了新型丝传动方式,即简化了机构,又减轻了重量。 首先,建立了MicroHand机器人主手和从手的运动学方程,通过数学模型之间的广义映射建立坐标系之间的对应关系,从而解决了主从异构型机器人的控制难题。其次,与此同时在将运动学逆解的公式,通过微变化方式进行了线性化处理,减小了计算量,提高了系统的实时性。线性化公式就像一把双刃剑在简化计算的同时也降低了系统的精度,为补偿线性化公式的误差,采用了将误差作为反馈值组成闭环的控制算法来改善其精度。最后,在计算机仿真试验中,可以观测到线性化公式的精度有了明显的提高。 为了验证理论分析设计的正确性和有效性,分别对MicroHand主从机器人的从手和整个系统的主从控制过程进行了详细的实验验证,并运用该系统进行各种如切开、分离、止血等基本操作的功能性试验及“穿针引线”的灵活性实验。最后,经过对仿造血管的多次吻合操作后,MicroHand系统作为主刀医生成功的对兔子颈部动脉进行了血管吻合手术。