面向微创手术的力感知空间并联RCM机构创成及其柔顺控制研究

Oriented to the clinical requirements of minimally invasive surgery (MIS) and development status of robot assisted surgery, this subject will take researches on some basic theory and key technology for surgical robot, researches will include: mechanism, force sensing and control with some innovative solutions. Firstly, parallel mechanism is taken as implementation scheme for spatial remote center of motion (RCM), and type synthesis for parallel mechanisms is developed based on screw theory and group theory. Facing the demand of force sensoring and the difficulty of sensor arrangement, the integrated design combined with “mechatronics and sensoring” is presented. Using multi-sensors, the surgical robot is also designed as a parallel force sensing device with redundant sensing information; it can measure the operating force accurately. Facing the uncertainty of operating environment for MIS, active compliance control is introduced to improve the compliance of surgical robot on the environment, by using the impedance control strategy with variable stiffness to make the robot be more adaptable to different operations. The research of this subject not only expands the theory and application of parallel mechanism, but also satisfies the clinical requirements and solves the clinical problems for MIS, which has important scientific significance and practical value.

课题结合微创外科手术的临床需求和机器人辅助外科的发展现状，围绕微创手术机器人的若干基础理论与关键技术展开研究：从机构、力感知和控制的角度为微创手术提供创新性的解决方案。首先，提出利用并联机构作为空间RCM运动的实施方案，并通过螺旋理论和李群理论相结合的方法完成空间并联RCM机构的构型综合。针对微创手术的力感知需求及传感器布置难度，提出基于“机电—传感”一体化设计方法对机构进行建模与设计。利用多传感器布置，使手术机器人构成力觉信息冗余的并联传感装置，实现对手术操作力的精确提取。针对微创手术操作环境的不确定性，提出利用主动柔顺控制方法提高手术机器人对手术环境的顺从性；并利用变刚度阻抗控制策略使机器人对不同的手术操作具有更好的适应性。本课的题研究不仅拓展了并联机构理论及其应用，而且针对微创手术的临床需要、解决临床问题，具有重要的科学意义和实际价值。

课题结合微创外科手术的临床需求和机器人辅助外科的发展现状，围绕微创手术机器人的若干基础理论与关键技术展开研究：从机构、力感知和控制的角度为微创手术提供创新性的解决方案。首先，提出利用并联机构作为空间RCM运动的实施方案，并通过螺旋理论和李群理论相结合的方法完成空间并联RCM机构的构型综合。在构型综合过程中就考虑机构的力感知实现，对构型进行优选；利用仿真软件验证机构的运动自由度，综合出机构5套，申请专利2项。在机构构建过程中，在驱动部件上布置一维力传感器，通过驱动力的信息反算机构操作力的状态。在此过程中，对机构进行系统的运动学、静力学及动力学建模，并依据各模型建立机构的全局性能指标，在力学指标中着重考虑力传感精度和分辨率，以机构性能最优为目标完成机构参数优化设计。基于建立的机构力感知模型，并结合手术的力学需求的分析，完成机构在手术空间内不同方向、不同操作状态的刚度配置，并以此为阻抗刚度进行机构的变刚度阻抗控制器设计，最终实现机构在手术空间内的柔顺控制。最终构建了微创手术机器人实验样机，进行验证性研究。本课的题研究不仅拓展了并联机构理论及其应用，而且针对微创手术的临床需要、解决临床问题，具有重要的科学意义和实际价值。