刚度可控单孔手术机器人系统创成与动力学行为研究

Compared with the traditional Minimally Invasive Surgery (MIS), Single Incision Laparoscopic Surgery (SILS) gets better performance on blood loss and recovery time. It has been considered as the next-generation surgical technology. However, the existing rigid surgical instrument could not provide direct motion mapping for SILS, while the soft instrument can solve that problem but could not implement enough operation force. This extremely imposes restrictions on SILS. .Focus on the vital problem of insufficient stiffness of the SILS robot, an integrate synthesis method is proposed in this proposal for structural design based on the working principle of the variable stiffness material. Depending on this method, several structural models will be designed and the best one will be chose for the SILS robot. Mechanism model, Kinematics and dynamics performance models are to be constructed to describe the amorphous morphology of the robot, and the strategy of information transmission between soft and rigid robotics will be researched on. Underlying security guideline is judged by the interaction between the robot and live tissue to confirm a safe area for operations in physics. Virtual environment for surgery is simulated to provide initial data for robot design. A platform of SILS animal experiments would be built up for system test. .This project meets medical requirements, also aims at solving engineering problem. The results will greatly promote independent innovation of advanced medical equipment and improve national medical standards.

相比于传统多孔微创手术而言，基于腹腔镜的单孔手术具有出血更少、恢复效果更好等优势，是未来手术模式的发展方向。但在单孔手术模式与微创环境下，现有刚性手术工具无法提供直观的操作映射，而柔性手术工具虽然能够提供操作映射却无法提供足够的操作力，这严重制约着单孔手术的发展。本项目着眼于单孔手术机器人系统刚度不足的瓶颈问题，结合功能材料的变刚度机理，提出材料特性-结构功能-机构构型一体化创成思想。针对变刚度机构引入的不定形态机构学模型与动力学行为问题开展研究，建立模型间信息传递策略。基于生-机交互作用机理构建底层安全行为准则，规划机器人安全操作区域。本项目基于真实手术信息虚拟重建仿真环境，为机器人的设计提供初始依据，通过动物实验进行系统性理论验证，以医学为应用背景，重点解决工程科学难题，为推进我国先进医疗设备自主创新和提高国民医疗水平奠定理论基础。

单孔入路的限制对单孔微创手术机器人提出了更高的技术要求。单孔微创手术机器人不得不在更有限的范围内集成更多的运动自由度；在更加受限的操作空间内提供足够的操作精度及手术操作力；在高度集成的系统中，提供良好手眼协调一致性。基于上述医学需求并面向国家重大项目战略及科学前沿问题，本课题完整开发了单孔机器人操作臂上的理念及方法。主要工作包括如下几个方面：.1. 建立材料-结构-功能一体化创成方法。以结构代替机构，突破传统关节式机构的运动特点，利用变刚度特性实现机构的动和静。建立时变机构模型，开展运动学和动力学分析，实现软体机构在运动过程中的动态行为参量化描述与控制。.2.提出了变刚度单孔手术机器人系统设计方法。基于单孔手术临床操作模式、入路方式及手术操作力等医学临床需求分析，结合“Y”构型单孔机器人模式，完成了变刚度关节构型和功能、耦合丝传动方式及操作系统集成方案分析并对关键设计参数的选择提供理论基础。搭建单孔手术机器人样机，并试制了相关器械。.3. 建立了变刚度单孔机器人主从控制策略。实现了“所见即所动”的直觉映射及基于比例增量控制原理的精准控制方法。基于交互作用建立底层安全判断准则，避免在断电、损坏、误操作等意外情况下损伤健康生命组织，有效提升手术机器人手术操作过程的安全性。.4. 对变刚度单孔机器人系统进行了完整的实验研究。实验研究得出，刚柔转化最短时间为5s；操作臂在刚态下，其刚度相较于柔态下提高3.02到4.12倍，操作臂在刚态下的极限负载达到10N。定位精度实验及主从映射实验验证了运行学及控制策略理论分析的正确性。主从跟踪误差实验表明，操作臂在刚态下的稳定性明显高于柔态下的稳定性。动物组织实验表明，本课题所开发的变刚度单孔机器人系统，其操作臂在刚态下具有较好的刚性、稳定性及足够的提拉力，在柔态下具有良好的灵巧性及灵活性。本课题所开发的变刚度单孔机器人系统及器械能够满足微创手术典型操作任务。