基于仿生嘴的腹腔微创手术及自动取样微型机器人研究

腹腔微创手术机器人的微型化设计已经成为国际研究热点之一。本申请基于仿生微机械的设计原理，提出了基于仿生嘴的腹腔微创手术及自然腔道病理组织自动取样微型机器人的仿生学设计新方法。包括：1) 建立C空间中多自由度柔性腹腔微创手术微型机器人的运动学、动力学模型，设计照明、视觉、手术操作一体化的欠驱动辅助微创手术微型机器人，解决多自由度腹腔微创手术器械"单创口"操作的微型化与运动规划问题。2 在此基础上探索"蛇嘴"的抓取、操作机理，提出基于"仿生嘴"的自然腔道病理组织自动取样微型机器人，构建与微创手术机器人对接的可重构模块接口，建立基于Voronoi图的仿生嘴自动取样操作运动规划方法，解决"NOTES手术"病理组织自动取样微型机器人的智能化设计问题。最后进行腹腔微创手术及病理组织自动取样微型机器人的仿生原型实验系统研究，为腹腔单创口微创手术机器人的临床应用提供关键技术支撑。

单创孔腹腔微创手术微型机器人的仿生学设计是当今国际机器人的研究热点与难点之一，希望通过研究生物的运动机理，实现机器人手术的微创和灵巧操作。课题将机器人机构学与可重构模块机器人理论相结合，开展了基于仿生嘴的腹腔微创手术及自动取样微型机器人的关键技术及基础理论的研究工作，取得了以下成果：. （1）提出了一种基于仿生嘴的腹腔微创手术及自动取样方法。包括：分析了蛇嘴的解剖学原理，以实现蛇嘴的张开咬合以及吞食动作为目标设计了仿生蛇嘴机构，通过建立运动模型对仿生蛇嘴机构进行运动学分析，得到了上颚尖牙点的运动关系曲线，并进行了仿生嘴动力学分析。仿生嘴的概念和取样操作方法的提出，是本课题的重要贡献之一。. （2）提出了一种新颖的多自由度单创孔腹腔微创手术机器人，进行了机器人的三维结构建模，设计了单创孔腹腔微创手术机器人灵巧手及其模块化构型；具体包括三种机器人拓扑结构，第一种是三臂灵巧手机构，第二种是单臂柔性臂机构，第三种是模块化双臂机构。第一种三臂灵巧手机构，包括两个末端安装手术刀的7自由度的机械手臂，一个末端安装摄像头的5自由度的机械手臂。第二种单臂柔性臂机构，包括柔性机器人关节的弹性材料，每节通过一个顶盖来连接钢丝，将钢丝的力通过顶盖传递给柔性机器人，引发机器人关节可控的形变。一种模块化的双臂多关节单创孔腹腔微创手术机器人，由机械臂和动力部分组成，机械臂包含一个连接架和两条结构相同的手臂，安装在一个4个自由度的SCARA机器人末端上。课题还对机械臂进行了正、逆运动学的分析，仿真实验表明第三种模块化构型针对腹腔可以实现单创孔手术的基本动作，基本满足腹腔微创手术的操作要求。. （3）建立了腹腔微创手术微型机器人验证平台，包括建立了微操作机器人系统柔性臂实验平台，进行了基于仿生嘴的单柔性臂病理组织抓取实验研究；建立了模块化单创孔双臂腹腔手术机器人实验平台，进行了模块化单创孔双臂腹腔手术的宏微机械手实验。实验证明了项目所提方法的正确性。. 总之，在单创孔微创手术机器人方面提出了一套独特的模块化方法，有助于解决狭小空间内机器人操作的共性基础问题，可为未来微创手术机器人的应用提供一定的借鉴。共发表论文5篇，其中SCI收录1篇，EI收录4篇，申请发明专利7项，授权5项，软件注册1项，参加国际会议2次，培养本科生11人、硕士生3人（毕业2人）、博士生1人（在读）。