脊柱手术机器人微动感知器及实时力感知控制研究

常规临床手术中医生的手感往往决定手术成败，因此研究手术机器人的实时力感知有重要的临床意义。本项目以高精准高感知脊柱手术机器人末端微动感知器及其安全控制为研究目标，重点对基于微动并联机构的感知器的构型进行研究，提出利用机构耦合自由度使3自由度机构实现5自由度功能，实现术中实时动静态多方位力信号采集及微位姿调整。本项目将依循小牛骨-青壮年骨-差异性骨样本三个层次开展研究，进行经验模型、生物力学模型、安全控制模型的建立和分析；对手术操作过程建立分段（弹性力、切削力和摩擦力阶段）经验模型；基于生物力学模型重点对骨皮质与骨松质之间过渡区域进行研究，并考虑入路姿态角、钻偏和钻透等多种情况，通过人为设定的错误规划测试并检验其安全控制模型和算法的有效性。本项目对其它需要灵巧操作和高度力感知的手术机器人具有广泛适用性，对提高手术机器人的多重感知性、安全性和操作稳定性具有重要的理论研究和应用价值。

本项目以脊柱椎弓根螺钉内固定钉道手术为背景，围绕脊柱手术机器人的术中感知与安全控制问题开展深入系统的研究。提出采用微动并联机构作为手术机器人灵巧感知器的实现方式。基于对操作工作空间分析，提出利用机构耦合运动以少自由度实现多自由度运动需求的方法，使灵巧感知器具有力感知和微位姿调整双重功能。建立椎弓根钻钉道过程的经验数学模型、生物力学模型。分析了钻钉道过程中接触力主要影响因素，建立接触力经验数学模型，并通过材料参数辨识方法修正数学模型。基于点云建立生物力学模型，实现对椎弓根钻钉道的个性化描述。提出基于生物力学模型的安全控制方法。通过提取生物力学模型的特征参数，分析了椎弓根钻钉道过程中状态精细划分方法，提出机器人状态感知方法，提高机器人钻钉道过程中的安全性。本项目研究实时动静态多方位感知元件、椎弓根钻孔过程接触力经验模型及生物力学建模、手术机器人术中状态感知及控制方法，对脊柱手术机器人进入临床应用奠定重要技术基础。