内窥镜型无创手术机器人的机构创生和系统总成

This project proposes to investigate enabling technologies of surgical robots for NOTES (Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery) in terms of mechanism design and system implementation. NOTES is a recently developed surgical paradigm which uses patient's natural orifices, such as esophagus, vagina and so on, to access internal organs through an endoscope and perform operations. Due to the promising future of further diminishing postoperative complications, endoscopic surgical robots for NOTES could potentially outperform the existing laparoscopic surgical robots, such as the da Vinci system. Research efforts will be firstly focused on the design of a miniaturized distal structure of the endoscopic surgical robot with versatile functionalities using Nitinol-based continuum mechanisms. A hierarchical sequential design process is expected for the continuum mechanism design, optimizing for kinematic performance and payload capability as well as satisfying geometrical constraints stemmed from human anatomy. Upon the construction of the proof-of-concept prototype, research efforts will then be extended to the control of the proposed surgical robot, such as adaptive posture control, sensory information fusion, inverse kinematics based motion planning, etc. Results obtained in this project will not only advance progresses in continuum mechanism design, intelligent control, computer-aided medicine, etc, but also provide enabling technologies for domestic surgical robotics industry that has a vast commercial potential.

本项目拟围绕经自然腔道的内窥镜型无创手术机器人在机构创生与系统总成方面的关键科学问题开展研究工作。内窥镜型无创手术机器人将成像芯片、多种手术器械等集成至一支腔镜中，经食道、阴道等自然腔道进入人体，穿过体内器官壁、组织膜等到达患处完成手术，具有创伤极小、术后恢复快等优势，是当前以美国达芬奇系统为代表的多孔腹腔镜手术机器人的换代装备。本项目提出用基于超弹性镍钛合金的连续体机构替代基于传统运动副的刚性机构，探索多自由度、微型、柔性的无创手术机器人的机械创呈，凝练针对其尺寸约束、运动性能和负载能力的多目标优化设计综合原理；构建原理样机，验证设计可行性，并研究以此衍生出的样机系统位姿智能控制、传感信息融合、复杂构型下冗余系统逆运动规划等科学问题，为后续制备工程样机并开展无创手术的动物和临床试验打下科学基础。

内窥镜型无创手术机器人将成像照明模组、多种手术器械等集成至一支腔镜中，经食道、阴道、尿道等自然腔道进入人体、到达患处完成手术，具有创伤极小、术后恢复快等优势，是当前以美国达芬奇系统为代表的微创手术机器人的换代装备。本项目针对泌尿系统肿瘤里复发率和死亡率最高的膀胱肿瘤，开展了经尿道的膀胱镜无创手术机器人的机构创生和系统总成。针对尿道和膀胱运动空间极端狭窄、膀胱肿瘤需整体切除的临床应用需求，本项目提出用基于超弹性镍钛合金的多杆连续体机构替代基于传统运动副的刚性机构，根据多杆连续体机构的基础构型，运用Cosserat梁理论和椭圆积分等非线性力学理论，探索了膀胱镜手术机器人、特别是其六自由度全维运动手术操作臂和大视野膀胱镜视觉模块的机械创呈，凝练了针对其尺寸约束、运动性能和负载能力的多目标优化设计综合原理，设计出了满足临床应用需求的手术操作臂和膀胱镜，并通过运动仿真和实验验证，确认了相关设计参数的有效性。在此基础上，搭建了膀胱镜无创手术机器人原理样机，膀胱镜外径不足8mm，系统共计15自由度，包括一支3自由度的膀胱镜和2支6自由度的手术操作臂。基于原理样机研究了前述研究内容衍生出的样机系统位姿控制、复杂构型下逆运动规划、运动标定、驱动补偿、电气系统设计、遥操作算法、人机交互实现等科学和技术问题，为后续制备工程样机并开展经尿道无创膀胱肿瘤切除术的动物实验和临床试验打下了科学基础。在项目资助下，提交中国发明专利申请12项，取得了其中的发明专利授权7项；发表Ei检索的国际会议论文10篇，Sci检索的国际期刊论文5篇（包括一篇发表于机器人学顶级期刊IEEE Transactions on Robotics、一篇发表于机电一体化顶级期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics）。项目负责人于项目执行期间获国家自然科学基金委员会“优秀青年科学基金”。