肝胆胰微创外科手术力觉感知与力觉反馈关键技术研究

Due to the complex of the function and the anatomy of liver and pancreas, the Hepato-biliary-pancreato surgery is with great difficulty with current endoscopic surgery instruments. Since the robotic surgery brings less trauma, faster recovery, it gradually becomes the mainstream in endoscopic surgery. However the force perception and force feedback technology is still not mature in the foreign high-end endoscopic surgical robot system. The force perception and force feedback is important sense for human being, without the force perception and force feedback which is important for doctor’s operation, the surgical operation become more complex. . This project is researching on the force perception and force feedback from the need of the development of the minimally invasive hepato-biliary-pancreato surgery, researching on force perception algorithm of the slave robots, exploring the force perception of sensing unit which not only can measure the three-dimensional force and torque and can be suitable for narrow space and does not affect the micro end effector driving, researching on force feedback algorithm of the master robots, exploring force characteristics of suture and knot key operation of anastomotic stoma in pancreatoenterostomy in hepato-biliary-pancreato surgery, and exploring the whole process of force perception of the slave robots and force feedback of the master robots in minimally invasive hepato-biliary-pancreato surgery. . The research contents are related to the general basic problems of the slave robots and master robots in minimally invasive surgery, in which the theory base of the force perception and force feedback functions of the slave/master robots are provided in the minimally invasive hepato-biliary-pancreato surgery. The project will improve the development of the minimally invasive surgical robots with independent intellectual property rights in China.

肝脏和胰腺功能和解剖复杂，现有腹腔镜手术器械难以开展肝脏和胰腺微创手术。机器人手术创伤小，恢复快，成为微创外科发展趋势。然而，国外高端微创外科机器人力觉感知反馈等关键技术尚不成熟，力觉感知是人类重要感觉之一，缺乏对精细操作至关重要的力觉感知反馈将增加医生手术难度。. 本项目以肝胆胰微创手术为切入点，深入探讨力觉感知反馈难题，研究微创肝胆胰手术从动机器人的力觉感知算法，探索既能测量三维力和力矩又能适合狭小空间运行并且不影响微小末端执行器的驱动的力觉感知传感单元，研究微创肝胆胰手术主动机器人的力觉反馈算法，探索肝胆胰手术胰肠吻合缝合、打结等关键操作的力觉特性，揭示肝胆胰微创手术的从动机器人的力觉感知到主动机器人的力觉反馈完整感知与反馈过程。. 研究内容涉及微创手术机器人的共性基础难点问题，为实现肝胆胰微创手术机器人的力觉感知与力觉反馈功能提供理论基础，促进我国自主知识产权微创手术机器人发展。

机器人手术创伤小，恢复快，成为微创外科发展趋势。然而，国外高端微创外科机器人力觉感知反馈等关键技术尚不成熟，力觉感知是人类重要感觉之一，缺乏对精细操作至关重要的力觉感知反馈将增加医生手术难度。本项目以肝胆胰微创手术为切入点，研究微创外科手术的从动机器人的力觉感知；研究微创外科手术的主动机器人的力觉反馈；研究微创肝胆胰手术的关键难点操作的力觉感知特性。. 本项目完成了肝胆胰微创手术从动机器人优化设计，优化设计了从手末端执行器力感知的微型力传感器，提出了适用于微创外科手术机器人微小尺寸要求的弹性体的设计方案，设计制造了一款微型力觉传感器六维力传感器，将弹性体结构设计成可直接结构解耦的滑移十字梁结构，实现了测量力觉信息的无维间耦合，避免了复杂的计算解耦，其最大维间耦合误差为3.8%。. 完成了符合人机工程学的多自由度微创外科手术主动机器人的优化设计和制造。完成了主手和从手位姿的正逆运动学分析计算。. 提出了基于模糊滑模控制器的微创手术机器人的主从力位控制，该控制器结合了模糊控制和滑模控制的优点，通过实验验证表明，解决了手术机器人抖振的现象，响应速度快、运动稳定性好，满足肝胆胰微创手术机器人主从操作要求，实现了主手力觉感知与从手力觉反馈。. 完成了肝胆胰微创手术缝合、打结力觉特性实验研究，动物实验验证了主手力觉感知与从手力觉反馈的有效性和安全性。. 该项目在实施过程中在本领域重要学术刊物和会议发表本项目资助论文15篇，其中SCI检索国际期刊9篇、EI检索国际会议6 篇，SCI论文占发表论文的60%。. 申请或获得国家发明专利9项（其中6项获得授权），获得软件著作权2项。. 毕业研究生13名（其中毕业博士4名，毕业硕士9名）. 这项研究的结果为实现肝胆胰微创手术机器人的力觉感知与力觉反馈功能提供理论基础，将促进我国自主知识产权微创手术机器人发展，具有广阔的发展和应用前景。