可重构的心动脉内介入手术机器人系统研究

Aiming at the need of interventional therapies of cardiac aorta and combining the advantages of wire-driven and shape memory alloy (SMA) driven bending catheter units, a reconfigurable interventional surgical robotic system is proposed with structure optimization. Master-slave control mode is adopted to this surgical system. .Distal end of the catheter is composed of a 2-DOF SMA active bending unit and a controlled adsorption unit in series, thus it can fix or fine adjust the position after reaching the target area. The extensive bend and obstacle avoidance of catheter is driven by three or more wire-driven bending units in series. In this project, integration planning method is proposed to solve system structure and motions under different intervention operating environment. Based on spatial operator algebra and multi-body system theory, the recursive dynamic model of the rigid-flexible coupling robotic system is established and fast algorithm of obstacle avoidance planning is proposed. An error compensation method based on accurate identification and standardization of kinematics parameters is proposed. In this project, a contact force measuring method of the catheter is also involved. The precise measurement of force between the blood vessel walls and catheter front and side reaction will be realized. In further studies, valid identification of biomechanical parameters of vascular tissue will be researched to ensure master-slave or remote operation an accurate force feeling. This project will effectively improve China's voice in the field of advanced medical equipments.

本项目针对近心脏主动脉内介入操作需要，综合绳索驱动及形状记忆合金（SMA）驱动主动弯曲单元各自的优势，研究一种面向近心脏主动脉内介入操作需要的复合驱动的可重构的主动导管系统。该系统采用主从控制模式，导管头部由1个两自由度SMA驱动主动弯曲单元串联可控吸附单元组成，实现导管头端到达目标区域附近后的位置微调及固定；导管的大范围位姿调整及避障由3个以上两自由度绳驱动弯曲单元串联而成冗余系统来实现。项目将提出面向差异化介入手术环境的机器人导管系统结构与运动一体规划方法；基于空间算子代数和多体系统理论研究刚柔耦合系统递推动力学建模方法及避障规划算法；提出基于运动学参数精确辨识和标定的控制误差补偿方案；提出一种导管接触力测量方案，精确测量导管前端和侧壁与血管壁的作用力，快速辨识血管组织生物力学特性参数，并应用于虚拟辅助手术系统中，力反馈逼真度更高。项目将有效提升我国在高端医疗装备领域的话语权。

本项目研究了一种面向心血管介入诊疗的主从控制的可重构机器人化介入系统，围绕介入机器人系统的可重构结构、运动建模及驱动补偿、封闭环境下的机器人运动规划、可穿戴式触觉反馈主手、力觉、触觉及形状传感器与柔顺性反馈控制等工作展开。针对手术任务要求、血管结构及障碍等约束，提出了导管机器人结构重构规划算法，实现了手术机器人系统结构方案规划；基于几何分析法研究导管机器人的运动学模型，建立了各节弯曲单元参数与运动变形间的映射关系，研究了结构参数对其运动性能的影响；基于Kane法建立了导管机器人的动力学模型，研究了绳-轮传动系统传动摩擦及关节间耦合力矩对运动变形的影响；为提高机器人的控制精度，提出了一种基于驱动误差补偿的机器人前馈控制方法；在血管中心线约束下基于脊线法和关节等效法提出了一种导管机器人运动规划方法，实现导管机器人半自主介入操作；设计了一种可穿戴式振动反馈手套，提出了一种基于振动触觉的分布式主手导航方法，实现对机器人末端精确的安全控制；设计了用于连续体机器人的力/触觉及形状感知传感器，得介入手术过程中与器官组织的接触力及弯曲变形状态；搭建了介入导管机器人手术系统原理样机，完成了系统运动性能、传感性能、控制性能等各方面性能的实验。该导管机器人的的研究为推进医疗机器人技术的应用奠定了基础。