狭小工作空间微创手术机器人及其手眼协调控制机理研究

In the surgical robot based minimally invasive surgery, surgeon suffer from understand and operation difficulties due to the limited vision and the changed manipulation mode in narrow workspace. By combing robotics and clinical medicine techniques, this project explores the innovative design method to realize flexible manipulation in the confined workspace. Based on the research achievement of the developed minimally invasive surgical robot, we further propose a new minimally invasive surgical robot with image processing for navigation in a narrow workspace; design rigid-flexible coupling cascade joint mechanism, and explore the configuration between the flexibility and the rigidity of the thin surgical manipulator to obtain dexterous operation in a narrow space; explore the transition mechanism of the endoscopic perspective to surgeon’s perspective in narrow workspace based on the endoscopic image, and method to establish the doctor’s eye-hand coordination model, analyze the control mechanism for the surgical robot in small workspace to reduce the difficulty of operation understanding and improve manipulability; develop the prototype of the surgical robot, and perform experiments to verify the correctness and effectiveness of our surgical system. The research achievement will provide a new solution for improving the manipulability of the surgical robot in a narrow workspace.

以手术机器人为主要依托的微创手术，由于机械手操作方式及狭小的手术工作空间导致医生视野受限和操作方式发生变化，造成医生理解、操作困难。本项目将机器人工学和临床医学两者有机结合，探索狭小受限手术工作空间中灵巧操控的微创手术机器人创新设计方法，在已研发的多自由度微创手术机器人研究基础上，提出进一步开发基于内视镜图像处理的小空间内柔顺化操作的微创手术机器人；设计刚柔结构耦合的级联关节机构，探索细径机械手灵巧性与刚性的平衡配置，实现狭小手术工作空间内灵巧操作；基于内视镜图像信息，探索狭小空间中内镜视角手术场景向医生视角手术场景演化的转换机制，及可变视角下的医生手眼协调映射模型的建立方法，研究狭小工作空间微创手术机器人的控制机理，降低医生理解难度和提高操作柔顺性；开发手术机器人样机，结合模拟实验验证所提出理论和方法的正确性和有效性。本项目研究成果将为小空间微创手术机器人柔顺化操作研究开辟新思路。

以手术机器人为主要依托的微创手术，由于机械手操作方式及狭小的手术工作空间导致医生视野受限和操作方式发生变化，造成医生理解、操作困难。本研究利用刚柔结构耦合方式研制了一种新型的弯曲曲率连续可控的柔性执行器，构建了基于物理主手-微创手术机器人的主从控制系统；本研究利用双目视觉方式建立了手术区域视角连续切换的手眼协调控制模型，并且集成到微创手术机器人系统中。实验结果表明，柔性执行器能够实现万向弯曲运动，当柔性关节前端弯曲角度≤60°，且刚柔结构耦合比例≤70%时，柔性执行器前端位置误差≤2.3°。本研究利用物理主手和脚踏板协同控制内镜影像视角切换角度，通过视角切换功能有/无模式下套环转移和持针缝合操作实验表明，操作者能够连续控制内镜中手术区域影像的观察视角至合适的手眼协调空间关系，减轻了操作者的操作难度。本研究研制的刚柔结构耦合柔性执行器和主从模式下基于内镜影像构建的手眼协调控制模型为狭窄工作空间微创手术机器人系统提供了一种新的设计方案，能改善机械手在约束空间中的操作灵活性，为微创手术机器人在婴幼儿、腔道等狭小手术空间中应用提供了一种可行的思路。