外科手术机器人的操作精品课件

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机器人外科手术简介
至今为止，达芬奇 (Da Vinci)手术机器 人不断的更新换代 仍是世界手术机器 人最高水平的代表
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达芬奇机器人器件
达芬奇机器人系统
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机器人外科手术简介
达芬奇机器人手术系统的构成 ：
医生操控台 旁床机械臂 3D成像系统
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外科医生控制台
外科医生控制台是达芬奇机器人系 统的控制中心，由计算机系统、监 视器、控制手柄、脚踏控制板及输 出设备组成。外科医生控制台的操 作者坐在消毒区域以外，通过使用 控制手柄来控制手术器械和立体腔 镜。术者通过双手动作传动手术台 车上仿真机械臂完成各种操作，从 而达到术者的手在患者体内做手术 的效果。同时可通过声控、手控或 踏板控制腹腔镜。术者双脚置于脚 踏控制板上配合完成电切、电凝等 相关操作。达芬奇机器人系统让术 者在微创的环境里可以达到开放手 术的灵活性
3. 主从控制中，经过运动学反解得到从手关节轨迹速度和加速 度不连续，导致机器人运动不平稳，为避免此问题，需要在关节 空间内规划机器人运动轨迹，得到连续平滑的轨迹。
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机器人结构及控制系统
基于腹腔微创手术的主从手关节结构配置方案
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主手控制系统
Force Dimension Omega 7
Omega 7 的操作演示
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机器人结构及控制系统
主从控制系统
手术机器人主从控制结构
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机器人结构及控制系统
控制系统硬件结构
手术机器人控制系统硬件结构
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机器人结构及控制系统
等效微分变换法的主从控制：
操作臂的运动方程表示为
（1）
式中q为关节角度，x为操作臂末端在笛卡尔空间的坐标。
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出血少等优点
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机器人外科手术简介
发展历史
1985年，美国，自主定位的立体定向装置完成脑组织活检 1989年，英国，6自由度Puma机器人，开展前列腺手术切除术 1994年，Computer motion公司于研发了内镜光学定位外科机器人系统 “AESOP” 1999年初，由两家美国公司(Computer Motion和Intuitive Surgical)先后独立 研制的宙斯(Zeus)和达芬奇(Da Vinci)两套手术机器人系统 2001年，法国远程Zeus机器人开创了远程手术的先河
基于外科手术的 机器人控制
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Baidu Nhomakorabea 目录
机器人外科手术简介
1. 研究意义 2. 发展状况
机器人结构及控制系统
1. 总体结构 2. 主从控制系统 3. 力反馈系统
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机器人外科手术简介
传统外科手术 定位精度不高 术者疲劳、动作颤抖 受空间及环境约束大 缺乏三维医学图像导航 手术器械操作局限性 位姿受手术环境影响
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机器人外科手术简介
中国发展状况
1997年，研制了基于Puma262的脑外 科机器人辅助定位系统，填补了国内 医用机器人研究的空白 2000年，海军总医院研制了计算机辅 助立体定位神经外科手术系统 2010年，由天津大学、南开大学和天 津医科大学总医院联合研制的“妙手 Ａ”系统
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图1 妙手A
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手术机器人主从控制系统的三个主要问题 ：
1. 从手需要快速准确地跟踪主手运动，并将在手术区域所接受 到的一些信息( 如视频图像信息)通过通讯环节反馈给操作医生。
2. 手术过程中，主操作手上的医生会不可避免地产生手部抖动， 这些无关抖动会造成手术器械末端的抖动，从而影响精度，所以 必须消除抖动。
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成像系统
成像系统(Video Cart)内装有外 科手术机器人的核心处理器以及 图象处理设备，在手术过程中位 于无菌区外，可由巡回护士操作， 并可放置各类辅助手术设备。外 科手术机器人的内窥镜为高分辨 率三维(3D)镜头，对手术视野具 有10倍以上的放大倍数，能为主 刀医生带来患者体腔内三维立体 高清影像，使主刀医生较普通腹 腔镜手术更能把握操作距离，更 能辨认解剖结构，提升了手术精 确度。
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外科手术机器人 准确定位 动作灵巧、稳定 减轻术者疲劳 信息反馈直观（三维图） 术前快速手术设计 避免辐射、感染的影响 灭菌简单
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为什么需要手术机器人：
1.微创手术和传统手术伤口的比较
2.手术机器人比人工手术更加精细化
所以采用机器人手术具有创口小，疤痕小、疼痛轻、恢复快、出院时间短，
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机器人结构及控制系统
取操作臂工作空间中任意一点为中心(定点(-2.66mm,-15.08mm,765.7mm))， 在其周围2mm*2mm范围内计算跟随误差，结果如图5。
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机器人结构及控制系统
轨迹规划
本文选择在关节空间内规划机器人的运动轨迹，得到连续平 滑的轨迹。对通过运动学反解得到的每两个关节路径点实时 进行一次插值运算，三次样条函数具有速度、加速度连续， 计算量小和易于实现等优点，被选作插补函数．其具体算法 如下所述．
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机器人外科手术简介
达芬奇(Da Vinci)手术机器人视频演示
以下画面可能会引起不适 请谨慎观看
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机器人结构及控制系统
主从控制系统总体结构
主从式医疗机器人由早期的主从同构 方式发展成为现在的主从异构方式。 异构机器人的实时主从控制必须在很 短时间内完成运动求解、轨迹规划、 抖动消除等计算。
对式(1)在定点处进行泰勒展开得到
∆x和工作空间的角度增量∆q的关系为：
对式（3）两边同时左乘逆雅克比矩阵J（q），得逆运动求解公式：
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机器人结构及控制系统
根据式(4)，可以计算出工具坐标系发生差分变化所需要的机械手关节的差分 变化。但是，等效微分变换法求解逆运动学时因为忽略了高阶误差，而将误 差带入到了控制系统，由(3)式可得：
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床旁机械臂系统
床旁机械臂系统(Patient Cart)是外科手术机器人的操 作部件，其主要功能是为器械 臂和摄像臂提供支撑。助手医 生在无菌区内的床旁机械臂系 统边工作，负责更换器械和内 窥镜，协助主刀医生完成手术。 为了确保患者安全，助手医生 比主刀医生对于床旁机械臂系 统的运动具有更高优先控制权