● 摘要
显微外科手术具有微创伤、切口小、康复时间短等特点，随着现代医学技术的发展，引起了人们越来越多的关注。角膜移植手术就是其中之一，在角膜移植手术过程中，由于操作对象微小，手术时间长，使得医生感觉非常疲惫，如果能利用机器人运动精度高、稳定性好的特点辅助或代替医生进行手术，则可以很好的解决这一问题。因此进行机器人辅助或代替医生实施手术的研究就显得很有必要。在国家自然科学基金的资助下，本文以角膜移植手术为对象，对角膜缝合机器人机构设计、控制等相关问题展开研究。在充分研究显微外科手术缝合打结作业的基础上，本文首先进行角膜移植缝合机器人的机构选型和运动设计，根据机器人工作空间要求，确定了缝合机器人机构的结构参数。同时，设计了机器人末端缝合器和夹持器。在此基础上，基于机器人D-H坐标系，经过变换矩阵分析方法对机器人进行了运动学分析，得到了机器人主臂的正逆解和雅可比矩阵，通过蒙特卡罗方法求得了机器人的工作空间。根据角膜缝合机器人特点及关节驱动选型结果，设计了角膜缝合机器人的控制系统，确定了机器人控制系统的硬件型号及参数，同时完成了控制系统的电路系统设计。并通过比较分析，确定了关节步进电机软硬件结合的控制方式。然后，基于视觉和图像处理技术，对角膜缝合手术中缝线和线结的识别进行了研究。在缝线图像采集的基础上，开发了基于图像处理技术的缝线识别算法。 根据图论和纽结不变量原理，构建了线结形成过程中的缝线的拓扑模型。提出了采用纽结不变量进行线结状态识别的方法，并对缝线和线结的识别进行了分析讨论。本课题研究为角膜移植机器人进行缝合作业和打结规划奠定了基础,相关的技术可以用于其他医疗机器人的设计和研究。