● 摘要
骨科机器人是医疗机器人的重要应用领域之一。由于传统的骨科手术存在着手术风险高、时间长，医生易疲劳、经验要求高，难以广泛开展等问题，股骨颈手术中存在着空心钉植入不准确、暴露在X光下操作时间过长和手术监控等隐患因素。针对以上手术中实际存在的问题和隐患，本文结合机器人技术、传感检测技术、人机交互技术、机电控制等先进技术，开发出一套股骨颈手术机器人系统，用于安全的手术操作，达到较好的解决效果。首先分析了股骨颈骨科手术特点和临床需求，考虑到模块化及即插即用等思想，开发了一种五自由度PRPRR型机器人机构。通过对手术空间及操作空间的分析，五自由度骨科机器人的机械结构在设计时充分考虑到了与人手臂、手腕类似之处，从协助医生辅助完成手术的角度完成了PRPRR型机器人的构型设计。然后根据对控制系统架构的分析，考虑到模块化思想及今后系统的可扩展性，设计了基于RS485接口的分布式控制系统。该控制系统为采用了PC机作为上位机，单片机为下位机，上下位机之间通过RS485实现串口通信。这套控制系统包括了运动控制子系统、运动驱动子系统。完成了系统的硬件与软件的设计与实现，并对安全设置方面进行了研究。该系统具有关节运动控制、手动控制等功能。实验表明了机器人具有了较高的运动精度，提高了手术的精确性，从而提高了安全性。从提高人机交互的性能角度，将三维鼠标与系统集成，从而加强了医生对机器人操作的干预，提高了便捷性。最后在微创骨科手术中心的数字化手术平台上，使用机器人系统进行模拟手术实验，实现了机器人单关节的精确运动及三维鼠标对机器人的牵引操作，达到手术要求。模拟手术实验证明了五自由度骨科手术机器人系统的可行性，说明基于RS485接口的分布式控制系统及三维鼠标可行性。将实验结果与传统手术进行比较，说明使用五自由度骨科机器人系统实施股骨颈手术具有手术精度和安全性高、手术难度小、时间短、减轻医生疲劳等优点。