● 摘要
视网膜血管搭桥手术是一种比较复杂的显微眼科手术。在手术中，医生需要将手术器械从眼球表面上的小孔中伸入并进行精细的手术操作，手术效果受到医生的操作精度和生理颤抖的制约。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，则可以很好地解决这些问题。在国家自然科学基金的资助下，本文以视网膜血管搭桥手术为对象，对视网膜血管搭桥手术辅助机器人的机构设计、运动规划、误差建模等相关问题展开研究。首先，根据视网膜血管搭桥手术的临床手术要求，在分析医生和手术器械的动作及顺序的基础上，取得了手术器械末端的活动空间。根据血管搭桥手术流程，提出了机器人辅助视网膜血管搭桥手术系统的总体方案。根据视网膜血管搭桥手术动作要求，进行了视网膜血管搭桥手术机器人的机构型综合；根据手术器械运动中巩膜刺入点约束要求，设计了远程运动中心机构。建立了机器人系统的三维模型，完成了视网膜手术辅助机器人系统的样机设计和制造。采用机器人运动学分析的D-H方法，对机器人进行了运动学建模和分析，得到了机器人双臂的运动学正逆解和雅可比矩阵。采用蒙特卡洛方法分析了机器人的工作空间，并验证了工作空间满足手术的要求。然后依据手术动作序列，提出了摇杆和按钮控制机器人运动的具体操纵方案，并分析了手术各阶段中的控制设备和机器人的动作关节，并给出了各阶段的运动规划算法。最后，采用摄动法建立了机器人的机构误差模型，通过考虑机器人的制造和装配等误差，采用蒙特卡洛法对腕部和末端的位置误差进行了分析。通过对比实际误差幅度与许用误差幅度，对机器人手术的安全性进行了分析，并提出了提高安全性的方法。论文对视网膜手术机器人系统从机器人手术方案、样机设计、运动学及手术运动规划等方面进行了研究，为进一步显微外科手术机器人的设计和控制奠定了基础。