椎板减压是治疗腰椎椎管狭窄等疾病的重要手段,具有风险大、耗时长、对医生技术要求高等特点,通过应用手术机器人辅助医生完成椎板减压操作,能在保证手术精度与安全性的前提下减轻医生负担。针对椎板开窗减压术,研发小型串联手术辅助机器人,并对手术轨迹规划方法展开研究。文章综合考虑术中患者摆位、手术区域覆盖范围以及机器人占地空间等因素,通过尺度分析设计出具有最优刚度与精度的五自由度机器人;以椎板磨削中的轨迹规划为目的,基于医学影像数据多尺度分割技术对患者椎板等组织进行分割与三维重建,构建轨迹规划的实际临床环境;采用Isomap与遗传算法实现机器人的磨削轨迹规划,并利用三次样条插值提高机器人运行稳定性;同时采用A*算法实现椎板换位过程中的轨迹规划,避免机器人在三维空间中运动时与非目标区域发生碰撞。

通过对手术机器人智能化视触感知与自主化操作技术在腹腔镜与消化内镜两类典型应用场景下的应用与价值分析,重点介绍了智能化感知、自主规划与操作及微型化力触觉感知技术。在智能化感知技术中,重点介绍了基于在线视觉反馈的智能化分割与三维重构技术;在自主规划与操作技术中,着重介绍了腹腔镜下创口的自主化缝合与内窥镜控制方法;在微型化力触觉感知技术中,面向消化内科的狭小操作环境,介绍了手术机器人柔性化与微型化力感知技术的典型化应用。最后借助对近年来手术机器人技术文献的梳理,进一步讨论手术机器人在智能化与自主化方面的典型性问题与未来的发展方向。

为了直观的对微创手术机器人进行运动分析,首先建立机器人逆向运动学数学模型,并在Matlab中完成逆解程序编写。同时在SolidWorks中建立相应的三维模型,利用SolidWorks Motion对机器人进行了运动轨迹规划和仿真,验证了位置反解的正确性。为了使运动规划和仿真更加直观、简单,需要设计运动仿真前界面。因此,基于LabVIEW强大的前面板功能设计出运动仿真人机交互界面,基于LabVIEW SoftMotion模块丰富的运动函数完成机器人末端轨迹规划,最后将LabVIEW、SolidWorks和Motion设计工具集成到一起,对机器人进行了运动仿真,实现了对运动过程的参数化控制。