摘要
微创手术与传统的外科手术相比，有尽可能小的手术切口，降低了对内环境稳态的破坏，减轻了内脏组织器官的损伤，并且在此基础上保证了与传统外科手术相同或更好的治疗效果。基于这些优点，微创手术越来越多地取代开放式手术。然而微创手术由于非接触解剖，外科医生的视野、手术工具的工作空间都受到一定制约，严重影响外科医生的手眼协调性，导致微创手术难以学习和掌握，极大地阻碍了微创手术的普及和推广。在过去的十几年中，机器人技术在医学领域发挥着越来越重要的作用。机器人辅助微创手术可以帮助医生精准定位，提供生理震颤过滤装置，解决了疲劳和人手不稳定影响手术质量的问题并且机器人主从遥控功能可以使得医生工作在对人体不利的环境中，所以机器人辅助医疗在微创手术方面有着巨大的应用前景。 目前，机器人辅助微创手术在临床上已有验证，自FDA批准通过了达芬奇机器人后，多篇机器人辅助手术的论文被发表，达芬奇机器人克服了腹腔镜手术的许多局限性，不仅证明了这项技术的可操作性也证明了机器人辅助微创手术技术的安全性。但当前的微创手术机器人系统仍有很大的发展空间，虽然外科医生可以凭借经验利用视觉反馈补偿触觉反馈，但力反馈的缺失依然对手术质量和效率具有极大影响。针对这个问题，本文提出了基于视觉的触觉传感器，联合触觉反馈设备对感测到的力进行力觉渲染，并且结合连续体机器人结构，使得触觉反馈设备末端执行器控制连续体机器人的运动。 本文围绕具有力反馈的连续体机器人，主要进行以下三方面的研究： （1）提出新型视觉触觉反馈传感系统，设计了其硬件结构和数据采集装置，提出了特征提取算法，比较了不同的机器学习算法对数据集的拟合效果。在实验中不断优化硬件结构和软件参数，对标记点的个数选择进行了精度和鲁棒性之间的平衡，分析了红外光照、探针直径和探针长度对传感器量程的影响，详细分析了多层神经网络结构对模型精度的影响。 （2）完成触觉反馈设备对连续体机器人的运动控制功能。由于触觉反馈设备的OpenHaptics工具包需要使用C++语言对其工具库进行调用，所以连续体机器人的运动控制主板通过C++串口通信完成与上位机的通信交互。其主板选择为MKS GEN_L V2.1，烧录固件为marlin1.1.8，命令指令为G代码。通过实际操作，了解G代码指令与对连续体机器人形变的对应关系，将触觉反馈末端执行器的位移转换为机器人相对于的G代码驱动电机指令。 （3）对视觉触觉传感器感知到的力进行力觉渲染。当触觉反馈设备遥控机器人运动时，处于机器人末端的探针也会随之运动。当在运动过程中，探针触碰到物体，发生形变，视觉触觉传感器会将形变映射为力觉信息，同时传递到触觉反馈设备，此时触觉反馈设备即可感受到机器人末端受到的力。
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