摘要
穿刺机器人系统具有信息感知能力强、手术操作精确性高等优点，已经在神经外科、骨科等领域得到广泛应用。然而，对于胸腹部穿刺手术，目前的穿刺机器人系统仍存在诸多问题，尚不能很好地满足要求。由于患者呼吸作用的影响，其胸腹部始终处于起伏运动状态，导致胸腹部靶区位置偏移。而一般医学图像只能记录病灶在某一时刻的状态，系统难以准确定位其中的靶点。此外，在胸腹部穿刺任务中，手术工具易与周围组织发生牵拉而造成额外伤害，增加了手术风险。针对上述胸腹部靶区穿刺存在的问题，本文研究用于胸腹部手术穿刺的穿刺机器人精准穿刺控制技术。具体研究内容如下： （1）设计和构建一个光学导航的穿刺机器人系统。结合六自由度机械臂、近红外光学定位系统、反光标记球以及手术工具等组件搭建了系统的硬件平台。系统软件主要包含空间注册、工具注册、影像三维可视化以及系统控制算法等模块。该系统是后续算法及控制技术研究的平台基础。 （2）提出一种基于机器人末端位姿偏移的快速手眼标定算法，用于计算系统各组件之间的空间转换关系。该标定方法的数据采集过程简单且耗时短，基于系统组件之间的闭环空间转换关系计算封闭解，仅需较少的数据输入可实现较高的标定精度。在系统标定的基础上提出了穿刺路径定位算法，通过闭环关系转换计算得到机器人目标位姿以驱动机器人执行路径定位任务。研究靶区跟随及穿刺策略，通过循环获取路径的最新位置信息，计算机器人下一时刻的目标位姿，使用伺服控制指令实现穿刺机器人系统对运动靶区的快速、平滑跟随。在靶区穿刺阶段，将对路径分段生成临时目标点，以引导穿刺针在跟随目标路径运动的同时，逐渐往靶点方向穿刺。实验结果表明，系统精度较高，标定平均误差在0.3mm以下，路径定位误差小于1mm。系统对运动靶区的跟随效果较好，随动延时约为0.2秒。 （3）提出一种基于状态估计的无标定靶区定位算法。基于光学定位系统捕捉的标记点信息设计了三维图像特征，并给出了根据穿刺路径计算期望图像特征的方法。采用图像雅可比矩阵作为视觉映射模型，描述图像特征空间与机器人任务空间之间的映射关系。该矩阵由SCKF在线估计和更新，并通过误差闭环反馈控制实现靶区定位。术前无需对系统进行标定，可直接通过图像特征误差收敛的方式控制机器人完成靶区定位任务。针对胸腹部穿刺场景研究呼吸运动下的靶区穿刺策略，以减小胸腹部穿刺手术中因呼吸运动造成的额外创伤，在呼吸仿真体模的穿刺实验中取得了较好的效果，穿刺误差在3mm以内。
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