摘要
近年来，随着医学技术的不断发展，微创手术逐渐成为一种越来越受欢迎的治疗方法。微创穿刺手术作为一种常见的微创手术方式，与传统的开放手术相比,它具有许多优点。但其操作过程的复杂性、风险高、效率低等问题制约了其广泛应用。为了让微创穿刺手术机器人达到更加智能化的水平，以应对多种复杂的手术环境，本文在分析了医疗机器人、机器人路径规划、数字孪生技术的发展现状后，针对当前现状，提出了一种基于虚拟力场的机器人路径规划算法，并在数字孪生实验平台上完成了机器人模拟穿刺实验。 首先，提出了一种基于孪生力场的机器人控制算法。使用坐标变换矩阵建立机器人数学模型，然后根据穿刺手术中的不同阶段，分别在穿刺前引导阶段、置入穿刺套管阶段、器械行进阶段的提出不同的机器人控制策略。采用基于理论力学的控制引导模型，以目标点为牵引力场的场源、障碍点为排斥力场的场源，提出了具有不同功能的虚拟牵引力和虚拟排斥力，以实现机器人自主姿态调节算法、穿刺套管避障算法、压装行进算法、逃离局部极小值算法等。该算法不仅能够保证机器人穿刺的准确性和安全性，而且可以适应不同的手术环境。 然后，按照ISO23247设计并搭建了数字孪生实验平台。根据ISO23247标准中对数字孪生框架各功能模块的描述，设计并搭建了基于数字孪生技术的机器人控制的实验平台。数字孪生实验平台由四部分组成，分别是可观测操作模块、设备通信模块、数字孪生模块和用户模块。在数字孪生模块中实现可观测操作元素建模及其数字表征，并实现离线预测与在线决策功能;在设备通信模块中控制UR5e机器人并收集UR5e数据;在用户模块中实现人机交互功能。数字孪生实验平台的搭建为后续的实验研究打下基础。 最后，在数字孪生实验平台上完成了机器人模拟穿刺实验。术前在数字孪生系统中仿真出一条最佳穿刺路径，实际手术操作时在复现该路径的基础上，通过数字孪生系统的在线感知与在线决策功能，由视觉系统实时感知目标位姿，数据收集模块收集机器人信息，根据这些信息给机器人发送实时决策指令，使其完成机器人手术动作。最终对比并分析机器人实际手术操作和术前仿真的末端点轨迹。实验结果表明，数字孪生系统可以有效地指导机器人完成穿刺操作，证明手术机器人智能穿刺的具备可行性。
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