摘要
随着人口老龄化加速，慢性疾病的发病率不断上升，传统手术方式已经无法满足患者的需求，微创手术机器人成为新的解决方案。单孔腹腔镜手术机器人作为微创手术机器人的最新发展方向，有着微创、精细、灵活等显著优势，已成为手术机器人行业的研究热点。然而其高度集成的系统也对手术机器人提出了更高的技术要求，机器人需要有更高的自由度以便在有限的空间内完成复杂的手术操作，这为实现机器人的精确控制增加了难度。并且受限于机器人尺寸与工作环境，力传感器难以应用，如何获取手术过程的交互力也成为研究难点。针对上述问题，本文以实验室自主设计研发的单孔腹腔镜手术机器人为对象，对单孔腹腔镜手术机器人的主从控制策略以及力感知方法进行了深入的研究。 首先，对单孔腹腔镜手术机器人的机构设计方法进行研究，分析其机械构型、自由度分布以及传动方案，进一步基于三重空间映射理论求解机器人运动学模型。通过旋转矩阵法和解析法求解出机器人关节空间到笛卡尔空间的运动学模型，同时基于丝传动方案设计原理，求解出机器人驱动空间到关节空间的映射关系，从而得到驱动空间钢丝位移与机械臂末端位姿之间的映射关系，为机器人主从控制的实现奠定了基础。并基于蒙特卡洛法对机器人工作空间进行分析，通过与常见微创手术的操作空间进行对比，验证机器人结构设计的合理性。 其次，提出了一种手眼协调的基于位姿增量的比例式主从控制策略。基于对异构型机器人控制系统的分析，建立机器人主从坐标系，通过坐标姿态转换的方法实现了内窥镜视角下手术机器人的直觉性控制。采用增量式控制和比例式控制实现安全、精确的操作。同时还设计了主手除颤算法对手部震颤进行过滤，实验表明所提出的除颤算法能够有效减少震颤信号。 再次，针对单孔腹腔镜手术机器人难以获取手术过程中交互力的问题，提出了一种基于自适应稀疏广义回归神经网络的力观测器。所提出的力观测器基于机器学习的方法来预测机器人与环境的相互作用力，而无需借助机器人的动力学参数。此外，为提高力观测器的准确性，本文创新地提出了一种结合了包裹法和稀疏正则化方法的特征选择方法，用于确定力观测器的最佳输入特征。并且定义了两种新的标准来剔除模型中无用的支持向量。同时通过改进的蚁狮优化算法对力观测器模型的带宽参数进行优化。通过实验验证了力观测器设计方法的有效性。 最后，对所提出的主从控制策略和力观测器进行完整的实验研究。设计直觉性控制实验、主从跟随实验以及比例映射控制实验对主从控制策略进行了验证，实验表明单孔腹腔镜手术机器人能够精确地实现直觉性控制和比例映射控制。基于异构型遥操作平台设计不同环境下的力估计实验，验证了力观测器的有效性。
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