五自由度腹腔鏡虛擬手術機械手的設計與實現(xiàn).pdf

1、隨著外科手術水平的發(fā)展，傳統(tǒng)的臨床教學模式已經(jīng)難以達到教學實踐的目的。虛擬手術因為無創(chuàng)傷、可重復和低成本等優(yōu)點，很快成為了研究熱點。腹腔鏡虛擬手術是最為常見的一種虛擬手術。該領域目前大部分研究僅限于仿真可視化階段，由于缺少人機交互接口，導致醫(yī)生使用時效果跟臨床環(huán)境差別很大。在開發(fā)腹腔鏡虛擬手術系統(tǒng)的過程中，為了使實習醫(yī)生的模擬訓練更加貼近現(xiàn)實，選用機械手設備作為人機交互的接口非常有必要。
　　在臨床中，腹腔鏡手術器械的操作是一種繞

2、固定點作自旋、伸縮、角度開合和四個方向轉(zhuǎn)動的受限制運動。本文根據(jù)腹腔鏡虛擬手術系統(tǒng)的特點，提出機械手設計原則，經(jīng)過尺寸計算和空間結構布局，自主設計了一套五自由度的正交構型機械手設備。該設備支持伸縮、旋轉(zhuǎn)、左右轉(zhuǎn)動、上下轉(zhuǎn)動和角度開合五個自由度的操作，各自由度采用正交構型設計，符合醫(yī)生的操作方式，避免了用于虛擬手術系統(tǒng)時復雜的坐標轉(zhuǎn)換。根據(jù)手術過程中選擇手術器械及其它快捷鍵的需求設計了按鍵面板，并依據(jù)實際臨床情況加入了腳踏板作為按鍵面板的

3、補充。機械手通過采集傳感器捕獲操作者的空間運動信息，傳遞給虛擬手術系統(tǒng)。虛擬手術系統(tǒng)根據(jù)采集到的五個自由度的電壓幅值與機械位移量的對應關系，完成了姿態(tài)信息從機械手到虛擬器械的轉(zhuǎn)換過程，實現(xiàn)了通過機械手控制虛擬器械的目的，滿足了腹腔鏡虛擬手術系統(tǒng)對機械手人機交互功能的需求。
　　本機械手實現(xiàn)了人機交互來控制虛擬手術流程的功能，符合人體工程學，能夠滿足腹腔鏡虛擬手術系統(tǒng)中對手術器械實時操作的要求。該設備具有可擴展性、實時性和易操作等優(yōu)