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肿瘤穿刺中基于UR机器人控制方法的研究

发布时间:2020-06-12

肿瘤的穿刺在肿瘤微创介入治疗中起到重要作用,穿刺的精度直接影响后续手术的效果。目前临床中的穿刺操作一般由医生手动进行或者在引导设备的帮助下进行,暂时没有能辅助医生完成穿刺动作实施的设备。这一方面导致了手术效果高度依赖于医生的经验及患者的配合程度、精度稳定性低,难以达到例如对布针平行性要求很高的纳米刀等介入疗法的要求;另一方面增加了医生的疲劳度,同时也增加了患者所受辐射伤害的程度。为了弥补现有手动实施穿刺的不足,需设计一种高自动化的设备在医生的控制下实施准确的进针操作。


为此,本文利用机器人高精度的线性运动,结合光学导航装置的实时跟踪、软件规划模块的穿刺方案,构建了机器人辅助系统,辅助医生完成肿瘤穿刺。为了完成穿刺动作的实施,需解决现有机械臂末端夹持器不能稳固夹持穿刺针等问题。为了贯通光学导航定位装置、机械臂及穿刺针,还需实现三者之间的手眼标定、工具-法兰标定的问题。

在此基础上,需完成系统内部不同坐标系间的坐标换算,得到穿刺入口点、靶点及角度指令,最终控制机器人完成肿瘤穿刺的进针动作。


本文针对以上问题,完成了相应研究内容:

(1)构建了机器人辅助肿瘤穿刺系统。采用参数合适的UR10机器人,结合光学导航定位装置、设计的新型夹持器以及穿刺针构成了系统硬件平台。系统软件平台主体由穿刺路径规划模块构成,结合术前影像与导航装置的跟踪定位,完成手术路径的规划。将规划结果输入到机器人模块结合坐标换算关系得到控制指令。最终通过头模等实验证实了本系统的有效性。


(2)研究了适于临床使用的快速标定方法。基于罗德里格斯旋转公式和矩阵伪逆计算这两个基础的矩阵计算方法,提出了一种实用性高的基于三回路计算的标定方法,可实现本系统的手眼标定及工具-法兰标定。最后仿真和实际实验结果表明,该方法通过13 个位姿数据即可完成误差稳定在5 毫米以内的手眼标定及工具-法兰标定。在达到高精度的同时可基于较少的数据量完成标定,适用于临床高精度、快速标定的应用需求。


(3)研究机器人的穿刺控制方法。基于标定结果,计算出了系统各坐标系间的未知变换矩阵,将光学导航定位装置坐标系下的坐标转换到机器人基座坐标系下,得到入口点、靶点,进一步得到穿刺针摆位角度。最终通过点精度、直线及圆轨迹控制精度误差实验表明,本系统的控制精度误差在5 毫米以下。


本文设计了一种用于经皮穿刺的手术机器人末端通用夹持器,利用机器人的线性运动,可以完成穿刺动作的实施。基于机械臂,结合光学导航定位装置构建了用于肿瘤穿刺的机器人系统。提出了一种基于三回路计算的标定方法,基于少量数据及基础算法即可完成高精度的手眼标定及工具-法兰标定。解决了控制参数换算及机器人线性穿刺控制的问题。最终通过实验验证了本文所构建的辅助穿刺机器人能有效减少穿刺手术的准备时间,能完成穿刺动作的精准实施,减轻了医生负担、减小了对患者的辐射伤害、降低了穿刺手术并发症的危险性,适于临床穿刺手术的应用,有较好的应用前景。

备注:本文出华南理工大学材料科学与工程学院生物医学工程 张哲思 硕士学位论文《肿瘤穿刺中机器人控制方法的研究》如有侵权,请联系我们删除。

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