答辯博士：齊飛

指導教師：陳柏  教授/博導   鞠鋒副教授

論文題目：微創介入手術機器人運動建模與控制研究

答辯委員會：

主席：李東波      教授/博導        南京理工大學

委員：王興松      教授/博導        東南大學

遊有鵬      教授/博導        ag真人百家家乐平台

吳洪濤      教授/博導        ag真人百家家乐平台

朱玉川      教授/博導        ag真人百家家乐平台

王化明      教授/博導        ag真人百家家乐平台

陳  柏      教授/博導        ag真人百家家乐平台

秘書：陸俊華      副教授/碩導          ag真人百家家乐平台

答辯時間：2019年12月23日  14：00

地   點：南航明故宮校區 15#-341

學位論文簡介：

本文在“國家自然科學基金項目”和“江蘇省研究生科研創新項目”的支持下，研究一種高精度、高安全性的主從操作式的介入手術機器人系統，圍繞着手術機器人系統結構、運動學、動力學、運動規劃及自身彎曲形狀檢測與反饋控制方面的等若幹關鍵技術展開研究工作。

論文的主要研究工作包括：

1、針對傳統手術機器人能動性差、靈活性及安全風險高等問題，研究了一種新型的微創介入手術機器人系統。

2、針對機器人運動性能不足的問題，展開了結構參數對機器人運動性能影響研究，确定機器人基本彎曲單元的最優幾何參數。

3、針對機器人傳動系統摩擦損失的問題，開展了繩-輪系統的傳動特性分析，建立了包含非線性摩擦及彎曲剛度影響的繩-輪傳動系統力傳遞模型。

4、針對運動學無法精确描述手術機器人的彎曲變形問題，開展了手術機器人動力學建模研究。

5、針對手術機器人運動控制精度不高的問題，開展了基于力傳遞模型的驅動誤差前饋控制方法研究。

6、針對複雜管道環境下手術機器人的快速介入問題，開展了基于血管中心線約束的運動規劃和半自主運動控制研究。

7、針對封閉狹小環境中機器人無法得知其彎曲形态和末端位置的問題，開展了一種基于光纖FBG傳感器的機器人形狀檢測與反饋控制研究。

8、為分析手術機器人系統的運動控制性能，分别開展了機器人彎曲性能、主從控制及模拟插管介入的試驗研究。

主要創新點：

1、提出了一種高精度、高安全性的微創介入手術機器人系統結構，并基于幾何分析法對其運動學模型進行分析，且通過研究機器人結構參數對其運動性能的影響，确定了機器人基本彎曲單元的最優幾何參數，提高了機器人的運動性能。

2、提出了一種改進的Capstan方程來分析繩-輪傳動系統間力傳遞特性，建立了考慮非線性摩擦及彎曲剛度影響的力傳遞模型，并對各個模型參數對力傳遞特性的影響進行分析，與經典的Capstan方程相比，所建的模型能夠比較精确的描述繩-輪傳動系統間的粘彈性變形。

3、提出了基于虛功原理的介入手術機器人動力學建模方法，綜合考慮了關節耦合及傳動摩擦對運動建模的影響。并提出了一種基于力傳動模型的驅動誤差前饋控制策略，與補償前相比，基于驅動誤差補償的機器人末端位置精度平均提高了45%。

4、提出了一種基于血管中心線約束的機器人運動規劃方法，前瞻性的解決了冗餘性連續體手術機器人的逆運動學難題；并結合脊線法和關節等效法提出了一種手術機器人的半自主控制策略，實現了機器人安全、快速和精準的介入操作。進一步通過模拟插管研究，機器人與玻璃管道内壁間間隙的均值為3.46mm，相比于理想間隙值5mm，該控制方法具有良好的通過性。