答辩博士：齐飞

指导教师：陈柏  教授/博导   鞠锋副教授

论文题目：微创介入手术机器人运动建模与控制研究

答辩委员会：

主席：李东波      教授/博导        南京理工大学

委员：王兴松      教授/博导        东南大学

游有鹏      教授/博导        南京航空航天大学

吴洪涛      教授/博导        南京航空航天大学

朱玉川      教授/博导        南京航空航天大学

王化明      教授/博导        南京航空航天大学

陈  柏      教授/博导        南京航空航天大学

秘书：陆俊华      副教授/硕导          南京航空航天大学

答辩时间：2019年12月23日  14：00

地   点：南航明故宫校区 15#-341

学位论文简介：

本文在“国家自然科学基金项目”和“江苏省研究生科研创新项目”的支持下，研究一种高精度、高安全性的主从操作式的介入手术机器人系统，围绕着手术机器人系统结构、运动学、动力学、运动规划及自身弯曲形状检测与反馈控制方面的等若干关键技术展开研究工作。

论文的主要研究工作包括：

1、针对传统手术机器人能动性差、灵活性及安全风险高等问题，研究了一种新型的微创介入手术机器人系统。

2、针对机器人运动性能不足的问题，展开了结构参数对机器人运动性能影响研究，确定机器人基本弯曲单元的最优几何参数。

3、针对机器人传动系统摩擦损失的问题，开展了绳-轮系统的传动特性分析，建立了包含非线性摩擦及弯曲刚度影响的绳-轮传动系统力传递模型。

4、针对运动学无法精确描述手术机器人的弯曲变形问题，开展了手术机器人动力学建模研究。

5、针对手术机器人运动控制精度不高的问题，开展了基于力传递模型的驱动误差前馈控制方法研究。

6、针对复杂管道环境下手术机器人的快速介入问题，开展了基于血管中心线约束的运动规划和半自主运动控制研究。

7、针对封闭狭小环境中机器人无法得知其弯曲形态和末端位置的问题，开展了一种基于光纤FBG传感器的机器人形状检测与反馈控制研究。

8、为分析手术机器人系统的运动控制性能，分别开展了机器人弯曲性能、主从控制及模拟插管介入的试验研究。

主要创新点：

1、提出了一种高精度、高安全性的微创介入手术机器人系统结构，并基于几何分析法对其运动学模型进行分析，且通过研究机器人结构参数对其运动性能的影响，确定了机器人基本弯曲单元的最优几何参数，提高了机器人的运动性能。

2、提出了一种改进的Capstan方程来分析绳-轮传动系统间力传递特性，建立了考虑非线性摩擦及弯曲刚度影响的力传递模型，并对各个模型参数对力传递特性的影响进行分析，与经典的Capstan方程相比，所建的模型能够比较精确的描述绳-轮传动系统间的粘弹性变形。

3、提出了基于虚功原理的介入手术机器人动力学建模方法，综合考虑了关节耦合及传动摩擦对运动建模的影响。并提出了一种基于力传动模型的驱动误差前馈控制策略，与补偿前相比，基于驱动误差补偿的机器人末端位置精度平均提高了45%。

4、提出了一种基于血管中心线约束的机器人运动规划方法，前瞻性的解决了冗余性连续体手术机器人的逆运动学难题；并结合脊线法和关节等效法提出了一种手术机器人的半自主控制策略，实现了机器人安全、快速和精准的介入操作。进一步通过模拟插管研究，机器人与玻璃管道内壁间间隙的均值为3.46mm，相比于理想间隙值5mm，该控制方法具有良好的通过性。