论文报告：基于卷积神经网络的手术机器人控制系统设计
摘要
本研究针对机器人辅助微创手术中定向障碍和缺乏导航信息的问题，设计了一种智能控制导航手术机器人系统。该系统采用可靠和安全的定位技术、7自由度机械臂以及避免关节角度限制的逆运动学控制策略，实现高灵活度的机械臂控制。通过术前影像进行手术导航与规划，并采用阻抗柔顺控制保护患者正常组织。智能语音控制实现了术中手术器械位置和姿态的微小调整。系统的有效性通过体模和尸头实验得到验证，显示出高精度的定位和轨迹跟踪能力，以及对手术器械与患者接触力的有效控制。
文献目的
本研究旨在解决传统机器人辅助微创手术中存在的定向障碍和导航信息不足的问题，提高手术的精确性和安全性。
研究问题
研究主要解决的问题包括：
- 如何实现手术机器人的高精度定位和导航。
- 如何提高手术机器人的操作灵活性和安全性。
- 如何通过智能控制减轻医生的操作负担。
使用的方法
研究采用了以下方法：
- 系统设计：设计了包含总控制子系统、手术导航子系统、机械臂及其控制子系统的智能手术机器人系统。
- 光学定位与空间配准技术：用于手术靶点与手术器械的实时跟踪。
- 逆运动学控制策略：避免关节角度限制，提高机械臂灵活性。
- 阻抗柔顺控制：限制手术器械与患者接触力，保护正常组织。
- 智能语音控制：实现术中手术器械位姿的微调。
- 实验验证：通过体模和尸头实验验证系统的有效性。
主要发现
- 系统定位误差小于1mm，轨迹追踪角度误差小于2.5°。
- 术中导航能实时跟踪手术靶点与器械。
- 阻抗柔顺控制可将手术器械与患者接触力降低至1.2N以下。
- 基于语音识别的精细调控满足术中对手术器械运动控制的要求。
作者的结论
所设计的手术机器人系统在机器人辅助微创手术中具有潜在的应用前景，能有效提高手术精度和安全性，减轻医生负担。
创新点
- 智能控制导航手术机器人系统：集成了光学定位、空间配准技术和智能语音控制，提高了手术导航的精确性和操作的灵活性。
- 7自由度机械臂设计：通过避免关节角度限制的逆运动学控制策略，提升了机械臂的操作范围和灵活性。
- 阻抗柔顺控制：在手术过程中有效保护患者正常组织，减少损伤。
- 智能语音控制：通过语音指令实现手术器械的精细调整，减轻医生操作负担。
对现有研究的贡献
本研究通过实际的系统设计和实验验证，推动了手术机器人技术的发展，特别是在提高手术精度、安全性和操作便捷性方面。研究成果为未来手术机器人的临床应用提供了有价值的参考和技术支持。
针对基于柔顺控制的智能神经导航手术机器人系统设计的研究兴趣，以下是一些有效的参考资料，可以帮助您更深入地了解相关领域的最新进展和技术细节：
1. 手术机器人技术基础
- “Surgical Robotics: Systems Applications and Visions” by Russell H. Taylor 和 Adam F. DiGioia. 这本书提供了手术机器人系统的全面概述，包括系统设计、应用和未来展望。
- “Robotics in Surgery” by Dan Stoianovici. 详细介绍了手术机器人的基本原理和技术，适合作为入门读物。
2. 柔顺控制与智能控制
- “Compliance Control in Robotics” by Oussama Khatib, Kaijen Hsiao, and Masayuki Inaba. 这本书讨论了机器人柔顺控制的理论和技术。
- “Intelligent Control Systems” by Magdi S. Mahmoud, Mohamed F. Hassan, and Samy A. Meguid. 探讨了智能控制系统的设计和应用。
3. 导航与定位技术
- “Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention” by Carl-Fredrik Westin. 这本书涵盖了医学图像计算和计算机辅助干预的各个方面，包括导航和定位技术。
- “Principles of Computer-Assisted Radiology and Surgery” by Horst-C. Nierhoff 和 Karl Heinz Hohne. 详细介绍了计算机辅助放射学和手术的原理，包括导航技术。
4. 人机交互与语音控制
- “Human-Robot Interaction: Designing for Human Centered Machines” by Clive Finkelstein. 这本书讨论了人机交互的设计原则，包括语音控制技术。
- “Speech and Language Processing” by Daniel Jurafsky and James H. Martin. 提供了语音处理和识别的基础知识，适合了解语音控制模块的开发。
5. 手术机器人的临床应用
- “The Lancet: Robotics in Surgery” 特刊。提供了手术机器人在临床应用中的最新研究成果和案例分析。
- “Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery”。这个期刊发表了手术机器人领域的最新研究成果，包括系统设计、临床试验和技术创新。
这些资料涵盖了手术机器人的核心技术领域，包括系统设计、柔顺控制、导航定位技术、人机交互以及临床应用。通过阅读这些资料，您可以获得更深入的理解和知识，以支持您的研究和学习。
