内容简介

本书聚焦当前研究热点“医疗机器人”领域的脊柱微创手术机器人设计研究。脊柱手术机器人的研究涉及医学、机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、人工智能等学科,是医工交叉融合的典范。目前在脊柱手术机器人设计研究中,对机器人机构运动学设计和机器人运动控制技术、方法的研究较多,对于零部件尺寸公差对运动链的影响的研究较少,本书在这方面做了尝试。全书主要包括脊柱微创手术并联机器人设计、基于神经网络的脊柱微创手术并联机器人运动学、基于对偶四元数的脊柱微创手术并联机器人运动学、脊柱微创手术并联机器人运动学仿真及工作空间分析、脊柱微创手术并联机器人的公差分配及优化设计等。

目录

前言/序言

脊柱微创手术能减少对患者正常组织的破坏，降低手术创伤，实现较小的手术切口，从而保护神经和血管等正常组织，是目前脊柱手术发展的主要方向。应用机器人实施脊柱微创手术，可以充分利用机器人定位精度高、手术切口小、易于控制、稳定性好的优点，是脊柱微创手术发展的方向之一。当前中国在医疗领域投入使用的脊柱手术机器人的种类和数量均较少，主要依赖进口设备，机器人的购置成本和使用成本依然较高。微创手术机器人的设计依然面临较大挑战。

脊柱在人体皮下，要实时、准确地确定脊柱上椎体的位置，需要基于X射线C形臂获得脊柱的三维影像。理论上，可以用C形臂实时观测到患者椎骨，从而便于机器人实时手术，但这种方式使得患者和医生长时间接受辐射，影响生命健康。总而言之，实施脊柱微创手术的难点主要包括三方面：

第一，术野受限，医生无法获得患者个体的准确解剖结构信息；第二，缺乏手术器械的定位导航信息，增加了手术风险；第三，严重依赖术中CT图像，射线累积还会对医生身体产生严重损害。为解决上述问题，需要将机器人技术、导航技术、CT图像技术，与医生的医术和经验相结合，从而达到微创手术的目的。

脊柱手术不同于其他外科手术，主要是椎体的位置难以在手术过程中保持固定不变，脊柱手术导航系统需要保证患者固定，或者将标志固定在脊柱上以实现连续脊柱定位，这种方法增加了手术过程的复杂性，影响了手术效率。因此，脊柱手术导航系统用于脊椎手术方面还处于尝试阶段。但开发适用于脊柱微创手术的机器人，是实现微创手术的前提。这也是当前以色列Mazor公司的Renaissance成为脊柱手术机器人主流的原因。

本书聚焦脊柱微创手术并联机器人设计方法，主要包括6章内容，概述如下：

第1章介绍了脊柱手术机器人的国内外研究现状、脊柱手术机器人分类、本书主要内容及研究意义。

第2章研究脊柱微创手术并联机器人设计，介绍了脊柱手术并联机器人的设计要求、技术设计路线、并联机构选型、相关机器人基本参数确定、并联机构设计方法、机器人驱动及传动部件选型。

第3章介绍了基于神经网络的脊柱微创手术并联机器人运动学，具体内容包括脊柱微创手术并联机器人逆向运动学、基于神经网络的脊柱微创手术并联机器人正向运动学(包括解析解法和基于遗传算法优化神经网络数值解法)。

第4章介绍了基于对偶四元数的脊柱微创手术并联机器人运动学，具体内容包括正向运动学和逆向运动学。

第5章介绍了脊柱微创手术并联机器人运动学仿真及工作空间分析，具体内容包括三维模型的建立、运动学仿真、工作空间分析。

第6章介绍了脊柱微创手术并联机器人的公差分配及优化设计，具体内容包括尺寸公差对并联单链的影响、形位公差的影响、公差优化目标与约束、优化设计方法及优化结果。

研究生张英驰、方义胜、刘君、于文佳参加了书中相关内容的研究工作；本书中的相关研究得到了上海市科委科研计划项目“脊柱微创手术并联机器人的关键技术研究”(项目编号：16090503700)的支持，在此一并表示感谢。

本书可供高校或科研机构机器人工程、机电一体化技术等相关专业的研究生阅读参考，也可供学习和掌握医疗机器人技术的工程技术人员参考。

作 者