答辩博士：白东明
指导老师：陈柏教授/博导
论文题目：主从控制式导管机器人系统设计与安全机制研究
答辩委员会：
主席：王兴松 教授/博导 东南大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
左健民 教授/博导 南京工程学院
吴洪涛 教授/博导 南京航空航天大学
苏小平 教授/博导 南京工业大学
秘书：鞠 锋 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2020年9月11日 10：00
答辩地点：17-519
学位论文简介：
为改善介入手术环境，减轻医生的劳动强度，提高手术质量和效率，保证手术的安全性和可靠性，本文设计了一种主从操作式的导管机器人系统，并对其安全机制展开研究。该系统可以根据不同患者差异化的血管特点，优选出最为安全的导管构型方案，以降低术中意外损伤发生的可能，同时向医生提供振动触觉引导，确保导管机器人在插管操作过程中沿安全路径运动，减小与血管壁的可能接触；导管在与组织发生接触时，则通过力检测与反馈技术辅助医生实施安全避障操作；到达手术区域后进行诊疗操作时，则通过柔顺控制限制导管与组织之间接触力，确保手术安全。
论文的主要研究工作包括：
1．对导管机器人系统的设计需求进行了分析，由此确定导管机器人系统方案，并对系统各组成部件进行了方案设计；结合介入手术对导管机器人在不同操作时段的人机交互安全性的要求，分别对系统安全策略、安全指数计算方式与安全实现方法进行了研究。
2．对导管机器人结构与模型重构方案展开研究。进行模块化设计，建立运动学模型；提出血管中心线快速提取与描述方法，基于血管中心线数据，确定满足介入手术安全要求的导管机器人重构方案。
3．提出一种基于振动触觉的引导方法。建立主手工作空间的振动势场，设计可穿戴的振动触觉手套，实现对导管机器人末端位置的安全引导。
4．对无传感器导管机器人接触力矩估计与反馈方法进行研究。建立准稳态力学模型，对导管接触状态进行检测与估计，并将估计得到的各节弯曲单元接触力矩进行融合并反馈，为导管机器人避障操作和柔顺控制奠定基础。
5．对人体主动脉血管组织生物力学特性进行分析，以猪心脏主动脉为样本进行血管拉伸实验，建立导管机器人弯曲单元与血管组织的接触模型，获得导管机器人与主动脉血管壁接触力矩的安全阈值，提出一种基于位置的柔顺控制策略，仿真分析不同阻抗参数对控制系统响应特性的影响。
6．搭建导管机器人系统原理样机，对导管机器人各阶段安全机制实现方法进行实验验证。
主要创新点：
1、提出了一种导管机器人系统方案及整体安全机制。根据导管介入手术需求，确定导管机器人系统方案，对系统各组成部件进行了方案设计；结合介入手术对导管机器人人机交互安全性的要求，分别对系统术前安全路径规划阶段、在线实时安全轨迹引导阶段、实时安全避障阶段与柔顺控制阶段的安全策略、安全指数与安全实现方法进行了研究。
2、提出了一种面向任务的导管机器人结构与模型重构方案。对导管机器人进行模块化设计，建立了单节弯曲单元和导管机器人的运动学模型，提出一种血管中心线快速提取与描述方法，基于血管中心线数据，以安全指数为优选条件，采用逆推迭代的方式逐节确定弯曲单元规格，最终确定满足介入手术安全要求的导管机器人结构方案。
3、针对术中实时推送引导，提出一种基于振动触觉的引导方法。建立主手工作空间的振动势场，设计了一种可穿戴的振动触觉手套，通过向操作者提供不同位置、强度的振动刺激，引导主手操作，进而实现对导管机器人末端位置的安全引导。
4、针对到达手术目标区域后，实时安全避障与柔顺控制问题，提出了一种无传感器的导管机器人接触力估计与反馈方法。根据导管机器人驱动单元输出位移和力矩，结合运动学与准稳态力学模型，对导管与人体组织接触状态进行检测与估计，进而基于模糊推理原则，将估计得到的各节弯曲单元接触力进行融合并反馈，为导管机器人避障操作和柔顺控制提供基础性数据。
